Физические процессы при лазерной резке металлов и сплавов

Лазерная резка материалов

Лазерная резка материалов является наиболее распространенной из лазерных технологий.

Лазерная резка имеет следующие преимущества перед механической (вырубка на штампах, фрезерование и пр.): нет износа инструмента вследствие передачи больших усилий; не образуется стружка; отсутствие факторов, искажающих конструктивные параметры деталей при резке (при штамповке нельзя создавать конфигурацию острых углов или округлений малого радиуса); большие скорости, в 3–5 раз превышающие скорости фрезерования; меньшая трудоемкость; возможность автоматизации; повышение коэффициента использования материалов до 0,7–0,85. Лазерная резка относится к гибкоперестраиваемой технологии. Эти преимущества способствовали быстрому распространению лазерной резки в машиностроении. Высокая динамика развития лазерной технологии привела к тому, что уже в настоящее время в Западной Европе, США и Японии лазерная технология является основной для резки листов толщиной0,1–10 мм.

Следует отметить, что в ряде отраслей машиностроения лазерная резка применяется при производстве не только заготовок, но и как конечная операция изготовления деталей. Поэтому очень важно знать влияние последствий лазерной резки на структуру и свойства материалов, как при непосредственном их проявлении, так и опосредствованно после дополнительных обработок.

Различают три режима проведения лазерной резки:

1. Испарением.

2. Плавлением.

3. Сгоранием.

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.).

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.

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.

Рез металла после лазерной резки имеет следующие особенности:

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.

2. Изменение химического состава участков металла около реза. Высокие температуры (плавление) и окисляющая среда способствуют проникновению в поверхностные слои металла окислителей и азота воздуха.

3. Характерный рельеф шероховатости поверхности реза.

4. Неоднородность распределения локальных напряжений, возможность возникновения трещин в результате больших термических напряжений.

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.

Дата добавления: 2014-01-20