15 (Лекции по термической резке (часть 2))

6

Форма № 3.

Титульный лист

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ПРИБОРОСТРОЕНИЯ И ИНФОРМАТИКИ

Кафедра

ТИ-3 «Информационное обеспечение технологии соединения материалов

УТВЕРЖДАЮ

Заведующий кафедрой

_______________________

В.М.Ямпольский

«___»_________200__г.

Для студентов _4_

курса факультета_ТИ_

Специальность _15.02.02_

К. т. н., с.н.с. Гейнрихс И.Н.

ЛЕКЦИЯ № _15_

по 4310 «Термическая резка »

ТЕМА «ЛАЗЕРНАЯ РЕЗКА МЕТАЛЛОВ »

Обсуждена на заседании кафедры

(предметно-методической секции)

«__»___________200__г.

Протокол № __

МГУПИ – 200__г.

Тема лекции: ЛАЗЕРНАЯ РЕЗКА МЕТАЛЛОВ.

Учебные и воспитательные цели:

1. Ознакомление студентов с теорией газовой разделительной резки.

Время: 2 часа (90 мин.).

Литература (основная и дополнительная):

• Куркин С.А. и др. «Компьютерное проектирование и подготовка производства сварных конструкций» МГТУ 2002г. 462 стр.

• Норенков И.П. Введение в автоматизированное проектирование технических устройств и систем. Учебное пособие. – М; Высшая школа, 1986г. 311 стр.

Учебно-материальное обеспечение:

1. Наглядные пособия:

   • Диафильмы, видеофильм, компьютерные программы.

2. Технические средства обучения:

• Электронный проектор

ПЛАН ЛЕКЦИИ:

Введение - до 5 мин.

Краткий обзор лекции №14

Основная часть - до 80 мин.

Лазерная резка металлов.

1-й учебный вопрос - 30 мин.

Лучевые способы резки материалов.

2-й учебный вопрос - 50 мин.

Основы теории лазерной резки.

Заключение – до 5 мин.

ТЕКСТ ЛЕКЦИИ.

1-й учебный вопрос. Лучевые способы резки материалов.

Современные требования к заготовительным операциям вызывают необходи­мость в разработке и промышленном освоении методов резки конструкционных материалов, соче­тающих высокие показатели как по производительности процесса, так и по точности и качеству поверхностей реза. К числу таких перспективных процессов разделе­ния материалов следует отнести лазерную резку метал­лов, основанную на процессах нагрева, плавления, испа­рения, химических реакциях горения и удаления распла­ва из зоны реза.

К достоинствам лазерной резки следует отнести:

1. сфокусированное лазерное излучение, обеспечивая высокую концентрацию энергии, позволяет разделять практически любые металлы и сплавы независимо от их теплофизических свойств.

2. можно получать уз­кие разрезы (ширина реза близка к диаметру пятна излучения в фокальной плоскости или несколько меньше) с минимальной зоной термического влияния –0,05...0,2 мм.

3. при лазерной резке отсутствует механическое воздейст­вие на обрабатываемый материал и возникают минималь­ные деформации, как временные в процессе резки, так и остаточные после полного остывания, вследствие чего можно осуществлять лазерную резку с высокой степенью точности, в том числе и легкодеформируемых и нежест­ких заготовок или деталей

4. благодаря большой плотнос­ти мощности лазерного излучения обеспечивается высо­кая производительность процесса в сочетании с высоким качеством поверхностей реза.

5. легкое и сравнительно простое управление лазерным пучком позволяет осущест­вить лазерную резку по сложному контуру плоских и объемных деталей и заготовок с высокой степенью автоматизации процесса.

Резка относится к числу первых технологических применений лазерного излучения, апробированных еще в начале 70-х годов. За прошедшие годы созданы лазерные установки с широким диапазоном мощности от нескольких десятков ватт до нескольких киловатт, обеспечивающие эффективную резку металлов с исполь­зованием вспомогательного газа, поступающего в зону обработки одновременно с излучением лазера. Лазерное излучение нагревает, плавит и испаряет материал по линии предполагаемого реза, а поток вспомогательного газа удаляет продукты разрушения. Данный способ разделения материалов известен под названием газола­зерной резки (ГЛР). При использовании кислорода газ выполняет следующие функции: а) окисляя поверхность металла способствует повышению коэффициента поглощения лазерного излучения; б) в результате воспламенения в кислороде и выделения теплоты горения усиливается термическое действие лазерного излучения, в) сдувает и выносит из зоны резки расплав и продукты горения, обеспечивая приток кислорода к фронту реакции горения. Последняя функция струи кислорода является наиболее важной, так как в этом случае удаётся получить чистый , качественный рез значительно большей глубины, чем в отсутствии поддува.

Разделение материалов можно осуществить либо при полном удалении материала из линии реза, либо при частичном удалении материала, например, при образовании системы отверстий малого диаметра в разрезаемой пластине по линии разделения с последующим разломом - скрайбирование. Для пластин из хрупких материалов можно использовать метод термораскалывания, при котором удаление материала не происходит, а движение источника тепла создаёт в объёме материала напряжения и малые трещины. Разделение происходит разломом по линии действия теплового источника.

Для резки металлов в СССР и за рубежом применя­ются технологические установки на основе твердотель­ных и газовых СО₂-лазеров, работающих как в непре­рывном, так и в импульсно-периодическом режимах излучения. С каждым годом значительно возрастает объем промышленного применения газолазерной резки, но безусловно этот процесс не может полностью за­менить традиционные способы разделения материалов. Следует отметить, что в сопоставлении со многими из применяемых на производстве установок стоимость лазерного оборудования для резки еще достаточно вы­сока, хотя в последние годы наметилась определенная тенденция к ее снижению. В связи с этим процесс газолазерной резки становится эффективным только при условии обоснованного и разумного выбора области при­менения, когда традиционные подходы приводят к зна­чительным трудностям или не могут быть использо­ваны

2-й учебный вопрос. Основы теории лазерной резки.

Воздействие лазерного излучения на металлы при рез­ке характеризуется общими положениями, связанными 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, достигающей второй температуры разрушения — кипения, когда имеет место активное испарение. 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 и время воздействия лазерного излучения на металлы, можно управлять этим процессом.

Значительное влияние на интенсивность процессов нагрева и разрушения также оказывает поглощательная способность металлов, зависящая от температуры поверхности, длины волны, поляризации и угла падения излучения на обрабатываемую поверхность. Поглощен­ная энергия лазерного излучения находится в зависи­мости от параметров парогазовой плазмы, возникающей как при непрерывном, так и при импульсном и импульсно-периодическом режимах лазерного излучения в процессе резки.

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

Практическое использование разрушения металлов посредством механизма испарения затруднено в связи с достаточно высокими удельными энергозатратами.

Заметное снижение энергозатрат достигается исполь­зованием вспомогательного газа для удаления продуктов разрушения металлов из канала реза. Перемещение жидкой ванны расплава осуществляется в основном по толщине материала, т. е. вдоль канала реза с по­мощью динамического воздействия газа, превышающего вязкокапиллярную силу.

При газолазерной резке металлов различают стацио­нарный характер разрушения, когда жидкая ванна расплава существует по всей длине канала реза, и нестанционарный, характеризуемый периодическим выносом расплавленного металла из зоны обработки.

Стационарный механизм разрушения достигается в том случае, когда скорости плавления металла в на­правлении реза и удаления расплавленного металла равны в каждом сечении канала. При скоростях газо­лазерной резки металлов меньше стационарных имеет место нестационарный, т. е. неустановившийся характер разрушения.

Рассмотрим качественно физическую основу неста­ционарного разрушения. После удаления очередной массы жидкой ванны из канала реза в нижней его части вновь образуется расплав, так как из-за расшире­ния сфокусированного лазерного излучения нижняя часть канала постоянно находится в поле лазерного излучения. При последующем перемещении материала относительно лазерного излучения последнее попадает на выше распо­ложенные зоны канала и подплавляет их. Образованная ванна расплава не удаляется, так как динамическое воздействие дополнительного потока газа оказывается недостаточным. В следующие моменты времени процесс плавления металла приводит к увеличению объема ванны и при достижении определенных размеров расплав уносится из зоны обработки. Процессы разрушения металла далее повторяются, в результате чего на боковой поверхности кромок реза образуются так называемые бороздки.

При газолазерной резке сталей и ряда других спла­вов в качестве вспомогательного газа используется кислород, обеспечивающий выделение в канале на по­верхности разрушения дополнительной теплоты экзотер­мической реакции. Кроме того, на обрабатываемой поверхности металла появляется оксидная пленка, изменяющая тепловой баланс в канале реза вследствие изменения поглощательной способности материала. Ок­сидная пленка заметно влияет также на гидродинамику течения расплава, так как вязкость оксидов существенно превышает соответствующую вязкость для жидкого ме­талла.

Применение импульсно-периодического лазерного из­лучения при резке позволяет снизить необходимые средние мощности лазера и вносит специфические осо­бенности в процесс резки. Температура поверхности жидкой ванны, образованной в результате действия очередного импульса, может быть ниже температуры ки­пения металла. Расплавленный металл перемещается вдоль канала реза в результате действия газодинамической силы. Если при воздействии импульса излучения температура поверхности жидкой ванны превышает темпе­ратуру кипения металла, то на расплавленный металл дополнительно действует механический импульс отдачи паров или плазмы, ускоряющий перемещение жидкой ванны вдоль канала реза. Образование и удаление жидкой ванны из канала реза может происходить как во время действия импульса лазерного излуче­ния, так и в паузе между импульсами.

Предпочтительным представляется способ газолазер­ной резки, основанный на механизме разрушения метал­лов плавлением и обеспечивающий снижение средней мощности лазерного излучения по сравнению с разруше­нием металлов в процессе резки испарением.

Широкие возможности лазерной резки металлов открывает применение импульсно-периодического лазер­ного излучения. При оптимально установленных парамет­рах процесса можно осуществлять газолазерную резку с заданным соотношением фаз, т. е. с регулируемым количеством расплавленного материала в продуктах разрушения, обеспечивающим высокое качество разре­занных кромок и повышенную энергетическую эффек­тивность процесса резки.

Методические рекомендации:

- обобщить наиболее важные, существенные вопросы лекции;

- сформулировать общие выводы;

- поставить задачи для самостоятельной работы;

- ответить на опросы студентов.

Лекция разработана «___»________200__г.

_______________________И.Н.Гейнрихс