Лазерно-дуговой и лазерно-ультразвуковой раскрой листового металла

УДК 621.373.926:621.79

ЛАЗЕРНО-ДУГОВОЙ И ЛАЗЕРНО-УЛЬТРАЗВУКОВОЙ РАСКРОЙ

ЛИСТОВОГО МЕТАЛЛА

© 1999 Д.М. Гуреев, А.Л. Петров

Самарский филиал Физического института им. П.Н. Лебедева РАН

Изучены особенности лазерно-дугового и лазерно-ультразвукового раскроя листового металла. Показаны преимущества использования комбинированных высококонцентрированных источников энергии для формирования качественных зон резов.

В настоящее время в различных отраслях промышленности широкое применение находят листовые жаропрочные сплавы на никелевой основе. Поскольку данные материалы обладают повышенной вязкостью, их раскрой механическими способами весьма затруднителен. В связи с этим резка жаропрочных сплавов с помощью сфокусированного лазерного излучения может оказаться эффективней традиционных способов раскроя (резка на виброножницах, плазменнодуговая резка и т. п.). Основные преимущества лазерной резки сводятся к возможности получения узкого реза шириной в несколько десятых долей миллиметра, небольшой величине зоны термического влияния, возможности раскроя по сложному контуру. Максимальная толщина разрезаемого материала и производительность процесса лимитируются мощностью лазера. В соответствии с этим перспективность лазерных технологий, базирующихся на использовании относительно маломощных лазерных источников, во многом будет определяться разработкой комплексных подходов к их реализации, и в частности, использованием комбинированных источников энергии, таких как лазерно-дуговой и лазерно-ультразвуковой. Сочетание лазерного воздействия с воздействием плазмы электродугового разряда, с одной стороны, и ультразвуковых колебаний, - с другой, позволяет существенно расширить возможности лазерных источников в решении целого ряда практических задач, к числу которых относится раскрой листового металла.

В данной работе плазменно-дуговой источник использован в качестве дополнительного теплового источника, обеспечивающе-

го подогрев зоны лазерного воздействия при реализации процесса резки. Ввод ультразвуковых колебаний в зону лазерного реза осуществлялся для возбуждения локальных вибраций материала. И в том, и в другом случае комбинированные источники энергии обеспечивали повышение производительности и улучшение качества раскроя листового металла.

Лазерно-дуговой раскрой. Известно, что с помощью дополнительных источников тепла можно добиться повышения эффективности использования непрерывного лазерного излучения [1, 2]. С точки зрения решения задачи лазерного раскроя это связано с увеличением поглощающей способности металла при нагревании, поскольку температурная зависимость поглощательной способности определяется соотношением

А

из которого следует, что, если металл предварительно подогреть, то его поглощательная способность возрастет. При этом большая доля лазерного излучения пойдет на плавление металла. В качестве источника дополнительной тепловой энергии может быть использована плазменно-дуговая горелка с неплавящимся электродом.

Эксперименты по резке листового металла проводились на базе технологического СО2-лазера ЛГН-702 с мощностью излучения 600 Вт. Схема реализации процесса показана на рис. 1. Лазерное излучение направлялось в резак 1, в котором расположены двухлинзовый объектив 2 с фокусным расстоянием/ = 200 мм, защитная пластинка 3 для предотвращения попадания брызг расплавленного металла на объектив, сопло 4 для подачи ак-

Рис. 1. Схема лазерно-дуговой резки листового металла

1 - резак, 2 - фокусирующий объектив, 3 -защитная пластина, 4 - сопло для подачи активного газа, 5 - разрезаемый лист, 6 - дуговая горелка, 7 - координатным стол

тивного газа (воздуха или кислорода) в зону лазерного воздействия. Резак 1 свободно перемещается в тубусе. Разрезаемый лист 5 размещался на координатном столе 7. Плазменно-дуговая горелка 6 располагалась с противоположной по отношению к лазерному резаку поверхности листа.

Проведенные эксперименты по раскрою листовых жаропрочных никелевых сплавов толщиной 0.8___1.5 мм только лазерным из-

лучением установки ЛГН-702 позволили выявить следующее:

- Ширина реза определяется в основном диаметром фокального пятна d = &[ на поверхности разрезаемого металла (здесь 9 = 2 х 10-3 рад - расходимость лазерного пучка, /

Рис. 2. Зависимость ширины зоны термического влияния (ЗТВ) от скорости резки

- фокусное расстояние объектива) и при изменении скорости перемещения луча остается практически постоянной и равной ~ 0.4 мм.

- Ширина зоны термического влияния (ЗТВ) с увеличением скорости перемещения луча уменьшается (рис. 2).

- Подача кислорода в зону лазерного воздействия вместо сжатого воздуха позволяет за счет дополнительного энерговыделения при реакции окисления увеличить скорость резания в 1.5 раза. Грат в этом случае образуется в основном окислами и легко удаляется с кромок.

Полученные результаты сведены в таблицу 1 .

Скорость резания жаропрочного сплава ХН45ВМТЮ толщиной 2.2 мм с помощью лазерного излучения мощностью 600 Вт не превышала 640 мм/мин. При этом ширина реза составляла 0.5 мм, величина ЗТВ вблизи каждого края кромки - 0.7 мм. При больших скоростях перемещения луча наблюда-

Таблица 1. Результаты экспериментов по раскрою листовых жаропрочных никелевых сплавов

Материал Толщина листа, мм Скорость резания, мм/мин Поддуваемый газ Ширина реза, мм Ширина ЗТВ, мм

ХН68ВМТЮ 0.8 1000 Воздух 0.4 0.25

ХН50ВМТЮ 1.2 320 Воздух 0.4 0.50

ХН50ВМТЮ 1.2 400 Воздух 0.4 0.40

ХН50ВМТЮ 1.2 500 Воздух 0.4 0.35

ХН50ВМТЮ 1.2 620 Воздух 0.4 0.30

ХН50ВМТЮ 1.2 800 Воздух 0.4 0.30

ХН50ВМТЮ 1.2 1000 Кислород 0.4 —

ХН50ВМТЮ 1.2 1400 Кислород 0.4 —

ХН75МВТЮ 1.2 320 Воздух 0.4 0.45

ХН75МВТЮ 1.2 800 Воздух 0.4 _—

ХН75МВТЮ 1.5 320 Воздух 0.4 0.45

ХН75МВТЮ 1.5 400 Воздух 0.4 0.35

Таблица 2. Величины смещения

8, мм Ах

400 500 600 700 1000

2.2 — — — 3 6

3.0 — 3 4 6 —

4.0 6 7 8 ---- ----

лось непрорезание листов. На этом материале отрабатывались режимы лазерно-дуговой резки. Ось электрода смещалась вперед по ходу движения теплового источника относительно оси лазерного луча на величину Ах (рис. 1). Величина Ах выбиралась такой, чтобы температура в проекции точки теплового воздействия плазменно-дугового источника на противоположную поверхность листа была максимальной. Максимальная температура достигается в момент времени, когда скорость ее изменения становится равной нулю. Оценку величины смещения Ах можно провести, используя модель поверхностного теплового источника, движущегося со скоростью V по пластине толщиной 5. В табл. 2 приведены величины смещения для ряда значений скоростей и толщины листов материала ХН45ВМТЮ.

Эксперименты по лазерно-дуговому раскрою показали следующее. При увеличении тока дуги от 20 до 70 А скорость резания увеличивается с 1000 до 1400 мм/мин (рис. 3). При этом ширина ЗТВ возрастает слабо. При больших значениях тока скорость резания

утзх, мм/мин

Рис. 3. Зависимость максимальной скорости резки от величины тока в дуговом разряде для жаропрочного сплава ХН45ВМТЮ толщиной (I = 2.2 мм

практически остается постоянной, ширина же ЗТВ продолжает возрастать. В табл. 3 приведены режимы, оптимальные по производительности и качеству резания. В качестве активных газов, подаваемых в зону лазерного воздействия, использовались сжатый воздух и кислород.

Обращает на себя внимание меньшая величина Ах по сравнению с расчетной (табл. 2) при использовании для поддува кислорода. Это можно объяснить тем, что в точке, отстоящей от оси плазменно-дугового воздействия на величину Ах, на противоположной стороне листа температура оказывается достаточной для образования окислов и повышения коэффициента поглощения лазерного излучения.

Таким образом, при использовании плазменно-дугового источника для подогрева зоны лазерного воздействия скорость резания может быть увеличена в 1.5___2.0 раза.

Лазерно-ультразвуковой раскрой. Для оценки влияния ультразвуковых вибраций на отрыв капель расплава от края реза воспользуемся соотношением [3]

Ра = Рк + Ри,

не учитывающим воздействие газового потока. Поддув инертного газа сводится к оттеснению расплава из зоны реза к его краям с обратной стороны листа, и потому не решает кардинальным образом вопрос об избавлении от гратообразования. В соотношении (2) Роа - сила сцепления капли расплава с твердофазной основой металла, Рк - вес капли, Ри - сила, воздействующая на каплю вследствие ультразвуковых вибраций. Будем исходить из того, что капля формируется путем расплавления металла объемом рй25/4, где 5 - толщина листа.

Для Р можно записать

Р = ,

где температурная зависимость коэффи-

Таблица 3. Оптимальные режимы резания

Газ I, А V, мм/мин Ах, мм Ширина реза, мм Ширина ЗТВ, мм

Воздух 60 1000 6 0.5 1.0

Кислород 70 14000 4 0.5 1.0

циента поверхностного натяжения о а определяется выражением

да

дГ

= - В

ґ л2/3 р V ті

К =

лй 23р% 4

К =

лй 2др%а>2 4

X = 4а - dдрg

йдра>2

Анализ выражения (7) показывает, что X требуется тем меньше, чем выше будут частота колебаний ю и температура расплава Т. Последняя влияет опосредованно через о

а = ат - В

(Г - Г),

В = 2.1 г см2/(с2 град), р - плотность, т -молекулярная масса.

Вес капли Р равен

Ш А

где g - ускорение свободного падения. Воздействие ультразвуковых вибраций Р можно оценить как

где X - амплитуда ультразвуковых колебаний, ю - частота.

Используя выражения (3), (5) и (6), из соотношения (2) получим условие на минимальную амплитуду ультразвуковых колебаний, при превышении которой ультразвуковые вибрации будут отрывать каплю расплава от края реза

где ат - коэффициент поверхностного натяжения при температуре плавления Тт.

В привязке к нашим, достаточно общим, экспериментальным условиям оценка X из выражения (7) дает значения X ~П 5_10 мкм. Таким образом, для эффективного влияния ультразвуковых вибраций на отрыв капель лазерного расплава при раскрое листового металла толщиной 1 _2.5 мм амплитуда ультразвуковых колебаний при частоте 22 кГц должна превышать 10 мкм, что в полной мере реализуется на практике.

Лазерно-ультразвуковой раскрой осуществлялся на базе твердотельного УАв:Кё-ла-зера ЛТН-103 с мощностью излучения, не превышающей 220 Вт. Для фокусировки лазерного излучения в пятно диаметром ~ 0.1 мм использовалась оптическая система СОК-1. Скорость перемещения лазерного луча составляла единицы мм/с.

Ультразвуковые колебания вводились в зону лазерного реза с помощью конусообразного концентратора полуволновой длины, который крепился к торцу магнитострикци-онного преобразователя ПМС1-1, подключенного к выходу ультразвукового генератора УЗГ1-1. Концентратор поджимался к повер-

;.'Г<

ЭЙ?

Л П'А-

" ’

г-.Л :

-і • »•" #іч.л  ;=,;

Рис. 4. Зоны лазерного (а) и лазерно-ультразвукового (Ь) реза в листовом металле толщиной 2.5 мм

хности разрезаемого листа вблизи пятна фокусировки лазерного излучения с усилием 50

Н. Частота ультразвуковых колебаний составляла 22 кГц, амплитуда - до 45 мкм, мощность - до 1 кВт.

Сопоставительные эксперименты по лазерному и лазерно-ультразвуковому раскрою листового металла показали хорошее согласие с теоретическими оценками влияния ультразвуковых колебаний на качество реза и возможность осуществления раскроя без гратообразования. Как видно из рис. 4, влияние ультразвука весьма существенно отражается на качестве реза, оно тем заметнее, чем толще листовой металл. Последнее объясняется возрастанием коэффициента поверхностного натяжения расплава вследствие уменьшения его температуры на противоположной стороне листа при заданной плотности мощности лазерного излучения на поверхности. С ростом толщины листа гратообра-зование при лазерном раскрое возрастает. Ввод ультразвуковых колебаний интенсифицирует процессы тепломассопереноса в лазерном расплаве и тем самым повышает его температуру и уменьшает коэффициент поверхностного натяжения на противоположной

стороне листа. Последнее облегчает отрыв капель расплава от края реза потоком поддуваемого газа. Дополнительный эффект привносят ультразвуковые вибрации, сами по себе в отсутствие газового потока способствующие отрыву капель расплава от края реза.

Отработанный процесс реализован при вырезке деталей из листовой стали толщиной 2 мм. В результате использования комбинированного лазерно-ультразвукового источника достигнут высококачественный раскрой листового металла.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Зайкин A.E., Левин A.B., Петров А.Л., Странин C.A. Тепловые характеристики лазерно-дугового воздействия на металлы // Труды ФИАН. 1993. Т. 217. С. 98-111.

2. Гуреев Д.М. Заплавление поверхностных трещин лазерно-дуговым источником // Физика и Химия Обработки Материалов. 1994. № 6. С. 139-144.

3. Gureev D.M. Prospects for laser-ultrasonic treatment for surface modification, welding, and pattern cutting // Journal of Russian Laser Research. 1999. V. 2Q. № 1. P. 27-65.

ARC AND ULTRASONIC LASER CUTTING OF SHEET METAL

© 1999 D.M. Gureev, A.L. Petrov

Samara Branch of Physics Institute named for P.N. Lebedev of Russian Academy of Sciences

The peculiarities of arc and ultrasonic laser cutting of sheet metal are researched in this paper. The advantages of combined concentrated energy sources usage for forming of quality cut areas are demonstrated.