Лазерная резка материалов большой толщины

Лазерная резка представляет собой процесс, позволяющий добиться оптимального соотношения цена-качество при раскрое металлического листа, как при массовом, так и мелкосерийном производствах. 

С помощью лазерной резки можно получить как изделия прямолинейной простой формы, так и сложные фигурные криволинейные детали.

Такой обработке можно подвергать практически любой металл различной толщины, регламентированной возможностями станка. Соблюдение технических рекомендаций для резания металлов позволяет добиваться отличного качества реза.

При нарушении техпроцесса (например, несоблюдение скорости резания) или же при обработке некачественного сырья есть вероятность получить брак.

Как и любую машину, лазерный станок нужно вовремя обслуживать, а тестовую деталь, прежде чем запускать их в серию, тщательно проверять.

Виды брака
Существует несколько основных видов брака при лазерной резке металла.

Грат или облой – первый из них. Представляет собой затвердевший в виде капель металл на кромках изделия, который необходимо удалять. Для этих целей применяется ручная зачистка с использованием шлифовальных материалов, что может нарушить точную геометрию, которая, иногда, бывает очень важна для сверхточных изделий.

Неровный край – другой распространенный вид брака. Этот дефект связан с несвоевременным техническим обслуживанием станка, износом линейных направляющих и других комплектующих станка. Также причиной неровного края может являться недостаточная масса листа металла или отсутствие дополнительных приспособлений для его закрепления на рабочем столе.

Борозды и вихри на выходе – проявляется при резке ряда материалов большой толщины в результате отрыва газового потока и образованию вихря. Как правило исправляется изменением выходного давления газа из сопла и корректировкой режимов резания.

При резке толстолистовых металлов огромная роль отводится вспомогательному газу, который ответственен за удаление расплава и чистоту лазерного реза.

С повышением мощности излучения, вызванного ростом толщины материала, очень трудно обеспечить необходимое качество одномодового излучения. С ростом толщины металла скорость процесса становится недопустимо низкой. Плохое качество поверхности реза, которое связано с рядом причин, характеризуется повышенной шероховатостью и гратом.

Для толстых материалов (с большим отношением толщины материала к ширине реза) качество реза сильно понижается. Объясняется это ослаблением силового действия газа на расплав и плохим его удалением. Проблема влияния сопутствующего газа на качество лазерной резки металлов (до 25 мм толщиной и выше) в настоящее время стоит очень остро.


Рис.1 Фотографии дефектов лазерной резки, шероховатость и грат: нержавеющая сталь толщиной 5 мм (а) и 16 мм (б); титан 30 мм (в); электротехническая сталь 0,5 мм (г); нержавеющая сталь 5 мм (д), окисленная в нижней части реза за счет подмешивания воздуха; нержавеющая сталь 1 мм (е)

Проблемы, связанные с качеством лазерной резки металлов, наглядно представлены на рис.1. Здесь показаны наиболее характерные дефекты поверхности, которые имеют место при резке некоторых металлов различной толщины. Можно видеть изменения в структуре борозд шероховатости по толщине материала (рис. 1 (а, б, в, д)). Грат, который появляется с обратной стороны листа, представляет собой остатки затвердевшего расплава неправильной формы (рис. 1 (a, в)) или предстает в виде округлых частиц, прочно держащихся на нижней кромке после остывания (рис. 1 (г, е)). Поверхность некоторых образцов может иметь ярко выраженную более гладкую полосу (рис. 1 (б, в)). Образец нержавеющей стали (рис. 1 (д)) 5 мм толщиной в нижней части имеет наплавленную структуру неправильной формы, отличающуюся по цвету от верхней, более гладкой части. Изменение цвета объясняется образованием оксидов железа при попадании в рез кислорода из окружающей внешней среды. Эти дефекты, так или иначе, связаны с динамикой вспомогательного газа, который ответственен за удаление расплава из канала лазерного реза.


Рис.2 Фотографии формы каналов лазерных резов в поперечных сечениях по отношению к направлению движения лазерного источника: (а, б) — титан, толщина 10 мм, СО2-лазер мощностью 4 кВт, фокусное расстояние 254 мм, ширина канала на половине толщины 330 мкм (а), заглубление фокуса 9 мм, (а) и 19 мм (б), давление 5 атм; (в) — нержавеющая сталь, толщина 10 мм, заглубление фокуса 13 мм; (г) — аустенитная нержавеющая сталь AISI 304, толщиной 6 мм

Форма канала задается границами пучка лазерного излучения и практически не зависит от параметров газовой струи, которая влияет лишь на величину шероховатости стенок. Фотографии каналов лазерных резов в сечении, перпендикулярном направлению движения луча, представлены на рис.2. Если толщина материала превышает расстояние, на котором лазерный пучок успевает сильно расшириться, то поверхность реза может иметь значительную кривизну (рис. 2 (а)). Фокус лазерного пучка устанавливали на половине толщины (для получения максимально прямых стенок) или на нижней поверхности листа (для получения минимальной шероховатости). Большое отклонение поверхности реза от вертикали считается дефектом качества. Форма реза, близкая к прямоугольной, достигается, если лазерный пучок не успевает расходиться на расстоянии равном толщине листа; при этом отклонение стенок от вертикали получается незначительным рис.2. Чтобы обеспечить необходимую фокусировку пучка, для резки толстолистовых материалов обычно используют длиннофокусные линзы.

Возникновение рельефа борозд на срезе обусловлено отрывам потока газа от поверхности реза.

При течении газа в канале на его трех стенках образуются пограничные слои, толщина которых нарастает с глубиной канала. Нарастающие пограничные слои захватывают все больше и больше жидкости, тормозя поток. Для очень глубокого канала пограничные слои могут даже сомкнуться, при этом поток еще больше будет замедляться. Замедление течения приводит к росту давления, как следствие, к отрыву потока газа и возникновению возвратного течения.

Эти явления негативно сказываются на качестве обрабатываемой поверхности. Таким образом, при обработке металлов лазером необходимо тщательно выбирать режимы резания, в зависимости от толщины материала, его вида и требований к качеству обрабатываемой поверхности.


Рис.3 Фотографии рельефа поверхности при различных режимах резки малоуглеродистой стали СО2-лазером мощностью до 5 кВт с использованием традиционной лазерной резки с кислородом (а, б, в, г) и гибридной кислородной резки с поддержкой лазерного излучения (д). Толщина листа L, мм: 5 (а, б); 16 (в, г); 25 (д). Скорость резки Vc, м/мин: 1,6 (а); 1,5 (б); 1,0 (в); 0,6 (г); 0,27 (д). Избыточное давление, атм: 1,0 (а, б); 0,3 (в, г); 6,0 (д)

На рис.3 для примера приведены фотографии рельефа шероховатости реза, полученные при вариации толщины листа, скорости резки и давления кислорода в накопительной камере.

Незначительное уменьшение скорости резки Vc с 1,6 до 1,5 м/мин для листов толщиной L=5 мм при избыточном давлении в 1 атм также незначительно отражается на форме и размерах штрихов шероховатости. Переход к резке листов c L=16 мм требует, во-первых, снижения избыточного давления кислорода до 0,3 атм и, во-вторых, выбор оптимальной скорости резки, при которой величина шероховатости была бы минимальной.

Стоит заметить, что скорость резки Vc=1,0 м/мин на Рис.3 (в) не является оптимальной, так как на фотографии хорошо видна шероховатость с глубокими и крупными штрихами, а в случае с Vc=0,6 м/мин на Рис.3 (г) показан рельеф поверхности, обычно получающийся после перехода горения в неуправляемый автогенный режим. Наконец, на рис. Рис.3 (д) показан образец толстолистовой малоуглеродистой стали с высоким качеством поверхности реза, полученного с помощью гибридной кислородной резки с поддержкой лазерного излучения.


Тепловые эффекты в металлах

Как было сказано выше, лазерная резка металлов осуществляется благодаря плавлению, что приводит к появлению различных эффектов. 

В холоднокатаных низкоуглеродистых сталях край материала становится менее твердым. Причина тому – наличие зоны отжига толщиной в несколько тысячных дюйма. Зачастую, это не является проблемой при последующей финишной обработке или для конечного изделия. 

Однако если уровень углерода превосходит 0,3% (средне- и высокоуглеродистые стали), в поверхностном слое образуется мартенсит, повышающий твердость стали. Когда материал в области реза нагревается до температуры плавления (Tпл = 1500°C), граничная область также нагревается. Сталь, температура которой повышается выше 900°С превращается в аустенит, который, быстро охлаждаясь, переходит в мартенсит – именно он образует закаленную сталь. 

В некоторых случаях данный эффект может быть полезен – например, когда требуется одновременно вырезать и закалить край детали, повышая его стойкость к истиранию. В других ситуация – может стать проблемой, так как наличие пор в закаленном слое может привести к образованию микротрещин.

Высокие скорости процессов при лазерной резке приводят к появлению специфических микроструктур в прокатной стали. Хотя сталь переходит в аустенит выше 899°С, конечный материал неоднороден. Углерод, присутствующий в форме карбида железа, должен диффундировать в малоуглеродистые ферритовые зоны. Если исходная структура была крупнозернистой, время, необходимое для диффузии, превосходит длительность нагрева. После охлаждения высокоуглеродистые области становятся твердыми, а низкоуглеродистые – мягкими. Такие структуры имеют очень низкие механические свойства.

Легированные стали

Низколегированные стали, такие как 4140 и 8620, очень хорошо поддаются лазерной резке. Стали с более высоким включением легирующих элементов (многие конструкционные стали) режутся не так хорошо. Многие легирующие элементы, такие как хром, повышают вязкость расплава и образуют оксиды, оставляющие темную пленку на поверхности и формирующие шероховатый край реза при толщине более четверти дюйма. В любой легированной стали с достаточным содержанием углерода при резке образуется мартенсит.


Нержавеющая сталь

Так как все нержавеющие стали представляют собой высокохромистые сплавы, при резке в струе кислорода они ведут себя, как описано выше: кромка покрывается значительным слоем оксида хрома. Во многих случаях это является нежелательным для последующего процесса использования детали. Замена кислорода азотом, который не вступает в заметную реакцию с нержавеющей сталью, позволяет избежать формирования данного слоя. Инертный газ заставляет создавать температуру плавления исключительно силами лазерного излучения, что, естественно, снижает скорость процесса и толщину обрабатываемого материала в сравнении с процессом, использующим кислород. Вязкость расплава довольно высока и его адгезия к нижнему краю реза представляет определенную проблему.


Алюминий

Алюминий и его сплавы характеризуются высокой отражательной способностью и теплопроводностью. Это делает их относительно трудными материалами для лазерной обработки. Многие алюминиевые сплавы, особенно серии 2000 и 7000, склонны к образованию микротрещин на кромке реза. В аэрокосмической промышленности (основном потребителе данных сплавов) такие микротрещины недопустимы, так как они снижают усталостную прочность деталей. Использование деталей возможно только после удаления поверхностного слоя механически, что, ввиду высокой стоимости, делает лазерную резку нецелесообразной. Для изготовления деталей для аэрокосмической промышленности применяют гидроабразивную резку, которая не создает нагрева в зоне резки.

Применение лазерной резки алюминия для машиностроения и иных наземных сфер применения является допустимым, так как стандартные (нормальные) условия эксплуатации не приводят к значительным изменениям механических свойств материала и не нарушают несущих способностей конечных изделий.


Титан

Титан и сплавы на его основе интенсивно взаимодействуют с кислородом и азотом. Если титан режется в струе кислорода, то на кромке образуется толстый слой твердых и хрупких оксидов и нитридов, что делает детали непригодными для многих задач. Тот же эффект наблюдается при резке в азоте. Единственными газами, пригодными для лазерной резки, являются инертные газы, такие как аргон и гелий. Хотя аргон, будучи более дешевым, чем гелий, кажется наиболее предпочтительным, его использование может привести к определенным металлургическим сложностям. Перегрев кромки может изменить фазовое состояние Ti-6Al-4V и привести к образованию альфа-структуры, что недопустимо для многих задач аэрокосмической промышленности, так как снижает усталостную прочность материала. Гелий, имеющий большую теплоемкость и теплопроводность, часто смешивают с аргоном для обеспечения охлаждения во время резки. Обычно достаточно 25%-ой смеси гелия с аргоном, но иногда используется и 50%-ая.


Для написания статьи использовались собственные производственные эксперименты и материалы:
  1. «Физические основы лазерной резки толстых листовых материалов» О.Б. Ковалев, В.М. Фомин, ФИЗМАТЛИТ, Москва 2013
  2. «The Thermal Effects of Laser Cutting» Originally presented at the Alternative Methods for Precision Sheet Metal Fabricating Conference, June 1996, San Jose, CA by Leonard Migliore