LAZERREZ (Лазерная резка : расчет зануления кабельной сети и освещенности сборочного мест блока), страница 2

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) =q_m·e ^{k r} ; где q_m =a_эф Е_m- максимальная плотность в центре пятна нагрева ; k -коэффициент сосредоточенности, характеризующий форму кривой нормального распределения ; Е_m - максимальная плотность мощности лазерного излучения по оси; r - радиальное расстояние данной точки от центра.

За радиус светового пятна r_л обычно принимают радиус пятна нагрева, на котором q = 0,05_·q_m . Излучение удобно рассматривать в виде потока фотонов. На дне разрезаемого участка вследствии дифракции элементарный луч расплывается на ширину lh/d. Для расчета траектории луча необходимо, чтобы эта ширина, была меньше ширины канала d. Отсюда вытекает условие применимости приближения геометрической оптики: d² /lh >> 1.

Это неравенство можно переписать , введя понятие коэффициента формы канала h/d: d/l >> h/d. На практике h/d лежит в пределах 5-10, т.е. при l = 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 ченияa_эф СО ₂ - лазера со стальной мишенью от глубины реза a = 0,1. Для случая круговой поляризации.

С помощью такой методики была рассчитана зависимость эффективного поглощения µ_эф от глубины реза a_эф = ( P- P_отр )/ P ( рис.1.7 ). Конкретные расчеты [4] проводились для стали, коэффициент отражения поверхности a = 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 R_z , неперпендикулярность ( клиновидность ) j , протяженность зоны термического влияния b _зтв, ширина верхнего реза b_в , ширина нижнего реза b_н , количество грата ( наплывы на нижней кромке разрезаемого материала ) .

При резке металлов непрерывным излучением лазера различают стационарный и нестационарный характер разрушения материала .

Значение скорости разрушения n_р зависит от физико-химических свойств металлов. Весь диапазон скоростей лазерной резки металлов непрерывным излучением можно представить в виде : первой области режимов со скоростью n < n_р, соответствующий нестационарному механизму разрушения, второй - n > n_р, cоответствующей стационарной скорости разрушения и третьей - n < 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 2r_л-x₀ , постоянно находится в поле лазерного излучения.

На верхней кромке реза образуется расплавленный участок протяженностью x_s . Зона этого расплавленного участка распространится на большее расстояние в направлении резки, чем переместится лазерный луч (характерно для малых скоростей резки ), т.е. x_s > 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 x_s > 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 n_р < 2,5 м/мин для стального листа (нестационарный режим ). При слишком низких скоростях подачи образца n_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 др., а также специфическими для процесса резки особенностями.

На участке воздействия излучения металл нагревается до первой температуры разрушения - плавления. При дальнейшем поглощении излучения металл расплавляется и от участка воздействия излучения в объем материала начинает перемещаться фазовая граница плавления. Наряду с этим энергетическое воздействие лазерного излучения приводит к последующему повышению температуры образца, достигающей второй температуры - кипения.

Процессы нагревания весьма просты, если не учитывать изменение коэффициента поглощения с температурой. Скорость испарения экспоненциально зависит от температуры и максимального своего значения достигает при стационарной температуре испарения, когда скорости фазовых границ плавления и испарения одинаковы.

В зависимости от плотности мощности лазерного излучения количество расплавленного металла, стационарная температура, скорость плавления и испарения будут различными. Указанные параметры характеризуют процесс разрушения, и, следовательно, изменяя плотность мощности лазерного излучения и время его воздействия на материал, можно управлять этим процессом.

Значительное влияние на интенсивность процесса разрушения также оказывает поглощательная способность металлов, зависящая от температуры поверхности, длинны волны, поляризации и угла падения излучения на обрабатываемую поверхность.

Таким образом, при воздействии лазерного излучения на металлы возможны два механизма резки - плавление и испарение. Поверхность разрушения при этом, так называемый канал реза, существует по всей длине и перемещается со средней скоростью в направлении резки.

Практическое использование разрушения металлов посредством механизма испарения затруднено в связи с достаточно высокими энергозатратами на теплопроводность материала и необходимостью поддержания температуры металла на уровне температуры кипения.

Заметное снижение энергозатрат достигается использованием вспомогательного газа для удаления продуктов разрушения металла из канала реза.

Процесс нагрева поверхности материала лазерным излучением при отсутствии фазовых переходов описывается уравнениями ( 1.1, 1.2 ).

Падающее излучение поглощается в тонком приповерхностном слое по закону Буггера:

q_{( x )} = a × q_o × exp( -x × x ); ( 1.1 )

где: q_{( x )} - плотность потока лазерного излучения, Вт/см²;

a - поглощательная способность материала;

a × q₀ - плотность лазерного потока поглощенная поверхностью;

x - коэффициент поглощения излучения в

материале, см^-1.

Глубина проникновения излучения в вещество составит: l = 1/x . Для металлов величина x составляет 10⁴ - 10^-5 см^-1.

Распространение теплового потока описывается законом Фурье:

( 1.2 )

где: f - тепловой поток, Вт/см²;

l - коэффициент теплопроводности, Вт/(С⁰ × см) ;

Т - температура, С⁰.

Уравнение теплопроводности при нагреве движущихся образцов. Для описания температурных полей, возникающих при лазерной резке металлов, используется уравнение теплопроводности. Это уравнение формирует условия теплопередачи в твердых телах вследствии теплопроводности.

В общем случае уравнение теплопроводности является нелинейным. Лишь для некоторых частных случаев изменений теплофизических свойств материала, c_(Т) - удельной теплоемкости материала [ Дж/(г×С⁰)], а_(Т) - коэффициента температуропроводности [ см²/c ], l - коэффициента теплопроводности [ Вт/(C⁰×см)], задаваемых в виде упрощенных аналитических зависимостей, можно получить сложные аналитические выражения.

В большинстве практических случаев воздействия лазерного излучения на металл, для инженерных расчетов важным обстоятельством является возможность упрощенного аналитического описания процессов распространения теплоты.

Наличие аналитических зависимостей упрощает анализ тепловых процессов, позволяет оперативно устанавливать закономерности резки.

С целью получения аналитического решения вводят некоторые упрощения параметров теплопередачи. Принимают, что теплофизические свойства материала, такие как, c - удельная теплоемкость материала, а - коэффициент температуропроводности, l - коэффициент теплопроводности и a - коэффициент поглощения материала, не зависят от температуры.

Приближенно нагрев элемента объема происходит за время прохождения луча над этим объемом: t = 2R/n, за это время волна теплопроводности уйдет на глубину, равную ( а × t)^1/2 .

Условием многомерного распределения тепла можно считать, что распространение волны теплопроводности вглубь материала значительно больше радиуса луча R<< ( a × t )^1/2, или