LAZERREZ (729051), страница 3

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

Текст из файла (страница 3)

Rn/a > 1. 1.3

В случае, когда излучение фокусируется в пятно с радиусом R = 0,01 см при обработке алюминия а = 0,91 см²/с скорость перемещения луча n < 100 см/с, это будет являться условием медленно движущегося образца, согласно (1.3).

Для случая медленно движущегося образца преобразовывая уравнения (1.1 и 1.2) температура поверхности составит:

1.4

где: q - плотность мощности лазерного излучения;

a - коэффициент поглощения;

l - коэффициент теплопроводности

n - скорость подачи образца;

R - радиус пятна фокусировки.

Тогда для случая быстро движущегося образца преобразовывая уравнения (1.1 и 1.2) температура поверхности оценивается следующим выражением:

1.5

Вглубь материала температура спадает экспоненциально в соответствии с выражением ( 1 .6 ):

1.6

Рис. 1.10 Температурное распределение различных слоев образца углеродистой стали при R = 0,25 мм; P = 1,5 кВт; n = 2см/c; l = 0,24 Вт/(см×C⁰);

a = 0,05 см²/с.

Из ( 1.4 ) видно, что при приближении темперетуры Т к Т_пл начнется процесс разрушения металла при этом интенсивность q составит:

1.7

Выражение ( 1.7 ) является пороговым, при изменении плотности мощности лазерного излучения q, например изменяя радиус лазерного луча при постоянной мощности излучения P, можно реализовать режим лазерного поверхностного упрочнения. Например, при лазерной закалке необходимо нагреть элемент объема до температуры фазовых превращений Т_g . Для материала выполненного из стали q_п составит 1,3 × 10⁵ Вт/см², рассчитанный по (1.7) а = 0,22 см²/c и l = 0,76 Вт/( см×⁰К). Рассматриваемый технологический лазер имеет q = 4,7×10⁶, поэтому для режима термоупрочнения необходимо снизить плотность мощности, например, увеличив размер фокусируемого луча.

При достижении температуры образца Т_пл происходит появление жидкой фазы металла.

Так для характерных режимов лазерной термообработки n = 3,4 см/с, для алюминиевого образца покрытого поглощающим составом ( a_эф = 0,7 ); R = 3 мм; q = 8,3 × 10⁴ Вт/см².

Плавление металлов лазерным излучением. Дальнейшее воздействие лазерного излучения на материал приводит к плавлению материала находящегося в твердой фазе. После достижения поверхностью Т_пл возникает новый режим лазерного нагрева, энергия излучения идет на разрыв связей в кристаллической решетке и изменение теплосвойств возрастает ).

Закономерности лазерной резки качественно описываются выражением (1.8):

h × n × b × ( c × r × Т_пл + Н_пл) = h × Р ; 1.8

где Р - суммарная мощность поглощенного лазерного излучения и экзотермической реакции окисления;

h и b - ширина и глубина резания;

n - скорость перемещения материала;

h = a_эфh_т - эффективность процесса лазерной резки (h_т - термический к.п.д., показывающий отношение энергии, затраченной на проплавление образца, к полной энергии, поглощенной расплавом.);

Н_пл - скрытая теплота плавления.

Если в качестве ширины резания b принять диаметр лазерного луча, то из (1.6) следует, что h @ n^-1 при Р = const ( рис. 1.11 ). Эта зависимость качественно согласуется с экспериментальными данными [ 6 ].

Рис. 1.11 Максимальная скорость резки в зависимости от толщины

образца при мощности СО₂ лазера 1,5 кВт:

1 - углеродистая сталь в воздухе h = 0,5; d = 0,2 мм;

2 - алюминий в воздухе h = 0,5; d = 0,2 мм;

3 - углеродистая сталь в среде кислорода.

Как видно из ( 1.7 ), предельная скорость резки металлов, на заданной глубине резания, зависит от энтальпии плавления Н_пл . Для легкоплавких металлов энтальпия плавления мала. Для алюминия она в 3 раза меньше, чем для стали ( табл. 1.2 ). Однако, как видно из рис. 1.11, алюминий режется лазерным лучом примерно с такой же эффективностью, как и сталь. Здесь оказывает влияние малый коэффициент поглощения a и высокая теплопроводность этого металла.

Простые выражения созданные на основе аналитических зависимостей ( 1.3, 1.4, 1.5, 1.6, 1.7 ) не плохо согласуются с опытом [2,4,5], которые не учитывали изменение a, l, c и а от температуры. При расчетах используют средние значения выше перечисленных коэффициентов. Эти значения подбирают таким образом, чтобы обеспечивалась удовлетворительная точность расчетов на основе сопоставления с экспериментальными данными. Рекомендуемые значения коэффициентов приведены в таблице 1.2.

Табл. 1.2 Теплофизические коэффициенты некоторых металлов.

Влияние газодинамических параметров. Для выполнения обязательного условия лазерной резки - удаления жидкого расплава из зоны резки - необходимо создать вдоль передней стенки реза градиент давления Dp.

Минимальное давление газа, при превышении которого глубина реза не растет, может быть оценено выражением:

Повышая давление и скорость газа, можно не опасаться снижения эффективности процесса резки из-за охлаждения металла. Для скорости газа близкой к скорости звука, удельный теплосъем с поверхности передней стенки не превышает 10² Вт/см², а количество теплоты, уносимой газовой струей, составляет 20 - 30 Вт.

Рис. 1.12 Влияние избыточного давления кислорода на глубину реза в углеродистой стали [2,3].

Увеличение давления кислорода до значений Dр = 0,3 - 0,4 МПа ведет к пропорциональному увеличению глубины реза в углеродистой стали ( рис. 1.12 ). При дальнейшем возрастании давления глубина получаемого реза стабилизируется, а затем несколько уменьшается.

Рис. 1.13 Изменение достижимых скоростей резки с различным качеством в зависимости от толщины материала[2,5]: а - углеродистая сталь; б - алюминий.

Качественные показатели процесса лазерной резки. Поверхность реза на углеродистой стали при невысоких скоростях обработки представляет собой совокупность равномерно расположенных борозд. Для скоростей резки, превышающих некоторый предел, рез получается гладким, без явно выраженных борозд. Образование неровностей на поверхности реза наблюдается при скоростях обработки меньших, 14,5 м/мин и обусловлен нестационарным механизмом разрушения материала ( рис.1.13 а).

Слишком малым скоростям обработки, меньшим 0,5 м/мин соответствует режим самопроизвольной ( автогенной реки ) область - 1. Рез при этом получается значительной ширины, определяемой диаметром струи вспомогательного газа, а не диаметром сфокусированного луча.

Область 2 - соответствует получению качественных резов; область - 3 высокопроизводительной резке, но с низким качеством реза; область - 4 неполное прорезание образца.

При обработке поверхности алюминия область - 1 отсутствует, т.к. алюминий в окислительной среде не воспламеняется ( рис. 1.12 б ).

Таким образом, при рассмотрении обработки металлов лазерным излучением, достигаются скорости резки на порядок превышающие типичные скорости механических способов разделения материалов.

Характеристики

Список файлов реферата