Лазерный мир

А.А.Голышев, А.Г.Маликов, А.М.Оришич, В.Б.Шулятьев // «Квантовая электроника», 44, № 3 (2014), с:233-238

Аннотация

Приведены результаты экспериментального сравнения резки нержавеющей стали излучениями волоконного иттербиевого и СО2-лазеров. Определены шероховатости поверхности реза при толщинах листа 3 и 5 мм. Измерен коэффициент поглощения лазерного излучения в процессе резки. Установлено, что мощность поглощённого металлом излучения при резке с одинаковой скоростью в случае СО2-лазера больше, чем в случае иттербиевого лазера. Предложено объяснение меньшей максимальной скорости резки излучением СО2-лазера по сравнению с резкой излучением волоконного иттербиевого лазера.

Описание на английском: High-quality laser cutting of stainless steel in inert gas atmosphere by ytterbium fibre and CO2lasers, Golyshev,A A et al., Quantum Electronics(2014),44(3):233

Введение
В последнее время для резки металлов всё шире применяются волоконные и дисковые лазеры, которые имеют ряд преимуществ перед СО2-лазерами. К настоящему времени накоплены экспериментальные данные по резке различных металлических материалов излучением твердотельных лазеров с длиной волны 1 мкм (достаточно подробный обзор работ по этой теме дан в [1]). Можно считать надёжно установленным, что при резке в атмосфере инертного газа твердотельные лазеры при одинаковой мощности излучения обеспечивают по сравнению с СО2-лазерами значительно большую скорость резки тонких листов (в 3 – 4 раза при толщине листов 1 –2 мм) [2,3].При толщине более 3 –4 мм преимущество в скорости менее заметно, а при толщине 10 мм оно практически исчезает. При этом при резке толстых листов применение СО2-лазера обеспечивает лучшее качество кромки. Ограничение скорости или прекращение резки может происходить по двум причинам: из-за недостаточного энерговклада или из-за низкой скорости удаления расплава и «заплавления» реза [4]. Вторая причина имеет место при больших скоростях резки (более 10 –15 м/мин) [4]. Различию в скоростях резки с помощью двух типов лазеров обычно дают «энергетическое» объяснение и связывают его с различным френелевским поглощением на фронте реза для излучения с длиной волны l = 1 и 10 мкм [5]. В известных математических моделях лазерной резки формирование фронта реза и поглощение излучения на нём рассчитываются без учёта влияния расплава (см., напр., [5–7]). В зависимости от параметров плёнки расплава и характера течения реальная форма фронта и боковой поверхности реза может существенно отличаться от рассчитанной в идеализированном случае [8,9]. К настоящему времени не построены теоретические модели лазерной резки,
которые бы полно и адекватно описывали гидродинамические явления при формировании канала реза. В связи с этим актуальны сравнительные экспериментальные исследования характеристик реза для двух типов лазеров [1,8].
Следует особо отметить, что в большинстве теоретических и экспериментальных работ выбор параметров резки делается без учёта качества реза, в то время как важнейшим для многих применений показателем качества является шероховатость поверхности реза, и степень шероховатости иногда используют как синоним качества [10].
Как отмечено в [10], увеличение толщины разрезаемых твердотельным лазером листов при сохранении высокого качества реза (на уровне, обеспечиваемом СО2-лазером)
является в настоящее время одним из основных направлений совершенствования методики лазерной резки. Поэтому интерес представляет сравнительное исследование характеристик реза при максимально достижимом для каждого типа лазеров качестве реза. В [11,12] нами проведена оптимизация, а в [13] измерен энергетический баланс при условии минимума шероховатости для лазерно-кислородной резки низкоуглеродистой стали при использовании СО2-лазера. Насколько нам известно, подобные исследования резки нержавеющей стали в атмосфере инертного газа для волоконного лазера, в отличие от СО2-лазера, не  проводились. Например, в [1] при измерении энергетического баланса резки авторы стремились обеспечить одинаковые значения исходных параметров для двух лазеров. Однако оптимальные параметры для одного типа лазеров могут быть не оптимальными для другого, и результаты таких измерений могут существенно отличаться от результатов, полученных при условии минимума шероховатости.

Резка в атмосфере инертного газа существенно отличается от лазерно-кислородной резки – отсутствует дополнительный источник энергии в виде экзотермической реакции окисления, разрушение материала на фронте реза и распространение фронта реза происходят по другим механизмам. Поэтому определение энергетического баланса и условий получения качественного реза при лазерной резке в атмосфере инертного газа требует отдельных исследований. Целью настоящей работы является сравнительная  экспериментальная оценка энергетического баланса и определение скорости резки нержавеющей стали излучениями волоконного и СО2-лазеров при условии минимизации шероховатости поверхности реза.

…

Заключение
На основе экспериментального исследования энергетического баланса резки нержавеющей стали излучениями волоконного и СО2-лазеров выявлены основные физические процессы, от которых зависит качество реза и которые ограничивают максимальную скорость резки.

Установлено, что при резке с минимальной шероховатостью ширина реза и число Пекле не зависят от длины волны лазерного излучения (типа лазера) и определяются
только скоростью резки.

Показано, что ограничение максимальной скорости резки излучениями волоконного и СО2-лазеров может быть вызвано различными физическими причинами. При резке излучением СО2-лазера в атмосфере инертного газа процессы отражения от поверхности играют существенную роль и ограничивают максимальную скорость резки.

В этом случае традиционные методы измерения коэффициента поглощения [1,13,16], которые не учитывают отражение от верхней поверхности, могут давать завышенные значения. Эти методы эффективно работают при лазерной резке в присутствии кислорода как вспомогательного газа, когда ширина реза обычно превышает диаметр пучка лазерного излучения, а наличие плёнки окислов повышает коэффициент поглощения.

В случае резки в атмосфере инертного газа эти методы могут приводить к завышению плотности поглощённой энергии и температуры расплава. Именно этим обстоятельством объясняются избыточно высокие значения температуры при резке излучением СО2-лазера, на которые обращалось внимание в работе [1] и которые получены из расчётов по формуле (6).

Результаты настоящей работы позволяют сделать вывод о том, что причинами ограничения скорости качественного реза являются снижение температуры расплава и возрастание его вязкости с ростом скорости, что препятствует эффективному удалению расплава. Такой вывод согласуется с результатами работы [1], где сообщалось о большей вязкости расплава при резке излучением волоконного лазера по сравнению с резкой излучением СО2-лазера.

Полное содержание статьи: http://www.mathnet.ru/links/c739bbf2c081b846623c7920c361c245/qe15320.pdf