Файл: Применения лазеров..pdf

ПРИЛОЖЕНИЕ 4

ГАЗОЛАЗЕРНАЯ РЕЗКА МАТЕРИАЛОВ

В. П. Тычинский

ВВЕДЕНИЕ

В течение последних лет появились новые сообщения, подтверждающие большое практическое значение газола­ зерной резки для некоторых отраслей промышленности

[1—7].

Рассмотрим специфические особенности газолазерной резки материалов. Благодаря отсутствию механического воздействия при помощи лазеров можно осуществлять раскрой хрупких, вязких и мягких материалов (стекла, резины, тканей и т. п.). Высокая температура в зоне ре­ зания обеспечивает обработку самых прочных и тугоплав­ ких материалов, поддающихся только абразивам и алмаз­ ному инструменту (металлокерамика, стеклоуглерод, ком­ позитные материалы на основе нитей бора и углерода). Ма­ лые затраты энергии и ее высокая плотность позволяют получить параллельные кромки при малой ширине реза и незначительной зоне термического влияния. Лазерные уста­ новки с программным управлением оказались более произ­ водительными и удобными для раскроя листового мате­ риала, чем металлорежущие станки, и позволяют изготав­ ливать детали сложных конфигураций.

Перечисленные особенности в значительной степени связаны с поддувом активного или нейтрального газа в зону резания [8]. В табл. 1 приведены значения скоростей (о) резания металлов и диэлектриков различной толщины (б) С02-лазерами с мощностью от 100 до 850 Вт. Для под­ дува использовался кислород [4, 9, 10, 11].

В табл. 2 приведены некоторые результаты по резке материалов лучом С02-лазера без поддува активного газа при высоком уровне мощности [13]. Зона термического влия­ ния на композитные материалы на основе бора и на метал­ лах (алюминий, нержавеющая и углеродистые стали) при скорости резания 1—2,5 м/мин не превышала 0,25 мм.

Теоретические и экспериментальные исследования про­ цесса газолазерной резки находятся пока в начальной ста­ дии. Ниже приводятся основные результаты исследований по данным работы [13].

где ф = QIcTq— безразмерный термохимический параметр, который не зависит от условий резки и является характе­ ристикой материала и поддуваемого газа.

Используя выражения (1) и (2), можно получить сле­ дующее выражение для требуемой мощности лазерного луча:

Из этого следует, что при ф <1 1,9 dWJdt] > 0, т. е. увеличение ц приводит к росту wJI. Это характеризует устойчивый режим резки. При ф > 1,9 режим становится неустойчивым. Величина шл имеет отрицательные значения, что свидетельствует о возможности резки только за счет энергии химических реакций.

Для анализа процесса при больших значениях скоростей целесообразно рассмотреть более общий случай с тепловым источником, интенсивность которого распределена по гаус­ сову закону

нальный скорости V , Еі — интегрально-показательная функ­ ция.

Положим, что Г(0) > Т0, тогда ширина реза, равная ширине изотермы Т0, будет иметь конечную величину. Это позволяет феноменологически рассмотреть процесс резания и учесть вклад энергии химической реакции, так же как в случае с точечным источником. По аналогии с выражением (2) положим

Теперь, однако, параметр ср зависит от ширины реза. С учетом вклада энергии химических реакций выражение

(4) в безразмерных переменных принимает вид

2

Графики функции wJJU, ср) представлены на фиг. 1. В этом случае также существует область устойчивого (при

Рассмотрим предельный случай процесса, когда тепло­ проводностью материала можно пренебречь. Это справед­

материала). Рассчитать ее значение для большинства мате­ риалов пока не удается и наиболее целесообразно ее опре­ делять опытным путем.

Тем не менее можно произвести приближенные оценки

Fe + 0,5Оа = FeO + 64 кал/моль.