Физические процессы при лазерной резке металлов.
К физическим процессам при воздействии лазерного излучения на металлы при резке можно отнести поглощение и отражение излучения, распространение поглощенной энергии и др.При воздействии излучения на металл, он нагревается до такой температуры, что начинает плавиться (первая температура разрушения). Через некоторое время металл расплавляется и фазовая граница плавления начинает перемещаться от участка воздействия излучения в объем материала. При дальнейшем воздействии лазерного излучения присходит увеличение температуры, в итоге достигается вторая температура разрушения - кипение, которая сопровождается активным испарением. Скорость испарения и температура имеют экспоненциальную зависимость; и максимальная скорость достигается при совпадении скорости фазовых границ плавления и испарения.
Процесс разрушения зависит количества расплавленного металла, стационарной температуры, скорости плавления и испарения. Следовательно, изменяя мощность и время воздействия излучения лазера на металлы, можно управлять этим процессом.
На интенсивность процессов нагрева и разрушения большое влияние оказывает поглощательная способность металлов. Она зависит от многих факторов, в том числе от температуры поверхности, длины волны и т.д.
Таким образом, плавление и испарение - 2 механизма лазерной резки металлов. Поверхность разрушения (или канал реза), существует по всей толщине в процессе резки и перемещается в направлении резки.
Использование разрушения металлов через испарение на практике затруднено из-за достаточно высоких удельных энергозатрат.
Заметное снижение последних достигается в использовании вспомогательного газа для удаления из канала реза продуктов разрушения металлов.
Можно выделить 2 характера разрушения при газолазерной резке: стационарный и нестационарный. При стационарном характере, жидкая ванна расплава существует по всей длине канала реза, а нестационарный характеризуется периодическим выносом расплавленного металла из зоны обработки. Стационарный механизм разрушения происходит тогда, когда скорости плавления металла в направлении реза и удаления расплавленного металла равны в каждом сечении канала.
При газолазерной резке сталей и ряда других сплавов в качестве вспомогательного газа используется кислород, обеспечивающий выделение в канале на поверхности разрушения дополнительной теплоты экзотермической реакции. Кроме того, на обрабатываемой поверхности металла появляется оксидная пленка, изменяющая тепловой баланс в канале реза вследствие изменения поглощательной способности материала. Оксидная пленка заметно влияет также на гидродинамику течения расплава, так как вязкость оксидов существенно превышает соответствующую вязкость для жидкого металла.
Применение импульсно-периодического лазерного излучения при резке позволяет снизить необходимые средние мощности лазера и вносит специфические особенности в процесс резки. Температура поверхности жидкой ванны, образованной в результате действия очередного импульса, может быть ниже температуры кипения металла. Расплавленный металл перемещается вдоль канала реза в результате действия газодинамической силы. Если при воздействии импульса излучения температура поверхности жидкой ванны превышает температуру кипения металла, то на расплавленный металл дополнительно действует механический импульс отдачи паров или плазмы, ускоряющий перемещение жидкой ванны вдоль канала реза. Образование и удаление жидкой ванны из канала реза может происходить как за время длительности импульса лазерного излучения, так и в паузе между импульсами.
Предпочтительным представляется способ газолазерной резки, основанный на механизме разрушения металлов плавлением и обеспечивающий снижение средней мощности лазерного излучения по сравнению с разрушением металлов в процессе резки испарением.
Широкие возможности лазерной резки металлов открывает применение импульсно-периодического лазерного излучения. При оптимально установленных параметрах процесса можно осуществлять газолазерную резку с заданным соотношением фаз, т. е. с регулируемым количеством расплавленного материала в продуктах разрушения, обеспечивающим высокое качество разрезанных кромок и повышенную энергетическую эффективность процесса резки.
Физическая картина разрушения металла в процессе газолазерной резки весьма сложна. Оптимизацию процесса можно осуществить лишь на основе глубокого понимания физических процессов в их сложном взаимодействии и совокупном представлении.
