Лазерный раскрои

Лазерная резка металлов позволяет относительно просто, в автоматическом режиме, изготавливать сложные детали из листовых заготовок без образования стружки при их минимальных тепловых деформациях. Лазерная резка экономически выгодна и технически целесообразна из-за гибкости процесса и исключения подготовительных работ (конструкторских и подготовки производства), присущих традиционной технологии получения подобных деталей — холодной листовой штамповке.

Для инженерных расчетов скорости резки, полученные экспериментально в большом числе работ, могут быть описаны следующим эмпирическим соотношением:

где Р- мощность лазерного излучения, падающего на поверхность, Вт; 5ф - площадь фокального пятна, мм²; Н - толщина материала, мм; Е - энергия разрушения (испарения) материала, Вт/мм³; К - константа, характеризующая материал и его взаимодействие с лазерным излучением, мм/с.

Таким образом, скорость резки обратно пропорциональна толщине материала и прямо пропорциональна мощности падающего лазерного излучения при величинах, превышающих определенный порог.

В настоящее время лазерная резка металлов производится, как правило, с поддувом активного газа (воздуха, кислорода) в зону резания. В этом случае газ выполняет следующие функции:

поддерживает горение металла в струе кислорода с выделением соответствующе­го тепла реакции;

удаляет продукты разрушения и очищает зону резания путем выдувания газообразных продуктов и капельной фракции;

интенсивно охлаждает прилегающие к зоне резания участки материала.

где минус означает смещение фокальной точки в глуоь ооразца; п - толщина материала.

Для получения лучшего качества реза диаметр сопла режущей головки принимается равным 0,8...1,0 мм и расстояние от среза сопла до поверхности обрабатываемой детали равно диаметру сопла.

Также важным параметром лазерного излучателя является величина произведе­ния апертуры луча на его расходимость. Если эта величина превышает 100 мм-рад, резку на данном лазере производить нецелесообразно. В настоящее время у лучших зарубежных образцов эта величина не превышает 30 мм'рад.

Таким образом, на процесс лазерной резки оказывают влияние следующие факторы: мощность лазерного луча и его модовый состав; диаметр сфокусированно­го лазерного луча; длина волны излучения; скорость перемещения лазерного луча; состав газа и параметры газового потока; материал и состояние поверхности перед резкой.

В результате выполненных НИИ Дом и ММПП "Салют", ММПП "Красный Октябрь" им. В.В. Чернышева, ОМП им. П.И. Баранова совместных научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ было установлено следующее:

скорость лазерной резки нержавеющих, жаропрочных сталей, титановых сплавов толщиной до 2,0 мм является функцией корня квадратного толщины разрезаемого материала;

шероховатость зоны реза (К₂) нержавеющих и жаропрочных сталей для С0₂-лазера и ИАГ-лазера находится в диапазоне 15...60 мкм и зависит от конкретных технологических параметров процесса резки. Шероховатость зоны реза сталей зависит от скорости резки и с ростом скорости возрастает до своего максимального значения, а затем наблюдается некоторое снижение шероховатости;

шероховатость зоны реза титановых сплавов при использовании в качестве режущего газа воздуха в 1,5...2 раза выше, чем при поддуве аргоном, что связано с процессом интенсивного окисления сплава;

зона термического влияния при лазерной резке нержавеющих и жаропрочных сталей не превышает 0,05 мм для всего диапазона технологических параметров; при резке титановых сплавов зона термического влияния в пять раз выше, что связано с температурой фазовых переходов;

резку нержавеющих и жаропрочных сталей необходимо проводить с поддувом кислорода, что приводит к образованию минимального количества грата по сравнению с процессом резки с поддувом воздуха. При резке с поддувом кислорода образуются минимальная зона термического влияния и легко удаляемый слой грата;

зона термического влияния и наличие грата после лазерной резки сталей не оказывает влияния на предел текучести сварных соединений.

Для реализации технологии лазерной резки в настоящее время созданы различные лазерно-технологические системы, оснащенные лазерными излучателями (газовыми и твердотельными), работающими как в непрерывном, так и в импульсном режимах.

Структурная схема лазерно-технологической системы состоит из следующих основных узлов: лазера, энергетического канала (оптической системы для транспортировки и формирования лазерного излучения), предметного стола, узла управления рабочими органами системы.

Конструктивно местоположение сфокусированного пятна лазерного излучения на поверхности обрабатываемой детали в заданный момент времени может быть определено: перемещением пятна при помощи зеркал; относительным перемещением пятна и обрабатываемой детали; перемещением обрабатываемой детали относитель­но неподвижного пятна.

Последние два метода наиболее широко используются в лазерно-технологичес-ких системах, предназначенных для резки материалов.

Современные промышленные лазерные технологические системы должны удовлетворять следующим требованиям:

необходимая мощность;

стабильное излучение в процессе работы и достаточно высокий КПД;

простая и компактная конструкция;

высокая надежность и большой срок службы узлов и деталей;

простое и удобное управление;

небольшие затраты на обслуживание и ремонт;

максимальное удобство в обслуживании и безопасные условия работы.

Несмотря на высокую стоимость, срок окупаемости (при правильном подходе к подбору и применению той или иной лазерной технологической системы) укладывается в диапазон от нескольких месяцев до двух-трех лет.