книги из ГПНТБ / Применения лазеров

13.Москаленко В. Ф., Савичева Э. А. Применение газовых опти­ ческих квантовых генераторов в микроэлектронике, ЦНИИ «Электроника», 1972.

14.Foster J. D. Ргос. Industr. and Scient. Confer. Management, Chicago, 1971, p. 301.

15. Стельмах M. Ф., Чельный А. А. Лазерная технология, БСЭ

т. 13.

16.Ready J. F. “ Laser Focus” , 1970, p. 38.

25.«Электронная промышленность», 1972, № 5, стр. 96.

26.Сергеев В. С., Тычинский В. П., Левинсон Г. Р., Свиридов А. Н., Тюмин Ю. М., Колесников Д. П.— «Обмен опытом в электрон­

ПРИЛОЖЕНИЕ 4

ГАЗОЛАЗЕРНАЯ РЕЗКА МАТЕРИАЛОВ

В. П. Тычинский

ВВЕДЕНИЕ

В течение последних лет появились новые сообщения, подтверждающие большое практическое значение газола­ зерной резки для некоторых отраслей промышленности

[1—7].

Рассмотрим специфические особенности газолазерной резки материалов. Благодаря отсутствию механического воздействия при помощи лазеров можно осуществлять раскрой хрупких, вязких и мягких материалов (стекла, резины, тканей и т. п.). Высокая температура в зоне ре­ зания обеспечивает обработку самых прочных и тугоплав­ ких материалов, поддающихся только абразивам и алмаз­ ному инструменту (металлокерамика, стеклоуглерод, ком­ позитные материалы на основе нитей бора и углерода). Ма­ лые затраты энергии и ее высокая плотность позволяют получить параллельные кромки при малой ширине реза и незначительной зоне термического влияния. Лазерные уста­ новки с программным управлением оказались более произ­ водительными и удобными для раскроя листового мате­ риала, чем металлорежущие станки, и позволяют изготав­ ливать детали сложных конфигураций.

Перечисленные особенности в значительной степени связаны с поддувом активного или нейтрального газа в зону резания [8]. В табл. 1 приведены значения скоростей (о) резания металлов и диэлектриков различной толщины (б) С02-лазерами с мощностью от 100 до 850 Вт. Для под­ дува использовался кислород [4, 9, 10, 11].

В табл. 2 приведены некоторые результаты по резке материалов лучом С02-лазера без поддува активного газа при высоком уровне мощности [13]. Зона термического влия­ ния на композитные материалы на основе бора и на метал­ лах (алюминий, нержавеющая и углеродистые стали) при скорости резания 1—2,5 м/мин не превышала 0,25 мм.

Теоретические и экспериментальные исследования про­ цесса газолазерной резки находятся пока в начальной ста­ дии. Ниже приводятся основные результаты исследований по данным работы [13].

где ф = QIcTq— безразмерный термохимический параметр, который не зависит от условий резки и является характе­ ристикой материала и поддуваемого газа.

Используя выражения (1) и (2), можно получить сле­ дующее выражение для требуемой мощности лазерного луча:

Из этого следует, что при ф <1 1,9 dWJdt] > 0, т. е. увеличение ц приводит к росту wJI. Это характеризует устойчивый режим резки. При ф > 1,9 режим становится неустойчивым. Величина шл имеет отрицательные значения, что свидетельствует о возможности резки только за счет энергии химических реакций.

Для анализа процесса при больших значениях скоростей целесообразно рассмотреть более общий случай с тепловым источником, интенсивность которого распределена по гаус­ сову закону

нальный скорости V , Еі — интегрально-показательная функ­ ция.

Положим, что Г(0) > Т0, тогда ширина реза, равная ширине изотермы Т0, будет иметь конечную величину. Это позволяет феноменологически рассмотреть процесс резания и учесть вклад энергии химической реакции, так же как в случае с точечным источником. По аналогии с выражением (2) положим

Теперь, однако, параметр ср зависит от ширины реза. С учетом вклада энергии химических реакций выражение

(4) в безразмерных переменных принимает вид

2

Графики функции wJJU, ср) представлены на фиг. 1. В этом случае также существует область устойчивого (при

Рассмотрим предельный случай процесса, когда тепло­ проводностью материала можно пренебречь. Это справед­

материала). Рассчитать ее значение для большинства мате­ риалов пока не удается и наиболее целесообразно ее опре­ делять опытным путем.

Тем не менее можно произвести приближенные оценки

Fe + 0,5Оа = FeO + 64 кал/моль.

ченные из эксперимента значения ф при резке сталей изме­ нялись в интервале — 0,4 с ijj <с 5,3.

Химические процессы в диэлектриках сложнее, чем в металлах, и оценки гр еще более затруднены. Для боль­ шинства органических материалов процессы в зоне резания сопровождаются разрывом связей С—С или С—О, как наи­ менее прочных [15]. При этом затрачивается энергия около 80 ккал/моль. Процессы ассоциации в зоне резания могут приводить к образованию С02 с выделением энергии 95 ккал/моль. Оценки значений ар для органических мате­ риалов (пластмасс) дают —5 <а[) < 2.

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Описываемые ниже исследования [13] проводились на установке с лазером мощностью до 500 Вт в многомодовом режиме. Луч фокусировался линзой (F = 150 мм) в пятно диаметром ~0,5 мм. Коническое сопло, через которое луч и газ попадали на образец, имело выходное отверстие диа­ метром 1,5 мм. Давление газа внутри резака достигало 3 атм, при этом расход газа составлял ~0,5 л/с. Рабочий стол обеспечивал перемещение образца относительно не­ подвижного резака со скоростью 0,1—10 м/мин.

Резание металлов

Исследование режимов резания различных материалов показало, что скорость и качество резания существенно за­ висят от параметров газовой струи, в частности от давле­ ния газа в резаке. Обычно резка металлов осуществлялась с поддувом кислорода, за исключением специально огово­ ренных случаев. Скорость существенно изменялась в об­ ласти низких давлений газа и слабо при давлениях, пре­ вышающих 2,5 атм. Качество реза при увеличении расхода газа улучшалось. Рез получался с чистыми кромками и малой зоной термического влияния.

Экспериментальные исследования показали, что каче­ ство и скорость резания повышаются при уменьшении расстояния от сопла среза до поверхности материала.

Удовлетворительные результаты получаются при зазоре меньше 1 мм. Хорошее качество реза с незначительным количеством грата удавалось получать на следующих материалах: малоуглеродистые стали толщиной до 4 мм; нержавеющие высоколегированные стали СН-3, 2X13, ВНС-2, ВНС-4х/к толщиной до 2 мм; титановые сплавы ВТ-5, ВТ-14, ВТ-20М, ОТ-41 толщиной до 1,5 мм (более толстые образцы жаропрочных сталей и титановых спла­ вов не исследовались).

и нержавеющих сталей показало, что: а) ширина зоны тер­ мического влияния в материале со стороны входа луча меньше, чем со стороны выхода; б) изменение микротвер­ дости материала у выходной кромки реза больше, чем у входной, и на расстоянии от края реза менее 0,1 мм микро­ твердость достигает нормальной величины; в) ширина зоны оплавления при оптимальном режиме резания имеет ве­ личину менее 0,1 мм. Микроструктура кромок реза стали Х18Н10Т показана на фиг. 2. Литая зона на этом образце была менее 0,05 мм при ширине реза около 0,3 мм. Ширина реза обычно не превышала 0,6 мм для металлов и 0,2— 0,8 мм для диэлектриков.

Количественные исследования процесса лазерной резки наиболее систематически проводились на образцах сталей Х18Н10Т и СтЗ, поскольку этого было достаточно для выяснения общих закономерностей. На фиг. 3 показана зависимость скорости резания от мощности лазера и тол­ щины материала. Разброс экспериментальных точек в пределах 10—20% связан с неточностью определения поро­ говой скорости, непостоянством зазора между срезом соп­ ла и образцом, а также погрешностью измерения мощно­ сти излучения.

Фи г . 3. Зависимость пороговой скорости резания от мощности лазера (для стали Х18Н10Т).

Для сравнения полученных экспериментальных данных с расчетом необходимо было знать долю поглощенного излучения, охлаждающее действие струи и величину пара­

ра (]> пока не представляется возможным. Сопоставляя, эк­ спериментальные и теоретические зависимости, можно сде­ лать некоторые выводы о значении параметра ф. На фиг. 1 приведены результаты обработки экспериментальных дан­