Определение скорости лазерной резки

Цель работы: определить максимальную скорость резания заго­товки лазерным лучом.

Теоретическая часть

При лазерной резке материалов сфокусированный на поверх­ности детали луч лазера частично отражается. Оставшаяся энергия поглощается в тонком поверхностном слое вещества и расходуется на его нагревание, плавление и испарение, т.е. на образование разре­за. Однако часть поглощенной энергии отводится из зоны нагрева вследствие теплопроводности вглубь вещества, а также теряется, при тепловом излучении с нагретой поверхности. В начальный момент рез­ки энергия лазерного луча поглощается дном и боковыми стенками фор­мируемого разреза. Когда разрез сформирован, он не имеет дна и зад­ней стенки, энергия поглощается только передней и боковыми стенка­ми и часть ее теряется.

Полная энергия лазерного излучения, падающего на поверхность металла,

E=E_ОТР+E_ИСП+E_TЕПЛ+E_Т.И+E_ПРОХ, (7.1)

где Е_отр- энергия, отраженная от поверхности заготовки; Е_ИСП- энер­гия, идущая на нагревание, плавление и испарение материала, т.е. на образование разреза; Е_тепл- энергия, отводимая из зоны разреза вследствие теплопроводности; Е_т.и- энергия, теряемая вследст­вие излучения; Е_ПРОХ - энергия, потерянная при прохождении лазерно­го луча сквозь разрез.

Кроме энергии Е_исп, которая является полезной, остальные ви­ды составляют потери. Энергия отраженной волны составляет основ­ную часть потерь. Коэффициент отражения R=Е_ОТР/E зеркально поли­рованной металлической поверхности при комнатной температуре ра­вен 0,95 и выше. Он уменьшается при увеличении шероховатости по­верхности обрабатываемого материала, наличия на его поверхности окисной пленки, при повышении температуры материала и увеличении плотности потока излучения.

В данной работе полезная энергия, идущая на образование раз­реза, составляет 15 - 20% от общей энергии лазерного излучения. Теряется 80 - 85% энергии.

Нет общей физической модели, описывающей процесс лазерной рез­ки материалов и охватывающей все особенности излучения в широком диапазоне плотностей потока энергии, излучаемой лазером, и все особенности свойств материалов. Процессы разрушения вещества ла­зерным лучом описываются с помощью упрощенных и частных моделей.

В простейшем случае считается, что вся энергия, поглощенная поверхностным слоем, используется для нагревания, плавления и ис­парения материала. Тогда по закону сохранения энергии

(7.2)

где η - доля мощности, идущей на нагревание, плавление и испаре­ние материала; Р - мощность лазерного излучения, Вт; t - время обработки детали, с; Q - количество теплоты, необходимой для на­гревания, плавления и испарения единицы массы разрезаемого матери­ала, Дж/кг; ρ - плотность стали, г/мм³; а - толщина стального листа, мм; l - длина реза, мм; d - ширина реза, мм.

 

 

Тепло, необходимое, для испарения единицы массы вещества, оп­ределяется по формуле

 

Q= c_т(Т_пл-Т₀)+H_пл+ c_ж(Т_к-Т_пл)+H_к (7.3)

где с_т - удельная теплоемкость твердого металла, Дж/(кг*К); с_ж -удельная теплоемкость жидкого металла. Дж/(кг·К); Н_пл- удельная теплота плавления, Дж/кг; Н_K- удельная теплота парообразования, Дж/кг; Т₀ - температура материала до начала резки, К; Т_ПЛ - тем­пература плавления, К; Т_к - температура кипения, К.

Приведем значения величин, входящих в формулу (7.3): с_т(Т_пл-Т₀)+с_ж(Т_к-Т_пл)=1290 Дж/кг;

Н_ПЛ= 272 Дж/кг; Н_к = 6070 Дж/кг; Т_пл= 1826 К; Т_к= 3023 К.

Используя формулы (7.2) и (7.3), можно вычислить теоретическую скорость перемещения детали при лазерной резке

(7.4)

Из формулы (7.4) следует, что скорость подачи детали пропор­циональна мощности излучения, обратно пропорциональна толщине а разрезаемого материала, а также зависит от теплофизических харак­теристик вещества (теплоемкости, теплоты плавления и парообразования, температур плавления и кипения).

При вычислении скорости υ_Т принять η= 0,2; ρ = 7,8 г/см³; d= 0,4 мм (ширина реза принимается равной диаметру сфокусированного на поверхность детали луча); а - измеряется микрометром, Р определяется по табл.7.1. Сила тока лампы накачки 21 А.

Таблица 7.1

Сила тока лампы накачки, А
Излучаемая мощность, Вт

 

Порядок проведения работы

Экспериментальное определение скорости резания металла

В работе необходимо разрезать заготовку лазерным лучом и оп­ределить экспериментальную скорость лазерной резки:

υ_Э= l _Э/t, (7.5)

где l э - длина разреза, мм; t - время лазерной резки, t = 10 с. Сравнить расчетную υ_т и экспериментальную υ_э скорости.

Подготовка к эксперименту

1. Изучить физические основы работы лазера (по лабораторной работе № 6 (Лазер-1)).

2. Изучить установку для лазерной резки листовых материалов.

3. Изучить правила техники безопасности при работе о твердо­тельным лазером.

4. Получить заготовку, измерить ее толщину а при помощи мик­рометра.

 

 

 

5. Вычислить теоретическую скорость подачи образца по формуле (7.4). Результаты измерений и вычислений занести в отчет.

6. Подготовить лазер к работе в соответствии с инструкцией по лазерной установке.

Проведение эксперимента

1. Установить силу тока лампы накачки 21 А.

2. Проверить наличие лазерного излучения с помощью визуализатора, открыв заслонку лазерного луча на короткое время.

3. Закрепить обрабатываемую заготовку на столе.

4. На пульте блока управления подачей детали установить ско­рость подачи детали, ближайшую к расчетной (см.табл.6.1).

5. Одновременно открыть заслонку лазерного луча, включить по­ дачу образца и секундомер. Проводить резку металла в течении 10 с.

6. После окончания резки лазерный луч перекрыть заслонкой и отключить подачу образца.

7. Если деталь не разрезалась, уменьшить скорость подачи, и повторить опыт.

8. Если деталь разрезалась, увеличить скорость додачи и пов­торить опыт. Необходимо зафиксировать скорость подачи, при кото­рой деталь разрезается.

9. По окончании эксперимента лазер отключить.

10. Снять заготовку и измерить дайну прорези l _Э при помощи ли­нейки и ширину прорези d_Э при помощи измерительной лупы. Резуль­таты измерений занести в табл. 7.2 отчета.

 

Обработка результатов измерений

1. Вычислить экспериментальную скорость υ_э подачи образца, т.е. скорость лазерной резки по формуле (7.5).

2. Вычислить относительную погрешность измерений скорости δυ. Сделать выводы по работе.

Контрольные вопросы

1. Укажите причины потерь энергии лазерного луча при резке металла.

2. Запишите и поясните закон сохранения и превращения энергии для лазерной резки.

3. Как определяется теплота, необходимая для нагревания, плав­ления и испарения единицы массы металла.

4. Почему экспериментальная скорость резания металла лазер­ным лучом отличается от расчетной?

 

 

 

 

О Т Ч Е Т

 

По лабораторной работе № 6 (Лазер-2)

 

студентов (Ф.И.О., № группы) ________________________________________

__________________________________________________________________

 

Материал заготовки: сталь_________________________________________

плотность ρ = 7,8·10^-3 г/мм³; толщина а =_________ мм.

Расчетная скорость подачи детали:

где количество теплоты, необходимое для испарения 1 г стали,

Q = Н_ПЛ+Н_К+с =

Здесь Н_ПЛ= 272 Дж/г - удельная теплота плавления стали; Н_К=6070 Дж/г -удельная теплота парообразования стали; С= 1290 Дж/г - теплота, необходимая для нагревания 1 г стали до температуры кипения;

η = 0,2 - доля полезной мощности; Р = _________ Вт - мощность излуче­ния при силе тока лампы накачки J= 21 A; d = 0,4 мм - диаметр сфокусированного лазерного луча.

Время обработки детали 10 с = _________ мин

 

Таблица 7.2

Номер опыта	Длина разреза l Э, мм	Ширина разреза dЭ, мм	Скорость подачи детали υЭ= l Э/t, мм/мин	Есть разрез или нет

 

Относительная погрешность определения скорости

 

 

 

Выводы:_________________________________________________________

________________________________________________________________

________________________________________________________________

________________________________________________________________

________________________________________________________________

________________________________________________________________