Лазерный мир

Д.В. Мерч, Т.В. Рябикина, О.Н. Старостина // В сборнике: Социально-экономические и технические проблемы оборонно-промышленного комплекса России: история, реальность, инновации. Межвузовский сборник статей по материалам VII Всероссийской научно-практической конференции. Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева, 2021. С. 267-272.

Рассмотрены исследования по влиянию размеров сопла при лазерной резке на качество поверхности. Представлены зависимости параметров лазерной резки толстолистовых материалов от размеров сопла.

В последнее время в процессе лазерной резки на первый план выходит проблема снижения качества поверхности, особенно при толщине листа от 16 мм и более.
Одна из главных причин связана с нарушением выноса расплава из узкого и глубокого канала [2]. При лазерном раскрое или резке металл плавится в пределах пятна сфокусированного излучения, и удаляется сопутствующей струей газа через образующийся разрез. Динамика вспомогательного газа – основной процесс, определяющий течение пленки жидкого металла и его удаление из зоны реза [3].
Струйные течения газов, ответственные за удаление расплава металла, служат причиной неустойчивости и связанных с ней дефектов реза (шероховатость, конусность, изменение структуры материала на более большую величину (де- фектный слой) и грат), рис.1.

Объектом исследования являлась деталь «Колесо зубчатое». Заготовка была получена из стали 40Х. При получении заготовки образовался ряд дефектов: увеличенный дефектный слой; конусность; грат; низкая шероховатость.
Процесс резки осуществляется с помощью сверхзвуковой струи кислорода и излучения СО2-лазера мощностью до 6,0 кВт с длиной волны 10,6 мкм [1]. На рис. 2, а показана схема. Это взаимодействие струи газа и пластины (на которой присутствует разрез). У струи газа (кислорода) здесь приоритетная роль. Именно ей (а не лазерным излучением) формируется канал реза. Особенность струйного течения сказывается на профиле и качестве поверхности лазерного реза. При этом ширина реза равнозначна диаметру кислородной струи. Лист металла размещают от среза сверхзвукового сопла обычно на расстоянии 4…5 мм. Пятно металла образуется в результате прохождение через отверстие сопла излучения. Проходит оно свободно, а пятно металла образуется диаметром больше, чем диаметр выходного сечения сопла.
Кислородная струя выходит из сопла, расположенного на расстоянии 4…6 мм от плоскости листа. При этом толщина самого листа может быть и более 30 мм. При данных условиях ширина реза равна диаметру выходного сечения сопла. По результатам расчетов определялись оптимальные размеры сопла, формирующего струю в условиях ее натекания на лист с разрезом (рис. 2, б). При этом использовались следующие обозначения: диаметр критического сечения – Dк; диаметр выходного сечения – Dv; Lr – длина сверхзвуковой части [1].

Рассмотрим основные параметры лазерной резки и их влияние после достижения условий прогрева. Мощность резания не влияет на процесс по достижения прогрева поверхности. При мощности 1,2 кВт; 2,5 кВт практически нет никакой разницы и в скорости, и в толщине материала. Скорость резки также не возрастет и с уменьшением диаметра струи кислорода. Но к увеличению скорости может привести увеличение размеров сопла при фиксированной толщине материала.
Зависимость остальных параметров резания, таких как давление газа, скорость резки, мощности представлены на рис. 3…5.