16 (1086308), страница 2

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

Для процесса лазерной резки можно выделить основные факторы, определяющие качество процесса резки. Среди них: плотность мощности и мощность лазерного излучения, скорость резки, размеры и конфигурация сопла для подачи газа, расстояние от среза сопла до поверхности материала, поглощательная способность поверхности материала, вид, состав и свойства разрезаемых материалов. Плотность подводимой в зону обработки мощности зависит, в свою очередь, от мощности лазерного излучения, его модового состава, поляризации и условий формирования (фокусного расстояния линз, величины и направления расфокусировки).

Качество реза определяют следующие показатели (рис.2): точность, шероховатость R_z , неперпендикулярность (клиновидность) j, протяженность зоны термического влияния, ширина реза b, количество грата (наплывы на нижней кромке разрезаемого металла).

Рис.2. Параметры реза

Точность резки характеризуется совпадением размеров вырезанной детали с заданными размерами.

Наиболее существенными факторами, влияющими на характеристики резов, являются энергетические параметры процесса, к которым относятся мощность и плотность мощности. В силу того, что тепловложение в материал зависит и от скорости резки, этот параметр также целесообразно рассматривать в совокупности с энергетическими.

Важным фактором, определяющим как характер протекания процесса резки металлов, так и размерные характеристики резов, являются плотность мощности E_f в зоне воздействия лазерного излучения на материал. Этот параметр − комплексная величина и зависит не только от мощности лазерного излучения, но и от условий его фокусировки, модового состава луча, его расходимости, диаметра пучка на выходе из резонатора и других факторов.

Ширина реза снижается с уменьшением диаметра пятна фокусировки d_f во всех группах материалов. Ширина реза зависит и от теплопроводности материала.

Наряду с плотностью мощности важным технологическим фактором, во многом определяющим размерные параметры обработки, является скорость резки. Однако варьирование скорости обработки имеет ограничения.

Для нержавеющих сталей, титановых и алюминиевых сплавов нижний предел допустимой скорости резки соответствует резкому ухудшению качества поверхности реза. Такие явления особенно характерны при скоростях обработки, лежащих ниже 0,3 – 0,5 м/мин. Слишком же высоким скоростям резки соответствует резкое снижение толщины разрезаемых деталей, поэтому обычно скорости резки не превышают 6 – 8 м/мин.

Эффективность процесса резки, как это видно из (2) зависит также от удельной энергии плавления металла L_пл. Для легкоплавких металлов удельная энергия плавления мала. Для алюминия она в 3 раза меньше, чем для железа. Однако алюминий режется лазерным лучом примерно с такой же эффективностью, как сталь. Видимо, это определяется небольшой по сравнению с железом поглощательной способностью алюминия. Отрицательное действие оказывает также высокая теплопроводность этого материала.

4. Влияние оптических параметров на процесс лазерной резки

Оптические параметры, характеризующие технологический процесс лазерной резки, делятся на параметры: лазерной установки, фокусирующей системы и материала.

Параметры установки: диаметр луча на выходе из резонатора лазера, расходимость лазерного пучка, степень поляризации излучения, модовый состав излучения ТЕМ_mn (форма распределения плотности мощности по сечению пучка).

Параметры фокусирующей системы: фокусное расстояние f, диаметр пятна фокусировки d_f , угол схождения лучей после фокусирующей системы, глубина фокуса (длина перетяжки) z_f , величина и направление осевого смещения фокальной плоскости фокусирующей системы относительно поверхности разрезаемой детали f.

Параметры материала: отражательная способность, зависящая от природы материала, состояния его поверхности.

Оптические параметры установки и фокусирующей системы во многом взаимосвязаны, так как ими определяется диаметр пятна фокусировки, в свою очередь определяющий совместно с мощностью плотность мощности лазерного излучения. В случае лазерной резки необходима острая фокусировка, однако для любой оптической системы существует конечный предел степени фокусировки, который называется дифракционным и определяет минимальную площадь фокусируемого пятна, следовательно, максимально достижимую плотность мощности.

При выборе систем фокусировки необходимо решать проблемы, связанные с модовой структурой и геометрией сфокусированного пучка относительно поверхности обрабатываемого материала.

Пятно минимальных размеров можно получить при фокусировке пучков, в которых распределение интенсивности по сечению подчиняется закону Гаусса. Особенность гауссовых пучков состоит в том, что относительное распределение интенсивности по сечению остается неизменным как в ближней (на расстоянии от перетяжки внутри оптического резонатора лазера zr_п²/, r_п – радиус перетяжки внутри резонатора), так и в дальней (zr_п²/) зоне. Кроме того, в гауссовых пучках фаза излучения одинакова во всех точках поперечного сечения (однофазные пучки).

Расходимость лазерного пучка зависит прежде всего от параметров оптического резонатора лазера: радиуса кривизны зеркал и от расстояния между зеркалами. В дальней зоне (zr_п²/) расходимость для моды ТЕМ₀₀ определяется выражением:

r_п. (4)

Как видно из (4), расходимость пучка может быть уменьшена за счет его расширения с помощью оптической системы. При этом расходимость лазерного излучения обычно пропорциональна увеличению использованного телескопа:

_mr_m_nr_n, (5)

где _m _n − расходимость излучения соответственно на входе и выходе из телескопа; r_m, r_n − радиус пучка соответственно на входе и на выходе из телескопа.

Фокусировка пучка ТЕМ_оо с помощью идеальной линзы, расположенной на расстоянии от перетяжки пучка в резонаторе r_n , для дает минимальный диаметр пучка 2r_f (диаметр перетяжки при фокусировке), определяемый по выражению

, (6)

где f − фокусное расстояние линзы;   расходимость сфокусированного пучка.

Диаметр сфокусированного излучения уменьшается при увеличении расстояния от линзы до перетяжки пучка в резонаторе лазера, а также при уменьшении фокусного расстояния линзы и расходимости лазерного пучка.

Расстояние от линзы до перетяжки фокусируемого пучка определяется как

. (7)

Расстояние обычно больше f, а диаметр пучка в фокальной плоскости больше диаметра пучка в перетяжке 2r_f . Однако, поскольку при малых  разница между и f невелика, на практике для определения диаметра сфокусированного лазерного пучка ТЕМ₀₀ можно пользоваться зависимостью

2r_f = 2f = 2fr_n (8)

Для пучков ТЕМ₀₀ с небольшой расходимостью при определении диаметра пучка в фокусе вместо радиуса перетяжки в резонаторе r_п берется радиус r_л пучка перед фокусирующей линзой.

Другим важным параметром, характеризующим размеры сфокусированного лазерного пучка, является глубина фокуса  расстояние от плоскости наименьшего размера пучка (плоскость перетяжки) до плоскости, на которой происходит заданное увеличение диаметра пучка. Например, увеличение диаметра пучка на 10% по сравнению с величиной 2r_f в перетяжке соответствует перемещению относительно перетяжки вдоль оси пучка на

. (9)

В соответствии с (8) для достижения минимальных размеров фокального пятна необходимо использовать короткофокусные линзы.

Лазерный пучок, содержащий моды высшего порядка ТЕМ_mn (m или n 1), может быть одномодовым или многомодовым. При генерации лазером одновременно двух или более мод суммарное распределение поля в пучке будет суммой полей отдельных мод. Такой пучок в отличие от пучка моды ТЕМ₀₀ имеет сложную структуру и больший угол расходимости, что вызывает увеличение диаметра пучка в фокусе.

Для плоскопараллельного оптического резонатора угол расходимости прямо пропорционален порядку моды m:

r₀m. (10)

Для оптического резонатора со сферическими зеркалами принято считать, что диаметр пучка на выходе лазера и угол расходимости пучка возрастает в отношении (2m + 1)^1/2 c увеличением порядка поперечной моды по сравнению с величинами, полученными для моды ТЕМ₀₀.

5. Технологические особенности лазерной резки металлов импульсно-периодическим излучением

При резке металлов импульсно-периодическим лазерным излучением возникает ряд особенностей.

В связи с тем, что при возрастании фокусного расстояния линзы f глубина области каустики увеличивается, большая глубина реза обеспечивается при использовании длиннофокусных фокусирующих систем. Естественно, эта закономерность будет справедлива до тех пор, пока плотность мощности не начнет существенно уменьшаться при увеличении диаметра пятна за счет возрастания фокусного расстояния (d_f  f). При увеличении f более некоторой критической величины происходит резкое снижение роста глубины реза, тогда как его ширина монотонно возрастает (рис.3).

Рис.3. Кривые зависимости глубины, ширины реза и диаметра пятна фокусировки от фокусного расстояния линзы

На этом же графике представлена зависимость изменения диаметра пятна фокусировки с учетом угловой расходимости лазерного излучения от фокусного расстояния. При возрастании f расхождение между значениями b и d_f снижается, что связано с уменьшением плотности мощности и, следовательно, со снижением теплового влияния лазерного источника за пределами пятна фокусировки.

Помимо рассмотренных технологических факторов важным параметром является величина и направление смещения f поверхности металла относительно фокальной плоскости фокусирующей системы.

На рис.4 приведены изменения значений глубины реза и ширины на верхней кромке в зависимости от смещения f. Наибольшей глубине и наименьшей ширине соответствуют различные положения детали относительно каустики фокусируемого луча. Так, наибольшая глубина реза для рассматриваемых условий обработки достигается при заглублении фокальной плоскости внутрь образца примерно на 1 мм, тогда как минимальная ширина реза получается при фокусировании излучения вблизи поверхности детали.

Характеристики

Список файлов лекций