книги / Сварка и свариваемые материалы. Технология и оборудование
.pdfа, |
5 |
Рис. 27.4. Методы плазменной |
резки |
с использованием воды: |
|
а — резка с водяным колоколом; б — резка на воду; в — резка под слоем воды
требований санитарии, гигиены и техники безопасности, изло женных в ГОСТ 12.2.007.8—75, ГОСТ 12.2.008—^75, Санитарных правилах на устройство и эксплуатацию оборудования для плазменной обработки материалов № 4053, утвержденных М3
СССР в 1985 г., Правилах безопасности в газовом хозяйстве, утвержденных Госгортехнадзором СССР в 1979 г., Санитарных нормах допустимых уровней шума на рабочих местах М3
СССР, 1985 г., Правилах техники безопасности и гигиены труда при производстве ацетилена и газопламенной обработке метал лов, согласованных с ЦК профсоюза рабочих тяжелого маши ностроения 2 апреля 1963 г., в ведомственных требованиях, Правилах пожарной безопасности при ведении сварочных и ог невых работ на объектах народного хозяйства, утвержденных ГУПО МВД СССР в 1972 г., Санитарных правилах при сварке, наплавке и резке металлов 1009—73, утвержденных М3 СССР
в 1973 г. и др., а также реализации мероприятий по охране ок ружающей среды, связанных с очисткой выбросов во время
резки.
Перспективным средством локализации вредностей, сопро вождающих плазменную резку являются методы резки с ис пользованием воды: резка под слоем воды, резка с водяным ко локолом, резка на воду и др. (рис. 27.4).
Г л а в а 28. ЛАЗЕРНАЯ РЕЗКА
28.1. Общие сведения
Ниже приводятся сведения по теоретическим основам, технологическим процессам и оборудованию для лазерной резки материалов, которая из всех технологий лазерной обработки получила наиболее широкое промыш ленное применение. Рассмотрены физические явления в полости реза, мо дели для расчета основных технологических параметров процесса. Даны
обработки, сфокусированный лазерный луч обеспечивает на один — полтора порядка более высокую плотность энергии, передаваемой аномально малой площади воздействия (рис. 28.2). Такой световой поток, за доли секунды не только расплавляет, но и частично испаряет поверхность любого, даже самого тугоплавкого, материала. В процессе резки падающий на материал световой поток частично поглощается поверхностью материала, расплав ленной пленкой и боковыми поверхностями реза, частично отражается. При большой плотности энергии часть излучения поглощается образующимися продуктами разрушения материала, вследствие чего снижается эффектив ность резки. Поглощательная способность конкретного металла зависит от длины волны, поляризации и угла падения излучения на поверхность [4, 8, 9]. Она увеличивается при расплавлении и окислении металла, при увеличе нии толщины металла и может достигать >80 %. В литературе отсутствуют конкретные коэффициенты поглощения применительно к многообразным условиям резки.
Характер физических явлений в разрезе зависит от относительного энерговклада лазерного и химического тепловых источников. При высокой плотности мощности излучения резка идет с заметным испарением (субли
мацией) материала, газ выполняет в основном функцию |
удаления |
из раз |
реза продуктов разрушения. В этом случае скорость |
и качество |
резки |
определяются параметрами излучения. Если энерговклад |
химического источ |
ника сопоставим с лазерным или превышает его, то процесс резки идет в режиме плавления с экзотермическим окислением расплавленного металла на передней поверхности реза. В этом случае скорость и качество ниже и
определяются |
параметрами химического источника тепла и |
процесс мало |
чем отличается от процесса кислородной резки стали. |
стационарным, |
|
При резке |
металлов механизм разрушения может быть |
когда по всей длине канала реза существует ванна расплава, и нестацио нарным (неустановившимся), характеризующимся периодическим выносом расплавленного металла из полости реза [7, 9]. На практике имеет место не
стационарный механизм. |
|
|
|
|
|
|||
ные |
Использование вспомогательного газа позволяет заметно снизить удель |
|||||||
затраты |
энергии излучения |
благодаря |
более интенсивному |
удалению |
||||
из |
полости |
реза |
продуктов разрушения. При |
резке |
металлов |
применяют |
||
в основном |
кислород. На лобовой поверхности |
реза |
выделяется |
дополни |
||||
тельная теплота |
в результате |
окисления |
металла. |
Образуется |
оксидная |
пленка, которая значительно повышает коэффициент поглощения излуче ния. Применение импульсно-периодического излучения позволяет снизить удельные затраты энергии излучения, а также существенно повысить каче ство резки. Назначая определенные параметры излучения (пиковую мощ ность, форму, длительность и частоту следования импульсов) можно активно влиять на скорость резки, глубину зоны термического воздействия, толщину разрезаемого материала, количество грата на кромках. В литера туре недостаточно внимания уделено теоретическим и экспериментальным исследованиям процесса резки с использованием импульсно-периодического излучения.
28.1.3. Модели резки
Тепловые модели
Учитывая определяющий характер тепловых явлений, для оценочных расче тов режимов резки используют [1, 2, 4, 7] тепловые модели, созданные Hd основе теории теплопроводности. При этом не учитывается влияние газо гидродинамических явлений в полости реза. Простейшей является одномер ная модель резки с последовательным образованием отверстий н коэффи циентом перекрытия. Для оценочных расчетов режимов резки применяются
также модель линейного источника тепла в пластине, В параметрической форме основное ее уравнение имеет вид [1]:
6,3IP = In (4,5/Y), |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(28.1) |
|||
где |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Р = |
qlbay (сТп + m); |
Y = |
Vvb/a |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(28.2) |
|||||
— параметры |
соответственно мощности |
|
и |
скорости; |
q — эффективная |
теп |
|||||||||||||||
ловая мощность луча, |
Вт; |
б — толщина |
металла, |
м; |
а — коэффициент |
тем |
|||||||||||||||
пературопроводности, |
м2/с; |
у — плотность, |
кг/м3; |
с — удельная теплоем |
|||||||||||||||||
кость, Дж/(кг*К); |
Тп — температура |
плавления, |
К; |
т — скрытая |
теплота |
||||||||||||||||
плавления, Дж/кг; |
Ур — скорость |
резки, |
м/с; |
6 |
— ширина |
реза, |
м. |
|
|
||||||||||||
При |
Р>10 и |
У>5 |
выражение |
(28.1) |
преобразуется |
в |
уравнение У= |
||||||||||||||
=0,48 Р |
для |
мощного |
быстродвижущегося |
|
линейного |
источника |
тепла |
||||||||||||||
в пластине, при Р< 4 |
и |
У< 1 |
оно |
описывает |
|
предельное |
состояние |
тепло |
|||||||||||||
вого поля для линейного подвижного |
|
источника |
тепла. |
По |
|
(28.1) |
можно' |
||||||||||||||
рассчитать скорость резки при заданной мощности |
излучения |
или |
требуе |
||||||||||||||||||
мую мощность излучения при заданной толщине металла |
и скорости резки. |
||||||||||||||||||||
В качестве примера рассчитаем минимальное значение <7, требуемое |
для |
||||||||||||||||||||
резки разных |
металлов |
толщиной |
1 0 ~ 3 |
|
м |
при |
минимальной |
скорости |
резки |
||||||||||||
1,67-10_3 м/с |
и 6 = 2 -10- 4 |
м. Ниже |
приведены |
данные [6 ] по разрезаемости |
|||||||||||||||||
разных металлов: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
Металл |
|
|
Fe |
|
А1 |
|
|
Ti |
|
|
Ni |
|
Си |
|
W |
|
Мо |
|||
<7, Вт, при резке в режи |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
ме: |
|
|
|
|
119.4 |
248,6 |
|
54,5 |
214,1 |
520,9 |
|
666,7 |
467,5 |
||||||||
плавления |
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
испарения |
|
|
|
760.5 |
2748 |
312,6 |
1653,7 |
4393,4 |
6800,6 |
3660,6 |
Расчетные минимальные значения q характеризуют разрезаемость ме таллов в режиме плавления и испарения. При расчете q при резке в ре жиме испарения, согласно (28.2),
Р = qlbay (сТк + г), |
(28.3) |
где Тк — температура кипения металла; г — скрытая теплота |
испарения, |
Дж/кг. Значения q рассчитаны из условия, что теплофизические свойства металлов не зависят от температуры и агрегатного состояния. Для опреде ления требуемой мощности лазера необходимо учесть поглощательную спо собность металла. В [2, 4] приведены уравнения для расчетов параметров резки с использованием кислорода как вспомогательного газа.
Теплогидродинамические модели
Комбинированная модель [7] описывает нестационарный периодический ха рактер разрушения верхней кромки металла на малой скорости резки с по мощью механизма образования отверстий и стационарное разрушение ме талла по всей его толщине при большой скорости резки. Используя эту модель, можно объяснить наличие на поверхности реза зон с разной шеро
ховатостью, |
выполнить |
оценочные количественные |
расчеты |
скорости |
резки |
||
и шероховатости поверхности кромки. Но в модели не учитываются |
изме |
||||||
нение |
плотности мощности излучения |
по толщине |
металла |
и газодинами |
|||
ческое |
воздействие на |
металл струи вспомогательного газа. |
|
с ис |
|||
В |
[10] |
дан анализ |
моделей резки |
неметаллических материалов |
пользованием непрерывного и импульсно-периодического излучения, рас смотрены физические явления при резке в режиме плавления, испарения и термораскалывания.
|
|
|
|
|
стью. Замена кислорода на воз |
||||||
|
|
|
|
|
дух или азот снижает скорость |
||||||
|
|
|
|
|
резки сталей |
в |
1,4—1,6 |
раза. |
|||
|
|
|
|
|
Скорости |
резки, |
см/с, |
сплавов |
|||
|
|
|
|
|
цветных |
металлов |
толщиной |
||||
|
|
|
|
|
1 мм (числитель) и 3 мм (зна |
||||||
|
|
|
|
|
менатель) лазерным I-кВт из |
||||||
|
|
|
|
|
лучением |
с подачей |
кислорода |
||||
|
|
|
|
|
(сплавы А1 и Ni) или аргона |
||||||
|
|
|
|
|
(сплав |
Ti): |
(8,3—9,2)/(0,67— |
||||
|
|
|
|
|
0,83) — сплавы |
|
А1 |
тшга |
Д16, |
||
Рис. |
28.3. |
Экспериментальные |
зави |
(11,7—12,5)/(3,7—4,2) |
— |
сплав |
|||||
симости скорости резки стали от тол |
Ni типа |
«Хастеллой», |
|
(6,7—- |
|||||||
щины |
при |
мощности |
излучения, |
Вт: |
|
||||||
/ — 2.5-102; |
2 — 5 • 102; |
3 — 10s; |
4 — |
7,5)/(0,67—0,83) — сплав |
Ti ти |
||||||
1.5 • 10*; 5 — 2.5 • 10» |
|
|
па 0Т4. |
приведены рекомендуе- |
|||||||
|
|
|
|
|
Ниже |
мые параметры излучения и вспомогательного газа, при которых достигаются наилучшие показатели скорости и качества лазерной резки металлов (рекомендуемые параметры излуче ния реализованы в последних образцах СОг-лазеров ведущих зарубежных фирм Японии, ФРГ, Великобритании):
Средняя мощность излучения, кВт, при резке ста |
|
|
лей толщиной: |
|
2—3 |
3—5 мм |
|
|
5—15 мм |
|
> 3 |
Модовый состав |
|
ТЕМоо или близкий к нему |
Полный угол расходимости, мрад |
< 1.5 |
|
Выходная апертура луча, мм |
|
< 20 |
Фокусное расстояние, мм, при резке металлов тол |
|
|
щиной: |
|
50—100 |
3—5 мм |
|
|
5—15 мм |
мм |
100—200 |
Диаметр сфокусированного луча, |
<0,3 |
|
Плотность мощности излучения, |
ГВт/ма |
<200 |
Давление вспомогательного газа, МПа |
0,2— 0,6 |
Фокальная плоскость относительно поверхности листа рас положена на поверхности или ниже на треть толщины; харак тер излучения при резке плавных контуров деталей непрерыв ный, а при резке углов и других сложных участков деталей и при высококачественной безгратовой резке импульсно-периоди ческий (длительность импульса 0,5—3 мс, частота следования 100—600 Гц, пиковая мощность 0,5—6 Дж); вспомогательный гаэ при резке сталей, сплавов цветных металлов — кислород (воздух), а при высококачественной резке сплавов цветных ме таллов — азот, аргон.
28.2.3. Режимы резки неметаллических материалов
По разрезаемости неметаллические материалы разделяются на термически разлагающиеся и плавящиеся [6, 10]. К первым от носятся термореактивные пластмассы, дерево, натуральные ткани, некоторые композиционные материалы, резины; ко вто рым — керамика, стекло, бетон и др. При воздействии лазер ного излучения термически разлагающиеся материалы претер певают ряд изменений, связанных с химическим распадом, по лимеризацией, пиролизом полимерных связей, испарением или сублимацией, в результате чего образуются газообразные про дукты, которые удаляются из полости реза вспомогательным газом. Для резки плавящихся материалов необходим подвод большей энергии, чем для резки разлагающихся материалов. По сравнению с металлами у неметаллических материалов зна чительно меньшие коэффициенты тепло- и температуропровод ности, а у некоторых материалов меньшие удельные энергии разрушения. Поэтому для их резки можно использовать лазер ное излучение с более низкими праметрами качества по сравне нию с приведенными выше. В табл. 28.1 приведены режимы резкй некоторых неметаллических материалов с использова нием непрерывного излучения. Тонкослойные материалы, такие как ткани, кожа, бумага, разрезают уложенными в много слоев, чем обеспечивается многократное повышение производи
тельности работ. |
При |
резке |
неметаллических материалов |
|||
|
|
|
|
Т А Б Л И Ц А |
28.1 |
|
РЕЖИМЫ |
РЕЗКИ |
НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ |
МАТЕРИАЛОВ |
|
|
|
Материал |
|
бм, мм |
Р иэЛкВт |
0р , см/с |
V |
|
|
|
|
|
|||
Стеклоткань |
|
0 ,8 |
0 ,8 — 1 |
10,8— 13,3 |
1,0 |
|
Резиностеклопластик |
|
5 |
0 ,8 — 1 |
1,33— 1,67 |
1,0 |
|
|
3 |
0 ,8 — 1 |
10— 11,7 |
0 ,7 |
|
|
Дерево |
|
6 |
0 ,8 — 1 |
4 ,1 7 — 5,0 |
0 ,8 |
|
|
5 |
0 ,8 — 1 |
6 ,6 7 — 8,33 |
1,0 |
|
|
Плексиглас |
|
10 |
0 ,8 — 1 |
2 ,5 — 3,33 |
1,5 |
|
|
5 |
0 ,8 — 1 |
3 ,3 3 — 4,17 |
1,5 |
|
|
Алюминий-бор |
|
10 |
0 ,8 — 1 |
1,67— 2,5 |
2 ,0 |
|
|
0,3 |
0 ,2 — 0,2 5 |
5 — 5,83 |
0,2 |
5 |
|
Углепластик |
|
1 |
0 ,2 — 0,2 5 |
1,33— 2 ,0 |
0 ,5 |
|
|
1 |
0 ,2 — 0,25 |
0 ,1 7 — 0,2 |
0 ,5 |
||
Стеклотекстолит |
|
2 |
0 ,4 — 0,5 |
0 ,1 7 — 0,2 |
1,0 |
|
|
5 |
0 ,8 — 1 |
1,33— 1,67 |
1,0 |
||
Винипласт |
|
2 |
0 ,2 — 0,25 |
0 ,3 3 — 0,42 |
0 ,5 |
|
Стекло |
|
1 |
0 ,4 — 0 ,5 |
2 — 2,5 |
0 ,5 |
|
Пенопласт |
|
6 |
0 ,8 — 1 |
0 ,1 3 — 0,17 |
2,0 |
|
|
10 |
0 ,4 — 0 ,5 |
16,7— 20 |
1,0 |
||
Кожа |
|
1,5 |
0 ,2 — 0,25 |
1,3— 1,7 |
0,15 |
состав вспомогательного газа не важен, рекомендуется азот или воздух. Параметры газа выбирают такими же, как и при резке металлов.
28.2.4. Качество резки металлов
Оно характеризуется шириной реза, шероховатостью поверх ности, неперпендикулярностью кромок, глубиной зоны темпера турного влияния, наличием грата на кромках, а также точ ностью деталей [6, 7, 9]. На показатели качества влияют параметры излучения и вспомогательного газа, вид и тол щина разрезаемого материала, а также скорость резки. Каж дой толщине материала соответствует оптимальная скорость резки, близкая к максимальной, при которой достигаются наилучшие показатели качества. В табл. 28.2 приведены пока затели качества лазерной резки углеродистых сталей с исполь зованием непрерывного одномодового I-кВт излучения, сфоку сированного в диаметр 0,15—0,20 мм. В качестве вспомогатель ного газа использовался кислород под давлением 0,3—0,5 МПа. Увеличение диаметра сфокусированного излучения и, следова тельно, увеличение толщины расплава на передней поверхности реза ухудшают качество резки.
Качество резки в значительной мере зависит от положения фокальной плоскости резака относительно поверхности листа. Ее следует располагать на поверхности листа или заглублять на треть толщины. Допускаются отклонения от установленного положения фокальной плоскости в пределах 0,1—0,5 мм, при чем более жесткий допуск следует выдерживать при резке тон колистовых металлов. Замена кислорода воздухом при обра ботке сталей толщиной > 3 мм приводит к уменьшению ширины реза на 20—40%, однако увеличивается количество грата на
нижних кромках, что |
в совокупности со |
снижением |
скорости |
|||
|
|
|
|
|
Т А Б Л |
И Ц А 2 S .2 |
ПОКАЗАТЕЛИ |
КАЧЕСТВА РЕЗКИ УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ [6] |
|||||
Толщина, мм |
Оптимальная |
Средняя |
Шерохова |
Средняя |
Неперпенди- |
|
скорость |
ширина |
тость, мкм |
глубина |
кулярность, |
||
|
резки, |
см/с |
реза, мм |
|
ЗТВ, мм |
мм |
1 |
10—11,7 |
0,1—0,15 |
10—15 |
0,06—0,08 |
0,04—0,06 |
|
2 |
7,5—8,3 |
0,2—0,25 |
20—25 |
0,1—0,15 |
0,05-0,09 |
|
3 |
5,8—6,7 |
0,3—0,35 |
30—35 |
0,15—0,2 |
0,08—0,12 |
|
5 |
3—3,7 |
0,4—0,45 |
40—50 |
0,2—0,3 |
0,1—0,15 |
|
8 |
1,7—2 |
0,5—0,55 |
60—70 |
|
|
|
10 |
0,83—1,17 |
0,6—0,65 |
70—80 |
|
|
резки приводит к увеличению глубины зоны температурного влияния.
Величина шероховатости поверхности реза характеризуется глубиной, частотой повторения и наклоном бороздок и изменя ется по толщине листа [7, 9]. К верхней кромке примыкает зона с наименьшей глубиной бороздок, образующихся в результате периодического разрушения от верхней кромки в глубь ме талла. В расположенной ниже зоне образуются более глубокие бороздки в результате одновременного воздействия на металл лазерного излучения и вспомогательного газа. У нижней кромки металла расположена зона с наибольшим наклоном (отстава нием) бороздок в сторону, противоположную направлению резки. Образование бороздок в этой зоне связано в основном с воздействием на поверхность кромки стекающего расплавлен ного металла и вспомогательного газа. Приведенные в табл. 28.2 шероховатости относятся к средней зоне металла. С уве личением скорости резки и плотности мощности глубина бороз док уменьшается на всей поверхностиреза. Глубина зоны температурного влияния зависит от тех же параметров, что и ширина реза, в первую очередь — от диаметра сфокусирован ного луча и скорости резки.
28.2.5. Качество резки неметаллических материалов
Общие закономерности показателей качества те же, что и при резке металлов, однако они в меньшей степени зависят от пара метров излучения [6, 10]. Так, качественная резка разлагаю щихся материалов осуществляется при меньших плотностях мощности излучения [10]. Ширина реза, как правило, в пол тора—два раза больше, чем у сталей одинаковой толщины (см. табл. 28.1), а шероховатость ниже и не превышает 30—40 мкм [6]. На кромках резов некоторых разлагающихся материалов (резиностеклопластик, стеклотекстолит, винипласт, дерево, кожа) образуется обугленный 0,5—1,0-мм слой, который сле дует удалить, если деталь служит электроизолятором.
28.2.6. Точность резки
Это комплексный параметр качества, который определяется на 50—80 % точностью режущей машины, но зависит также от по грешностей технологического процесса. Требования к точности [6, 9] диктуются назначением и толщиной деталей. Как правило, погрешности деталей толщиной ^ 5 мм должны укладываться в допуск 0,1—0,5 мм. Из параметров качества на технологиче скую точность резки влияют ширина реза, шероховатость по верхности и неперпендикулярность кромок. Точность порталь ных машин с ЧПУ на микроЭВМ для термической, в том числе
для газолазерной резки регламентируется ГОСТ 5614—74 и ГОСТ 26940—86. Предельные отклонения от номинальных раз меров квадратов со стороной 0,5 м и окружностей диаметром 0,5 м, воспроизводимых машиной, не должны превышать
± (0,1-7-0,25) мм. Предельные отклонения размеров контуров деталей на углах удваиваются.
28.2.7. Особенности резки импульсно-периодическим излучением
Из-за большой инерционности электромеханических приводов машин резка сложных участков контуров деталей (углы, ма лые радиусы, прорези и т. д.) осуществляется на небольших скоростях, как правило, не превышающих 0,8—1,7 см/с. Значи тельное, по сравнению с оптимальной, снижение скорости при водит к перегреву сложных участков контура деталей и ухуд шению качества резки. Увеличивается глубина зоны темпера турного влияния, шероховатость поверхности, количество грата, существенно снижается точность деталей. Для получения высо кого качества углов снижают мощность излучения пропорцио нально снижению скорости резки. Другой способ качественной резки углов — автоматический переход с непрерывного на им пульсно-периодический режим излучения. Изменяя, главным образом, частоту следования, а также длительность и пиковую мощность импульсов, можно эффективно регулировать тепловложение в металл и достигать высокого качества резки. Выше приведены параметры импульсно-периодического излучения (ИПИ), наиболее часто используемые при назначении режима обработки углов деталей [7, 9, 10]. Другой случай эффективного применения ИПИ — финишная вырезка деталей из сплавов цветных металлов, например титана и алюминия. При одинако вой средней мощности по сравнению с непрерывным ИПИ обес печивает более высокое качество резки по показателям шеро ховатости, глубине зоны температурного влияния и количеству грата на кромках реза. Кроме того, ИПИ позволяет увеличить в полтора—два раза предельную толщину качественной резки металлов, а также резать металлы с высокой отражающей спо собностью и теплопроводностью (сплавы А1, Си) при более низком уровне средней мощности. Скорость резки металлов с применением ИПИ несколько ниже, чем с применением непре рывного излучения такой же средней мощности.
28.2.8. Влияние поляризации излучения [1, 8, 9]
Наиболее высоки показатели скорости и качества резки при совпадении плоскости поляризации луча с плоскостью резки. В этом случае на передней поверхности реза наиболее высоко