Лазерная резкаприложение
Быстродействующие осевые CO2-лазеры в основном используются для лазерной резки металлических материалов, главным образом благодаря хорошему качеству луча. Хотя отражательная способность большинства металлов для CO2-лазеров достаточно высока, отражательная способность поверхности металла при комнатной температуре увеличивается с повышением температуры и степени окисления. После повреждения поверхности металла отражательная способность приближается к 1. Для лазерной резки металла необходима более высокая средняя мощность, и только мощные CO2-лазеры обладают этим условием.
1. Лазерная резка стальных материалов.
1.1 Непрерывная лазерная резка CO2. Основные параметры процесса непрерывной лазерной резки CO2 включают мощность лазера, тип и давление вспомогательного газа, скорость резки, положение фокуса, глубину фокусировки и высоту сопла.
(1) Мощность лазера. Мощность лазера оказывает большое влияние на толщину резания, скорость резания и ширину разреза. При постоянных остальных параметрах скорость резания уменьшается с увеличением толщины режущей пластины и увеличивается с увеличением мощности лазера. Другими словами, чем больше мощность лазера, тем толще пластину можно разрезать, тем выше скорость резания и тем немного больше ширина разреза.
(2) Тип и давление вспомогательного газа. При резке низкоуглеродистой стали в качестве вспомогательного газа используется CO2, который использует теплоту реакции сгорания железа и кислорода для ускорения процесса резания. Скорость резания высока, а качество разреза хорошее, особенно можно получить разрез без прилипшего шлака. При резке нержавеющей стали используется CO2. Шлак легко прилипает к нижней части разреза. Часто используется смесь газов CO2 + N2 или двухслойный газовый поток. Давление вспомогательного газа оказывает существенное влияние на эффективность резания. Соответствующее увеличение давления газа может повысить скорость резания без прилипшего шлака за счет увеличения импульса газового потока и улучшения способности к удалению шлака. Однако, если давление слишком высокое, поверхность разреза становится шероховатой. Влияние давления кислорода на среднюю шероховатость поверхности разреза показано на рисунке ниже.
Давление в теле также зависит от толщины пластины. При резке низкоуглеродистой стали CO2-лазером мощностью 1 кВт зависимость между давлением кислорода и толщиной пластины показана на рисунке ниже.
(3) Скорость резания. Скорость резания оказывает существенное влияние на качество резания. При определенных условиях мощности лазера существуют соответствующие верхние и нижние критические значения для оптимальной скорости резания низкоуглеродистой стали. Если скорость резания выше или ниже критического значения, происходит прилипание шлака. При низкой скорости резания увеличивается время воздействия тепла реакции окисления на режущую кромку, ширина резания увеличивается, а поверхность резания становится шероховатой. По мере увеличения скорости резания разрез постепенно сужается, пока ширина верхнего разреза не сравняется с диаметром пятна. В это время разрез приобретает слегка клиновидную форму, широкий сверху и узкий снизу. По мере дальнейшего увеличения скорости резания ширина верхнего разреза продолжает уменьшаться, но нижняя часть разреза становится относительно шире и приобретает форму перевернутого клина.
(5)Глубина фокусировки
Глубина резкости оказывает определенное влияние на качество поверхности резания и скорость резания. При резке относительно больших стальных листов следует использовать луч с большой глубиной резкости; при резке тонких листов следует использовать луч с малой глубиной резкости.
(6) Высота сопла
Высота сопла — это расстояние от торцевой поверхности сопла вспомогательного газа до верхней поверхности заготовки. Большая высота сопла приводит к колебаниям импульса выбрасываемого вспомогательного воздушного потока, что влияет на качество и скорость резки. Поэтому при лазерной резке высоту сопла обычно минимизируют, как правило, до 0,5–2,0 мм.
① Аспекты лазера
а. Увеличьте мощность лазера. Разработка более мощных лазеров — прямой и эффективный способ увеличить толщину резания.
b. Импульсная обработка. Импульсные лазеры обладают очень высокой пиковой мощностью и могут проникать сквозь толстые стальные пластины. Применение высокочастотной технологии лазерной резки с узкой шириной импульса позволяет резать толстые стальные пластины без увеличения мощности лазера, а размер разреза меньше, чем при непрерывной лазерной резке.
c. Использовать новые лазеры
②Оптическая система
а. Адаптивная оптическая система. Отличие от традиционной лазерной резки заключается в том, что фокус не нужно располагать ниже поверхности резки. Когда положение фокуса колеблется на несколько миллиметров вверх и вниз вдоль толщины стальной пластины, фокусное расстояние в адаптивной оптической системе изменяется в соответствии со смещением положения фокуса. Изменения фокусного расстояния вверх и вниз совпадают с относительным движением лазера и заготовки, вызывая изменение положения фокуса вверх и вниз вдоль глубины заготовки. Этот процесс резки, при котором положение фокуса изменяется в зависимости от внешних условий, позволяет получать высококачественные разрезы. Недостатком этого метода является ограниченная глубина резки, обычно не более 30 мм.
b. Бифокальная технология резки. Специальная линза используется для фокусировки луча дважды в разных местах. Как показано на рисунке 4.58, D — диаметр центральной части линзы, а — диаметр краевой части линзы. Радиус кривизны в центре линзы больше, чем в окружающей области, образуя двойной фокус. В процессе резки верхний фокус располагается на верхней поверхности заготовки, а нижний фокус — вблизи нижней поверхности заготовки. Эта специальная технология лазерной резки с двойной фокусировкой имеет множество преимуществ. При резке низкоуглеродистой стали она позволяет не только поддерживать высокоинтенсивный лазерный луч на верхней поверхности металла для обеспечения условий, необходимых для воспламенения материала, но и поддерживать высокоинтенсивный лазерный луч вблизи нижней поверхности металла для обеспечения требований к воспламенению. Это необходимо для получения чистых разрезов во всем диапазоне толщин материала. Эта технология расширяет диапазон параметров для получения высококачественных разрезов. Например, используется CO2-лазер мощностью 3 кВт. При использовании лазерной резки обычная толщина резания достигает лишь 15–20 мм, тогда как при использовании технологии двухфокусной резки она составляет 30–40 мм.
③Сопло и вспомогательный поток воздуха
Рационально спроектированная конструкция сопла улучшает характеристики поля воздушного потока. Диаметр внутренней стенки сверхзвукового сопла сначала уменьшается, а затем увеличивается, что позволяет создавать сверхзвуковой воздушный поток на выходе. Давление подаваемого воздуха может быть очень высоким без образования ударных волн. При использовании сверхзвукового сопла для лазерной резки качество резки также идеально. Поскольку давление резки сверхзвуковым соплом на поверхности заготовки относительно стабильно, оно особенно подходит для лазерной резки толстых стальных пластин.
Дата публикации: 18 июля 2024 г.
