Материал: Сварка и свариваемые материалы. Технология и оборудование

а — резка с водяным колоколом; б — резка на воду; в — резка под слоем воды

требований санитарии, гигиены и техники безопасности, изло­ женных в ГОСТ 12.2.007.8—75, ГОСТ 12.2.008—^75, Санитарных правилах на устройство и эксплуатацию оборудования для плазменной обработки материалов № 4053, утвержденных М3

СССР в 1985 г., Правилах безопасности в газовом хозяйстве, утвержденных Госгортехнадзором СССР в 1979 г., Санитарных нормах допустимых уровней шума на рабочих местах М3

СССР, 1985 г., Правилах техники безопасности и гигиены труда при производстве ацетилена и газопламенной обработке метал­ лов, согласованных с ЦК профсоюза рабочих тяжелого маши­ ностроения 2 апреля 1963 г., в ведомственных требованиях, Правилах пожарной безопасности при ведении сварочных и ог­ невых работ на объектах народного хозяйства, утвержденных ГУПО МВД СССР в 1972 г., Санитарных правилах при сварке, наплавке и резке металлов 1009—73, утвержденных М3 СССР

в 1973 г. и др., а также реализации мероприятий по охране ок­ ружающей среды, связанных с очисткой выбросов во время

резки.

Перспективным средством локализации вредностей, сопро­ вождающих плазменную резку являются методы резки с ис­ пользованием воды: резка под слоем воды, резка с водяным ко­ локолом, резка на воду и др. (рис. 27.4).

Г л а в а 28. ЛАЗЕРНАЯ РЕЗКА

28.1. Общие сведения

Ниже приводятся сведения по теоретическим основам, технологическим процессам и оборудованию для лазерной резки материалов, которая из всех технологий лазерной обработки получила наиболее широкое промыш­ ленное применение. Рассмотрены физические явления в полости реза, мо­ дели для расчета основных технологических параметров процесса. Даны

обработки, сфокусированный лазерный луч обеспечивает на один — полтора порядка более высокую плотность энергии, передаваемой аномально малой площади воздействия (рис. 28.2). Такой световой поток, за доли секунды не только расплавляет, но и частично испаряет поверхность любого, даже самого тугоплавкого, материала. В процессе резки падающий на материал световой поток частично поглощается поверхностью материала, расплав­ ленной пленкой и боковыми поверхностями реза, частично отражается. При большой плотности энергии часть излучения поглощается образующимися продуктами разрушения материала, вследствие чего снижается эффектив­ ность резки. Поглощательная способность конкретного металла зависит от длины волны, поляризации и угла падения излучения на поверхность [4, 8, 9]. Она увеличивается при расплавлении и окислении металла, при увеличе­ нии толщины металла и может достигать >80 %. В литературе отсутствуют конкретные коэффициенты поглощения применительно к многообразным условиям резки.

Характер физических явлений в разрезе зависит от относительного энерговклада лазерного и химического тепловых источников. При высокой плотности мощности излучения резка идет с заметным испарением (субли­

ника сопоставим с лазерным или превышает его, то процесс резки идет в режиме плавления с экзотермическим окислением расплавленного металла на передней поверхности реза. В этом случае скорость и качество ниже и

когда по всей длине канала реза существует ванна расплава, и нестацио­ нарным (неустановившимся), характеризующимся периодическим выносом расплавленного металла из полости реза [7, 9]. На практике имеет место не­

пленка, которая значительно повышает коэффициент поглощения излуче­ ния. Применение импульсно-периодического излучения позволяет снизить удельные затраты энергии излучения, а также существенно повысить каче­ ство резки. Назначая определенные параметры излучения (пиковую мощ­ ность, форму, длительность и частоту следования импульсов) можно активно влиять на скорость резки, глубину зоны термического воздействия, толщину разрезаемого материала, количество грата на кромках. В литера­ туре недостаточно внимания уделено теоретическим и экспериментальным исследованиям процесса резки с использованием импульсно-периодического излучения.

28.1.3. Модели резки

Тепловые модели

Учитывая определяющий характер тепловых явлений, для оценочных расче­ тов режимов резки используют [1, 2, 4, 7] тепловые модели, созданные Hd основе теории теплопроводности. При этом не учитывается влияние газо­ гидродинамических явлений в полости реза. Простейшей является одномер­ ная модель резки с последовательным образованием отверстий н коэффи­ циентом перекрытия. Для оценочных расчетов режимов резки применяются

также модель линейного источника тепла в пластине, В параметрической форме основное ее уравнение имеет вид [1]:

Расчетные минимальные значения q характеризуют разрезаемость ме­ таллов в режиме плавления и испарения. При расчете q при резке в ре­ жиме испарения, согласно (28.2),

Дж/кг. Значения q рассчитаны из условия, что теплофизические свойства металлов не зависят от температуры и агрегатного состояния. Для опреде­ ления требуемой мощности лазера необходимо учесть поглощательную спо­ собность металла. В [2, 4] приведены уравнения для расчетов параметров резки с использованием кислорода как вспомогательного газа.

Теплогидродинамические модели

Комбинированная модель [7] описывает нестационарный периодический ха­ рактер разрушения верхней кромки металла на малой скорости резки с по­ мощью механизма образования отверстий и стационарное разрушение ме­ талла по всей его толщине при большой скорости резки. Используя эту модель, можно объяснить наличие на поверхности реза зон с разной шеро­

пользованием непрерывного и импульсно-периодического излучения, рас­ смотрены физические явления при резке в режиме плавления, испарения и термораскалывания.

мые параметры излучения и вспомогательного газа, при которых достигаются наилучшие показатели скорости и качества лазерной резки металлов (рекомендуемые параметры излуче ния реализованы в последних образцах СОг-лазеров ведущих зарубежных фирм Японии, ФРГ, Великобритании):

Фокальная плоскость относительно поверхности листа рас­ положена на поверхности или ниже на треть толщины; харак­ тер излучения при резке плавных контуров деталей непрерыв­ ный, а при резке углов и других сложных участков деталей и при высококачественной безгратовой резке импульсно-периоди­ ческий (длительность импульса 0,5—3 мс, частота следования 100—600 Гц, пиковая мощность 0,5—6 Дж); вспомогательный гаэ при резке сталей, сплавов цветных металлов — кислород (воздух), а при высококачественной резке сплавов цветных ме­ таллов — азот, аргон.