Особенности лазерной резки листовой стали и мониторинг качества образцов после лазерного воздействия
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Рейтинг 0.00 (0 Голоса(ов))

Особенности лазерной резки листовой стали

Особенности лазерной резки листовой стали

Представлено описание автоматизированного лазерного комплекса с квантовым генератором мощностью 8 кВт, качество пучка которого не хуже, чем у одномодового лазера. Показана возможность использования такого комплекса в заготовительном производстве для резки листовых углеродистых и нержавеющих сталей. Контроль качества материала заготовок показал, что его свойства соответствуют стандартам.

Ключевые слова: технологические газовые лазеры, самофильтрующие резонаторы, газолазерная резка листового металла, технологические параметры, структура и свойства заготовок

 

Введение

Среди лазерных технологий, используемых в настоящее время в машиностроительных отраслях промышленности, наиболее широкое распространение получила газолазерная резка металлических и неметаллических материалов [1–3]. Особенно эффективным оказалось применение лазерной резки в заготовительном производстве [1]. Широкий диапазон толщин и марок разрезаемых материалов, практически любые параметры вырезаемых деталей позволяют изготавливать детали различных типоразмеров и геометрической сложности.

Основные преимущества лазерной резки следующие:

  • повышение качества обработки за счет минимальных зон термического влияния, снижения тепловых деформаций, отсутствия силового воздействия инструмента на деталь;
  • повышение скорости обработки (в несколько раз по сравнению с традиционными методами механообработки);
  • сокращение в несколько раз затрат времени на подготовку производства при освоении выпуска новой продукции;
  • увеличение коэффициента использования материала за счет внедрения системы оптимального раскроя;
  • высокое качество реза конструкционных сталей, позволяющее во многих случаях производить сварку встык без предварительной механической обработки;
  • отсутствие смещения кромок реза;
  • возможность изготовления деталей с углублениями в виде острых углов, переходов без радиусов, тонких перемычек (толщиной менее 1–2 мм), а также получения отверстий малого диаметра (в отличие от высечки круглым универсальным инструментом).

С помощью технологии лазерной резки можно производить раскрой листового материала по сложному контуру с точностью от 100 до нескольких микрометров.

Современные лазерные раскройные комплексы позволяют выполнять раскрой тонколистовых материалов со скоростью до 120 м/мин с погрешностью не более 100 мкм. Для максимального увеличения толщины разрезаемых листов и скорости резки необходимо повышать мощность излучения лазера, поэтому в последние годы осуществляется промышленное освоение технологии лазерной резки на уровне мощности 5 ÷ 6 кВт.

Основные характеристики технологического лазера — его мощность и качество пучка. Как известно, требования высокой мощности и высокого качества пучка являются противоречивыми [4]. В большинстве промышленных лазеров применяются устойчивые резонаторы, поэтому в них при увеличении мощности излучения возбуждаются моды высших порядков, что приводит к ухудшению качества пучка. Для разрешения данного противоречия в [5] предложено применить в технологическом СО2-лазере самофильтрующий резонатор (SFUR). При использовании такого резонатора авторам работ [6–8] удалось получить мощность излучения, большую, чем в лазере с одномодовым (ТЕМ00) резонатором такой же длины, и сохранить качество пучка, соответствующее лазеру с одномодовым резонатором.

В данной работе приводятся результаты разработки технологии лазерной резки с использованием мощного СО2-лазера с самофильтрующим резонатором.

Экспериментальная установка и параметры резки металла.

Для отработки технологии резки использовался автоматизированный лазерный технологический комплекс, созданный в Институте теоретической и прикладной механики СО РАН на основе непрерывного СО2-лазера мощностью до 8 кВт [9–11]. В лазере применен многопроходный самофильтрующий резонатор, позволяющий формировать излучение с расходимостью, близкой к дифракционной при высокой мощности излучения [6–8].

Схема экспериментальной установки приведена на рис. 1. Диаметр пучка на входе в резак можно корректировать с помощью входящего в состав лучепровода зеркального телескопа. Излучение фокусируется с помощью линзы (ZnSe) с фокусным расстоянием 190,5 мм. Измерения распределения в фокусе линзы выполнялись методом вращающегося цилиндра [12]. На рис. 2 показано распределение интенсивности излучения в фокальном пятне пучка, при котором производилась резка (кривая 1). Измерения проводились при

Рис. 1. Схема экспериментальной установки

Рис. 2. Распределение интенсивности излучения в фокальном пятне

мощности [11]. В ходе экспериментов проводился периодический контроль распределения в фокальном пятне с целью выявления возможных искажений, вносимых фокусирующей линзой или элементами оптического тракта. На рис. 2 представлен также пример искаженного пучка (кривая 2). Такому распределению соответствует худшее качество реза. Эксперименты проводились только с неискаженным пучком.

Лазерный рез формировался совместным воздействием на металл лазерного пучка и струи кислорода. Струя создавалась в коническом сопле с углом сужения 30◦ . Для получения качественного реза в установке предусмотрена возможность изменения диаметра сопла в пределах 0,5 ÷ 3,0 мм, давления газа (до 16 атм) и расположения фокуса линзы относительно плоскости разрезаемого листа. Для резки металла использовался технологический стол, обеспечивающий двухкоординатное программируемое перемещение резака со скоростью до 50 м/мин. Расстояние от среза сопла до плоскости листа устанавливалось и автоматически поддерживалось с помощью емкостного датчика. Диапазон размера зазора в режиме слежения составлял 100 ÷ 2000 мкм.

В качестве экспериментальных материалов использовались углеродистая сталь Ст. 3 и нержавеющая сталь 12Х18Н10Т. Основной задачей исследований являлось установление зависимостей скорости резки, ширины реза и качества поверхности реза от мощности излучения. Выбор этих параметров обусловлен тем, что скорость резки определяет производительность комплекса, ширина реза — потери металла, а состояние поверхности реза — возможность использования деталей или заготовок без дополнительной механической обработки.

На рис. 3 приведены зависимости скорости резки углеродистой стали от мощности используемого излучения и толщины обрабатываемого материала. Измерялись верхняя и нижняя границы скорости. Верхняя граница определена как предельная скорость, при которой начинаются непрорезы и заплавы на листе, что приводит к значительному ухудшению качества нижней кромки разрезаемого материала. Нижняя граница скорости характеризуется возникновением автогенного режима резки и резким ухудшением качества

Рис. 3. Зависимости скорости резки от мощности излучения при различной толщине листа

разрезаемой поверхности. На листе толщиной 1,5 мм нижнюю границу скорости зарегистрировать не удалось. На рис. 3 видно, что верхняя граница скорости резки линейно возрастает с увеличением мощности излучения, в то время как нижняя граница практически не меняется (для конкретной толщины материала). Естественно, что высокоскоростные режимы резки предпочтительнее с точки зрения производительности. Однако при окончательном выборе режима резки нужно учитывать чистоту плоскости реза.

Важным параметром реза является его ширина. Эта величина связана как с мощностью используемого излучения, так и со скоростью резки. На рис. 4 приведены зависимости ширины реза листовой стали Ст. 3 толщиной 5 мм от скорости при различной мощности излучения. Ширина реза уменьшается при увеличении скорости резки и возрастает при повышении мощности излучения (рис. 5). Проведенные измерения позволяют определить значения удельной энергии излучения при различной толщине разрезаемого материала P = W/(V dh). Согласно расчету удельная энергия, необходимая для нагрева до температуры плавления и расплавления единицы объема стали, составляет 12 Дж/мм3 .

Удельная энергия излучения монотонно уменьшается с увеличением толщины разрезаемого материала (рис. 6). Однако измеренное значение P больше расчетного. Можно

Рис. 4. Зависимость ширины реза от скорости резки при различной мощности излучения (d = 5 мм)

Рис. 6. Зависимость необходимого энерговклада от толщины металла при различной мощности излучения

Рис. 7. Формы разрезов стали толщиной 5 мм при различной мощности излучения

предположить, что уменьшение удельной энергии излучения при резке заготовок большой толщины может быть обусловлено более эффективным использованием струи кислорода.

Для иллюстрации изменения геометрии реза в поперечном сечении на рис. 7 приведены фотографии разрезов стали толщиной 5 мм при скорости резки 1,2 м/мин, полученных при различной мощности излучения. На выходе наблюдается некоторое расширение канала резки. Четко прослеживается зависимость формы и ширины реза от мощности используемого излучения. Можно отметить также наличие расширяющихся и сужающихся участков резов и непрямолинейность границ.

Механические свойства и структура образцов после лазерной резки.

Наиболее эффективна газолазерная резка тонколистового металла. Однако необходимо убедиться в том, что резка не оказывает негативного влияния на свойства обрабатываемого материала. Для проверки были изготовлены две партии листовых образцов после лазерной резки в среде кислорода. Первая партия: материал — сталь Ст. 3, толщина листа 1,5 мм; вторая партия: материал — сталь 12Х18Н10Т, толщина листа 1,0 мм. Исследовались образцы прямоугольной формы с размерами 100 × 10 мм. Образцы испытывались на растяжение на универсальной разрывной машине Instron-1185 при скорости деформирования 5 · 10−4 с −1 (скорость движения подвижного захвата 1 мм/мин). Температура испытания комнатная.

Установлено, что образцам из нержавеющей и углеродистой стали в выбранных условиях соответствуют деформационные кривые без особенностей типа “зуб” и “площадки текучести”, поэтому определялся условный, а не физический предел текучести [13].

Результаты механических испытаний образцов после лазерной резки приведены в табл. 1, 2. Временное сопротивление и относительное удлинение при разрыве стали Ст. 3 (табл. 1) удовлетворяют требованиям ГОСТ 16523-70: σв = 370 ÷ 480 МПа, δ > 22 % [14]. Условный предел текучести для листовой стали Ст. 3 не регламентируется. Однако согласно [15] он не должен быть ниже 205 МПа. Механические свойства образцов из стали 12Х18Н10Т (табл. 2) существенно превышают требования ГОСТ 5582-75: σ0,2 > 205 МПа, σв > 530 МПа, δ > 40 % [14]. Для одного образца из стали Ст. 3 значение σ0,2 составляло менее 205 МПа, что могло быть обусловлено неблагоприятной микроструктурой материала, сформировавшейся после газолазерной резки.

Исследования микроструктуры проводились на поперечных шлифах. Способ изготовления шлифов традиционный: механическая шлифовка, механическая полировка алмазной пастой АСМ 10/71 НВЛ и химическое травление. Шлифы анализировались на микроскопе

Механические характеристики образцов из стали

Neophot-21. Образцы из стали Ст. 3 протравливались в 4 %-м спиртовом растворе HNO3, а образцы из стали 12Х18Н10Т — в “царской водке” (75 % HCl + 25 % HNO3).

На рис. 8 видно, что структура образцов из стали Ст. 3 является феррито-перлитной. Зерна феррита и колонии перлита имеют полиэдрическое строение. Зона термического влияния травится сильнее и четко видна на микрофотографии. Результаты анализа структурных характеристик материала, представленных в табл. 3, позволяют сделать следующий вывод: в зоне термического влияния происходит существенное измельчение зерен, что, по-видимому, обусловливает повышение микротвердости почти в два раза.

Типичная структура образцов из стали 12Х18Н10Т представлена на рис. 9. Здесь также имеется зона термического влияния, но ее поперечный размер меньше, чем в образцах из стали Ст. 3 (примерно 75 мкм и 90 мкм соответственно). Измельчение зерна в зоне термического влияния меньше, чем в образцах из стали Ст. 3. Отметим также, что размер зерна основного металла в образцах из стали 12Х18Н10Т составлял приблизительно 5 мкм и был значительно меньше размера ферритного зерна в образцах из стали Ст. 3 (примерно 17 мкм).

Результаты микроструктурных исследований позволяют предположить, что на механические свойства образцов из стали Ст. 3 могло оказать воздействие наличие зоны термического влияния. Для проверки этого предположения у части образцов зона термического влияния удалялась фрезерованием (по 200 мкм с каждой длинной стороны). Затем на таких образцах определялись механические характеристики (см. табл. 1). Удаление зоны термического влияния практически не оказало воздействия на прочностные свойства стали Ст. 3. Можно лишь отметить увеличение пластичности приблизительно на 20 %. Некоторое уменьшение пластичности после лазерной резки, очевидно, обусловлено повышенной микротвердостью этой зоны (см. табл. 3). Однако в обоих состояниях осредненные механические характеристики удовлетворяют требованиям ГОСТ 16523-70. Наличие

Рис. 8. Микрофотография поперечного шлифа образца из стали Ст. 3 после лазерной резки Рис. 9. Микрофотография поперечного шлифа образца из стали 12Х18Н10Т после лазерной резки

Структурные характеристики образцов из стали Ст. 3 после газолазерной резки

образцов с достаточно низким условным пределом текучести обусловлено особенностью свойств исходного материала.

Аналогичная операция с образцами из стали 12Х18Н10Т, как и следовало ожидать, никакого влияния на средние механические свойства материала не оказала (см. табл. 2).

Заключение

Разработанный в Институте теоретической и прикладной механики СО РАН автоматизированный технологический комплекс на основе CO2-лазера мощностью до 8 кВт с самофильтрующим резонатором может быть эффективно использован в заготовительном производстве для раскроя листовых углеродистых и специальных сталей. Такой комплекс позволяет по заданной программе производить вырезку заготовок толщиной до 20 мм со скоростью до 1 м/мин. При этом погрешность размеров заготовок не превышает 100 мкм и обеспечивается качество поверхности реза, при котором не требуется дополнительная механическая обработка. Контрольные исследования механических характеристик и микроструктуры материала заготовок после газолазерной резки показали, что эта операция не ухудшает свойств металла и поэтому не требует корректирующей финишной термической обработки.

Литература

  1. Григорьянц А. Г., Соколов А. А. Лазерная резка металлов. М.: Высш. шк., 1988.
  2. Steen William M. Laser material processing. Berlin: Springer-Verlag, 1991.
  3. Игнатов А. Г., Суздалев И. В. Состояние и перспективы применения лазерного технологического оборудования // Судостроит. пром-сть. Сер. Сварка. 1989. Вып. 7. С. 3–18.
  4. Ананьев Ю. А. Оптические резонаторы и проблема расходимости лазерного излучения. М.: Наука, 1979.
  5. Gobbi P. G., Reali G. S. A novel unstable resonator configuration with a self-filtering aperture // Optics Communic. 1984. V. 52. P. 195–198.
  6. Иванченко А. И., Крашенинников В. В., Пономаренко А. Г., Шулятьев В. Б. Самофильтрующий резонатор в СО2-лазере непрерывного действия // Квантовая электрон. 1989. Т. 16, № 2. С. 305–307.
  7. Грачев Г. Н., Иванченко А. И., Смирнов А. Л., Шулятьев В. Б. Неустойчивый резонатор с пространственной фильтрацией излучения в технологическом СО2-лазере // Квантовая электрон. 1991. Т. 18, № 1. С. 131–134.
  8. Иванченко А. И., Крашенинников В. В., Смирнов А. Л., Шулятьев В. Б. Технологический лазер мощностью 3 кВт с высоким качеством излучения // Квантовая электрон.
  9. 1994. Т. 21, № 7. С. 643–647.
  10. Golyshev A. P., Ivanchenko A. I., Orishich A. M., Shulyatyev V. B. Industrial lasers of power up to 10 kW with high quality of radiation // Intern. J. High Soc. Opt. Engng. 2001. V. 4184. P. 414–418.
  11. Afonin Yu. V., Filev V. F., Ivanchenko A. I., et al. Automated laser technological complex for cutting with irradiation power of 8 kW // Intern. J. High Soc. Opt. Engng. 2003. V. 5479. P. 164–169.
  12. Афонин Ю. В., Голышев А. П., Иванченко А. И. и др. Генерация излучения с высоким качеством пучка в непрерывном СО2-лазере мощностью 8 кВт // Квантовая электрон. 2004. Т. 34, № 4. С. 307–309.
  13. Lim G. C., Steen W. M. Instrument for instantaneous in situ analysis of the mode structure of a high-power laser beem // J. Phys. Ser. E: Sci. Instr. 1984. V. 17. P. 999.
  14. Металловедение и термическая обработка стали: Справ. / Под ред. М. Л. Бернштейна, А. Г. Рахштадта. М.: Металлургия, 1991. Т. 1.
  15. Марочник сталей и сплавов / Под ред. В. Г. Сорокина. М.: Машиностроение, 1989.
  16. Марочник сталей и сплавов / Под ред. И. Р. Крянина. М.: Центр. науч.-исслед. ин-т технологии машиностроения, 1977.
  • Сварные сетчатые ограждения: как выбрать и установить

    Сварные сетчатые ограждения: как выбрать и установить

    Сварные сетчатые ограждения со временем не теряют своей популярности. Да, по определенным параметрам они могут уступать более современным конструкциям, но все равно остаются такими же востребованными, в основном благодаря низкой стоимости и крайней простоте установки. Однако выбрать подходящий забор из сварной сетки не так-то просто. Сегодня появилось множество разновидностей таких ограждений, каждая из которых оказывается наиболее оптимальной в зависимости от ситуации. Нужно лишь правильно соотнести требования к забору с предлагаемым ассортиментом.
  • Сварка труб поворотным способом: техника выполнения и контроль качества

    Сварка труб поворотным способом: техника выполнения и контроль качества

    При монтаже трубопровода нередко используется сварка труб поворотным способом. Это обусловлено тем, что при таком способе стыковки большее количество швов сделано в нижнем положении, а это, в свою очередь, считается наиболее оптимальным, так как растет темп и качество сборки. В нашей статье мы расскажем о том, как осуществляется сварка трубы поворотным способом, что нужно сделать на этапе подготовки, а также разберем основные требования, которые выдвигаются к сборке и такой сварке трубопроводов.
  • Организация сварочного поста: необходимое оборудование, требования безопасности

    Организация сварочного поста: необходимое оборудование, требования безопасности

    Для грамотной организации сварочного поста требуется не только подобрать необходимое оборудование, но и сделать так, чтобы рабочее место сварщика соответствовало производственной специфике, индивидуальным предпочтениям специалиста и требованиям безопасности. Для различных сварочных постов (стационарного, мобильного, газосварочного) предъявляются свои требования и необходимо покупать разные комплекты оборудования. О том, как правильно подготовить сварочный пост, чтобы он был не только удобен для работы, но и безопасен для оператора, помещения, в котором находится, и окружающих, читайте в нашем материале.
  • Корпус навесной металлический: как выбрать

    Корпус навесной металлический: как выбрать

    Навесной металлический корпус для электрощита сегодня более популярен, чем пластиковый. Тут все просто: он хоть и стоит дороже, зато надежнее, причем даже не столь значимо, где он находится – в квартире или на улице. Другой вопрос, как выбрать «правильный» корпус. Это как раз тот самый случай, когда не только материал, но и размер имеет значение, впрочем, как и внутреннее содержимое. Но давайте разбираться во всем по порядку.
  • Металлический шкаф для склада: преимущества, особенности эксплуатации и выбора

    Металлический шкаф для склада: преимущества, особенности эксплуатации и выбора

    Шкаф является неотъемлемой частью любого помещения: складов на производстве, офисов или учебных аудиторий. Варианты использования самые разные: хранение документов, канцтоваров, одежды, инструментов, различного инвентаря. Шкафы из металла обычно встречаются на производстве или в офисах. Главная причина – это их надежность, способность выдержать серьезные условия жесткой эксплуатации. Металлический шкаф для склада прочен, функционален, к тому же он гораздо долговечнее деревянного. Как выбрать такой для своего помещения, узнаете в данной статье.
  • Свойства сплавов алюминия: виды и характеристики

    Свойства сплавов алюминия: виды и характеристики

    Необходимость в знании свойств сплавов алюминия возникает, когда исходных характеристик этого металла недостаточно для проведения запланированных работ. Таким образом требуется подобрать наиболее оптимальный вид соединения, который будет соответствовать нужным качествам. Металлургические технологии позволяют увеличить прочность, коррозионную стойкость, твердость, свариваемость и другие характеристики алюминия, которые востребованы в различных сферах промышленности. В нашей статье мы расскажем, какие бывают сплавы данного металла, как их маркируют и какими свойствами они обладают.
  • Металлические поручни для лестниц: особенности изделий и правила выбора

    Металлические поручни для лестниц: особенности изделий и правила выбора

    Про металлические поручни для лестниц наверняка слышали многие. Казалось бы, здесь нет ничего необычного. Но тогда чем эти конструкции отличаются от обычных перил? Некоторые наверняка призадумаются. А значит, у них возникнут определенные проблемы с выбором данных изделий, например, для загородного дома. Чтобы такого не произошло, давайте все же разберемся, в чем разница между перилами и поручнями, каких видов бывают эти изделия, какие материалы используются для их изготовления и как именно подобные конструкции устанавливаются. Поверьте, подобная информация наверняка рано или поздно вам пригодится.
  • Изготовление торговых стеллажей и их использование

    Изготовление торговых стеллажей и их использование

    Каждому предприятию для эффективной работы нужны профессиональные сотрудники и качественное оборудование. Для эффективного расположения товаров в магазине проще и быстрее установить торговые стеллажи. Они представляют собой очень удобную в использовании сборно-разборную конструкцию, которая состоит из задней стенки, полок, опорных стоек и дополнительных элементов. Это оборудование считается универсальным из-за возможности менять его конфигурацию и дополнять различными деталями, подстраивая его под потребности конкретного предприятия. Описание процесса изготовления торговых стеллажей мы дадим ниже, после того, как рассмотрим основные особенности и преимущества данного вида оборудования.
  • Изготовление крышных рекламных конструкций – от выбора компании до реализации идеи

    Изготовление крышных рекламных конструкций – от выбора компании до реализации идеи

    Каждая компания, стремящаяся к успеху в бизнесе, использует для этого все доступные инструменты. Отличный способ заявить о себе – изготовление крышных рекламных конструкций. Преимущества этой формы маркетинга очевидны: внушительные размеры щита способствуют отличной видимости, что гарантирует не только охват огромной целевой аудитории, но и продолжительный эффект. Чтобы реклама произвела впечатление и дала нужные результаты, заказывать ее нужно у профессионалов. Скупой, как говорят, платит дважды. Чтобы не потерпеть убытки из-за мнимой экономии, будьте внимательны на каждом этапе выбора и заказа рекламных щитов.

Экспресс расчет
стоимости заказа

Узнайте предварительную стоимость заказа,
отправив нам необходимую информацию:

Заказать звонок

Узнайте предварительную стоимость заказа,
отправив нам необходимую информацию:

Акция