Чу Ким Хунг, Буй Тхань Хай, Чан Ван Дык,

Донской государственный технический университет, Россия

Модели лазерной резки

Разработка и промышленное освоение методов резки современных конструкционных материалов, сочетающих высокие показатели как по производительности процесса, так и по точности и качеству поверхностей реза, являются актуальной необходимостью. К числу таких перспективных процессов разделения материалов следует отнести лазерную резку металлов.

Использование сфокусированного лазерного излучения, обеспечивающего высокую концентрацию энергии, позволяет разделять практически любые металлы и сплавы независимо от их теплофизических свойств. При этом можно получать узкие разрезы с минимальной зоной термического влияния.

Механизмы лазерной резки основаны на процессах нагрева, плавления, испарения, химических реакциях горения и удалении расплава из зоны реза.

Процесс, при котором под действием лазерного излучения происходят нагревание, плавление и испарение металла по линии предполагаемого реза, а продукты разрушения удаляются потокам вспомогательного газа, называется, газолазерной резкой металлов.

Для резки металлов применяют технологические установки на основе твердотельных

Nd:YAG- и газовых лазеров, работающих как а непрерывном, так и в импульсно-периодическом режимах излучения.

Энергетический баланс процесса лазерной резки в общем виде можно записать следующим образом:

Где: - энергия излучения, выходящего из лазера; - энергия, связанная с протеканием химических реакций; - потери энергии на оптике; - потери энергии на факеле; - потери энергии на отражение; - потери энергии вследствие теплопроводности; - потери энергии в результате отвода ее газовой струей; - потери энергии на разлетающихся продуктах разрушения; - потери энергии, Расходуемой на разрушение материала.

Тепловые модели

Учитывая определяющий характер тепловых явлений, для оценочных расчетов режимов резки используют  тепловые модели, созданные на основе теории теплопроводности. При этом не учитывается влияние газогидродинамических явлений в полости реза. Простейшей является одномерная модель резки с последовательным образованием отверстий и коэффициентом перекрытия. Для оценочных расчетов режимов резки применяются также модель линейного источника тепла в пластине. В параметрической форме основное ее уравнение имеет вид :

,   (1)

Где: ; (2)

Параметры соответственно мощности и скорости; q - эффективная тепловая мощность луча, Вт; δ - толщина металла, м; a - коэффициент температуропроводности, м/с; γ - плотность, кг/м; с - удельная теплоемкость, Дж/(кг.К); Т - температура плавления. К; m - скрытая теплота плавления, Дж/кг; V - скорость резки, м/с; b - ширина реза, м.

При P≥10 и Y≥5 выражение (1) преобразуется в уравнение Y=0,48Р для мощного быстродвижущегося линейного источника тепла в пластине

При Р≤4 и Y≤1 оно описывает предельное состояние теплового поля для линейного подвижного источника тепла. По (1) можно рассчитать скорость резки при заданной мощности излучения или требуемую мощность излучения при заданной толщине металла и скорости резки. В качестве примера рассчитаем минимальное значение q, требуемое для резки разных металлов толщиной 10 м при минимальной скорости резки 1,67*10м/с и b=2*10 м. Ниже приведены данные  по разрезаемости разных металлов:

Металл q, Вт, при резке в режиме:	Fe	Al	Ti	Ni	Cu	W	Mo
плавления	119,4	248,6	54,5	214,1	520,9	666,7	467,5
испарения	760,5	2748	312,6	1653,7	4393,4	6800,6	3660,6

Расчетные минимальные значения q характеризуют разрезаемость металлов в режиме плавления и испарения. При расчете q при резке в режиме испарения, согласно (2),

Р = q/δaγ (сТ + r),     (3)

где  — температура кипения металла; r — скрытая теплота испарения, Дж/кг. Значения q рассчитаны из условия, что теплофизические свойства металлов не зависят от температуры и агрегатного состояния. Для определения требуемой мощности лазера необходимо учесть поглощательную способность металла.

Теплогидродинамические модели

Комбинированная модель описывает нестационарный периодический характер разрушения верхней кромки металла на малой скорости резки с помощью механизма образования отверстий и стационарное разрушение металла по всей его толщине при большой скорости резки. Используя эту модель, можно объяснить наличие на поверхности реза зон с разной шероховатостью, выполнить оценочные количественные расчеты скорости резки и шероховатости поверхности кромки. Но в модели не учитываются изменение плотности мощности излучения по толщине металла и газодинамическое воздействие на металл струи вспомогательного газа.

Список использованной литературы:

1. Григорьянц А.Г., Шиганов И.Н., Мисюров А.И. «Технологические процессы лазерной обработки». - М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006г.

2. Лазерная и электронно-лучевая обработка материалов: Справочник / Н.Н. Рыкалин, А.А. Углов, И.В. Зуев и др. – М.: Машиностроение, 1985. – 496с.

3. Вейко В.П. «Технологические лазеры и лазерное излучение». – М.: СПбГУ ИТМО, 2006г. - 52с.