Тонкоструйная плазменная резка биметаллических композиций (стр. 5 )

Из результатов таблицы 1.2 следует, что ширина реза в самой узкой части канала (близкой к нижней кромке) близка к диаметру лазерного луча в перетяжке. Разброс ширины реза по длине канала тем больше, чем больше толщина листа.

Назначение основных параметров технологических режимов, таких как мощность излучения и скорость резания, определяется, с одной стороны достижением максимальной производительности, а с другой – обеспечением требуемой точности и качества реза.

Таблица 1.2 – Параметры резки углеродистой стали

Толщина, мм	Мощность, Вт	Скорость резки, м/мин	Ширина реза, мм	Шероховатость Rz, мкм
На верхней кромке	На половине толщины	На нижней кромке	На верхней кромке	На нижней кромке
10	4500	1,3	0,43	0,31	0,29	-	-
16	4500	0,32	0,61	0,45	0,33	31…42	37…42
20	4500	0,25	1,0	0,46	0,49	-	-

Важным параметром на операциях резки материалов является ширина реза, которая определяет не только точность размера вырезаемой детали, но и количество материала, уходящего в отход. Результаты экспериментальных исследований [27, 32] свидетельствуют об уменьшении ширины реза, как при увеличении скорости резания, так и при повышении мощности лазерного излучения.

Помимо геометрии реза, регламентируемым параметром операции резки является его микрогеометрия. Анализ фрактографического состояния поверхности после лазерной резки показывает, что микрогеометрия обработанной поверхности представляет собой совокупность своеобразных штрихов, не присущих традиционным методам механообработки, и связана с физическим механизмом взаимодействия лазерного излучения с обрабатываемым материалом.

Авторами [33, 34] установлены зависимости шага штриха от скорости реза и выявлено наличие критического ее значения, вызывающее скачкообразное изменение шага штриха. Показан характер зависимости критической скорости от параметров резки, свидетельствующий о роли окислительных процессов в формировании штрихов. Авторами сформулирована гипотеза, согласно которой образование характерных для лазерной резки штрихов связано с распределением волны окисления железа. Наблюдаемый же скачок шага в зоне критических скоростей резания можно объяснить равенством скоростей движения луча и волны окисления. Глубина штриха, определяющая в итоге величину шероховатости, составляет не более 1/3 от щита штриха [32].

Исследованию топографии поверхности реза посвящены работы [35, 36], в которых показано формирование шероховатости реза, которая представляет собой совокупность регулярно расположенных и определенным образом пространственно ориентированных неровностей (в данной работе именуемых бороздками) для различных групп металлических материалов: низкоуглеродистые, среднеуглеродистые и низколегированные стали; высокоуглеродистые, высоколегированные (в том числе и нержавеющие) стали; титан и его сплавы; цветные металлы (алюминий, медь). В работе для оценки эффективности и качества процесса предложено использовать комплексный параметр, представляющий собой отношение мощности излучения к скорости резки (P/Vp), либо отношение мощности излучения к глубине прорезания металла (P/h).

Помимо точности, геометрии реза и его качества важной характеристикой газолазерной резки является формирование зоны термического влияния (ЗТВ), в которой происходят изменения фазового и химического состава металла [37]. В таблице 1.3 [38] представлены режимы и результаты резки различных металлических материалов излучением непрерывного СО2 – лазера с диаметром фокусировки 0,2 мм. Для уменьшения размеров ЗТВ на кромках реза и предотвращения чрезмерного перегрева материала детали, приводящего к термическим деформациям, а также к воспламенению металла, лазерную резку следует осуществлять с охлаждением зоны резания кольцевой струей воды [35].

Таблица 1.3 – Режимы и результаты резки различных металлических материалов излучением непрерывного СО2 – лазера [38]

Материал	Толщина листа, мм	Мощность, Вт	Скорость резки, м/мин	Давление газа, МПа	Параметры резов
Ширина, мм	Глубина ЗТВ, мм	Шероховатость Rz, мкм
Углеродистая сталь	1,0	1000	6,0	0,15	0,41	0,08	-
1,0	1000	8,0*	0,15	0,37	0,06	-
3,3	1000	2,0	0,15	0,51	0,26	-
5.2	1000	1,0	0,15	0,51	0,26	-
5,2	1000	2,5	0,15	0,46	0,17	-
10,0	1000	0,4	0,15	0,82	0,40	80,0
Нержавеющая сталь	2,0	1000	3,5	0,25	0,39	0,10	-
2,0	1000	3,0	0,15	0,40	0,09	-
5,0	1000	0,9	0,15	0,64	0,27	-
Титан	2,0	1000	2,2	0,15	0,34	-	-
1,0	1000	2,3	0,15	0,34	0,24	16,4
10,0	900	1,8	0,60	-	-	0,8
Алюминий	2,0	1000	0,2	0,15	0,38	-	-
2,0	1000	0,5	0,15	0,34	-	-
8,0	3000	0,6	-	0,5	-	-

Кислородная резка

Кислородная резка является одним из наиболее распространенных способов термической резки, основанных на удалении незначительных объемов металла в зоне обработки посредством химического и электрофизического воздействий. Кислородная резка предназначена для получения заготовок для последующего изготовления различного вида сварных конструкций из листовых материалов, проката, труб и других изделий [39 - 47].

Сущность физико-химических процессов при кислородной резке заключается в интенсивном окислении металла в зоне резки с последующим удалением жидкого оксида струей кислорода. Процесс разогрева металла подогревающим пламенем начинается с верхней кромки реза до температуры воспламенения металла в кислороде, которая составляет Твсп = 1323-1473 °К в зависимости от химического состава. В последующий момент времени в зону резки режущим соплом подается струя кислорода и происходит возгорание металла с образованием оксидов, что в свою очередь, приводит к выделению значительного количества теплоты в зоне реза, обеспечивающего нагрев металла до температуры плавления. В результате этого на верхней кромке образуется смесь расплава оксидов и расплава железа, которая под действием струи кислорода перемещается по боковой стенке реза и осуществляет нагрев нижележащих слоев металла с последующим их окислением, далее расплавлением металла до тех пор, пока рез не будет сформирован по всей толщине металла. Одновременно с этим начинается перемещение резака в направлении реза с определенной скоростью. Резка выходит на квазистационарный режим, когда на лобовой поверхности реза по всей его толщине формируется непрерывно горящий слой металла.

Схематично процесс кислородной резки представлен на рисунке 1.6 [39].

Рисунок 1.6 – Схема процесса кислородной резки: 1 - струя кислорода;  2 - жидкий оксид; 3 - расплавленный металл; 4 - твердый металл; Тк – температура струи кислорода; Тs – температура на поверхности оксидного слоя; Тпл - температура плавления металла; То – температура металла в исходном состоянии; б – толщина резки (листа); hж. о – толщина слоя жидкого оксида;  hж  - толщина жидкого слоя на лобовой поверхности реза; Vк – скорость струи кислорода

Таким образом, для стабильного развития и протекания процесса кислородной резки необходимо, чтобы:

- подогрев основного металла до температуры воспламенения;

- выделение продуктами горения необходимого количества теплоты для образования на поверхности реза слоя жидкого металла;

- достаточная вязкость жидкого расплава для его перемещения струей кислорода;

- осуществлялся непрерывный контакт струи кислорода и жидкого металла.

Отмеченные физические условия для процесса кислородной резки

накладывают определенные требования к разрезаемому металлу. В первую очередь, для обеспечения начала кислородной резки необходимо, что температура воспламенения металла должна быть ниже температуры его плавления.

В противном случае, обрабатываемый металл начнет плавиться и выдуваться струей кислорода, что и определяет условие развития процесса резки по плавильному механизму, а это требует значительных энергетических затрат. Так, температура плавления железа составляет 1808°К, температура воспламенения 1323°К.