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 (df 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 df 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.
Рис.4. Кривые влияния степени расфокусировки на глубину и ширину реза
Кроме того, глубина реза возрастает (однако менее интенсивно) при уменьшении длительности импульса в результате некоторого повышения плотности мощности лазерного излучения.
Таким образом, при необходимости получения наиболее глубоких резов обработку следует проводить с применением длиннофокусных (до определенного предела) линз на низких скоростях резки при высокой плотности лазерного излучения (импульсами высокой энергии и малой длительности) и смещением фокальной плоскости фокусируемого лазерного излучения внутрь разрезаемой детали на 1-1,5 мм.
Общие закономерности для ширины реза таковы: ширина реза на верхней кромке bв и нижней кромке bн металла возрастает с увеличением энергии излучения, фокусного расстояния линзы и уменьшением длительности импульса.
На ширину реза верхней кромки bв наибольшее влияние оказывает энергия излучения, тогда как на bн – фокусное расстояние f.
Изменение скорости резки не влияет на ширину реза bв. Вместе с тем понижение скорости обработки ведет к заметному увеличению ширины реза на нижней кромке, причем более интенсивно при повышении энергии излучения и менее интенсивно при увеличении фокусного расстояния линзы.
Таким образом, наиболее узкие пазы и резы могут быть получены при обработке с применением короткофокусных линз на низких плотностях мощности. Уменьшение скорости резки при этом дает возможность получать резы большой глубины и с меньшей непараллельностью кромок. В случае, когда требуется достичь минимального отклонения стенок реза от параллельности, обработку следует выполнять на малых скоростях с низкой плотностью мощности, при использовании длиннофокусной оптики.
При формировании реза в результате наложения элементарных отверстий друг на друга образуется неровность кромки реза, которая определяет величину микронеровностей получаемого реза (рис.5).
Рис. 5. Микрорельеф поверхности реза при резке импульсно-периодическим лазерным излучением
Шероховатость поверхности реза можно оценить выражением
Rz = rэ{1 - [1-(1-кп)2]1/2}, (11)
где кп – коэффициент перекрытия элементарных отверстий.
Наибольшее влияние на шероховатость оказывает скорость обработки. Как видно из зависимости (11), шероховатость поверхности реза накладывает определенные ограничения на производительность резки: для уменьшения величины Rz следует уменьшать скорость обработки. Для уменьшения Rz c повышением скорости резки необходимо повышать частоту следования импульсов.
При резке тонколистовых материалов, когда сквозное элементарное отверстие образуется при воздействии одного лазерного импульса, микронеровности поверхности реза снижаются также при увеличении длительности импульса и фокусного расстояния и при увеличении энергии импульса, так как во всех случаях возрастает радиус элементарного отверстия rэ, что в соответствии с (11) приводит к снижению Rz (при этом кп возрастает).
Таким образом, для получения качественных резов обработку следует вести при малых скоростях резки так, чтобы коэффициент перекрытия элементарных отверстий кп = 0,6 0,8.
Уменьшение шага обработки при резке тонколистового металла ведет к снижению величины клиновидности реза j, причем при малых значениях энергии в импульсе такая закономерность проявляется сильнее. Следовательно, при необходимости получения резов с меньшим отклонением стенок от параллельности в тонких пластинах резку следует проводить при малых значениях шага обработки (кп = 0,6 0,8) и повышенных уровнях энергии излучения.
Следует также учесть, что для импульсно-периодического режима резки металла, как и для резки непрерывным излучением, характерно образование для ряда металлических материалов грата (наплывы на нижней кромке разрезаемого металла). Образование грата происходит в результате смачивания поверхности твердого металла удаляемыми из полости реза жидким металлом и его оксидами за счет получения химических соединений, твердых и жидких растворов, диффузионных процессов в поверхностном слое металла.
Наиболее существенно количество грата зависит от свойств рабочего газа и ширины реза. Применение кислорода и кислородосодержащих смесей позволяет резко уменьшить образование грата на кромках и повысить его отделяемость. Положительное влияние кислорода на качество кромки объясняется, вероятно, значительным уменьшением сил поверхностного натяжения.
Большое влияние на параметры резки обрабатываемого металла оказывает поглощательная способность его поверхности. Поглощение излучения существенно зависит от микрогеометрии поверхности (шероховатости), наличия оксидов, положения плоскости поляризации, длины волны излучения и возможности образования поглощающей плазмы.
Для металлов характерно увеличение поглощательной способности с уменьшением длины волны. Поэтому предпочтительна резка металлов излучением с меньшей длиной волны при одинаковых энергетических параметрах.
Резка в кислороде
Выбор газовой среды для лазерной резки зависит, в первую очередь, от подлежащего резке металла.
Кислород вызывает мощные экзотермические реакции, тепло которых помогает процессу - в кислороде, можно резать довольно толстые листы таких металлов, как, например, углеродистые и низколегированные стали.
Количество подаваемого кислорода должно точно регулироваться - в противном случае, возможен выход реакции из под контроля и, как следствие, ухудшение качества срезов.
Резка в азоте
При резке некоторых металлов, таких как, например, нержавеющие и высоколегированные стали, требуется не допускать даже малейших окислений срезов - поэтому, в этих случаях в качестве газовой среды используются инертные газы, и, в первую очередь, азот. Также, азот используется тогда, когда срезы впоследствии будут подвергаться окраске, в том числе и порошковой - окисление срезов приводит к значительному ухудшению качества окраски.
При высоких требованиях к точности резки, азот может использоваться для обработки листов толщиной до 25 мм.
В противоположность кислороду, в котором не допускается наличие примесей в объеме более чем 0,002%, для лазерной резки может использоваться азот с чистотой начиная с 99,5%. Азот и другие инертые газы не вызывают экзотермических реакций - поэтому, при такой резке нужен мощный лазер, а азот должен быть сжат до довольно высокого давления (обычно, порядка 35 бар).
При использовании азота, фокус лазера должен находиться ближе к обратной поверхности листа. В результате, разрез получается более широким, и в него подается больше сжатого азота. Как правило, используются сопла с диаметром 1,5 мм или больше. На схемах слева: - вверху: положение фокуса при резке в кислороде - внизу: положение фокуса при резке в азоте.