Лазерный мир

В.О. Попов, С.Н. Смирнов, Ю. Г. Яхонтов // РИТМ (специализированный журнал), №9 (97), 2014

Российским специалистам удалось увеличить глубину резки титановых заготовок до 14 мм. Это стало возможным благодаря модернизации лазерной установки и подбору режимов технологического процесса.

Лазерная резка успешно применяется на промышленных предприятиях и позволяет значительно снизить трудоемкость при изготовлении целого ряда деталей. Минимальные припуски и поводки давно сделали лазерные установки атрибутом успешного производства.

Однако, анализируя услуги специализированных фирм, приходишь к выводу, что резка цветных металлов лучом лазера зачастую затруднена. Например, при использовании одного и того же оборудования возможна резка обычной стали от 3 до 20 мм, а титановых изделий только до б мм. Причина этого не очевидна, т.к. титан обладает теплопроводностью существенно ниже теплопроводности стали. Рассмотрим причины данного явления.

Для работы использовалась штатная установка ЛС-2 мощностью 2 кВт. Газ аргон высокой чистоты ВЧ.
Как известно, резка материалов лазерным лучом происходит при перетяжке фокального пятна. В зависимости от оптической системы, длины волны излучения, плотности мощности в фокальном пятне возможны различные варианты проведения лазерной резки металлов:

• Резка в режиме испарения, когда стадия жидкого состояния за счет высокой плотности мощности исчезает.
•  Резка в режиме активного удаления плазменного материала с присутствием небольшого количества жидкой фазы.
•  Обычная лазерная резка невысокого качества, связанная с удалением расплавленного материала струей подаваемого газа (газолазерная резка).

Из приведенной классификации становится ясно, что при резке больших толщин любого металла мы имеем дело с образованием жидкого материала, который в технологическом процессе должен удаляться, не приводя к эрозии, грату и прочим нежелательным эффектам. Как правило, чем выше теплопроводность металла, тем меньше глубина качественной лазерной резки. Что же происходит в случае титана?

Первые же эксперименты при резке титана в аргоне показали, что причиной разгара задней кромки является кислород, присутствующий в воздухе. При резке в аргоне никаких проблем с разгаром задней кромки не возникало. Трудностью было найти те режимы, которые существенно поднимали толщину разрезаемого металла.

Для проведения качественной резки титана необходимо удалять из канала продукты лазерной резки в газоплазменном и частично в жидком состоянии. Процесс идет постоянно с определенной скоростью. В случае перегрева задней кромки наблюдается существенный грат и подплавление кромки. В случае недостаточной погонной энергии наблюдается срыв процесса резки, что также приводит к браку.

Глубина реза определяется условием выброса из парогазового канала остатков жидкой фазы металла и отсутствием экранирования плазмой лазерного излучения.

Объем металла подвергаемого выбросу легко оценивается по формуле:

v = Hd2

где Н — толщина разрезаемого металла; d — обычно ширина перетяжки (утверждение верно при правильных режимах резки).

Объем жидкой составляющей обычно не должен превышать 30-40%, в противном случае сильно ухудшается
качество резки, наблюдаются заплывы. Оценивая массу жидкой составляющей, учитывая поверхностное натяжение в зоне парогазового канала, авторы пришли к выводу, что ограничение толщины связано с недостаточным давлением подаваемого газа при лазерной резке.
Модернизировав штатную установку, увеличив давление подаваемого газа при мощности лазера ЛС2, удалось добиться удовлетворительного качества резки титана до 14 мм. Судя по всему, этоне предел для 2 кВт лазера. Шероховатость поверхности не превысила 0,3 мм. Разгар кромки отсутствовал. Недостаток — небольшой грат — удалось легко устранить с помощью технологического приема. Скорость лазерной резки — 400 мм/мин, что в коммерческом смысле весьма перспективно.

На рис. изрезанная 14 мм титановая пластина, на которой уже выполняются промышленные заказы по резке титана. Экономия трудоемкости налицо. Минимальные припуски и отсутствие поводок.

Титановые заготовки после лазерной резки подвергались механической обработке на обычных отечественных станках и не вызывали сложности при дальнейшей обработке.

На текущий момент осуществляется резка титановых заготовок до 16 мм.

Полное содержание статьи: http://www.laserteh.spb.ru/publ-pdf/rezka_titana.docx