1.3. Лазерная резка металлов
1.3.1. Особенности и преимущества лазерной резки
Развитие надежных и мощных лазеров, работающих в непрерывном и импульсном режиме, прежде всего Nd:YAG и CO2 лазеров‚ позволило осуществить широкий диапазон технологических операций, вовлекающий управляемое лазером разделение материалов.
Применение лазеров для этих целей имеет многочисленные преимущества перед традиционными методами, а именно:
возможность разделения лазером обширного класса материалов независимо от их твердости;
возможность получения узких разрезов с минимальной зоной термического влияния в результате острой фокусировки, обеспечивающей локальность нагрева;
практически полное отсутствие механического воздействия на обрабатываемый материал (возможна обработка легкодеформируемых и нежестких материалов), в связи с чем отпадает необходимость в закреплении образца (можно ограничиться лишь фиксацией);
обеспечение высокой производительности процесса вследствие достижения высокой плотности мощности при фокусировке луча на поверхность обработки;
возможность контроля и строгой регламентации пребывания материала при высоких температурах в случае применения лазеров импульсно-периодического действия;
возможность автоматизации процесса на высоком уровне, использование соответствующих координатных устройств позволяет проводить лазерную резку по сложному контуру в двух и даже трех измерениях, начав процесс с произвольно выбранного места;
осуществление многопозиционной обработки.
В то же время применение лазерного излучения для разделения материалов нельзя считать универсальным средством, с помощью которого можно решить все проблемы, связанные с проведением того или иного процесса В частности, необходимость фокусировки излучения для достижения высоких значений плотности мощности потока предполагает расхождение пучка за плоскостью фокусировки, т.е. резкое снижение плотности мощности. Несмотря на то, что в ряде случаев в полученном материале под действием излучения в канале могут проявляться его волноводные свойства, значительно увеличивающие глубину проникновения излучения в вещество, глубина обработки имеет ограничение, связанное как с естественной расфокусировкой пучка, так и с поглощением чисти излучения на стенках канала.
К основным недостаткам лазерных методов обработки также относят высокую стоимость оборудования и низкий КПД лазерных установок. Однако эти недостатки являются временными.
Резка может происходить путем испарения или удаления расплава из зоны взаимодействия с лазерным пучком, а также посредством создания термомеханических напряжений с последующим расколом по сформированной трещине. Лазеры чаще всего используются для резки металлов и некоторых диэлектриков, при этом грат обычно удаляется направленной струей газа, химически активного или инертного. Термораскалывание применяется при разделении хрупких материалов, таких как стекло, керамика и т.п.
1.3.2. Характеристики качества лазерной резки
В общем случае качество лазерной резки может быть определено следующими главными параметрами (рис. 1.6):
ширина реза на передней bп и на задней bз сторонах и Δb,
неровность краев Rz,
ширина зоны теплового воздействия Δrh,
радиус плавления передней стороны R,
количество отходов (грата) m,
микрогеометрия внутренней поверхности реза (бороздки) S ,
лаг реза (отставание реза на задней поверхности относительно передней) j .
Рис.1.6. Характеристики качества лазерной резки: m – отходы, S – бороздки, Δrh – размер зоны теплового воздействия, R – радиус плавления, Rz – неровность края реза, bп и bз – ширина резки на передней (bп) и на задней (bз) стороне, β – угол задержки реза и отклонения бороздок (разрез (а) и полный (б) вид).
Как должно быть ясно, некоторые дефекты, такие как m и S , непосредственно зависят от количества жидкой фазы, которая остается на краях и стенках реза. Другие, такие как Δb, Δrh, R, зависят больше от времени облучения. Неровность реза на поверхности зависит от формы светового пятна, перекрытия пятен и (или) частоты повторения f.
В общем случае, чтобы уменьшить бороздки необходимо: 1) увеличить перекрытие отверстий (увеличением частоты повторения импульсов f или сокращением скорости движения u0 и т. д.) и, 2) ограничить количество жидкой фазы (уменьшением длительности импульса τ, и т. д.).