16 август 2015

При лазерной резке нагревание и разрушение участка материала осуществляется с помощью лазерного луча.
Общепринятые обозначения

LBC – Laser Beam Cutting – резка лазерным лучом

Сущность процесса

В отличие от обычного светового луча для лазерного луча характерны такие свойства как направленность, монохроматичность и когерентность.

За счет направленности энергия лазерного луча концентрируется на относительно небольшом участке. Так, по своей направленности лазерный луч в тысячи раз превышает луч прожектора.

Лазерный луч по сравнению с обычным светом является монохроматичным, т. е. обладает фиксированной длиной волны и частотой. Это облегчает его фокусировку оптическими линзами.

Лазерный луч имеет высокую степень когерентности – согласованного протекания во времени нескольких волновых процессов. Когерентные колебания вызывают резонанс, усиливающий мощность излучения.

Благодаря перечисленным свойствам лазерный луч может быть сфокусирован на очень маленькую поверхность материала и создать на ней плотность энергии, достаточную для нагревания и разрушения материала (например, порядка 108 Вт/см2 для плавления металла).

Технология лазерной резки металла

Воздействие лазерного излучения на металл при разрезании характеризуется общими положениями, связанными с поглощением и отражением излучения, распространением поглощенной энергии по объему материала за счет теплопроводности и др., а также рядом специфических особенностей.

В области воздействия лазерного луча металл нагревается до первой температуры разрушения – плавления. С дальнейшим поглощением излучения происходит расплавление металла, и фазовая граница плавления перемещается в глубь материала. В то же время энергетическое воздействие лазерного луча приводит к дальнейшему увеличению температуры, достигающей второй температуры разрушения – кипения, при которой металл начинает активно испаряться.

Таким образом, возможны два механизма лазерной резки – плавлением и испарением. Однако последний механизм требует высоких энергозатрат и осуществим лишь для достаточно тонкого металла. Поэтому на практике резку выполняют плавлением. При этом в целях существенного сокращения затрат энергии, повышения толщины обрабатываемого металла и скорости разрезания применяется вспомогательный газ, вдуваемый в зону реза для удаления продуктов разрушения металла. Обычно в качестве вспомогательного газа используется кислород, воздух, инертный газ или азот. Такая резка называется газолазерной.

Например, кислород при газолазерной резке выполняет тройную функцию:

    вначале содействует предварительному окислению металла и снижает его способность отражать лазерное излучение;
    затем металл воспламеняется и горит в струе кислорода, в результате выделяется дополнительная теплота, усиливающая действие лазерного излучения;
    кислородная струя сдувает и уносит из области резки расплавленный металл и продукты его сгорания, обеспечивая одновременный приток газа непосредственно к фронту реакции горения.

В зависимости от свойств разрезаемого металла применяются два механизма газолазерной резки. При первом значительный вклад в общий тепловой баланс вносит теплота реакции горения металла. Такой механизм резки обычно используется для материалов, подверженных воспламенению и горению ниже точки плавления и образующих жидкотекучие оксиды. Примерами могут служить низкоуглеродистая сталь и титан.

При втором механизме резки материал не горит, а плавится, и струя газа удаляет жидкий металл из области реза. Данный механизм применяется для металлов и сплавов с низким тепловым эффектом реакции горения, а также для тех, у которых при взаимодействии с кислородом образуются тугоплавкие оксиды. Например, легированные и высокоуглеродистые стали, алюминий, медь и др.

Типы лазеров

Лазер, как правило, состоит из трех основных узлов:

    источника энергии (механизма или системы накачки);
    активного (рабочего) тела, которое подвергается «накачке», что приводит к его вынужденному излучению;
    оптического резонатора (системы зеркал), обеспечивающего усиление вынужденного излучения активного тела.

Для резки обычно применяются следующие типы лазеров:

    твердотельные и
    газовые – с продольной либо поперечной прокачкой газа, щелевые, а также газодинамические.

В осветительной камере твердотельного лазера размещаются лампа накачки и активное тело, представляющее собой стержень из рубина, неодимового стекла (Nd-Glass) или алюмо-иттриевого граната, легированного иттербием (Yb-YAG) либо неодимом (Nd-YAG). Лампа накачки создает мощные световые вспышки для возбуждения атомов активного тела. По торцам стержня расположены зеркала – частично прозрачное (полупрозрачное) и отражающее. Лазерный луч усиливается в результате многократных отражений внутри активного тела и выходит через частично прозрачное зеркало.

Серийные твердотельные лазеры имеют сравнительно небольшую мощность, как правило, не превышающую 1–6 кВт. Длина волны – около 1 мкм (рубинового лазера – около 694 нм). Режим излучения может быть как непрерывным, так и импульсным.

В газовых лазерах в качестве активного тела применяется смесь газов, обычно углекислого газа, азота и гелия. В лазерах с продольной прокачкой газа смесь газов, поступающих из баллонов, прокачивается с помощью насоса через газоразрядную трубку. Электрический разряд между электродами, подключенными к источнику питания, используется для энергетического возбуждения газа. По торцам трубки размещены отражающее и полупрозрачное зеркала.

Более компактными и мощными являются лазеры с поперечной прокачкой газа. Их общая мощность может достигать 20 кВт и выше.

Резка различных материалов

Для разрезания металлов в основном требуется мощность лазера от 450–500 Вт и выше, для цветных металлов – от 1кВт и выше.

Резку углеродистых сталей чаще всего выполняют с применением кислорода в качестве вспомогательного газа. В результате взаимодействия кислорода с нагретым лучом металлом протекает экзотермическая реакция окисления железа обычно с выделением в 3–5 больше тепла, чем от самого лазерного излучения. Качество торцевой поверхности реза – высокое. На нижней кромке реза характерно образование незначительного грата.

Наибольшую проблему представляет возможность перехода процесса резки, выполняемого на очень малых скоростях (как правило, менее 0,5 м/мин), в неуправляемый автогенный режим, при котором металл начинает разогреваться до температуры горения за пределами воздействия луча, что приводит к повышению ширины реза и увеличению его шероховатости.

В ряде случаев, например, при вырезке деталей с острыми углами и отверстиями малого диаметра, вместо кислорода предпочтительно использование инертного газа при высоком давлении.

Лазерная резка в Екатеринбурге нержавеющей стали, в особенности больших толщин, затруднена процессом зашлаковывания реза из-за присутствия в металле легирующих элементов, влияющих на температуру плавления металла и его оксидов. Так, возможно образование тугоплавких оксидов, препятствующих подводу лазерного излучения к обрабатываемому материалу. Усложняет процесс резки и низкая жидкотекучесть расплавленных оксидов, например, свойственная для нержавеющих хромоникелевых и высокохромистых сталей.

Для получения качественного реза используется азот высокой чистоты, подаваемый при повышенном давлении (обычно до 20 атм). При резке нержавеющей стали большой толщины требуется заглубление фокального пятна луча в разрезаемый металл. Как следствие, повышается диаметр входного отверстия и возрастает подача газа внутрь металла в зону расплава.

Для лазерной резки алюминия и его сплавов, меди и латуни требуется излучение более высокой мощности, что обусловлено следующими факторами:

    низкой поглощательной способностью этих металлов по отношению к лазерному излучению, особенно с длиной волны 10,6 мкм углекислотного лазера, в связи с чем твердотельные лазеры более предпочтительны;
    высокой теплопроводностью этих материалов.

Обработка малых толщин может выполняться в импульсном режиме работы лазера, что позволяет уменьшить зону термического воздействия, а больших толщин – в микроплазменном режиме. Плазмообразующими являются пары легко ионизируемых металлов – магния, цинка и др. Под действием лазерного луча в области реза образуется плазма, нагревающая металл до температуры плавления и плавящая его.

При разрезании алюминия применяется вспомогательный газ с давлением более 10 атм. Структура торцевой поверхности реза – пористая с легко удаляемым гратом на нижней кромке реза. С повышением толщины металла качество торцевой поверхности реза ухудшается.

При резке латуни торцевая поверхность реза обладает пористой шероховатой структурой с легко удаляемым гратом в нижней части реза. С возрастанием толщины металла качество торцевой поверхности реза ухудшается.

  • Особенности монтажа металлоконструкций
  • Уровень и уровень с отвесом
  • Микротоннелирование
  • Свойства и преимущества железобетона