Физика/7. Оптика

Евтушенко Ф.А., Афанасьева О.В.

Харьковский национальный университет радиоэлектроники, Украина

Разработка режимов лазерной резки неметаллов

Успехи в развитии квантовой электроники способствовали созданию лазеров. Лазер представляет собой генератор электромагнитных волн в диапазоне ультрафиолетового, видимого и инфракрасного излучений, характеризующихся высокой степенью монохроматичности и высокой когерентностью. Благодаря этим качествам лазерное излучение можно сфокусировать на чрезвычайно малую площадь [1].

Лазерные широко применяются в промышленности для различных технологических операций – сварки, резки, маркировки и гравировки, термообработки, сверления отверстий. Для неметаллических материалов наиболее часто применяются разделительные операции (резка, прошивка отверстий), а также гравировка.

При лазерной резке сфокусированный лазерный луч обеспечивает высокую концентрацию энергии и позволяет разрезать практически любые материалы независимо от их теплофизических свойств.

Основными техническими характеристиками, определяющей характер обработки, играют энергетические параметры лазера — энергия, мощность, плотность энергии, длительность импульса, пространственная и временная структура излучения, пространственное распределение плотности мощности излучения в пятне фокусировки, условия фокусировки, физические свойства материала (отражательная способность, теплофизические свойства, температура плавления и т. д.) [2].

Для процессов, характеризующих резку неметаллических материалов, наиболее общей является модель, когда по глубине канавка растет за счет испарения, а по диаметру – за счет плавления стенок и вытеснения жидкости избыточным давлением паров. Чтобы повысить эффективность резки, применяют поддув в зону резания активного или нейтрального газа, который выдувает испаренные капельные фракции и производит охлаждение обрабатываемого локального участка, позволяя резать материалы с малым их обугливанием и оплавлением [3].

Для резки неметаллических материалов используют преимущественно YAG:Nd³⁺- и СО₂-лазеры непрерывного и импульсного излучения. В работе проведена экспериментальная подборка режимов резки неметаллов на молекулярном СО₂-лазере с мощностью 100Вт, длина волны 10.6 мкм, скорость резания (макс.) 60000 мм/мин. Исследования проводились на акриловом стекле разной толщины без покрытия, с защитным полиэтиленовым и зеркальным покрытиями. В качестве варьируемых параметров были выбраны мощность излучения и скорость резания. Ширина реза измерялась на микроскопе МБС при увеличении ×56. На рис. 1 показан график зависимости ширины реза от мощности излучения при частоте следования импульсов 500 Hz и скорости резания 1.2 c для акрилового стекла толщиной 5мм с защитным покрытием и без него.

Рисунок 1 - График зависимости ширины реза от мощности излучения

При мощности излучения менее 10Вт материал не прорезается насквозь. Дальнейшее повышение мощности приводит к увеличению ширины реза. Наличие защитного покрытия не влияет на ширину реза, так как его толщина (0,15мм) намного меньше толщины основы, а по оптическим свойствам оно сходно с акриловым стеклом. Таким образом, акриловое стекло толщиной 5мм можно прорезать при мощности излучения 10…20Вт. Использование более высокой мощности излучения ухудшает экономические показатели лазерного резания.

Важной задачей является также определение максимальной скорости обработки, обеспечивающей сквозное прорезание. На рис. 2 изображен график зависимости скорости резания от толщины материала с зеркальным покрытием (кривая 2) и без него (кривая 1).

Рисунок 2 - График зависимости скорости резки от толщины материала

Наличие зеркального покрытия несколько уменьшает скорость резания, но не меняет характера зависимости.

Выводы.

В результате эксперимента найдены зависимости, по которым можно определить режимы обработки акрилового стекла определенной толщины.

Литература:

1. Технологические процессы лазерной обработки/ Под ред. А.Г. Григорьянца – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008. – 664 с.

2. Рыкалин Н.Н. Лазерная обработка материалов. М.: Машиностроение, 1975. –296 с.

3. Крылов К.И., Прокопенко В.Т., Митрофанов А.С. Применение лазеров в машиностроении и приборостроении. – Л., Машиностроение. Ленингр. отделение, 1978, 336 с.