Физические процессы при лазерной резке металлов

Воздействие лазерного излучения на металлы при резке характеризуется общими положениями, связанными с поглощением и отражением излучения, распространением поглощенной энергии по объему материала за счет теплопроводности и др., а также специфическими для процесса резки особенностями.

Лазерное излучение нагревает, плавит и испаряет материал по линии предполагаемого реза, а поток вспомогательного газа удаляет продукты разрушения. Газовый поток не только транспортирует продукты разрушения. При использовании кислорода или воздуха при резке металлов на поверхности разрушения образуется оксидная пленка, повышающая поглощательную способность материала, а в результате экзотермической реакции выделяется достаточно большое количество теплоты.

На участке воздействия излучения металл нагревается до первой температуры разрушения - плавления. При дальнейшем поглощении излучения металл расплавляется и от участка воздействия излучения в объем материала начинает перемещаться фазовая граница плавления. Наряду с этим энергетическое воздействие лазерного излучения приводит к последующему повышению температуры, достигающей второй температуры разрушения − кипения, когда имеет место активное испарение. Скорость испарения экспоненциально зависит от температуры и максимального своего значения достигает при стационарной температуре испарения, когда скорости фазовых границ плавления и испарения одинаковы.

В зависимости от плотности мощности лазерного излучения количество расплавленного металла, стационарная температура, скорость плавления и испарения будут различными. Указанные параметры характеризуют процесс разрушения, и, следовательно, изменяя плотность мощности и время воздействия лазерного излучения на металлы, можно управлять этим процессом.

Значительное влияние на интенсивность процессов нагрева и разрушения также оказывает поглощательная способность металлов, зависящая от температуры поверхности, длины волны, поляризации и угла падения излучения на обрабатываемую поверхность. Поглощенная энергия лазерного излучения зависит от параметров парогазовой плазмы, возникающей в процессе резки как при непрерывном, так и при импульсно - периодическом режимах лазерного излучения.

Таким образом, при воздействии лазерного излучения на металлы возможны два механизма резки - плавление и испарение. Поверхность разрушения, так называемый канал реза, существует по всей толщине в процессе резки и перемещается со средней скоростью в направлении резки.

Практическое использование разрушения металлов посредством механизма испарения затруднено в связи с достаточно высокими удельными энергозатратами.

Заметное снижение энергозатрат достигается использованием вспомогательного газа для удаления продуктов разрушения металла из канала реза. Перемещение жидкой ванны расплава осуществляется в основном по толщине материала, то есть вдоль канала реза с помощью динамического воздействия газа, превышающего вязкокапиллярную силу.

2. Особенности лазерной резки металлов импульсно-периодическим излучением

Широкие возможности лазерной резки металлов открывает применение импульсно - периодического лазерного излучения. Использование такого излучения при резке позволяет снизить необходимые средние мощности лазера и вносит специфические особенности в процесс резки. Температура поверхности жидкой ванны, образованной в результате действия очередного импульса, может быть ниже температуры кипения металла. Расплавленный металл перемещается вдоль канала реза в результате действия газодинамической силы. Если при воздействии импульса излучения температура поверхности жидкой ванны превышает температуру кипения металла, то на расплавленный металл дополнительно действует механический импульс отдачи паров или плазмы, ускоряющий перемещение жидкой ванны вдоль канала реза. Образование и удаление жидкой ванны из канала реза может происходить как за время длительности импульса лазерного излучения, так и в паузе между импульсами.

В зависимости от соотношения толщины разрезаемого металла, энергетических характеристик излучения и скорости резки возможны две схемы формообразования реза по глубине материала. Первая схема имеет место при обработке тонкого листового металла, когда каждый очередной импульс образует в материале элементарное отверстие. При этом в процессе разрушения участвует только часть сфокусированного лазерного пучка, определяемая шагом обработки s * или коэффициентом перекрытия элементарных отверстий (к_п):

к_п = (2r_э - s*)/2r_э,

где r_э - входной радиус элементарного отверстия. Следовательно, чем меньше значение к_п, тем большая часть светового пятна попадает на металл и участвует в разрушении. В пределе, когда к_п = 0(то есть. s* = 2r_э), пятно сфокусированного лазерного излучения полностью участвует в формообразовании реза.

Очевидно, что при дальнейшем увеличении шага обработки s * рез образовываться не будет, а на металле, появятся лишь отдельные отверстия.

Вторая схема имеет место при обработке деталей больших толщин (рис.1).

	Рис.1. Образование реза при обработке детали большой толщины импульсно-периодическим излучением

Образование реза при этом происходит следующим образом. После перемещения лазерного луча в направлении резки на величину шага обработки s * передний край светового пятна, попадая на верхнюю кромку детали, образует очередное элементарное отверстие. В то же время остальная часть сфокусированного лазерного пучка участвует в дальнейшем углублении ранее образованных элементарных отверстий, что вызывает появление ступенчатой поверхности разрушения. При этом полная глубина получаемого реза будет зависеть от количества импульсов, подводимых в каждое элементарное отверстие в процессе движения лазерного луча. Количество импульсов n_изависит от шага обработки s *, а следовательно, от скорости резки v_р:

n_и = [(r_f + r_э)/s*] + 1, (1)

где r_f - радиус пятна сфокусированного лазерного излучения.

Поскольку в основе процесса импульсной лазерной резки материалов лежит процесс образования отверстий, для описания расчетных закономерностей, связывающих размерные параметры резов с основными технологическими факторами, за основу можно выбрать феноменологическую модель образования отверстий под действием лазерного излучения [5].Согласно этой модели с учетом выражения (1) соотношения для нахождения глубины и ширины реза при использовании импульсного лазерного излучения имеют вид:

, (2)

, (3)

где W_и - энергия излучения в импульсе; L_и - удельная энергия испарения вещества; j/2 - половинный угол раствора светового конуса.

Как следует из формул (2) и (3), основными технологическими факторами, оказывающими влияние на процесс импульсно−периодической резки, являются энергия излучения в импульсе W_и, скорость обработки v_р, которая определяет коэффициент перекрытия к_п, и фокусное расстояние оптической системы f, от которого зависит величина tgj/2, характеризующая ход каустики за фокальной плоскостью оптической системы.

Расчетная модель достаточно хорошо описывает рост глубины реза, на которую наибольшее влияние оказывает энергия излучения и скорость обработки: глубина реза возрастает с увеличением энергии в импульсе и уменьшением скорости резки.

Глубина реза не может расти беспредельно при увеличении энергии в импульсе и уменьшении скорости обработки. Важным фактором, ограничивающим глубину прорезания, является также расфокусировка светового пучка за фокальной плоскостью, в результате чего плотность лазерной энергии уменьшается с ростом реза вглубь. При уменьшении этой плотности до некоторого значения Q_пор дальнейший рост реза вглубь прекращается.

Дата добавления: 2015-11-14