СПЕЦИАЛЬНЫЕ СПОСОБЫ СВАРКИ И РЕЗКИ

Лазерная резка материалов

В промышленности получил распространение ряд процессов разделения материалов, основанных на электрохимическом или электрофизическом воздействиях. Ацетиленокислородная резка, плазменная резка проникающей дугой и другие физико-химичес - кие методы разделения обеспечивают повышение производитель­ности по сравнению с механическими методами, но не обеспечи­вают высокой точности и чистоты поверхности реза и требуют в большинстве случаев последующей механической обработки. Элек- троэрозионная резка позволяет осуществлять процесс разделения материалов с малой шириной й высоким качеством реза, но од­новременно с этим характеризуется низкой производительностью. В связи с этим возникла производственная необходимость в раз­работке и практическом освоении методов резки различных кон­струкционных материалов, обеспечивающих высокую производи­тельность процесса с высокой точностью и заданным качеством поверхности реза.

К числу современных процессов разделения материалов следу - ет отнести лазерную резку металлов, основанную на процессах нагрева, плавления, испарения и реакциях горения с удалением расплава из зоны реза. Сфокусированное лазерное излучение, обес­печивая высокую концентрацию энергии, позволяет разделять практически любые металлы и сплавы независимо от их теплофи­зических свойств. При этом можно получать узкие резы (0,2... 0,1 мм) 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. Вследствие этого лазерную резку можно осуществлять с высокой степенью точности, в том числе легкодеформируемых и нежестких заготовок или деталей. Высокая плотность мощности лазерного излучения обеспечивает высокую производительность процесса в сочетании с высоким качеством реза. Сравнительно простое управление лазерным излучением позволяет осуществить лазерную резку по сложному контуру плоских и объемных дета­лей и заготовок с высокой степенью автоматизации процесса. Резка материалов лазерным излучением основана на локальном плавле­нии материала и его дальнейшем удалении под действием сил тяжести, конвективного потока или газовой струи. Если же рас­плавленный материал перегрет и упругость его паров достаточно высока, образующиеся при этом пары могут быть удалены из зоны резки. Например, струей инертного газа. Процесс резки может происходить более эффективно.

Если разрезаемый материал содержит связанную или кристал­лизационную воду (органические соединения, минералы), локаль­ный интенсивный нагрев лазерным излучением приводит к раз­рыву молекулярных связей и испарению воды и других жидких компонентов. В результате испарения этих компонентов внутри материала может возникнуть высокое давление. Это приводит к образованию микротрещин и выбросу‘частиц материала. Анало­гично протекает процесс резки пористых материалов, содержа­щих газы, и химических соединений, деструктирующих с образо­ванием газообразных продуктов. На таком принципе основана резка слоистых пластиков, древесины, тканей, керамики, листового асбеста. При резке возгорающихся материалов место разреза обду­вают струей инертного газа. В результате получается гладкий, не­обожженный край реза. Нужная мощность излучения зависит от материала и толщины заготовки. Например, для резки деревян­ных досок толщиной 50 мм применяют С02-лазер мощностью 200 Вт. Ширина реза составляет 0,7 мм без отходов (опилок).

Для резки металлов применяют лазеры мощностью в несколь­ко киловатт. Эффективность резки можно значительно повысить в результате введения в зону резки кислорода. Экзотермическая ре­акция между разрезаемым материалом и кислородом значительно увеличивает выделение энергии в месте взаимодействия излуче­ния с материалом. Кроме того, образующаяся на поверхности раз­рушения оксидная пленка повышает поглощательную способность материала. На этом принципе основан процесс газолазерной резки (ГЛР). Кислород в этом процессе осуществляет следующие функ­ции: обеспечивает в результате реакции окисления выделение ос­новной части энергии, необходимой для резки; значительно уве­личивает поглощающую способность металла вследствие созда­ния на его поверхности оксидов, имеющих меньший коэффици­ент отражения по сравнению с основным металлом; снижает по­верхностное натяжение расплавленных металлов, имеющих жид­котекучие оксиды; благодаря газодинамическому давлению спо­собствует удалению расплавленных оксидов из зоны реза; охлаж­дает кромки разрезаемых металлов.

При газолазерной резке металлов лазер непрерывного излуче­ния на углекислом газе мощностью до 5 кВт позволяет в струе кислорода резать низкоуглеродистые стали толщиной до 10 мм, легированные и коррозионно-стойкие — до 6 мм, никелевые спла­вы — до 5 мм, титан — до 10 мм. Промышленное применение газолазерной резки непрерывно расширяется.

Тем не менее, этот процесс не может полностью заменить тра­диционные способы разделения материалов. Металлы, образую­щие тугоплавкие оксиды с малой вязкостью, газолазерная резка разделяет плохо, так как удаление оксидов из зоны резки в этом случае затруднено. К таким металлам относят алюминий и его сплавы, магний, латунь, хром и другие металлы и их сплавы, которые эффективнее резать плазменной резкой.