Резка металлов

На начальном этапе развития лазерной техники технология резки металлов развивалась очень медленно. Чтобы обеспечить резку металлов, обладающих высокой теплопроводностью и высоким коэффициентом отражения от поверхности, с достаточно высокой скоростью, необходимы большие значения средней мощности излучения. Указанную проблему удалось разрешить в результате создания мощных лазеров. Требуемая мощность лазерного излучения была снижена за счет применения метода лазерной резки с одновременной продувкой кислородом. Так как средняя мощность излучения должна быть большой, для резки металлов чаще всего используются СО₂-лазеры.

Процесс лазерной резки металлов и других материалов значительно ускоряется при обдуве материала струёй кислорода. В этом случае большая часть анергии, затрачиваемой на резку, получается за счет экзотермических реакций между металлом и кислородом. Лазерное излучение нагревает материал до точки возгорания, а сам процесс резки протекает в результате реакции металла с кислородом. Указанный процесс позволяет разрезать с высокой скоростью металлические пластины большой толщины при мощности источника лазерного излучения всего лишь в несколько сотен ватт. В присутствии кислородной струи скорость резки возрастает примерно на 40% по сравнению с резкой в присутствии струи инертного газа.

В наиболее типичной конструкции кислородная форсунка располагается коаксиально с лазерным пучком. Пучок СО₂ лазера фокусируется через форсунку на поверхность обрабатываемого образца с помощью линз, изготовленных из прозрач­ного в ИК-области материала (например, германия или галоидов щелочных металлов). Обычно для подачи кислорода используются конусные форсунки диаметром 1,3 ‑ 2,5 мм, работающие при давлении 1 ‑ 2 атм.

На рис. 14 представлены данные о скорости резки листов малоуглеродистой стали различной толщины в зависимости от мощности лазерного излучения. Как следует из рисунка, скорости резки достаточно высоки для того, чтобы обеспечить возможность практического применения лазерно-кислородного метода в промышленности. Для этого метода резки существует нижний предел скорости-резки, за которым начинается интенсивное горение материала.

Рис. 14. Скорость лазерно-кислородной резки малоуглеродистой стали

На рис. 15 приведены данные о верхнем и нижнем пределах скорости резки ма­лоуглеродистой стали при помощи СO₂-лазера мощностью 1 кВт. Нижний предел соответствует минимальной скорости резки, при которой еще не наступает сгорание материала.

В табл. 2 приведены значения скорости·резки, достижимые при· использовании лазерно-кислородного метода на СО₂-лазерах с мощностью порядка нескольких сотен ватт.

Рис. 15. Верхнийи нижний пределы скорости резки малоуглеродистой стали при помощи СО₂-лазера мощностью 1 кВт

Без продувки кислорода резка осуществляется на существенно меньших скоростях. Данные в табл.2 приведены лишь для того, чтобы проиллюстрировать уровень достигнутых в экспериментальных условиях скоростей резки, и поэтому отнюдь не обязательно являются оптимальными. Более того, полученные различными авторами значения скорости резки могут различаться даже при одинаковых условиях проведения эксперимента. Причиной указанных различий могут быть неконтролируемые параметры и возможные различия методик измерения мощности. Данные в табл. 2 характеризуют по порядку величины возможности лазерно-кислородного метода резки. Значения скорости резки довольно большие и представляют интерес для промышленности.

Лазерно-кислородный метод наиболее удобен для резки химически активных металлов типа титана. Все исследования, результаты которых опубликованы, выполнены с помощью непрерывных СО₂-лазеров. В ходе процесса получается узкий разрез с небольшой шириной зоны, подвергающейся тепловому воздействию.

Т а б л и ц а 2.

Резка металлов излучением СО₂-лазера с одновременным

обдувом струей кислорода

Материал	Толщина, мм	Мощность лазера. Вт	Скорость резки, м/мин
Титан (чистый)	0,5		15,0
Титан (чистый)	17,0		6,1
Титан (сплав 6A14V)	1,3		7.6
Титан (сплав 6A14V)	2,2		3,8
Титан (сплав 6A14V)	6,4		2,8
Титан (сплав 6A14V)	7,4		2,5
Титан (сплав)^1)	5.0		3,3
Углеродистая сталь	3.2		0,56
Нержавеющая сталь марки 302	0,3		2,3
Нержавеющая сталь марки 410	1,6		1,3
Нержавеющая сталь марки 410	2,8		0,25
Нержавеющая сталь	0.3		4,3
Сплав Rene 41	0,5		2,0
Сплав Rene	1,3		0,5
Сплав циркалой	0,5'		15,0

¹⁾ Данные фирмы Ferranti, Ltd.

С помощью СО₂-лазера мощностью несколько киловатт можно осуществлять резку только за счет энергии лазерного излучения без поддува кислорода. Для того чтобы предотвратить сгорание материала, можно воспользоваться защитным инертным газом (например, гелием). Значения толщины разрезаемого материала и достигнутые скорости резки очень велики. В табл. 3 приведены опубликованные данные по резке с применением СО2-лазера мощностью несколько киловатт. Приведенные значения не являются оптимальными, а лишь характеризуют уровень результатов, достигнутых в лабораторных условиях. На рис. 16. приведен пример вырезания квадратных отверстий в листе нержавеющей стали толщиной 0,5 мм с помощью СО2-лазера.

Применение лазерно-кислородного метода резки обеспечивает значительную экономию при резке некоторых металлов за счет снижения расхода материала и уменьшения требований к последующей чистовой обработке. В табл. 4. приведены стоимостные оценки резки листового титана различными методами, Полностью автоматизированная лазерная система резки характеризуется высокими начальными капитальными затратами. В полную стоимость резки в расчете на единицу длины сделанного разреза входят расходы на сам процесс резки и на операции по вторичной обработке. Применение лазерных методов резки обеспечивает значительное снижение стоимости резки в расчете на единицу длины (в особенности для достаточно большой толщины материала).

Методы лазерной резки достигли уровня промышленного применения в таких областях, как производство самолетов и космических летательных аппаратов, где они применяются для.резки металлов типа титана.

Дата добавления: 2015-07-20