ПЛАЗМЕННАЯ РЕЗКА

Лазерная резка

Оптические квантовые генераторы (т. е. лазеры) генерируют моно­хроматическое излучение в весьма широком диапазоне длин волн — от ультрафиолетовой до инфракрасной области спектра,— и этот диапазон постоянно расширяется [3].

Излучение оптическими квантовыми генераторами (ОК. Г) характери­зуется рядом уникальных свойств: большой интенсивностью (мощностью) потока электромагнитной энергии, высокой монохроматичностью, значи­тельной степенью временной и пространственной когерентности. Вслед­ствие этого лазерное излучение отличается от излучения других источни­ков электромагнитной энергии очень высокой направленностью своего распространения и возможностью фокусирования на площадях малых раз­меров, т. е. высокой концентрацией энергии.

В зависимости от используемой активной среды лазеры подразделяются на твердотельные, жидкостные и газовые [3]. В связи с тем что луч лазера является монохроматическим излучением в оптическом диапазоне длин волн, возможность обработки различных материалов зависит, главным образом, от их способности поглощать излучение с определенной длиной волны.

Излучение с энергетическими параметрами, достаточными при исполь­зовании лазеров для технологических целей, имеет диапазон длин волн от 0,4 до 10,6 мкм; причем резка различных материалов наилучшим обра­зом обеспечивается при использовании излучения с длиной волны 10,6 мкм, которое генерируется газовыми СО* лазерами с активной средой из смеси одной части углекислого газа с одной частью азота и десятью частями гелия.

Излучение с этой длиной волны поглощается большинством исполь­зуемых материалов. При этом неметаллические материалы: пластмассы, резина, асбест, керамика, древесина и другие поглощают излучение ла­зера с такой длиной волны относительно хорошо; благодаря этому выде­ляется соответственно большое количество тепла.

Металлические материалы поглощают такое излучение значительно хуже. При этом процесс обработки, например конструкционной стали, легированной стали или титана, поддерживается за счет окислительного газа (кислорода). Материалы с большим коэффициентом отражения, например медь и алюминий, плохо поддаются резке с помощью ла­зера на углекислом газе. В целом же лазерной резкой можно резать низко­углеродистые, низколегированные и высоколегированные стали, в том чис­ле покрытые оловом, свинцом, цинком, никелем, лаком или пластмассой, а также титан, цирконий, ниобий, тантал, никель и сплавы этих металлов. Возможна резка неметаллов, т. е. различных пластмасс, в том числе стек­лопластиков, кожи, древесины, резины, шерсти, хлопка, синтетических тканей и т. п. Кроме того, возможна резка неорганических материалов: керамики, кварца, фарфора, кварцевого стекла, асбеста, слюды, камня, алюминатов, графита и т. п.

Применение луча лазера для резки различных материалов имеет большие перспективы также и благодаря ряду технологических преиму­ществ данного способа, т. е. высокой скорости резки, слабому тепловому воздействию, высокому качеству и параллельности кромок реза, отсут­ствию тепловых деформаций. В сочетании с бесконтактным принципом

действия обеспечивается простота автоматизации процесса резки.

Вследствие отсутствия давления на обрабатываемый материал возмож­на резка заготовок из металлов или других материалов, имеющих очень малую толщину — от 0,1 мм и менее.

Возможна резка в атмосфере заданного состава с окислительными, восстановительными или инертными газами, а также в вакууме. Отсут­ствуют шум и загрязнение окружающей среды. Лазерная установка (рис. 1.11) состоит из резонатора и систем: питания, создания вакуума, контроля газового потока, охлаждения и управления.

Резонатор лазера представляет собой комплекс, состоящий из газо­разрядной трубки, активной среды лазера и зеркал. Газоразрядная трубка, в которую заключена активная среда в виде смеси углекислого газа, азота и гелия, представляет собой стеклянную трубку диаметром в несколько сантиметров, по концам которой расположены зеркала. Коэффициент отра­жения одного из них составляет почти 100 %, а второе — частично прони­цаемое. Через это второе зеркало из резонатора выходит почти направ­ленный пучок лучей толщиной около 20 мм.

Выходная мощность лазерной установки зависит в определенных пре­делах от длины газоразрядной трубки из расчета 40—80 Вт на 1 м длины трубы. В установках для резки используются газоразрядные трубки длиной 4 м и более. Чтобы уменьшить длину резонатора, трубка разде­ляется на несколько секций, располагаемых рядом и параллельно одна другой, которые соединяются между собой оптически последовательно при помощи отклоняющихся зеркал; последние наклонены под углом 45° отно­сительно оси луча (рис. 1.12). Количество таких секций может увеличи­ваться до определенных пределов.

Важно отметить, что луч лазера, выходящий из газоразрядной трубки через полупрозрачное зеркало, необходимо отклонить вниз под углом в 90° и сфокусировать на поверхности разрезаемого материала, так как плот­ность энергии этого луча недостаточна для эффективной обработки мате­риала. Фокусирование производится с помощью инфракрасной линзы в ви­де фокального пятна диаметром от 0,1 до 0,5 мм. При этом концентрация мощности излучения достигает 5 МВт/см2. За линзой установлено сопло, обеспечивающее подачу струи режущего кислорода, воздуха или инертного газа соосно с лучом лазера. Фокусное расстояние линзы должно увели­чиваться с увеличением толщины разрезаемого материала для увеличения глубины резкости, т. е. создания постоянства диаметра сфокусированного

луча, необходимого при обеспечении постоянства концентрации энергии по толщине листа.

Изменение направления луча на 90° и его фокусирование обеспечива­ются устройством (рис. J.12), которое называется режущей головкой.

На электроды газоразрядной трубки подается постоянное напряжение в несколько десятков тысяч вольт, под воздействием которого в потоке активной среды возникает электрический тлеющий разряд.

Под действием этого разряда молекулы углекислого газа возбуждают­ся, и во время изменений колебательных уровней их энергии возникает излучение в крайней инфракрасной области спектра электромагнитных волн длиной 10,6 мкм.

Введение молекул азота вызывает резонанс энергии молекул двух ти­пов (азота и углекислого газа) с соответствующим увеличением выходной мощности примерно в четыре раза.

Добавление молекул гелия содействует поддержанию благоприятного распределения энергетических уровней. Высокая теплоемкость гелия спо­собствует интенсификации охлаждения газовой смеси и дальнейшему уве­личению выходной мощности [3].

В систему питания лазера входят генератор высокого напряжения для электропитания и возбуждения активной среды лазера в газоразряд­ной трубке, а также система подачи рабочего газа лазера с дозатором и другие элементы.

Для поддержания вакуума в газоразрядной трубке имеется система создания вакуума, основными элементами которой являются вакуумный насос для откачивания воздуха из трубки, вакуумное реле давления и манометр.

С помощью системы контроля газового потока непрерывно регулирует­ся подача газа и давления в газоразрядной трубке.

Система охлаждения обеспечивает подачу охлаждающей жидкости ко всем деталям, испытывающим тепловую нагрузку: к газоразрядной трубке, зеркалам лазера и к фокусирующей оптике.

Управление всеми системами, в том числе подачей режущего или за­щитного газов в сопло режущей головки, обеспечивается системой управ­ления лазерной установки.

Основным параметром, оказывающим наибольшее влияние на качество и производительность лазерной резки, является диаметр сфокусированно­го пятна, от которого зависят ширина реза, производительность резки и ширина зоны термического влияния. Его оптимальная величина рав­на 0,2 мм. При этом значении обеспечиваются условия для удаления рас­плава и газов.

Наибольшая толщина разрезаемого материала и стабильность качест­ва резки зависят соответственно от мощности излучения и стабильности мощности в сфокусированном пятне, а требуемое качество реза при раз­личных направлениях движения обеспечивается лишь в случаях, если имеет место круговая поляризация излучения в сфокусированном пятне и ^сли неравномерность интенсивности излучения на одинаковых удалениях от центра пятна не будет превышать 5 %. Чтобы процесс резки не нару­шался вследствие отражения части луча от стенок сопла, центр пятна не должен отклоняться от оси сопла более чем на ±0,05 мм.

Технологические параметры процесса лазерной резки аналогичны пара­метрам, характеризующим любой другой процесс тепловой резки. К ним относятся: скорость резки, мощность источника и теплоты, а также тол­щина обрабатываемого металла. Их взаимосвязь обеспечивает эффектив­ность процесса резки. Кроме того, при лазерной резке на эффективность процесса, как указывалось выше, оказывает влияние отражательная спо­собность поверхности обрабатываемого материала. В отличие от других способов тепловой резки параметры лазерной резки окончательно не отра­ботаны, не приведены в систему и не получили четкой регламентации, поэ­тому привести конкретные данные по режимам лазерной резки не представ­ляется возможным.

Резка металлов обычно производится с использованием кислорода для удаления расплава из полости реза, так как струя кислорода, кроме того, окисляет часть нагретого лазерным лучом металла и вместе с расплавом выдувает из полости реза и окислы. Экзотермический характер реакции окисления металла обусловливает выделение дополнительного количества теплоты, необходимого для снижения вязкости образующихся окислов и поддержания непрерывности процесса резки. Кроме того, окисление струей кислорода нагретой поверхности металла способствует увеличе­нию поглощения их лучистой энергии и, следовательно, повышению эффек­тивности нагрева, так как чистые металлы поглощают 2—6 % тепловой энергии луча, а окислы металлов — почти 100 %. Расход кислорода сос­тавляет 0,14—0,06 л/с [3].

При резке металлов с кислородом скорость резания существенно за­висит от давления в резаке лишь при давлениях, не превышающих 0,25 МПа. При повышении давления сверх указанного предела оно слабо сказывает­ся на повышении скорости резки. Качество реза улучшается при увели­чении расхода газа и при уменьшении расстояния от среза сопла до поверх­ности материала.

Увеличение мощности лазера приводит к увеличению скорости реза­ния, но последняя также существенно зависит от теплофизических свойств материала и от толщины листа.

Зависимость скорости лазерной резки от толщины разрезаемого метал­ла приведена на рис. 1.13 [3]. Из рис. 1.13 следует, что скорость резки низкоуглеродистой стали несколько выше, чем скорость резки хромонике­левой стали [3]. Установлено, что между выходной мощностью лазера и максимальной толщиной разрезаемого металла существует линейная за­висимость (рис. 1.14) (3]. При этом ширина реза при лазерной резке при-

мерно соответствует диаметру сфокусированного луча и на порядок ниже, чем при плазменной резке.

В настоящее время лазерная резка металлов ограничивается относи­тельно малыми толщинами (до 4 мм). Основным ограничением служит сравнительно небольшая мощность существующих лазерных установок, которая не позволяет получить скорость резки, превышающую 750 мм/мин для металлов толщиной 5 мм. Зато при резке металлов толщиной поряд­ка 0,7 мм скорость резки возрастает до 4,5 м/мин.

При резке неметаллических материалов вместо кислорода исполь­зуется воздух, роль которого сводится к удалению окисленных или испа­рившихся продуктов резки из зоны реза. Воздушная струя охлаждает также материал, прилегающий к зоне резки, и уменьшает возможность обугливания поверхности реза.

Средства технологического оснащения при лазерной резке ограничены использованием только стационарных машин: как специальных, созданных только для лазерной резки, так и предназначенных для кислородной и плазменной резки.

Практическое применение нашли три схемы взаимного перемещения сфокусированного луча лазера и разрезаемого листа [3].

Первая — луч лазера неподвижен, а стол, на котором лежит лист, пере­мещается в двух взаимно перпендикулярных направлениях по заданному закону.

Второй — луч лазера перемещается по заданному закону, а стол с лис­том неподвижен.

Третий — луч лазера перемещается в поперечном направлении, а стол с листом — в продольном. Сложение обоих движений по определенному закону обеспечивает получение заданного контура вырезаемой детали.

В СССР первая машина для лазерной резки была разработана в 1970 г. ВНИИавтогенмашем совместно с другими организациями.

В машине осуществлен принцип перемещения сфокусированного ла­зерного луча над неподвижным столом с раскраиваемым листом (первый вариант второй схемы). На портале смонтировано лазерное устройство (резонатор, вакуум-насос и режущая головка). Для резки используется СОг лазер с коаксиальной струей кислорода или воздуха в зависимости

Рас. 1.15. Машина с ЧПУ для лазерной резки «Бирюза - 2»

от рода разрезаемого материала.

Машина оборудована системой цифрового программного управ­ления, позволяющей перемещать луч по заданному контуру выреза­емой детали и управлять всеми технологическими командами с пульта, расположенного у резчика.

На машине можно обрабатывать листы или полотнища из металличес­ких и неметаллических материалов шириной до 2,5 м и длиной до 8 м и бо­лее, что значительно расширяет технологические возможности использо­вания лазерной резки [3].

Кироваканским заводом автогенного машиностроения освоен серийный выпуск машин для лазерной резки «Бирюза-2» (рис. 1.15). Эти машины предназначены для резки стальных листов, но возможна резка и других материалов. Резка и разметка осуществляются лазерным лучом, а мар­кирование — краской.

В конструктивную схему входят: лазер; каретка с оптическим и марки­рующим устройствами и с резаком, перемещающимся по неподвижному порталу; стол, перемещающийся совместно с обрабатываемым листом по стационарному рельсовому пути (третья схема).

Резонатор лазера установлен неподвижно вдоль рельсового пути. Луч лазера передается к режущей головке с помощью двух зеркал.

Для создания комфортных условий для оператора и хороших условий для работы электронной части машины имеется кабина оператора, в ко­торой размещаются рабочее место оператора, устройства числового прог­раммного управления и другие электронные системы.

В Народной Республике Болгарии создан технологический лазерный комплекс, в состав которого входят технологический лазер «Хебр-1» с мак­симальной выходной мощностью 1,0 кВт и технологическая лазерная уста­новка ТЛУ-1000. Комплекс предназначен для автоматизированной лазер­ной резки и сварки по сложному контуру в промышленных условиях двух­мерных и трехмерных деталей из низкоуглеродистых и высоколегирован­ных сталей и тугоплавких сплавов, а также из неметаллических мате­риалов — органических и неорганических. Управление комплексом осуществляется системой ЧПУ ЗИТ 500 М и рабочей программой на перфоленте в коде ISO-840.

Технологическая лазерная установка ТЛУ-1000 обеспечивает автома­тическое относительное перемещение обрабатываемой детали и сфокусиро­ванного лазерного луча по заданной системой ЧПУ программе (третья схема). Ее максимальная потребляемая мощность 10 кВ-А.

Фирма «Мессер Грисхейм» (ФРГ) выпускает С02 лазер с машиной «Мультисек», которая оборудована фотоэлектронной системой управ­ления с чертежа в масштабе 1:1. Резонатор и режущая головка располо­жены на портале машины и перемещаются вдоль него, а продольное пе­ремещение по отношению к обрабатываемому листу осуществляется пор­талом (вторая схема, первый вариант). Лазерная установка выпускается в двух вариантах: GL и GM, отличающихся по выходной мощности. Пер­вая имеет выходную мощность 200—250 Вт, а вторая — 400—500 Вт.