ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ ЛАЗЕРНОЙ РЕЗКИ

Цель работы: определить максимальную скорость резания заго­товки лазерным лучом.

Теоретическая часть

При лазерной резке материалов сфокусированный на поверх­ности детали луч лазера частично отражается. Оставшаяся энергия поглощается в тонком поверхностном слое вещества и расходуется на его нагревание, плавление и испарение, т.е. на образование разре­за. Однако часть поглощенной энергии отводится из зоны нагрева вследствие теплопроводности вглубь вещества, а также теряется, при тепловом излучении с нагретой поверхности. В начальный момент рез­ки энергия лазерного луча поглощается дном и боковыми стенками фор­мируемого разреза. Когда разрез сформирован, он не имеет дна и зад­ней стенки, энергия поглощается только передней и боковыми стенка­ми и часть ее теряется.

Полная энергия лазерного излучения, падающего на поверхность металла,

E=E_ОТР+E_ИСП+E_TЕПЛ+E_Т.И+E_ПРОХ, (7.1)

где Е_отр- энергия, отраженная от поверхности заготовки; Е_ИСП- энер­гия, идущая на нагревание, плавление и испарение материала, т.е. на образование разреза; Е_тепл- энергия, отводимая из зоны разреза вследствие теплопроводности; Е_т.и- энергия, теряемая вследст­вие излучения; Е_ПРОХ - энергия, потерянная при прохождении лазерно­го луча сквозь разрез.

Кроме энергии Е_исп, которая является полезной, остальные ви­ды составляют потери. Энергия отраженной волны составляет основ­ную часть потерь. Коэффициент отражения R=Е_ОТР/E зеркально поли­рованной металлической поверхности при комнатной температуре ра­вен 0,95 и выше. Он уменьшается при увеличении шероховатости по­верхности обрабатываемого материала, наличия на его поверхности окисной пленки, при повышении температуры материала и увеличении плотности потока излучения.

В данной работе полезная энергия, идущая на образование раз­реза, составляет 15 - 20% от общей энергии лазерного излучения. Теряется 80 - 85% энергии.

Нет общей физической модели, описывающей процесс лазерной рез­ки материалов и охватывающей все особенности излучения в широком диапазоне плотностей потока энергии, излучаемой лазером, и все особенности свойств материалов. Процессы разрушения вещества ла­зерным лучом описываются с помощью упрощенных и частных моделей.

В простейшем случае считается, что вся энергия, поглощенная поверхностным слоем, используется для нагревания, плавления и ис­парения материала. Тогда по закону сохранения энергии

(7.2)

где η - доля мощности, идущей на нагревание, плавление и испаре­ние материала; Р - мощность лазерного излучения, Вт; t - время обработки детали, с; Q - количество теплоты, необходимой для на­гревания, плавления и испарения единицы массы разрезаемого матери­ала, Дж/кг; ρ - плотность стали, г/мм³; а - толщина стального листа, мм; l - длина реза, мм; d - ширина реза, мм.

Тепло, необходимое, для испарения единицы массы вещества, оп­ределяется по формуле

Q= c_т(Т_пл-Т₀)+H_пл+ c_ж(Т_к-Т_пл)+H_к (7.3)

где с_т - удельная теплоемкость твердого металла, Дж/(кг*К); с_ж -удельная теплоемкость жидкого металла. Дж/(кг·К); Н_пл- удельная теплота плавления, Дж/кг; Н_K- удельная теплота парообразования, Дж/кг; Т₀ - температура материала до начала резки, К; Т_ПЛ - тем­пература плавления, К; Т_к - температура кипения, К.

Приведем значения величин, входящих в формулу (7.3): с_т(Т_пл-Т₀)+с_ж(Т_к-Т_пл)=1290 Дж/кг;

Н_ПЛ= 272 Дж/кг; Н_к = 6070 Дж/кг; Т_пл= 1826 К; Т_к= 3023 К.

Используя формулы (7.2) и (7.3), можно вычислить теоретическую скорость перемещения детали при лазерной резке

(7.4)

Из формулы (7.4) следует, что скорость подачи детали пропор­циональна мощности излучения, обратно пропорциональна толщине а разрезаемого материала, а также зависит от теплофизических харак­теристик вещества (теплоемкости, теплоты плавления и парообразования, температур плавления и кипения).

При вычислении скорости υ_Т принять η= 0,2; ρ = 7,8 г/см³; d= 0,4 мм (ширина реза принимается равной диаметру сфокусированного на поверхность детали луча); а - измеряется микрометром, Р определяется по табл.

Сила тока лампы накачки, А
Излучаемая мощность, Вт

Контрольные вопросы

1. Что такое лазер?

2. Каков механизм спонтанного и индуцированного излучения фо­тонов? Какой из этих типов излучения используется в лазерах?

3. Что такое инверсия населенностей энергетических уровней?
Как она создается и используется в лазерах?

4. Поясните работу квантового генератора.

5. Каковы основные элементы лазеров? Назовите существующие группы оптических квантовых генераторов.