(( приведены на рисунке 1.4.

При ширине луча d и толщине разрезаемого материала h средний

угол падения определяется выражением ( = arctg ( h/d ).

Например, при резке материала толщиной 1,5 мм с диаметром пятна

фокусировки 0,1 мм ( = 800 .

Используя зависимость (эф от угла падения луча на поверхность

можно определить доли поглощенного лазерного излучения для параллельной

и перпендикулярной составляющих поляризации и их отношение ((( /(( =

20, при ( = 800.

а )

б )

Рис. 1.4 Зависимость коэффициента (эф для луча с перпендикулярной и

продольной поляризацией ( ( = 10,6 мкм ) от угла падения на поверхность при

Т = 200 С и 10000 С[4]:

а -

материал алюминий;

б -

материал железо.

Это означает, что при совпадении плоскостей резки и поляризации

луча ( при направлении резки, параллельной плоскости поляризации )

поглощенная на лобовой поверхности реза мощность излучения в 20 раз

больше, чем при перпендикулярном положении векторов скорости резки и

поляризации.

Это характерный случай получения глубокого реза в материале,

т.к. отношение h/d составляет примерно 5,6 , и при рассмотрении

необходимо учитывать влияние поляризации.

В случае поверхностной обработки или неглубокого проникновения

излучения в материал, когда отношение h/d принимает небольшие значения,

влиянием ориентации векторов скорости резки и поляризации можно

пренебречь. Например, при прорезании металла на глубину 0,3 мм угол (

составит 450 , а отношение поглощения параллельной к перпендикулярной

составляющих поляризации равно 1,2.

Отражательная способность металлов существенно зависит от

температуры, а отношение ((( /(( уменьшается с уменьшением

температуры. Так как поглощательная способность сильно зависит от угла

падения, относительная разориентация векторов скорости резки и

поляризации, линейно поляризованного излучения может привести к наклону

реза. Этот эффект схематически показан на рисунке 1.4 [4].

Рис. 1.5 Влияние относительной ориентации векторов поляризации Е и

скорости резки ( на поперечную форму канала реза [4].

При совпадении плоскостей реза и поляризации большая часть

энергии излучения поглощается впереди реза, что обеспечивает

максимальную скорость резки при минимальной ширине. Если плоскость

поляризации перпендикулярна плоскости реза, то большая часть энергии

излучения поглощается боковыми сторонами реза. При промежуточных углах

между[pic][pic] поглощение несимметрично, что приводит к расширению

реза и его искажению ( рис. 1.5 ). С увеличением скорости резки углы

скоса кромок увеличиваются.

Распространение лазерного излучения в канале реза. При резке

материалов лазерным излучением необходимо, чтобы луч проник в вещество

как можно глубже. При этом интенсивность излучения должна быть весьма

высокой, в связи с этим необходимо добиться минимального размера

светового пятна на поверхности мишени. Радиус светового пятна в

фокальной плоскости луча rл = (/(, ( где ( - угол расходимости луча, (

- длинна волны излучения ), т.е. обратно пропорционален углу

фокусировки луча . Поэтому, необходимо работать с острофокусным

излучением. Такое излучение пройдя фокальную плоскость ( обычно

совпадающую с плоскостью поверхности образца ), расфокусируется уже на

малой глубине L=(/(2 и будет попадать на боковые стенки канала. Если (

- коэффициент поглощения мал, то большая часть света будет отражаться

от стенок и попадать на дно канала.

Относительно просто распределение света в канале можно рассчитать в

приближении геометрической оптики. Элементарный луч света, многократно

отражаясь от стенок , либо частично отражается , если канал реза

неглубокий, либо полностью поглощается, если канал реза глубокий.

Процессы распространения теплоты в зонах прилегающих к источнику,

могут быть описаны только с учетом влияния характера распределения

плотности мощности в пятне лазерного излучения.

Наиболее эффективными параметрами фокусировки обладает нормальное

(Гауссово) распределение плотности мощности Е(r) сфокусированного

лазерного излучения, широко распространенного в промышленных

технологических лазерах.

Рис.1.6 Нормальное распределение плотности мощности в пятне

лазерного излучения.

1 - лазерное излу чение;

2 - обрабатываемая деталь.

Под воздействием такого излучения на поверхности мишени

возникает тепловой источник нагрева с таким же нормальным

распределением плотности мощности в пятне лазерного излучения

(рис.1.1), q(r) =qm(e k r ; где qm =(эф Еm- максимальная плотность в

центре пятна нагрева ; k -коэффициент сосредоточенности,

характеризующий форму кривой нормального распределения ; Еm -

максимальная плотность мощности лазерного излучения по оси; r -

радиальное расстояние данной точки от центра.

За радиус светового пятна rл обычно принимают радиус пятна

нагрева, на котором q = 0,05(qm . Излучение удобно рассматривать в виде

потока фотонов. На дне разрезаемого участка вследствии дифракции

элементарный луч расплывается на ширину (h/d. Для расчета траектории

луча необходимо, чтобы эта ширина, была меньше ширины канала d. Отсюда

вытекает условие применимости приближения геометрической оптики: d2 /(h

>> 1.

Это неравенство можно переписать , введя понятие коэффициента

формы канала h/d: d/( >> h/d. На практике h/d лежит в пределах 5-10,

т.е. при ( = 10,6 мкм для применимости теории геометрической оптики

необходимо, чтобы ширина реза канала реза d > 0,1 мм.

Исходя из приближений геометрической оптики сфокусированное

излучение можно представить в виде совокупности N лучей. Каждому лучу

на входе в канал соответствовала мощность P/N, где P - мощность лазера.

При численных расчетах [4], если мощность луча после очередного

отражения была меньше 10-4 начальной, то его исключали.

Рис. 1.7 Зависимость эффективного коэффициента поглощения излу

чения(эф СО 2 - лазера со стальной мишенью от глубины реза ( = 0,1.

Для случая круговой поляризации.

С помощью такой методики была рассчитана зависимость

эффективного поглощения (эф от глубины реза (эф = ( P- Pотр )/ P (

рис.1.7 ). Конкретные расчеты [4] проводились для стали, коэффициент

отражения поверхности ( = 0,1. Полагалось, что лазер генерирует

излучение с круговой поляризацией, электрический вектор которого

вращается относительно канала реза.

1.3 Закономерности лазерной резки металлов непрерывным

излучением.

Параметры и показатели процесса лазерной резки . Для процесса

лазерной резки металлов можно выделить основные факторы, определяющие

производительность и качественные показатели процесса. Среди них

основными являются : плотность мощности лазерного излучения, скорость

резки, давление и состав поддуваемого газа, поглощательная способность

поверхности материалов , вид и свойства разрезаемых материалов .

Плотность подводимой в зону обработки мощности зависит , в свою очередь

, от мощности лазерного излучения , его модового состава , поляризации

и условий фокусировки ( фокусного расстояния линз, величины и

направления расфокусировки).

В силу ряда причин , области режимов , обеспечивающих высокое

качество кромки реза и высокую эффективность процесса , при лазерной

резке металлов зачастую не совпадают .

Рис. 1.8 Параметры реза.

Параметры получаемого реза при лазерной резке металлов имеет

много сходных характеристик с другими термическими способами резки.

Характеристики получаемого реза определяют следующие показатели (рис.

1.8 ): точность , неровность реза Rz , неперпендикулярность (

клиновидность ) j , протяженность зоны термического влияния b зтв,

ширина верхнего реза bв , ширина нижнего реза bн , количество грата (

наплывы на нижней кромке разрезаемого материала ) .

При резке металлов непрерывным излучением лазера различают

стационарный и нестационарный характер разрушения материала .

Значение скорости разрушения (р зависит от физико-химических

свойств металлов. Весь диапазон скоростей лазерной резки металлов

непрерывным излучением можно представить в виде : первой области

режимов со скоростью ( < (р, соответствующий нестационарному механизму

разрушения, второй - ( > (р, cоответствующей стационарной скорости

разрушения и третьей - ( < 0,5 м/мин, автогенный режим резки. Для

алюминия автогенный режим резки не проявляется ( не воспламеняется ),

при плотности излучения до 106 Вт/cм2. Это обусловлено наличием трудно

удаляемой , термически прочной пленки AL2О3 в зоне расплава. Каждая из

областей характеризуется определенными физическими условиями

cуществования и показателями качества реза.

Нестационарный режим устанавливающийся при малых скоростях

резки, является нежелательным и при резке его избегают, т. к. на кромке

реза наблюдается значительное количество грата , ухудшающее качество

обработки.

Рис. 1.9 Стадии разрушения при резке металлов непрерывным излучением на

низких скоростях резки ( нестационарный режим ).

При нестационарном механизме разрушение протекает периодически,

на передней кромке материала ( рис.1.9 ). После удаления очередной

массы жидкого расплава из канала реза в нижней ее части вновь

образуется расплав, т. к. из-за расширения сфокусированного лазерного

излучения нижняя ее часть , протяженностью 2rл-x0 , постоянно находится

в поле лазерного излучения.

На верхней кромке реза образуется расплавленный участок

протяженностью xs . Зона этого расплавленного участка распространится

на большее расстояние в направлении резки, чем переместится лазерный

луч (характерно для малых скоростей резки ), т.е. xs > x0 .

Образовавшаяся ванна расплава не удаляется т.к. динамического

воздействия потока вспомогательного газа оказывается недостаточно. В

следующие моменты времени процесс плавления металла приводит к

увеличению объема ванны и при достижении определенных размеров расплав

удаляется из зоны обработки. Процессы разрушения материала далее

периодически повторяются.

Стационарный механизм разрушения материала устанавливается при

высоких скоростях резки , когда xs > x0 . Разрушение материала

происходит только в непрерывном режиме , температурное поле вокруг

движущегося лазерного источника постоянно.

Диапазон скоростей резки , при которых еще сохраняются борозды

на поверхности реза , лежит в пределе (р < 2,5 м/мин для стального

листа (нестационарный режим ). При слишком низких скоростях

подачи образца (р < 0,5 м/мин, металл у кромок реза нагревается за счет

механизма теплопроводности , достаточно , чтобы перейти в режим

неуправляемой, автогенной резки, независимо от толщины разрезаемого

материала. В этом случае металл горит по всей поверхности контакта с

газовой струей , за счет экзотермической реакции окисления. Рез

получается с сильно увеличенным по ширине размером , боковые стенки

приобретают рваную форму.

Нагрев поверхности обрабатываемого металла. Воздействие лазерного

излучения на металлы при резке характеризуются общими положениями,

связанные с поглощением и отражением излучения, распространением

поглощенной энергии по объему материала, за счет теплопроводности и

Страницы: 1, 2, 3