Закономерности лазерной резки металлов непрерывным излучением

Основные параметры и показатели процесса лазерной резки.Для процесса лазерной резки металлов можно выделить основные факторы, определяющие производительность и качественные показатели процесса. Среди них важными являются: плотность мощности лазерного излучения, скорость резки, давление и состав подаваемого вспомогательного газа, поглощательная способность поверхности материалов, вид и свойства разрезаемых материалов. Плотность подводимой в зону обработки мощности зависит, в свою очередь, от мощности лазерного излучения, его модового состава, поляризации и условий фокусировки (фокусного расстояния линз, величины и направления расфокусировки).

В силу ряда причин, области режимов, обеспечивающих высокое качество кромки реза и высокую эффективность процесса, при лазерной резке металлов зачастую не совпадают.

Параметры получаемого реза при лазерной резке металлов имеют много сходных характеристик с другими термическими способами резки. Характеристики получаемого реза определяют следующие показатели: точность, неровность реза R_z, неперпендикулярность (клиновидность) j, протяженность зоны термического влияния b_зтв, ширина верхнего реза b_в, ширина нижнего реза b_н, количество грата (наплывы на нижней кромке разрезаемого материала).

При резке металлов непрерывным излучением лазера различают стационарный и нестационарный характер разрушения материала.

Значение скорости разрушения v_р зависит от физико-химических свойств металлов. Весь диапазон скоростей лазерной резки металлов непрерывным излучением можно представить в виде: первой области режимов со скоростью v < v_р, соответствующий нестационарному механизму разрушения, второй - v > v_р, соответствующей стационарной скорости разрушения и третьей - v < 0,5 м/мин, автогенный режим резки. Для алюминия автогенный режим резки не проявляется (нет горения) вплоть до плотности излучения ~10⁶Вт/см². Это обусловлено наличием трудно удаляемой, термически прочной пленки Al₂О₃в зоне расплава. Каждая из областей характеризуется определенными физическими условиями существования и показателями качества реза.

Нестационарный режим, устанавливающийся при малых скоростях резки, является нежелательным и при резке его избегают, т. к. на кромке реза наблюдается значительное количество грата, ухудшающее качество обработки.

При нестационарном механизме разрушение протекает периодически, на передней кромке материала. После удаления очередной массы жидкого расплава из канала реза в нижней ее части вновь образуется расплав, т. к. из-за расширения сфокусированного лазерного излучения нижняя ее часть, протяженностью 2r_л- x₀, постоянно находится в поле лазерного излучения.

На верхней кромке реза образуется расплавленный участок протяженностью x_s. Зона этого расплавленного участка распространится на большее расстояние в направлении резки, чем переместится лазерный луч (характерно для малых скоростей резки), т.е. x_s> x₀. Образовавшаяся ванна расплава не удаляется т.к. динамического воздействия потока вспомогательного газа оказывается недостаточно. В следующие моменты времени процесс плавления металла приводит к увеличению объема ванны расплава и при достижении определенных размеров расплав удаляется из зоны обработки. Процессы разрушения материала далее периодически повторяются, и рез оказывается неровным (с наплывами и гратом).

Стационарный механизм разрушения материала устанавливается при высоких скоростях резки, когда x_s> x₀. Разрушение материала происходит в непрерывном режиме, а температурное поле вокруг движущегося лазерного луча постоянно. В этом случае рез будет более ровным и качественным.

Диапазон скоростей резки для стального листа, при которых еще сохраняются борозды на поверхности реза, лежит в пределе v_р < 2,5 м/мин (нестационарный режим).

При более низких скоростях перемещения луча v_р < 0,5 м/мин, металл у кромок реза нагревается за счет механизма теплопроводности, настолько, что переходит в режим неуправляемой, автогенной резки, независимо от толщины разрезаемого материала. В этом случае металл горит по всей поверхности контакта с газовой струей, за счет экзотермической реакции окисления. Рез получается с сильно увеличенным по ширине размером, боковые стенки приобретают рваную форму.

Таким образом, при воздействии лазерного излучения на металлы возможны два механизма резки - плавление и испарение. При этом канал реза, существует по всей толщине металла и перемещается со скоростью v_р в направлении резки.

Практическое использование резки металлов за счет только одного механизма испарения затруднено из-за высоких энергозатрат на теплопроводность материала и необходимостью поддержания температуры металла на уровне температуры кипения.

Заметное снижение энергозатрат достигается использованием вспомогательного газа для удаления продуктов разрушения металла из канала реза.