Лазерный мир

В.П. Панченко, А.М. Сорока, А.А. Витшас, А.Г. Зеленцов, В.П. Менахин, А.В. Яксон // Инженерный журнал: наука и инновации, 2013, вып. 10., УДК 539.8:533.9+621.9:672.1

Представлены результаты исследования прецизионной резки щелевых отверстий листах низкоуглеродистой стали толщиной до 10 мм одномодовым излучением волоконного лазера мощностью 1 кВт. При использовании одномодового импульсно-периодического излучения и кислорода получено от 30 до 70 калибров щелей при их ширине до d60 мкм. Измерены скорость резки (50…100 мм/мин), шероховатость, твердость поверхности реза и определена фазовая структура стали. Вычислены эффективность прецизионной резки ( 3 %) и эффективность транспортировки излучения (25 %) в «волноводном» режиме. Предложена качественная модель лазерно-кислородной резки при глубоком каналировании.

Введение. В ряде областей металлообработки (таких как автомобильная, авиационная, химическая, энергетическая, электротехническая и атомная промышленность) имеется необходимость в прецизионном и качественном (масштаб шероховатости, степень закалки поверхности, отсутствие грата и др.) вырезании щелевых отверстий шириной не более 150 мкм произвольной формы при числе калибров K 30 в толстых (до 20 мм) металлических листах. Например, для нефтегазового комплекса требуются скважинные трубчатые (диаметром 150 мм) фильтры с числом щелей до ~ 10 000 размером 40 x 0,3 мм на длине до 15 м. Эффективным и высокопроизводительным способом решения указанной задачи является использование лазерных технологий [1–7]. Однако стандартные технологические CO2-лазеры не позволяют получать щелевые отверстия и радиусы закругления менее 250 мкм. Кроме того, число калибров K = h/b обычно не превышает 20 (b — ширина щели,
h — ее глубина, в данном случае равная толщине листа). Технологические лазерные установки на основе маломодовых иттербиевых дисковых и волоконных лазеров (ВЛ) с длиной волны 1,07 мкм и мощностью излучения до 5 кВт при КПД 30 %, принципиально отличающиеся от СО2-лазеров, позволяют вырезать в лазерно-газовом режиме щелевые отверстия шириной 150…200 мкм

в листах металлов [4, 7–10]. При этом типичное число калибров не превышает 30, излучение в щели распространяется с малыми потерями по законам геометрической оптики, а напора технологического газа достаточно для выноса расплавленного металла из зоны реза [7–9].
При более глубоком каналировании (K 30) процесс резки усложняется за счет сильного ослабления излучения в «волновод-
ном» режиме его распространения в щелевом отверстии [1–3] и недостаточного из-за больших гидравлических потерь давления технологического газа для удаления жидкого металла из зоны реза.
В связи с этим необходимо решить следующую задачу: экспериментально проверить возможность достижения K  30 при лазерно-газовой резке с помощью мало- или одномодового излучения волоконного лазера, определить условия, при которых она реализуется, и построить физико-математическую модель процесса.

Настоящая работа направлена на решение указанных задач и экспериментальное определение закономерностей и особенностей прецизионной резки щелевых отверстий большого калибра в стальных листах излучением одномодового ВЛ мощностью 1 кВт.
Экспериментальный стенд и условия проведения исследований.
Для экспериментальных исследований процесса взаимодействия излучения одномодового ВЛ с металлами и получения малоразмерных щелевых отверстий в стальных заготовках или изделиях при большом числе калибров (от 30 и более) был разработан и изготовлен стенд (рис. 1).
Основу стенда составляет отечественный одномодовый иттербиевый лазер (длина волны = 1,07 мкм) мощностью излучения 1 кВт с параметром M 2 < 1,2, способный работать как в непрерывном, так и в импульсно-периодическом режиме с регулируемой скважностью.

В лазерной головке расположены коллиматор с фокусным расстоянием 60 мм, создающий излучение с апертурой пучка Dа = 8 мм, линза с фокусным расстоянием F = 200 мм и сужающееся коническое сопло с выходным диаметром 1 мм для создания потока режущего (технологического) газа соосно лазерному лучу. Излучение направляется вдоль оси конического сопла перпендикулярно поверхности обрабатываемого изделия (по оси z). Положение фокусного пятна, диаметр которого составляет dф 25 мкм, может варьироваться от +5 до –5 мм относительно поверхности образца. Установка положения и перемещение рабочего стола, управляемого ЭВМ, осуществляются с помощью электропривода с точностью до 5 мкм (при повторном позиционировании 3 мкм).
В экспериментах по изучению процесса лазерно-газовой резки в условиях глубокого каналирования при высоком качестве поверхности реза варьировались следующие параметры:

• мощность лазерного излучения в импульсе, частота и скважность импульсов;
• толщина листовых образцов стали (от 1,5 до 12 мм);
• род режущего газа (кислород, воздух, азот);
• давление режущего газа (от 0,2 до 1,5 МПа);
• положение фокусного пятна относительно поверхности образца (от 0 до –4 мм).

Полное содержание статьи: http://engjournal.ru/articles/1031/1031.pdf