Obrabotka Metallov. 2016 no. 3(72)

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ № 3 (72) 2016 16 ТЕХНОЛОГИЯ составляет десятые доли миллиметра [1, 2], при кислородно-лазерной резке ширина реза опреде- ляется диаметром струи кислорода. Лазерно-кислородная резка наиболее эффек- тивна при резке тонких листов, но она применя- ется также и при толщине листов более 10 мм. Кислородно-лазерная резка больше подходит для резки толстых листов. К настоящему време- ни не разработаны научно-обоснованные крите- рии выбора способа резки для данной толщины листа при условии качественного реза с малой шероховатостью. Это связано прежде всего с тем, что механизмы формирования рельефа по- верхности реза к настоящему времени полно- стью не изучены. Известные теоретические мо- дели лазерной резки не позволяют по исходным параметрам резки (мощность лазера, скорость резки, расход технологического газа, условия фокусировки лазерного излучения) определить шероховатость поверхности реза при разной толщине листа и выбрать оптимальный способ резки [6–8]. В настоящей работе задача решается экспериментальным методом. Целью работы является исследование «пере- ходной области» между двумя способами резки и поиск критерия, позволяющего при условии качественного реза определить предельную для лазерно-кислородной резки толщину листа, при превышении которой целесообразно применять кислородно-лазерную резку. Методика эксперимента При лазерно-кислородной резке одной толь- ко энергии реакции окисления железа недоста- точно для плавления материала и распростране- ния фронта реза. Поэтому ширина канала реза не может существенно превышать поперечный размер сфокусированного лазерного пучка, ко- торый и определяет ширину реза. Стабильный режим вынужденного горения может существо- вать в ограниченном диапазоне скоростей резки. Нижняя граница этого диапазона V c определяет- ся переходом к неуправляемому самопроизволь- ному горению. При понижении скорости резки возрастает температура материала в окрестно- сти фронта реза и становится возможным го- рение железа и распространение фронта плав- ления уже без поддержки лазерного излучения только за счёт энергии реакции окисления. При скорости ниже V c , когда резка происходит в «ав- тогенном» режиме, ширина канала реза уже не определяется лазерным лучом, и канал реза мо- жет уширяться в боковом направлении в преде- лах струи кислорода до размеров газового сопла, которое в случае толстых листов может иметь диаметр 2…3 мм. Струя кислорода при лазер- но-кислородной резке не оптимизирована для формирования канала реза, распространение фронта разрушения материала происходит нере- гулярным образом, процесс становится неуправ- ляемым. Как следствие, поверхность реза имеет высокую шероховатость. Определив скорости V q качественной резки и критическую скорости V c перехода в неуправ- ляемый режим и их зависимость от толщины разрезаемого листа, из условия V q = V c можно определить предельную толщину t m , при превы- шении которой становится невозможным полу- чение качественного реза. Эксперименты по резке проводились на соз- данном в ИТПМ СО РАН лазерном технологи- ческом комплексе на основе непрерывного СО 2 - лазера [9] мощностью до 8 кВт с параметром качества пучка BPP (Beam Parameter Product, произведение радиуса пучка в ближней зоне на угловой радиус пучка в дальней зоне), равном 4,7 мм∙мрад. Резка производилась излучением с круговой поляризацией по традиционной схе- ме. Излучение фокусировалось одиночной ZnSe линзой. Соосно с лазерным пучком в зону реза подавалась струя технологического газа (кисло- род) чистотой 99,999 %. Разрезались листы низ- коуглеродистой стали обыкновенного качества Ст3пс толщиной от 5 до 25 мм. Эксперименталь- ные исследования зависимости шероховатости от параметров резки представлены в статье [10], настоящая работа является продолжением этих научных рассмотрений. Высокое качество поверхности реза с малой шероховатостью при резке низкоуглеродистой стали большой толщины может быть достигну- то при кислородно-лазерной резке [11, 12], когда канал реза формируется не лазерным лучом, а специально сформированной струей кислорода. В этом случае лазерный луч только нагревает ма- териал до температуры горения, а вся необходи- мая для образования реза энергия выделяется в результате экзотермической реакции окисления