Файл: Применения лазеров..pdf

ченные из эксперимента значения ф при резке сталей изме­ нялись в интервале — 0,4 с ijj <с 5,3.

Химические процессы в диэлектриках сложнее, чем в металлах, и оценки гр еще более затруднены. Для боль­ шинства органических материалов процессы в зоне резания сопровождаются разрывом связей С—С или С—О, как наи­ менее прочных [15]. При этом затрачивается энергия около 80 ккал/моль. Процессы ассоциации в зоне резания могут приводить к образованию С02 с выделением энергии 95 ккал/моль. Оценки значений ар для органических мате­ риалов (пластмасс) дают —5 <а[) < 2.

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Описываемые ниже исследования [13] проводились на установке с лазером мощностью до 500 Вт в многомодовом режиме. Луч фокусировался линзой (F = 150 мм) в пятно диаметром ~0,5 мм. Коническое сопло, через которое луч и газ попадали на образец, имело выходное отверстие диа­ метром 1,5 мм. Давление газа внутри резака достигало 3 атм, при этом расход газа составлял ~0,5 л/с. Рабочий стол обеспечивал перемещение образца относительно не­ подвижного резака со скоростью 0,1—10 м/мин.

Резание металлов

Исследование режимов резания различных материалов показало, что скорость и качество резания существенно за­ висят от параметров газовой струи, в частности от давле­ ния газа в резаке. Обычно резка металлов осуществлялась с поддувом кислорода, за исключением специально огово­ ренных случаев. Скорость существенно изменялась в об­ ласти низких давлений газа и слабо при давлениях, пре­ вышающих 2,5 атм. Качество реза при увеличении расхода газа улучшалось. Рез получался с чистыми кромками и малой зоной термического влияния.

Экспериментальные исследования показали, что каче­ ство и скорость резания повышаются при уменьшении расстояния от сопла среза до поверхности материала.

Удовлетворительные результаты получаются при зазоре меньше 1 мм. Хорошее качество реза с незначительным количеством грата удавалось получать на следующих материалах: малоуглеродистые стали толщиной до 4 мм; нержавеющие высоколегированные стали СН-3, 2X13, ВНС-2, ВНС-4х/к толщиной до 2 мм; титановые сплавы ВТ-5, ВТ-14, ВТ-20М, ОТ-41 толщиной до 1,5 мм (более толстые образцы жаропрочных сталей и титановых спла­ вов не исследовались).

и нержавеющих сталей показало, что: а) ширина зоны тер­ мического влияния в материале со стороны входа луча меньше, чем со стороны выхода; б) изменение микротвер­ дости материала у выходной кромки реза больше, чем у входной, и на расстоянии от края реза менее 0,1 мм микро­ твердость достигает нормальной величины; в) ширина зоны оплавления при оптимальном режиме резания имеет ве­ личину менее 0,1 мм. Микроструктура кромок реза стали Х18Н10Т показана на фиг. 2. Литая зона на этом образце была менее 0,05 мм при ширине реза около 0,3 мм. Ширина реза обычно не превышала 0,6 мм для металлов и 0,2— 0,8 мм для диэлектриков.

Количественные исследования процесса лазерной резки наиболее систематически проводились на образцах сталей Х18Н10Т и СтЗ, поскольку этого было достаточно для выяснения общих закономерностей. На фиг. 3 показана зависимость скорости резания от мощности лазера и тол­ щины материала. Разброс экспериментальных точек в пределах 10—20% связан с неточностью определения поро­ говой скорости, непостоянством зазора между срезом соп­ ла и образцом, а также погрешностью измерения мощно­ сти излучения.

Фи г . 3. Зависимость пороговой скорости резания от мощности лазера (для стали Х18Н10Т).

Для сравнения полученных экспериментальных данных с расчетом необходимо было знать долю поглощенного излучения, охлаждающее действие струи и величину пара­

ра (]> пока не представляется возможным. Сопоставляя, эк­ спериментальные и теоретические зависимости, можно сде­ лать некоторые выводы о значении параметра ф. На фиг. 1 приведены результаты обработки экспериментальных дан­

Следовательно, график в координатах и и w позволяетоп­ ределить значения ф и термохимический параметр ф = =dJ2y0. Для стали Х18Н10Т ф « —0,5 ± 0,2. Аналогич­ ным образом обработка экспериментальных данных для стали Ст. 3 дала ф = 1,9 ± 0,2.

уровнях мощности лазера был не совсем управляемым: наблюдались прожоги и выплески металла. Качество резки было низким. Это можно объяснить тем, что найденное значение параметра ф та 1,9 при U 0,5 соответствует неустойчивому режиму резания. Однако по расчетам при U > 0,6 (и > 2 см/с) режим должен быть управляемым, что и наблюдалось в экспериментах. При расфокусировке луча, когда с/л возрастает, устойчивый режим резания малоуглеродистой стали получался лишь при больших

удается получить даже при скоростях около 20 см/с (U «5). Оценки показывают, что значения ф д л я титана в струе кислорода существенно превышают критическое (ф « « 10—20). В то же время резка титана с поддувом воздуха вполне устойчива. Оценки параметра ф для этого режима дают величину ф = 0 ± 0,2.

Из сказанного следует, что приведенные выше расчеты позволяют объяснить основные явления, наблюдаемые при газолазерной резке металлов. Были поставлены также опы­ ты для выяснения влияния размера светового пятна на поверхности образца при фиксированном уровне мощности. Результаты соответствующих экспериментов и расчета показаны на фиг. 4. Хорошо согласующиеся экспери­ ментальные и расчетные значения указывают на ги­ перболическую зависимость скорости резания от радиуса луча.

Резание диэлектрических материалов

Ассортимент материалов, обрабатываемых методом га­ золазерной резки, был весьма широк и включал дерево, пластмассы, стеклопластики, стекло, кварц, керамику, ас­ боцемент, композитные материалы на основе бора и угле­ рода, стеклоуглерод, резину, текстильные материалы, кожу

идр. Рез практически всегда получался чистым, ровным,

схорошо сформированными кромками. Благодаря низкой теплопроводности и высокой концентрации энергии тол­ щина дефектного слоя материала была меньше 0,1 мм. На кромке реза некоторых материалов органического проис­ хождения заметны следы легкого обугливания. При реза­ нии образцов большой толщины наблюдалась самоканали-

зация излучений в материале, т. е. ширина реза на выходе луча из образца была существенно меньше, чем можно было бы ожидать, исходя из геометрической расходимости луча после линзы.

При газолазерной резке стекла весь расплавленный материал выдувался газовой струей. Рез со стороны входа луча был чистый, а со стороны выхода наблюдались натеки плавленого стекла. При резке оконного стекла натеки представляли собой сильно растрескавшуюся легко от­ делимую массу. Качество резки стекла марок ЗС-5, ЗС-49,