Кваснiцкий Спецiальнi способи зварювання

Таблиця 3.4. Режими ЛЗ деяких металів при безперервному випро-

мінюванні

	Метал	Товщина,	Потужність	Швидкість	Фокусна	Заглиб-
		мм	променя,	зварювання,	відстань,	лення фо-
			кВт	м/год	мм	кусу, мм
	Низьковуглецеві
	та низьколеговані	3,0	3,1	110	120	1,5
	сталі (Ст3, 17ГС)
	Середньовуглецеві	2,0	2,8	100	120	1,5
	леговані сталі
		3,0	3,2	100	120	1,5
	(35, 30ХГСА)
	Високолеговані	3,0	3,3	100	160	1,0
	аустенітні сталі
		5,0	5,0	75	150	1,0
	(12Х18Н10Т)
	Високолеговані
	мартенситно-	2,0	2,5	100	160	1,0
	старіючі сталі	3,0	3,5	80	500	1,5
	(08Х15Н5Д2Т)
	Алюмінієво-магні-	2,0	2,3	100	120	–
	євий сплав АМг61	4,0	2,8	90	120	–
	Титановий сплав	3,0	3,0	80	300	+1,0
	ВТ6	5,0	4,0	80	300	+1,0
	Титановий сплав	2,0	4,0	160	230	–1,0
	ВТ28	3,0	3,3	100	149	–1,0

3.2.3. Технологія різання. Під дією лазерного променя можливі два механізми руйнування металу – плавлення та випаровування. Поверхня руйнування існує по всій товщині металу і рухається за напрямком різання.

Різання з випаровуванням металу вимагає високих енергозатрат і потужних лазерів, оскільки необхідне нагрівання матеріалів до температур кипіння, які значно перевищують температуру плавлення, плюс ентальпія кипіння. Механізм випаровування застосовують при необ-

355

хідності пробивання в матеріалах отворів малого діаметра стаціонарним променем, наприклад, для виготовлення пористого матеріалу.

Енергетично більш вигідним є механізм плавлення металів у зоні різання та видалення з каналу різання продуктів руйнування за допомогою динамічної дії газів. Таке різання називають газолазерним(ГЛР).

При ГЛР сталей та ряду сплавів як допоміжний газ застосовують кисень, який виконує три функції [32]:

утворюючи оксиди, сприяє зменшенню відбивання світла від поверхні металу;

теплота екзотермічної реакції горіння металу підсилює термічну дію променя;

струмінь кисню виносить із зони ГЛР розплавлений метал та продукти згоряння, забезпечуючи приток кисню безпосередньо до фронту реакції горіння.

Остання функція сприяє утворенню чистого, якісного різу значно більшої глибини, ніж при відсутності кисню.

Принципову схему ГЛР показано на рис.3.39.

Рис.3.39. Принципова схема ГЛР:

1 – ширина різу; 2 – оксидна плівка; 3 – плівка закристалізованого металу; 4 – фокус лазерного променя; 5 – струмінь кисню для різання; 6 – напрям різання; 7 – фокусуюча лінза; 8 – подача кисню; 9 – сопло; 10 – основний метал; 11 – шлаковий

струмінь

356

При ГЛР залежно від кількості теплоти екзотермічної реакції окиснювання виділяють два механізми. Перший механізм характерний для металів, які загоряються нижче температури плавлення та інтенсивно згоряють (низько- і середньовуглецеві сталі, титан, його сплави) з великим тепловим ефектом. При цьому внесок теплоти реакції горіння металу в загальний тепловий баланс значний. У такому процесі можливі два режими: керованого та некерованого (автогенного) різання. В останньому випадку метал горить за рахунок теплоти реакції металу з киснем по всій поверхні контакту зі струменем кисню. Збільшивши швидкість різання, автогенний режим можна зробити керованим.

Другий механізм полягає в тому, що матеріал не горить, а плавиться; газовий струмінь видаляє розплав із зони різання. Цей механізм характерний для високовуглецевих та легованих сталей, міді тощо, у яких тепловий ефект горіння малий. При цьому механізмі можна використовувати струмінь повітря, аргону тощо.

Існують різні схеми подачі газу в зону різання. Деякі з них показано на рис.3.40.

Рис.3.40. Схеми подачі допоміжного газу в зону різання:

а – співосна з променем; б – бокова; в – кільцева

аб в

Газодинамічні параметри газового струменя визначаються тиском р0 газу всередині сопла, родом газу, конструкцією сопла, умовами витікання газу з сопла.

ГЛР може виконуватись при безперервному або імпульсноперіодичному випромінюванні. Використання того або іншого випро-

357

мінювання при різанні має ті ж особливості, що і при зварюванні. Ім- пульсно-періодичне випромінювання дозволяє зменшити необхідні потужності лазера, але його продуктивність значно нижча, ніж при безперервному випромінюванні. Цим зумовлене широке впровадження у виробництво ГЛР з безперервним випромінюванням. Імпульсні лазери доцільно використовувати для різання кольорових металів з високими теплопровідністю та коефіцієнтом відбивання світла, металів малих товщин з високими вимогами до точності різання.

Основні параметри режимів різання пов'язані з характеристиками випромінювання та аналогічні параметрам режимів зварювання. Серед основних факторів, які визначають продуктивність і якість різання,

слід відзначити потужність і щільність потужності випромінювання, швидкість різання, тиск і склад допоміжного газу, відстань від зрізу сопла до поверхні матеріалу та здатність поверхні поглинати випромінювання, вид, склад і властивості матеріалу [32].

Якість різання визначають наступні показники: точність, ше-

роховатість Rz, неперпендикулярність (клиновидність) j, глибина зони термічного впливу (ЗТВ) bЗТВ, ширина різу b, відставання лінії різу, кількість грата (напливи на нижній кромці металу), радіус оплавлення верхньої кромки R (рис.3.41).

Рис.3.41. Показники якості різання

Найважливішими параметрами, які визначають розмірні характеристики різу, є потужність Р, щільність потужності РF та швидкість різання vр. Зручними для користування є параметри Р/vр та Р/h (h – глибина прорізання металу; vр – швидкість різання). Вплив швидкості різання на параметр Р/h та ширину різа показано на рис.3.42 [32].

Із рис.3.42,б видно, що ширина різу зменшується зі зменшенням

358

діаметра сфокусованого променя. Висока якість поверхні різу різних металів забезпечується при певних співвідношеннях між швидкістю різання і щільністю потужності випромінювання. Висота шероховатостей теж залежить від швидкості різання. На поверхні різу можна виділити верхню зону високої якості (зона І), де висота шероховатостей при різанні сталей і титану складає 20…30 мкм та мало залежить від швидкості різання. Нижче знаходиться зона ІІ з висотою шероховатостей більше 100 мкм, що різко зменшується при збільшенні швидкості різання до 90…120 м/год [32].

а

б

Рис.3.42. Вплив швидкості різання низьковуглецевої сталі на параметр Р/h (а) та на ширину різа (б) при різних діаметрах сфокусованого променя

Залежність максимальної швидкості різання від товщини металу показано на рис.3.43.

Рис.3.43. Вплив товщини низьковуглецевої сталі на максимальну швидкість різання при різних потужностях променя:

1 – 625; 2 – 1250 Вт

Взаємозв'язок швидкості різання, потужності лазерного випромінювання і товщини металу, за даними SLV M-V, показано на рис.3.44.

359

Із рис.3.43 та 3.44 видно, що ефективність лазерного різання при збільшенні товщин металу падає. Тому його звичайно застосовують для товщин до 10…12 мм.

Рис.3.44. Залежність швидкості різання вуглецевої сталі від потужності лазерного променя при різних товщинах металу

Узагальнюючи вивчене про досліджені закономірності зміни максимальної глибини якісного різання, ширини різу, розмірів зони термічного впливу шероховатості поверхні різу при безперервному випромінюванні від технологічних факторів для різних металів, у роботі

[32]зроблено наступні висновки:

1.Глибина якісного різання нержавіючих сталей і сплавів титану зростає при збільшенні тиску допоміжного газу, причому при менших тисках вплив більший.

2.Максимальна глибина різання вуглецевих сталей та сплавів титану зростає з підвищенням потужності випромінювання, тиску допоміжного газу та зменшенням швидкості різання.

3.Для забезпечення мінімальної ширини різу, зони термічного впливу та шереховатості поверхні різу обробку слід проводити на максимально припустимих швидкостях, на яких можливе різання деталей заданої товщини при певних потужності і тиску допоміжного газу.

4.Для підвищення якості різання тиск допоміжного газу при різанні вуглецевих сталей повинен бути 0,05…0,15 МПа, нержавіючих сталей і титанових сплавів – 0,2…0,3 МПа.

Режими різання деяких матеріалів при діаметрі сфокусованого променя 0,2 мм наведено в табл.3.5.

360

Таблиця 3.5. Параметри режимів ГЛР із безперервним випроміню-

ванням деяких металів та показники якості різу

			Потуж-	Швидкість	Тиск	Показники різання
		Товщина
						Шири-		Шерехо-
	Матеріал	листа, мм	ність лазе-	різання,	газу,	на рі-	Глибина	ватість,
			ра, Вт	м/хв	МПа	зу, мм	ЗТВ, мм	мкм
	Вуглецева	1,02)	500	2,23	0,15	0,64	0,12	14,5
		5,2	1000	1,0	0,15	0,51	0,26	–
	сталь	10,02)	1000	0,371)	0,15	0,82	0,40	80
	Нержаві-	2,0	1000	3,5	0,25	0,39	0,098	–
	юча сталь	5,02)	1000	0,91	0,15	0,64	0,27	–
	Титан	1,02)	1000	2,27	0,15	0,34	0,24	16,4
		2,0	1000	2,2	0,15	0,344	–	–
	Алюміній	2,0	1000	0,2	0,15	0,377	–	–
		8,03)	3000	0,6	–	0,5	–	–
	Нікель	1,03)	2000	7,9	–	–	–	–
	Молібден	4,03)	4000	0,5	–	–	–	–

Примітки: 1) режим різання з низькою якістю; 2) діаметр сфокусованого променя 0,4 мм; 3) діаметр сфокусованого променя невідомий.

Для порівняння наведемо параметри імпульсно-періодичного режиму різання тонколистової сталі при швидкості 1,2 м/хв з високою якістю різу [32]: енергія імпульсу 0,5 < W < 5,0 Дж при скважності імпульсу лазерного випромінювання більше 2; частота імпульсів до 400 Гц; тривалість імпульсу 0,5·10–3 < ti < 2,5·10–3 с.

Одним з основних питань розробки технології лазерного зварювання, різання або іншої обробки матеріалів є вибір лазерногоустаткування.

3.2.4. Лазерне устаткування. Устаткування для лазерної обробки матеріалів складається з технологічного лазера, системи відхилення і фокусування променя, системи спостереження, устаткування для закріплення і переміщення деталей, апаратури контролю параметрів та управління процесом.

361

Основним елементом устаткування є технологічний лазер. Для технологічних цілей у промисловості застосовуються в основному твердотільні та газові лазери. Перші технологічні установки розроблені на основі рубінового лазера. Вони були призначені для зварювання металів і пробивання отворів у матеріалах. Максимальна енергія випромінювання установок СУ-1, УЛ-2, К-3М – не більше 2 Дж, установки УЛ-20 – 20 Дж. У 1969 р. була створена установка СЛС-10-1 із використанням лазера на неодимовому склі. Енергія випромінювання складала 8 Дж. Для точкового зварювання деталей товщиною до 1 мм розроблені більш потужні установки "Квант-10" (15 Дж) і "Квант-16" (30 Дж). Скло значно дешевше рубінових стержнів, але має низьку теплопровідність, що вимагає зниження частоти імпульсів. Збільшення частоти імпульсів до декількох десятків герц стало можливим при використанні в якості активної речовини ітрій-алюмінієвого граната, легованого неодимом. Такі лазери використані в установках для шовного зварювання з перекриттям точок типу "Квант-12" (3 Дж) і "Квант-17" (4 Дж).

Значно потужніші та ефективніші технологічні установки, виготовлені на основі газових лазерів. Принципову схему газового лазера безперервної дії типу ЛТ1-2М показано на рис.3.45.

Для створення в робочому контурі 6 вакууму використовують механічні насоси об'ємної дії, що приєднуються через вакуумний кран 3. Робоча суміш подається в контур через змішувач 4. Прокачування суміші по контуру здійснюється циркуляційним насосом 1. Оскільки інверсна заселеність істотно зменшується при збільшенні температури газу, то для охолодження робоча суміш пропускається через теплообмінник 2. Збудження молекул здійснюється в тліючому розряді, що горить у газорозрядній камері 5.

Розряд горить між водоохолодними катодною 6 і анодною 5 плитами, встановленими в корпусі 1 камери 2, показаної на рис.3.46.

Безперервне прокачування газової суміші по робочому контуру і

362

її охолодження збільшують потужність випромінювання. Для посилення і направлення випромінювання служать дзеркала 3 резонатора. Вихідний промінь має форму кільця і після виходу з установки фокусуючою оптичною системою.

Рис.3.45. Принципова схема газорозрядної лазерної установки:

1 – циркуляційний насос; 2 – теплообмінник;

3 – вакуумний вентиль для приєднання вакуумного насоса; 4 – змішувач газів; 5 – газорозрядна камера; 6 – робочий контур

Рис.3.46. Схема газорозрядної камери газового лазера безперервної дії:

1 – корпус; 2 – газорозрядна камера; 3 – дзеркала резонатора; 4 – оптичні лінзи; 5, 6 – анодна та катодна плита відповідно

Основу установки складає газорозрядний СО2-лазер із великим обсягом активного середовища і високою щільністю випромінювання, в якому використовується резонатор Z-подібного типу, що генерує

363

інфрачервоне випромінювання потужністю до 5 кВт у безперервному режимі. Робоча газова суміш складається з азоту, гелію і вуглекислого газу при сумарному тиску 6,65·103 Па. Робоча суміш прокачується через резонатор зі швидкістю 75 м/с, що забезпечує витрати газу 2,5 м3/с. Оскільки потужність лазера пропорціональна числу збуджених молекул газу, то такі параметри прокачування дають можливість одержувати велику потужність лазерного випромінювання у відносно малому об'ємі генерації. Розряд підтримується постійним струмом при напрузі до 5 кВ. Трипрохідний Z-подібний резонатор має чотири мідних охолоджуваних дзеркала, які за допомогою спеціальної підвіски встановлені в незалежні юстировочні вузли. Промінь, що має форму кільця з внутрішнім діаметром 35 мм та зовнішнім 45 мм, виходить з резонатора горизонтально і, відбившись від поворотного дзеркала, підводиться до операційної ділянки. Тут промінь через фокусуючу систему направляється на виріб, закріплений на робочому столі. Діаметр фокальної плями може бути зменшений до десятих часток міліметра.

Дослідження та досвід упровадження зварювання газовим лазером на СО2 показали велику перспективність способу [12,33,157]. Промінь газового лазера можна використовувати також для різання й інших видів обробки металу. Залежно від технологічної операції змінюється щільність потоку випромінювання і може відбуватися нагрівання матеріалу у твердому стані, його плавлення або випаровування. При різанні звичайно в зону різа подається струмінь газу, що видаляє продукти руйнування. Подача кисню посилює руйнування металу реакцією окиснювання.

На даний час у промисловості лазерне різання застосовується більш широко, ніж зварювання. Розроблені для різання технологічні комплекси дозволяють обробляти вироби складної плоскої або об'ємної форми з високою точністю. Управління технологічним процесом та його контроль ведеться комп'ютерними системами. Структурну схему лазерного комплексу показано на рис.3.47 [32].

364