1.3.3. Временно–энергетические характеристики типичного импульса и их влияние на качество лазерной резки металлов

Уменьшение мощности к концу импульса и исчезновение больших пичков ведет к образованию жидкой фазы металла (которая не может более быть испарена) и не способствует созданию достаточного дополнительного давления, чтобы удалить ее — и это главная причина ухудшения качества резки.

Главная причина образования грата – это большое количество жидкой фазы, которое является следствием спада мощности к концу импульса, большой постоянной составляющей и различной импульсной мощности в пиках. Жидкая фаза и сложные многоимпульсные механизмы ее удаления – также главные причины образования бороздчатости.

Уменьшение зоны теплового воздействия (ЗТВ) , включая плавление, окисление и нагревание, зависит прежде всего от длительности импульса τ, чрезмерная длительность импульса так же важная причина плавления передней поверхности вырезки (см. радиус R на рис.1.6).

Чтобы увеличивать возможность резки, необходимо увеличивать частоту следования импульсов f (что означает увеличить среднюю мощность ), и скорость перемещения u₀ соответственно. То же самое качество тогда будет обеспечиваться в той же самой плотности мощности q_i и том же самом пере-крытии p.

1.3.4. Влияние оптической системы на лазерную резку

Фокусирующая оптическая система может вызвать следующие недостатки:

• оплавление передней поверхности вокруг реза и, соответственно, коническая форма реза

• неровность края реза на поверхности

• образование дополнительного количества жидкой фазы из-за конической продольной формы сечения пучка

Проекционная оптическая система с цилиндрической световой трубой лишена этих недостатков.

1.3.5. Обеспечение режима лазерной резки металлов с высоким качеством и разрешением

Рассмотрим характеристики лазерных импульсов, лазерного пучка, оптических систем и оснастки, изменение которых позволяет управлять качеством резки металлов.

Временно-энергетические характеристики лазерных импульсов:

• плотность мощности q_i – чем больше, тем лучше (уменьшение жидкой фазы), но меньше, чем порог поглощения в эрозионном факеле.

• длительность импульса τ_i — чем меньше, тем лучше (уменьшение жидкой фазы), в диапазоне от микросекунд до нано– (и даже) пико–, и фемтосекунд. Сокращение τ_i ведет к уменьшению глубины испарения.

• P_i определено требованиями плотности мощности q_i и размера оптического пятна в фокальной плоскости d₀, чем больше, тем лучше, чтобы обеспечить необходимые q и f.

• крутизна фронтов импульса, τ_кр: τ_кр < τ_i

• постоянная составляющая мощности, P_п: P_п = 0

• отдельные импульсы (или пички) должны быть равными по мощности и длительности,

• частота повторения импульсов, чем больше, тем лучше, но должна позволять удалять продукты эрозии из реза: (W_п – скорость разлета паров)

Пространственные характеристики лазерного пучка и оптической системы:

• выбор размера светового пятна d₀ зависит от ширины реза d ; чем меньше d , тем меньше должно быть d₀, в любом случае и

• фокусное расстояние линзы, F , или лучше сказать, числовая апертура 2F/D₀ определяет продольную структуру пучка и глубину фокуса, в особенности; лучше всего – структура световой цилиндрической трубы, которая реализуется при условии , гдеI – расстояние между выходным зеркалом лазера и задней фокальной плоскостью фокусирующей линзы, α – угол расходимости лазерного луча;

• распределение энергии в световом пятне должно быть однородным.

Оснастка и параметры системы управления:

• оснастка должна быть обеспечена струей газа и воды (внутри трубки–заготовки) – вспомогательные системы для удаления продуктов эрозии,

• перекрытие отверстий: чем больше, тем лучше для минимизации бороздчатости при данной скорости перемещения u₀, диаметра вырезки d и частоте повторения импульсов f :

• система управления должна обеспечивать одинаковую плотность мощности в криволинейных частях траектории, особенно на крутых поворотах, при смене направлений (реверсе) и т. д., что необходимо для стабилизации качества резки: .

Таким образом, в данной главе были рассмотрены теоретические физические основы лазерной обработки в общем и, в частности, лазерной резки, определены характеристики лазерного излучения и установки, оказывающие непосредственное влияние на качество лазерной обработки металлов. Теперь можно рассмотреть вопросы оптимизации режимов лазерной обработки в связи с геометрическими параметрами изделий, такими как толщина материала, насыщенность внутренними элементами и т.д. При выполнении экспериментальных работ на лазерном комплексе FMark-20RL у оператора не будет возможности влиять на такие параметры установки, как тип лазера, тип оптической системы, форма и тип импульсов, однако их понимание важно для оценки влияния на качество резки других, управляемых параметров. Стоит отметить еще одну важную особенность используемого лазерного комплекса – отсутствие систем подачи газа для удаления расплавленного и испаренного материала из зоны обработки. Это определяет особенности процесса резания тонколистовых металлов на данной установке, которые будут подробно рассмотрены в главе 2.