Лазерная резка : расчет зануления кабельной сети и освещенности сборочного мест блока

метки: Лазерный, Материал, Металл, Листовой, Станок, Технология, Прокат, Излучение

ЧАСТЬ ПЕРВАЯ, Обзор научно-технической информации.

1.1 Введение., Возможности лазеров.

В промышленности получил распространение ряд процессов разделения материалов, основанных на электрохимическом, электрофизическом и физико-химическом воздействиях. Ацителено-кислородная резка, плазменная резка проникающая дугой и другие физико-химические методы разделения обеспечивают повышение производительности по сравнению с механическими методами, но не обеспечивают высокой точности и чистоты поверхностей реза и требуют в большинстве случаев последующей механической обработки. Электроэрозионная резка позволяет осуществлять процесс разделения материалов с малой шириной и высоким качеством реза, но одновременно с этим характеризуются малой производительностью.

В связи с этим возникла производственная необходимость в разработке и промышленном освоении методов резки современных материалов, обеспечивающих высокую производительность процесса, точность и качество поверхностей получаемого реза. К числу таких перспективных процессов разделения материалов следует отнести лазерную резку металлов, основанную на процессах нагрева, плавления, испарения, химических реакциях горения и удаления расплава из зоны резки.

Сфокусированное лазерное излучение , обеспечивая высокую концентрацию энергии, позволяет разделять практически любые металлы и сплавы независимо от их теплофизических свойств. При этом можно получить узкие резы с минимальной зоной термического влияния. При лазерной резке отсутствует механическое воздействие на обрабатываемый материал и возникают минимальные деформации, как временные в процессе резки, так и остаточные после полного остывания. Вследствии этого лазерную резку можно осуществлять с высокой степени точностью, в том числе легкодеформируемых и нежестких заготовок или деталей. Благодаря большой плотности мощности лазерного излучения обеспечивается высокая производительность процесса в сочетании с высоким качеством поверхностей реза. Легкое и сравнительно простое управление лазерным излучением позволяет осуществлять лазерную резку по сложному контуру плоских и объемных деталей и заготовок с высокой степенью автоматизации процесса. Кратко рассмотренные особенности лазерной резки наглядно демонстрируют несомненные преимущества процесса по сравнению с традиционными методами обработки.

Лазерная резка относится к числу первых технологических применений лазерного излучения, апробированных еще в начале 70-х годов. За прошедшие годы созданы лазерные установки с широким диапазоном мощности (от нескольких десятков ватт до нескольких киловатт), обеспечивающие эффективную резку металлов с использованием вспомогательного газа, поступающего в зону обработки одновременно с излучением лазера. Лазерное излучение нагревает, плавит и испаряет материал по линии предполагаемого реза, а поток вспомогательного газа удаляет продукты разрушения. При использовании кислорода или воздуха при резке металлов на поверхности разрушения образуется оксидная пленка, повышающая поглощательную способность материала, а в результате экзотермической реакции выделяется достаточно большое количество теплоты.

Прогрессивные технологические процессы промышленного производства

... может служить технологический процесс штамповки; 2 группа производств основана на перестраиваемой технологии, когда при изменении ... аппараты для точечной сварки, дуговой сварки и резки, нагревательные паяльные лампы, пистолеты для окраски напылением, ... связанные с изготовлением продукции. Например, в технологии обработки металлов резанием в качестве автономно функционирующей единицы технологического ...

Для резки металлов применяют технологические установки на основе твердотельных и газовых CO ₂ — лазеров, работающих как в непрерывном, так и в импульсно-периодическом режимах излучения. Промышленное применение газолазерной резки с каждым годом увеличивается, но этот процесс не может полностью заменить традиционные способы разделения металлов. В сопоставлении со многими из применяемых на производстве установок стоимость лазерного оборудования для резки еще достаточно высока, хотя в последнее время наметилась тенденция к ее снижению. В связи с этим процесс газолазерной резки (в дальнейшем просто лазерной резки) становится эффективным только при условии обоснованного и разумного выбора области применения, когда использование традиционных способов трудоемко или вообще невозможно.

В разделе 1.3 рассматриваются стационарные тепловые процессы для оценки их влияния на скорость резки, представленные уравнением ( 1.4, 1.5 ).

Достаточно приближенно рассматривался процесс течения газа в зоне резки, показывая лишь минимальный расход газа, при котором еще возможна резка и качественное влияние состава газа на разрушение материала.

Не учитывалось влияние явлений оптического пробоя ( возникает при q @ 10⁷ — 10⁸ Вт/см² ) и экранировки излучения плазменным факелом.

1.2 Физические процессы при лазерном воздействии на поверхность твердых тел., Поглощение и отражение лазерного излучения.

Световой поток лазерного излучения, направленный на поверхность обрабатываемого материала, частично отражается от нее, а частично проходит в глубь тела. Излучение, проникающее в глубь металла, практически полностью поглощается свободными электронами проводимости в приповерхностном слое толщиной 0,1- 1 мкм, эти электроны переходят в состояния с более высокими уровнями энергии, т.е. возбуждаются.

Возбужденные электроны сталкиваясь с другими электронами или узлами кристаллической решетки передают им избыток энергии.

Основная доля теплоты при лазерном нагреве переносится в глубь металла посредством электронной проводимости. Поэтому, тепловые процессы при лазерном нагреве имеют ту же физическую природу, что и традиционные способы термического воздействия на металл, это дает возможность пользоваться классической теорией теплопроводности.

Интенсивность поглощения энергии определяется значением коэффициента поглощения, который зависит от рода материала и длинны волны падающего излучения.

Поглощательная способность неокисленной металлической поверхности на длине волны лазерного излучения l = 10,6 мкм определяется уравнением:a = 112,2 (s ₀ ^-1 ) ^-1/2 , гдеa — коэффициент поглощения; s ₀ — удельная электрическая проводимость металла по постоянному току, См/м.

Это выражение применимо для коэффициентов поглощения чистых, полированных поверхностей. Для материала с неочищенной, неполированною поверхностью ( материала поставки ) коэффициент поглощения зависит от состояния поверхности и может значительно превышать для чистых металлов ( табл. 1.1 ).

Таблица 1.1

Материал	Поверхность в состоянии поставки	Полирован-ная поверхность
Нержавеющая сталь	39	9
Алюминий	12	2
Медь	12	2
Низкоуглеродистая сталь	85	48
Серебро	___	11

Рис.1.1 Зависимость

коэффициента пог-

лощения излучения СО

температуры для

различных материалов

[2]

При нагревании образца электрическая проводимость металлов уменьшается, соответственно возрастают коэффициенты поглощения. Если лазерная обработка поверхности происходит в воздушной или какой-либо окислительной среде, то происходит рост оксидной пленки на поверхности образца и происходит дополнительное увеличение поглощательной способности ( рис. 1.1 ) [2].

Рис. 1.2 Характерные кривые нагрева в воздухе термически тонких мишеней непрерывным излучением СО ₂ — лазера при q = 4,7

• 10 ⁶ Вт/см ² и соответствующие кривые коэффициента эффективного поглощения a _{эф [2]: а — дюралюминий ;}

б — сталь.

По мере роста оксидной пленки на поверхности железа коэффициент отражения периодически уменьшается, когда толщина пленки становится кратной половине длинны волны света. Таким образом

a _эф

испытывает изменения во времени ( рис. 1.2 б ).

Эффективный коэффициент поглощения железа может быть на порядок выше, чем тот же коэффициент для чистой поверхности.

Оксидная пленки на поверхности алюминия термически прочная, T _пл выше 2000⁰ С и ее толщина при нагревании не изменяется и коэффициент поглощения остается практически постоянным ( рис. 1.2 а ).

Коэффициент поглощения можно увеличивать искусственно. Для излучения CO ₂ — лазеров это особенно важно, т.к. на длине волны излучения l = 10,6 мкм коэффициенты поглощения для большинства металлов менее 10%. Для увеличения поглощения поверхность образца покрывают специальными теплостойкими веществами, хорошо поглащающими ИК — излучение, например фосфат цинка, для которого при Т = 1000⁰ С эффективный коэффициент поглощения a _эф = 0,7.

Рис 1.3 Схема резки металла

лучом лазера.

Влияние поляризации лазерного излучения.

При перемещении лазерного излучения относительно материала образуется рез, нормаль к поверхности которого составляет с падающим лучом угол

y

( рис. 1.3 ).

При наклонном падении отражение лазерного излучения зависит от поляризации. Способности поглощения лазерного излучения

a _чъ

• составляющей, лежащей в плоскости падения луча, и

a _^

• составляющей, перпендикулярной плоскости падения луча, в общем случае различны. Это означает, что способность поглощения поляризованного излучения зависит от ориентации электрического вектора напряженности относительно поверхности металла.

Зависимость способности к поглощению излучения железа и алюминия на длине волны l = 10,6 мкм для двух составляющих a _чъ и a _^ приведены на рисунке 1.4.

При ширине луча d и толщине разрезаемого материала h средний угол падения определяется выражением y = arctg ( h/d ).

Например, при резке материала толщиной 1,5 мм с диаметром пятна фокусировки 0,1 мм y = 80⁰ .

Используя зависимость a _эф от угла падения луча на поверхность можно определить доли поглощенного лазерного излучения для параллельной и перпендикулярной составляющих поляризации и их отношение a _чъ /a _^ = 20, при y = 80⁰ .

а ) б )

Рис. 1.4 Зависимость коэффициента a _эф для луча с перпендикулярной и продольной поляризацией ( l = 10,6 мкм ) от угла падения на поверхность при Т = 20 ⁰ С и 1000 ⁰ С[4]:

а — материал алюминий;

• б — материал железо.

Это означает, что при совпадении плоскостей резки и поляризации луча ( при направлении резки, параллельной плоскости поляризации ) поглощенная на лобовой поверхности реза мощность излучения в 20 раз больше, чем при перпендикулярном положении векторов скорости резки и поляризации.

Это характерный случай получения глубокого реза в материале, т.к. отношение h/d составляет примерно 5,6 , и при рассмотрении необходимо учитывать влияние поляризации.

В случае поверхностной обработки или неглубокого проникновения излучения в материал, когда отношение h/d принимает небольшие значения, влиянием ориентации векторов скорости резки и поляризации можно пренебречь. Например, при прорезании металла на глубину 0,3 мм угол y составит 45⁰ , а отношение поглощения параллельной к перпендикулярной составляющих поляризации равно 1,2.

Отражательная способность металлов существенно зависит от температуры, а отношение a _чъ /a _^ уменьшается с уменьшением температуры. Так как поглощательная способность сильно зависит от угла падения, относительная разориентация векторов скорости резки и поляризации, линейно поляризованного излучения может привести к наклону реза. Этот эффект схематически показан на рисунке 1.4 [4].

Рис. 1.5 Влияние относительной ориентации векторов поляризации Е и скорости резки n на поперечную форму канала реза [4].

При совпадении плоскостей реза и поляризации большая часть энергии излучения поглощается впереди реза, что обеспечивает максимальную скорость резки при минимальной ширине. Если плоскость поляризации перпендикулярна плоскости реза, то большая часть энергии излучения поглощается боковыми сторонами реза. При промежуточных углах между

поглощение несимметрично, что приводит к расширению реза и его искажению ( рис. 1.5 ).

С увеличением скорости резки углы скоса кромок увеличиваются.

Распространение лазерного излучения в канале реза.

Относительно просто распределение света в канале можно рассчитать в приближении геометрической оптики. Элементарный луч света, многократно отражаясь от стенок , либо частично отражается , если канал реза неглубокий, либо полностью поглощается, если канал реза глубокий.

Процессы распространения теплоты в зонах прилегающих к источнику, могут быть описаны только с учетом влияния характера распределения плотности мощности в пятне лазерного излучения.

Наиболее эффективными параметрами фокусировки обладает нормальное (Гауссово) распределение плотности мощности Е _(r) сфокусированного лазерного излучения, широко распространенного в промышленных технологических лазерах.

Рис.1.6 Нормальное распределение плотности мощности в пятне лазерного излучения.

1 — лазерное излу чение;

2 — обрабатываемая деталь.

Под воздействием такого излучения на поверхности мишени возникает тепловой источник нагрева с таким же нормальным распределением плотности мощности в пятне лазерного излучения (рис.1.1), q

_(r)

=q

_{m ·}

e

^{k r}

; где q

_m

=

a _эф

Е

_m

• максимальная плотность в центре пятна нагрева ;
• k -коэффициент сосредоточенности, характеризующий форму кривой нормального распределения ;
• Е

_m

• максимальная плотность мощности лазерного излучения по оси; r — радиальное расстояние данной точки от центра.

За радиус светового пятна r _л обычно принимают радиус пятна нагрева, на котором q = 0,05_· q_m . Излучение удобно рассматривать в виде потока фотонов. На дне разрезаемого участка вследствии дифракции элементарный луч расплывается на ширину l h/d. Для расчета траектории луча необходимо, чтобы эта ширина, была меньше ширины канала d. Отсюда вытекает условие применимости приближения геометрической оптики: d ² /lh >> 1 .

d/l >> h/d.

Исходя из приближений геометрической оптики сфокусированное излучение можно представить в виде совокупности N лучей. Каждому лучу на входе в канал соответствовала мощность P/N, где P — мощность лазера. При численных расчетах [4], если мощность луча после очередного отражения была меньше 10 ^-4 начальной, то его исключали.

Рис. 1.7 Зависимость эффективного коэффициента поглощения излу ченияa _эф СО ₂ — лазера со стальной мишенью от глубины реза a = 0,1. Для случая круговой поляризации.

С помощью такой методики была рассчитана зависимость эффективного поглощения

µ _эф

от глубины реза

a _эф = ( P- P _отр / P

( рис.1.7 ).

Конкретные расчеты [4] проводились для стали, коэффициент отражения поверхности

a

= 0,1. Полагалось, что лазер генерирует излучение с круговой поляризацией, электрический вектор которого вращается относительно канала реза.

1.3 Закономерности лазерной резки металлов непрерывным излучением., Параметры и показатели процесса лазерной резки .

В силу ряда причин , области режимов , обеспечивающих высокое качество кромки реза и высокую эффективность процесса , при лазерной резке металлов зачастую не совпадают .

Рис. 1.8 Параметры реза.

Параметры получаемого реза при лазерной резке металлов имеет много сходных характеристик с другими термическими способами резки. Характеристики получаемого реза определяют показатели (рис. 1.8 ): точность , неровность реза R

_z

, неперпендикулярность ( клиновидность ) j , протяженность зоны термического влияния b

_зтв

, ширина верхнего реза b

_в

, ширина нижнего реза b

_н

, количество грата ( наплывы на нижней кромке разрезаемого материала ) .

При резке металлов непрерывным излучением лазера различают стационарный и нестационарный характер разрушения материала .

Значение скорости разрушения n _р зависит от физико-химических свойств металлов. Весь диапазон скоростей лазерной резки металлов непрерывным излучением можно представить в виде : первой области режимов со скоростью n < n _р , соответствующий нестационарному механизму разрушения, второй — n > n _р , cоответствующей стационарной скорости разрушения и третьей — n < 0,5 м/мин, автогенный режим резки. Для алюминия автогенный режим резки не проявляется ( не воспламеняется ), при плотности излучения до 10⁶ Вт/cм² . Это обусловлено наличием трудно удаляемой , термически прочной пленки AL₂ О₃ в зоне расплава. Каждая из областей характеризуется определенными физическими условиями cуществования и показателями качества реза.

Нестационарный режим устанавливающийся при малых скоростях резки, является нежелательным и при резке его избегают, т. к. на кромке реза наблюдается значительное количество грата , ухудшающее качество обработки.

Рис. 1.9 Стадии разрушения при резке металлов непрерывным излучением на низких скоростях резки ( нестационарный режим ).

При нестационарном механизме разрушение протекает периодически, на передней кромке материала ( рис.1.9 ).

После удаления очередной массы жидкого расплава из канала реза в нижней ее части вновь образуется расплав, т. к. из-за расширения сфокусированного лазерного излучения нижняя ее часть , протяженностью 2r

_л

• x

₀

, постоянно находится в поле лазерного излучения.

На верхней кромке реза образуется расплавленный участок протяженностью x _s . Зона этого расплавленного участка распространится на большее расстояние в направлении резки, чем переместится лазерный луч (характерно для малых скоростей резки ), т.е. x_s > x₀ . Образовавшаяся ванна расплава не удаляется т.к. динамического воздействия потока вспомогательного газа оказывается недостаточно. моменты времени процесс плавления металла приводит к увеличению объема ванны и при достижении определенных размеров расплав удаляется из зоны обработки. Процессы разрушения материала далее периодически повторяются.

Стационарный механизм разрушения материала устанавливается при высоких скоростях резки , когда x _s > x₀ . Разрушение материала происходит только в непрерывном режиме , температурное поле вокруг движущегося лазерного источника постоянно.

Диапазон скоростей резки , при которых еще сохраняются борозды на поверхности реза , лежит в пределе n _р < 2,5 м/мин для стального листа (нестационарный режим ).

При слишком низких скоростях подачи образца n _р < 0,5 м/мин, металл у кромок реза нагревается за счет механизма теплопроводности , достаточно , чтобы перейти в режим неуправляемой, автогенной резки, независимо от толщины разрезаемого материала. В этом случае металл горит по всей поверхности контакта с газовой струей , за счет экзотермической реакции окисления. Рез получается с сильно увеличенным по ширине размером , боковые стенки приобретают рваную форму.

Нагрев поверхности обрабатываемого металла.

На участке воздействия излучения металл нагревается до первой температуры разрушения — плавления. При дальнейшем поглощении излучения металл расплавляется и от участка воздействия излучения в объем материала начинает перемещаться фазовая граница плавления. Наряду с этим энергетическое воздействие лазерного излучения приводит к повышению температуры образца, достигающей второй температуры — кипения.

Процессы нагревания весьма просты, если не учитывать изменение коэффициента поглощения с температурой. Скорость испарения экспоненциально зависит от температуры и максимального своего значения достигает при стационарной температуре испарения, когда скорости фазовых границ плавления и испарения одинаковы.

В зависимости от плотности мощности лазерного излучения количество расплавленного металла, стационарная температура, скорость плавления и испарения будут различными. Указанные параметры характеризуют процесс разрушения, и, следовательно, изменяя плотность мощности лазерного излучения и время его воздействия на материал, можно управлять этим процессом.

Значительное влияние на интенсивность процесса разрушения также оказывает поглощательная способность металлов, зависящая от