CC BY
3567
Виды и параметры процесса лазерной резки
Закалюкина Л.А., Баннов В.Я., ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет» kipra@mail.ru
Аннотация
Лазерная резка - это процесс термического разделения материала. Инструментом в данном процессе является лазерный луч, мощность которого в фокус после прохождения через линзу фокусирующего объектива составляет от нескольких десятков до нескольких сот ватт (в зависимости от мощности источника излучения). В процессе обработки фокус лазерного луча может располагаться над поверхностью заготовки, на поверхности или под ней, в зависимости от толщины и свойств материала. Благодаря высокой удельной мощности лазерный луч нагревает, расплавляет и/или испаряет материал. В процессе резки соосно лучу из сопла под давлением выходит струя газа, которая удаляет материал из образующейся при резке прорези.
1 Введение
Выделяют три технологических процесса лазерной резки: сублимационная, резка плавлением и газокислородная резка.
Для сублимационной резки характерно испарение материала в зоне реза под действием лазерного излучения. Для обеспечения минимальной ширины прорези, мощность излучения должна быть высокой, чтобы снизить потери на теплопроводность. При данном процессе применяются инертные или химически пассивные газы, например, азот (N2), гелий (Не), аргон (Аг). Результатом сублимационной резки являются: гладкие кромки реза, минимальное термическое воздействие на материал, отсутствие окисления реза. К недостатком следует отнести невысокую скорость резки и ограничение по толщине материала до 1 мм. Описанный процесс применим как для обработки металла, так и для материалов, которые плавятся незначительно или совсем не имеют расплавленного состояния, например, древесина, бумага, керамика и пластмассы.
Лазерная резка плавлением применяется для обработки высоколегированных сталей и цветных металлов. Она характеризуется пе-
реходом металла в расплавленное состояние в области образующейся прорези, после чего расплав удаляется струей инертного газа (аргон, азот). Этот способ позволяет применять более высокие скорости резки, т. к. не требуется испарение материала. Выбором применяемого газа можно предотвратить окисление кромок реза. Лазерная резка плавлением с подачей газа под давлением свыше 6 бар позволяет увеличить скорость удаления расплавленного материала из прорези, что предотвращает образование заусенцев и прилипание шлаков к кромкам реза. В качестве газа используется азот, предотвращающий окисление кромок. Лазерная резка плавлением с высоким давлением газа используется в основном для нержавеющей стали и сплавов алюминия.
Газокислородная резка отличается от резки плавлением тем, что расплавленный материал удаляется из зоны резки струёй кислорода. В результате взаимодействия кислорода с расплавленным и частично испарившимся металлом в несколько раз увеличивается подвод энергии к зоне взаимодействия лазерного луча и заготовки. К достоинствам газокислородной резки можно отнести возможность разделения листов металла с большой толщиной, высокую скорость обработки. Есть и недостатки этого метода - кромка реза имеет существенные неровности и окисляются, что создает необходимость последующей обработки. Этот процесс используется для разделения только металлов.
2 Влияние параметров лазера, режимов обработки, параметров заготовок и машинных параметров
На достижение желаемых результатов при обработке материала лазерной резкой влияют параметры лазера, режимы обработки, параметры заготовки и машинные параметры. К параметрам лазера относятся: мощность лазера, частота следования импульсов, распределение удельной мощности, постоянство мощности, поперечное сечение луча, расходимость, поляризация. Режимы обработки
Виды и параметры процесса лазерной резки
включают в себя: скорость резки, вид газа, давление газа, положение фокуса. К параметрам заготовки можно отнести толщину заготовки, материал, геометрию заготовки, поверхность заготовки. Машинные параметры определяются зеркалом для вывода энергии лазерного агрегата, положением луча, астигматизмом, отклоняющим зеркалом, фокусирующей линзой, регулировкой лазерного луча относительно сопла, отверстием сопла [1].
Далее кратко рассмотрены некоторые вышеперечисленные параметры.
Выбираемая мощность лазера зависит от обрабатываемого материала, толщины заготовки, требуемых результатов обработки. Так для достижения высокой точности при сложной геометрии заготовки или в случае наличия тонких перемычек необходимо уменьшить мощность лазера переходом на импульсный режим. В случае разделения конструкционной стали с толщиной заготовки более 8 мм требуется мощность лазера выше 1000 Вт. Важное значение имеет и постоянство мощности лазеры в течение всего времени обработки заготовки. Этот параметр влияет на стабильность результата резки.
На рис. 1 представлен график излучаемой мощности при включении лазера LMC1200-0.7 c максимальной излучаемой мощностью 700Вт.
Время, плин
Рис. 1. График излучаемой мощности при включении лазера
Из графика видно, что постоянная мощность устанавливается через 7-9 минут после включения лазера.
Частота следования импульсов зависит от задач обработки. При резке небольших контуров или при врезании в режиме ступенчатой мощности рекомендуется небольшая частота следования импульсов.
Чем больше диаметр лазерного луча, тем меньше получаемый фокальный диаметр и, следовательно, меньше ширина реза (рис. 2).
Линза 7,5"
Большое сечение луча Малое сечение луча
Линза 5"
Большое сечение луча Малое сечение луча
(з ^ . ^
Рис. 2. Ширина реза в зависимости от диаметра лазерного луча
Фокальный диаметр зависит от фокусного расстояния применяемой фокусирующей линзы.
При совпадении плоскости поляризации луча с плоскостью резки показатели скорости и качества резки повышаются. В этом случае на передней поверхности реза происходит наиболее высокое поглощение излучения. Если плоскость поляризации перпендикулярна плоскости реза, то происходит поглощение излучения боковыми поверхностями реза. Скорость и качество резки могут значительно различаться в зависимости от изменения направления перемещения оптического резака при вырезке фигурных деталей. Для обеспечения наибольшей эффективности резки целесообразно плоскость поляризации луча с помощью специального устройства автоматически поворачивать при изменении направления резки, чтобы она совпадала с плоскостью резки. Хорошие результаты могут быть достигнуты в результате превращения линейно поляризованного излучения в излучение с круговой поляризацией с применением фазо-вращающего зеркала, которое устанавливают перед входом в оптический резак [2].
Скорость резки зависит от материала и толщины заготовки (рис. 3).
• Сталь Нержавейка Алюминий
0,5 1 1,5 2 3 4 6
Толщина заготовки, 5 [мм]
Рис. 3. График зависимости скорости резки от толщины заготовки
Сильно завышенная или заниженная скорость резки может привести к повышенной шероховатости, образованию заусенцев, про-плавлениям. Чем толще заготовка, тем меньше должна быть скорость перемещения лазерного луча.
В случае обработки материалов с использованием газа требуемый результат резки определяет вид применяемого газа. Так, например, при обработке такого горючего материала, как древесины, нельзя использовать кислород. Для металла тоже нельзя применять кислород из-за окисления кромок реза.
Большое значение имеет качество применяемого газа. Из-за наличия в кислороде воды и азота на кромках реза могут образовываться заусенцы.
Давление газа зависит от толщины заготовки материала. При газовой резке тонкие заготовки из металла разделяются лучше под большим давлением, чем толстые заготовки. Это компенсирует недостаток кислорода при больших скоростях резки. При резке высокого давления толстые заготовки используют большое давление газа, чтобы удалить расплавленный материал из прорези. При кислородной резке давление газа уменьшается с увеличением толщины заготовки.
Результат резки зависит и от положения фокуса (рис.4).
При газовой резке конструкционной стали толщиной до 6 мм фокус должен располагаться на поверхности листа, при толщине 8 мм и выше - над поверхностью листа. При резке высокого давления положение фокуса перемещается в лист.
Рис. 4. Положение фокуса
Положение фокуса определяется методом контура плазмы (изменения цвета плазмы) или определением минимальной толщины образуемой прорези на материале.
Толщина заготовки влияет на режимы и качество обработки. Чем толще заготовка, тем больше шероховатость кромки реза и тем меньше скорость резки [3].
Свойства обрабатываемых материалов (поглотительная способность, теплопроводность, отражательная способность и т.д.) определяют возможность их разделения лазерным лучом. Свойства материалов зависят от составляющих их компонентов (например, содержанием углерода, легирующих элементов). При резке металлов с высоким содержанием углерода (железные и стальные листы) необходимо учитывать увеличение твердости материала вдоль кромки реза. Листы с высоким содержанием легирующих веществ разделяются труднее, чем с меньшим содержанием. Из-за высокой отражательной способности и теплопроводности сплавы алюминия могут обрабатываться СО2 лазером с мощностью 700 Вт только до толщины 4 мм. Получаемый результат будет лучше при увеличении легирующих веществ в алюминиевом сплаве. Чистый алюминий плохо режется из-за очень высокой отражающей способности. Максимальная толщина обрабатываемого листа не более 2 мм. Титановые листы могут резаться толщиной до 5 мм с хорошим результатом резки при использовании аргона. Цветные металлы (латунь, медь) обладают высокой отражательной способностью и теплопроводностью. При резке меди следует использовать кислород, использование азота ведет к полному отражению лазерного луча, в результате чего могут быть испорчены конструктивные оптические элементы оборудования. Максимальная толщина заготовки для меди - 3мм. Латунь следует резать с использованием газа под высоким давлением. В качестве газа можно использовать азот или кислород. Максимальная толщина латуни 4 мм. Серебро и золото практически не режутся лазерным лучом [4].
Виды и параметры процесса лазерной резки
Блестящие поверхности материалов приводят к сильному отражению лазерного луча и плохим результатам резки. Слой окалины на поверхности обрабатываемого листа также ухудшает качество резки. Шероховатые и матовые поверхности обеспечивают высокую скорость резки. Наличие тонкого масляного листа оказывает положительное действие при врезании листа со 100%-ой мощностью лазера.
Рис. 5. Физические процессы, протекающие при воздействии мощного лазерного пучка на поглощающую поверхность
Еще одним параметром, влияющим на качество резки является геометрия заготовок. Так, например, наличие острых углов, перемычек, небольших отверстий (диаметр меньше удвоенной толщины листа) вызывают сложности при резке. Обработка этих элементов проводится с уменьшенной скоростью
резания, уменьшенной мощностью излучения, низкой частотой следования импульсов
[5].
Физические процессы, возникающие при взаимодействии лазерного луча с веществом можно представить в виде схемы (рис. 5).
На поверхности материала лазерный луч поглощается по экспоненциальному закону Бугера-Ламберта:
I (х ) = (1)
где ^^-интенсивность лазерного излучения, проникшего на глубину х; 1о - интенсивность падающего лазерного излучения (для простоты не учитывается доля отраженного излучения).
В металлах коэффициент поглощения а по порядку величины равен 105 см-1. Следовательно, поглощенная энергия выделяется в слое толщиной ~10-5 см.
Выделившееся тепло за счет теплопроводности проникает вглубь материала (рис. 5, а). После того как температура поверхности достигнет точки плавления, начинается распространение границы жидкой фазы в глубь материала (рис. 5, б). Последующее излучение приводит к процессу испарения поверхности (рис. 5, в), при этом в материале образуется отверстие. Если интенсивность излучения достаточно велика, то после поглощения в удаляемом с поверхности материале образуется высокотемпературная непрозрачная плазма, которая может распространяться навстречу лазерному пучку в форме индуцированной лазерным излучением волны поглощения. Образовавшаяся плазма поглощает падающее лазерное излучение и экранирует поверхность (рис. 5, г).
В табл. 1 представлен диапазон изменения плотности мощности лазерного излучения в зависимости от протекающего процесса при обработке.
Соответствующие значения являются приближенными и приводятся для спектральных участков: видимой и ближней инфракрасной областей, а также для области генерации СО2-лазера (~ 10 мкм). При относительно невысоких значениях плотности мощности излучения преобладает плавление. При воздействии повышенной плотности мощности излучения начинается процесс испарения, не вызывающий взаимодействия между падающим пучком и испарившимся материалом [6].
Таблица 1. Диапазоны плотности мощности лазерного излучения, в пределах которых преобла-
При дальнейшем повышении плотности мощности излучения возникают индуцированные волны поглощения, которые оказывают преобладающее влияние на физические процессы, в то время как роль испарения снижается. Для СО2-лазеров порог возникновения волн поглощения примерно на порядок ниже, чем для твердотельных и волоконных лазеров, работающих в более коротковолновой части оптического спектра[7].
При очень высоких значениях плотности мощности излучения начинается поглощение лазерного излучения в индуцированной им плазме в результате обратного тормозного эффекта или коллективных процессов, протекающих в плазме.
Наибольший интерес представляет область, расположенная ниже порога возникновения волны поглощения. В ней энергия лазерного излучения тратится на изменение состояния обрабатываемого материала, тогда как в области выше порога энергия в основном идет на поддержание индуцированной волны поглощения и других плазменных явлений.
На рис. 6 показаны примерные области с различными режимами взаимодействия и отмечены их возможные применения.
3 Заключение
Учитывая все вышеперечисленные параметры режимов резания, свойства материала и геометрические размеры заготовки можно получить требуемые результаты обработки.
10 10" 10 ' 10 • 103 102 Длительность импульса, с
Рис. 6. Диапазоны плотности мощности и длительности импульсов лазерного излучения, пригодные для различных процессов обработки материалов
Список литературы
[1] Альтудов, Ю.К. Лазерные микротехнологии и их применения в электронике. / Ю.К. Альтудов, А.Г. Гарицин. - М.: «Радио и связь», 2001.- 632 с.
[2] Григорьянц, А.Г. Технологические процессы лазерной обработки. / А.Г. Григорьянц, И.Н. Шиганов, А.И. Мисюров. - М.: МГТУ, 2006. -664 с.
[3] Алмаметов В.Б., Баннов В.Я., Кочегаров И.И. Информационные технологии проектирования РЭС. Единое информационное пространство предприятия: Учебное пособие. - Пенза: Изд-во ПГУ, 2013. - 108 с.
[4] Кочегаров И.И. и др. Автоматизация процессов измерения механических воздействий для защиты РЭС / Современные информационные технологии: труды международной научно-технической конференции. - Пенза: Пензенская государственная технологическая академия, 2011. - с. 70-71.
[5] Межевов, В.С. Обработка материалов с помощью мощных волоконных лазеров / В. С. Межевов, В Н. Петровский // РИТМ. - 2008. -№4(34). - с. 49-56.
[6] Гришко А.К., Баннов В.Я. Анализ моделей тепловых режимов в многоуровневых конструктивно-функциональных модулях радиоэлектронных систем специального назначения. / Труды международного симпозиума "Надежность и качество". - Пенза: Изд-во ПГУ, 2013. -с. 180-181 - т. 2.
[7] Менушенков, А. П. Физические основы лазерной технологии. / А.П. Менушенков, А.П. В.Н. Неволин, В.Н. Петровский. - М.: НИЯУ МИФИ, 2010. - 212 с.
дают те или иные процессы
Процесс Плотность мощности, Вт/см2
Видимая и ближняя ИК-области СО2-лазер
Плавление ~105 ~105
Испарение 106-1,5108 106-2,5. 107
Индуцированна я волна поглощения >1,5108 >2,5107
Обратный тормозной эффект в плазме <1012 -
Коллективные э ффекты в плазме >1013 -
