Лазерный мир

Шулятьев В. Б., Маликов А. Г. // Наука и техника Казахстана, 2021

Экспериментально исследованы характеристики реза алюминиевых сплавов излучением импульсно-периодического СО-лазера с модуляцией добротности и высокой пиковой мощностью, когда происходит развитое испарение материала. Разрезались листы алюминиевых сплавов системы Al-Mg-Li и Al—Cu—Li толщиной 1,5 мм и 2 мм, в качестве технологического газа использовались аргон и воздух. Установлено, что морфология поверхности реза существенно различна при использовании аргона и воздуха.

Лазерная резка и обработка ферритов Лазерный луч позволяет резать и вырезать ферриты с высокой степенью точности и контроля

Впервые реализован режим лазерно-плазменной резки, когда в процессе резки поддерживается оптический разряд в потоке аргона. Получен рез с малой шероховатостью поверхности и без грата при давлении аргона 0,5 bar, что значительно ниже величин, при которых достигается высокое качество реза в случае резки непрерывным лазером. Удельные затраты лазерной энергии на создание качественного реза близки при лазерно-плазменной резке алюминиевого сплава и резке непрерывным СО2-лазером.

При резке алюминиевых сплавов непрерывным лазером для получения качественного реза проводят тщательную многопараметрическую оптимизацию процесса [3-5]. Для эффективного удаления расплава резка производится при высоком давлении технологического газа в камере режущей головки — 0,6 МПа при толщине листа 1,5 мм [3], 1 МПа и более при толщине листа 2 и 3 мм [6-8]. Экспериментально установлено ключевое влияние рода вспомогательного газа на качество реза [4]. В [4] производилась резка сплава 2024-T3 системы Al-Cu толщиной 3 мм непрерывным СО2-лазер при использовании в качестве технологического газа аргона, азота и сжатого воздуха. Лучшие результаты по шероховатости поверхности реза и величине грата получены с аргоном. Авторы объясняют это большей плотностью и динамической вязкостью аргона, что повышает эффективность удаления расплава силой вязкого трения. Кроме того, аргон является инертным газом и не образует с разрезаемым материалом тугоплавких химических соединений. Резка в [4] проводилась при максимальном давлении аргона 1 МПа, при этом на образцах оставался грат. Рез без грата при разрезании сплава 2024-T3 с аргоном в качестве технологического газа получен в [7] при использовании неосевого сверхзвукового сопла. Сопло имеет прямоугольный профиль, и струя подаётся в область реза под углом к лазерному лучу со стороны уже сформированного канала. Такое решение усложняет конструкцию и плохо подходит для выполнения криволинейных резов.

В [8] сообщалось, что давление технологического газа, необходимое для получения высокого качества реза алюминиевых сплавов, можно существенно снизить, если для резки использовать импульсно-периодический СО2-лазер с модуляцией добротности. Причина этого в том, что при высокой мощности лазерных импульсов происходит интенсивное испарение материала, и расплав выбрасывается с фронта реза давлением отдачи паров. Из-за появления этого дополнительного механизма удаления расплава зависимость результатов резки от рода вспомогательного газа может быть разной при резке импульсно-периодическим и непрерывным лазером. В настоящей работе экспериментально исследуется влияние рода вспомогательного газа на качество реза при резке современных алюминий-литиевых сплавов мультикилогерцовым импульсно-периодическим СО2-лазером с непрерывной накачкой и модуляцией добротности.

Материалы и методы

Для резки алюминиевых сплавов использовался импульсно-периодический СО2-лазер с непрерывной накачкой и механической модуляцией добротности резонатора [9, 10]. В лазере использован самофильтрующий резонатор, качество лазерного пучка близко к ТЕМ00 моде, BPP = 4,7 мм*мрад. Модуляция добротности производится при помощи вращающегося медного диска с прорезями. Резка производилась в импульсно-периодическом режиме (ИП режим) при средней мощности излучения 1,5 кВт и частоте следования импульсов 40 кГц, что достигалось вращением диска с 600 щелями со скоростью 66,66 об/ сек. Осциллограммы импульса и последовательности импульсов показаны на рисунке 1. Также производились резы при непрерывной лазерной мощности (НИ режим) без диска-модулятора.

Экспериментальные результаты

Как показали результаты экспериментов, при резке в ИП режиме пространственная структура поверхности реза существенно различна при использовании аргона и воздуха. При резке с аргоном наблюдается характерная бороздчатая структура. При резке с воздухом поверхность имеет зернистый характер, бороздки выражены слабо или отсутствуют. Это относится к Al-Mg-Li сплаву 1420 и к Al-Cu-Li-Mg-Zn сплаву B-1461. На рис. 2 и 3 показаны 2D изображения поверхности реза сплавов 1420 и B-1461 в ИП режиме с аргоном и воздухом. На рис. 4 показана 3D картина поверхности реза с аргоном и воздухом для сплава В-1461 в средней части реза, картина получена путём послойного сканирования с использованием лазерного конфокального сканирующего микроскопа. Различия в структуре поверхности в случае аргона и воздуха хорошо видны. Также существенным отличием является отсутствие грата в случае аргона при скорости резки, близкой к максимальной. При резке с воздухом грат на нижней кромке наблюдается во всём диапазоне скоростей резки, минимальная высота грата равна 0,1.. .0,2 мм.

Резка в НИ режиме производилась также при давлении технологического газа 0,05 МПа. Различия в картине поверхности реза с аргоном и воздухом в НИ режиме (рис. 5) выражены гораздо слабее — в обоих случаях имеется значительный грат и высокая шероховатость в нижней части реза. В верхней части реза шероховатость ниже и наблюдается бороздчатая структура, которая лучше выражена в случае аргона.

Лучшие результаты по качеству реза в ИР режиме с аргоном получены при использовании линзы с фокусным расстоянием F = 63,5 мм для сплава 1420 и F = 95 мм для сплава В-1461. При резке сплава 1420 с линзой 95 мм имеется грат величиной (0,2.0,3) мм на нижней кромке реза, при резке сплава В-1461 линзой 63 мм — грат (0,1.0,2) мм на верхней кромке. Зависимость шероховатости Ra (арифметическое среднее) поверхности реза от скорости V резки показана на рисунках 2-6, стрелками отмечены области, где наблюдается грат и где рез отсутствует.

Полное содержание статьи: https://cyberleninka.ru/article/n/lazernaya-rezka-aviatsionnyh-alyuminievyh-splavov-v-usloviyah-intensivnogo-ispareniya-materiala/pdf