|
Физические процессы при лазерной резке металлов и сплавов
|
| bet | 30/53 | | Sana | 02.03.2022 | | Hajmi | 0.58 Mb. | | #3695 |
2.5.1 Физические процессы при лазерной резке металлов и сплавов
2.5.1 Fyzikální jevy vznikající při řezání kovů a slitin laserem
Различают три режима проведения лазерной резки:
Rozlišujeme tři způsoby řezání laserem:
1. Испарением
1. Sublimační
2. Плавлением
2. Tavný
3. Сгоранием
3. Pálením
При первом режиме интенсивность излучения должна быть такой высокой, чтобы потери тепла теплопроводностью были минимальными. Резка испарением осуществляется твердотельными лазерами в пульсирующем режиме и применяется достаточно редко. При резке плавлением материал в области шва расплавляется и удаляется с помощью технологического газа (N, Ar и др.).
V prvním případě musí být intenzita záření tak vysoká, aby tepelné ztráty způsobené tepelnou vodivostí byly minimální. Sublimační řezání se provádí pevnolátkovými lasery v impulsním režimu a využívá se poměrně zřídka. Při tavném řezání se materiál v oblasti řezu roztaví a k jeho odstranění dochází pomocí asistenčních plynů (N, Ar a další).
Наиболее часто применяется лазерная резка сгоранием, которая используется
при обработке металлов, предрасположенных к горению ниже точки плавления
и образующих жидкотекучие окислы (углеродистые стали, сплавы титана и др.). При резке сгоранием в качестве технологического газа применяют воздух или кислород. Таким образом, при резке происходит сложный процесс, включающий не только плавление металла и его удаление, но и интенсивное окисление. Последнее обеспечивает усиление поглощения лазерного излучения, повышает локальность реза и способствует более равномерному удалению продуктов резки. При этом могут быть два режима резки: управляемый и неуправляемый-автогенный режим. Управляемый режим резания возможен тогда, когда фронт горения самопроизвольно не распространяется на всю зону воздействия кислорода на поверхности разрезаемой заготовки и локализуется в зоне реза. Поэтому в этом случае ширина реза определяется диаметром сфокусированного пятна лазерного излучения и, получаются ровные кромки реза. Автогенный рез происходит тогда, когда металл горит за счет тепла реакции по всей зоне воздействия кислорода на поверхности и в итоге получается рваный и бесформенный рез. Перевод из автогенного режима резки в управляемый достаточно легко осуществляется за счет увеличения скорости перемещения детали относительно луча или наоборот.
Nejrozšířenějším způsobem je řezání pálením, které se využívá při obrábění kovů náchylných k hoření při teplotě nižší než je tavný bod a u kovů, které tvoří kapalné oxidy (uhlíkové oceli, slitiny titanu a další). Při řezání pálením se jako asistenční plyn využívá vzduch nebo kyslík. Při řezání dochází k složitému procesu, který zahrnuje nejenom tavení kovu a jeho odstranění, ale také intenzivní okysličení, které zajišťuje zvýšenou absorpci laserového záření, zvyšuje přesnost řezu a způsobuje rovnoměrnější odstranění taveniny. Rozlišujeme dva režimy řezání pálením: řízený a neřízený-autogenní režim. Řízený režim řezání je možné realizovat za podmínky, že se čelo paprsku samovolně nerozšiřuje po povrchu řezaného obrobku, na který mezitím působí kyslík, ale je lokalizováno pouze v oblasti řezu. Z tohoto důvodu je při řízeném režimu šířka řezu určována průměrem stopy zaostřeného laserového záření a řez se vyznačuje hladkými řeznými hranami. O autogenní řez se jedná tehdy, když dochází k hoření kovu vlivem reakčního tepla v celé oblasti okysličovaného povrchu a výsledkem je trhaný a beztvarý řez. Přechodu z autogenního režimu na řízený režim řezání je možné dosáhnout poměrně snadným způsobem - zvýšením rychlosti posunu dílce vzhledem k paprsku nebo naopak.
При резке плавлением материал не горит. Расплав из зоны реза уносится газовой струей. Такой механизм газолазерной резки имеют медь, алюминий и их сплавы за счет образования тугоплавких окислов при взаимодействии с кислородом. Лазерная резка таких металлов и их сплавов возможна только лазерами большой мощности.
Při řezání tavením materiál nehoří. Tavenina je z oblasti řezu odnášena proudem plynu. Tento způsob řezání s podporou vzduchu se využívá u mědi, hliníku a jejich slitin kvůli vzniku žáruvzdorných oxidů při reakci s kyslíkem. Řezání laserem takových kovů a jejich slitin je možné pouze vysoce výkonnými lasery.
Рез металла после лазерной резки имеет следующие особенности:
Pro řez kovu provedený laserem jsou charakteristické následující vlastnosti:
1. Упрочненная поверхность. Прилегающие к резу участки претерпевают скоростной нагрев до оплавления (со скоростями до 10тыс. град./сек.) и столь же быстрое охлаждение. В результате в этих участках имеет место образование структур закалки, а в ряде случаев даже аморфизация поверхности.
1. Povrchové zpevnění. Plochy přiléhající k řezu prochází rychlým zahřátím až do natavení (o rychlosti až 10 tisíc stupňů/sekundu) a stejně tak dochází k jejich rychlému ochlazení. Výsledkem je, že se na těchto místech vytvoří zakalení a v mnoha případech dojde dokonce k amorfizaci povrchu.
2. Изменение химического состава участков металла около реза. Высокие температуры (плавление) и окисляющая среда способствуют проникновению в поверхностные слои металла окислителей и азота воздуха.
2. Změna chemického složení kovu v oblasti řezu. Vysoké teploty (tavení) a okysličené prostředí způsobují, že do povrchových vrstev kovu proniká okysličovadlo a dusík, který je součástí vzduchu.
3. Характерный рельеф шероховатости поверхности реза.
3. Charakteristická drsnost povrchu řezu.
4. Неоднородность распределения локальных напряжений, возможность возникновения трещин в результате больших термических напряжений.
4. Nerovnoměrné rozmístění lokálního napětí, možnost vzniku trhlin v důsledku vysokého tepelného napětí.
Следует отметить, что перечисленные особенности поверхности реза в разной степени влияют на различные свойства материала. В самом деле, трудно ожидать сколько-нибудь значительного изменения статических механических свойств у образцов, вырезанных лазером, так как глубина зоны термического влияния лазерного излучения весьма мала в сравнении с шириной образца, а шероховатость незначительно сказывается на статических механических свойствах.
Je třeba poznamenat, že výše uvedené vlastnosti řezné plochy v různé míře ovlivňují vlastnosti materiálu. V podstatě však nelze očekávat žádné významné změny ve statických a mechanických vlastnostech výrobků vyřezaných laserem, jelikož hloubka tepelně ovlivněné zóny laserovým zářením je poměrně malá ve srovnání s tlouštkou výrobku. Statické a mechanické vlastnosti mají pouze minimální vliv na drsnost.
|
| |
