Лазерная резка титана

Лазерная резка в промышленности: эффективность и преимущества

Снижение трудоемкости

Лазерная резка успешно применяется на промышленных предприятиях и позволяет значительно снизить трудоемкость при изготовлении целого ряда деталей. Минимальные припуски и поводки давно сделали лазерные установки атрибутом успешного производства.

Это факт. Без лазеров современное производство представить невозможно.

Проблема цветных металлов: почему титан сложнее стали

Парадокс теплопроводности

Однако, анализируя услуги специализированных фирм, приходишь к выводу, что резка цветных металлов лучом лазера зачастую затруднена. Например, при использовании одного и того же оборудования возможна резка обычной стали от 3 до 20 мм, а титановых изделий только до 6 мм.

Причина этого не очевидна, так как титан обладает теплопроводностью существенно ниже теплопроводности стали. Получается парадокс: материал с меньшей теплопроводностью режется хуже. Почему так?

Разберемся.

Режимы лазерной резки: от испарения до газолазерного метода

Три основных режима

Для работы использовалась штатная установка ЛС-2 мощностью 2 кВт. Газ — аргон высокой чистоты ВЧ.

Как известно, резка материалов лазерным лучом происходит при перетяжке фокального пятна. В зависимости от оптической системы, длины волны излучения, плотности мощности в фокальном пятне возможны различные варианты проведения лазерной резки металлов:

✓ Резка в режиме испарения, когда стадия жидкого состояния за счет высокой плотности мощности исчезает

✓ Резка в режиме активного удаления плазменного материала с присутствием небольшого количества жидкой фазы

✓ Обычная лазерная резка невысокого качества, связанная с удалением расплавленного материала струей подаваемого газа (газолазерная резка)

Роль жидкой фазы

Из приведенной классификации становится ясно, что при резке больших толщин любого металла мы имеем дело с образованием жидкого материала, который в технологическом процессе должен удаляться, не приводя к эрозии, грату и прочим нежелательным эффектам.

Как правило, чем выше теплопроводность металла, тем меньше глубина качественной лазерной резки. Что же происходит в случае титана?

Титан в аргоне: как кислород портит рез

Эксперименты с защитным газом

Первые же эксперименты при резке титана в аргоне показали, что причиной разгара задней кромки является кислород, присутствующий в воздухе. При резке в аргоне никаких проблем с разгаром задней кромки не возникало.

Трудность была в том, чтобы найти те режимы, которые существенно поднимали толщину разрезаемого металла.

Не все так просто.

Баланс энергии и скорости

Для проведения качественной резки титана необходимо удалять из канала продукты лазерной резки в газоплазменном и частично в жидком состоянии. Процесс идет постоянно с определенной скоростью.

В случае перегрева задней кромки наблюдается существенный грат и подплавление кромки. В случае недостаточной погонной энергии наблюдается срыв процесса резки, что также приводит к браку.

И это нормально — найти золотую середину непросто.

Расчет параметров: формула глубины реза

Объем выбрасываемого металла

Глубина реза определяется условием выброса из парогазового канала остатков жидкой фазы металла и отсутствием экранирования плазмой лазерного излучения. Объем металла, подвергаемого выбросу, легко оценивается по формуле:

v = H·d²

где H — толщина разрезаемого металла; d — обычно ширина перетяжки (утверждение верно при правильных режимах резки).

Оптимальное содержание жидкой фазы

Объем жидкой составляющей обычно не должен превышать 30–40%, в противном случае сильно ухудшается качество резки, наблюдаются заплывы.

Оценивая массу жидкой составляющей, учитывая поверхностное натяжение в зоне парогазового канала, авторы пришли к выводу, что ограничение толщины связано с недостаточным давлением подаваемого газа при лазерной резке.

Логично. Чем больше давление газа, тем эффективнее удаляется расплав.

Модернизация установки: результат 14 мм вместо 6

Увеличение давления газа

Модернизировав штатную установку, увеличив давление подаваемого газа при мощности лазера ЛС-2, удалось добиться удовлетворительного качества резки титана до 14 мм.

Судя по всему, это не предел для 2 кВт лазера.

Впечатляет. Более чем двукратное увеличение толщины реза!

Качество поверхности

Шероховатость поверхности не превысила 0,3 мм. Разгар кромки отсутствовал. Недостаток — небольшой грат — удалось легко устранить с помощью технологического приема.

Скорость лазерной резки — 400 мм/мин, что в коммерческом смысле весьма перспективно.

Рис. Титановая пластина толщиной 14 мм после лазерного раскроя.

Практические результаты: шероховатость 0,3 мм

Промышленные заказы

На рисунке показана изрезанная 14 мм титановая пластина, на которой уже выполняются промышленные заказы по резке титана. Экономия трудоемкости налицо. Минимальные припуски и отсутствие поводок.

Титановые заготовки после лазерной резки подвергались механической обработке на обычных отечественных станках и не вызывали сложности при дальнейшей обработке.

На текущий момент осуществляется резка титановых заготовок до 16 мм.

Технологичность процесса

Что это дает на практике? Представьте: вместо механической обработки с большими припусками — точная лазерная резка с минимальными допусками. Детали готовы к финишной обработке сразу после раскроя.

Это серьезно.

Экономический эффект: минимальные припуски и отсутствие поводок

Снижение затрат

Экономия трудоемкости при переходе на лазерную резку титана толщиной до 14–16 мм очевидна. Минимальные припуски означают меньше отходов материала. Отсутствие поводок — меньше времени на механическую обработку.

Плюс скорость 400 мм/мин делает процесс коммерчески привлекательным.

В общем, выгода налицо.

Перспективы развития

Результаты показывают, что 14 мм — не предел для 2 кВт лазера. Дальнейшая оптимизация параметров, возможно, позволит увеличить толщину реза еще больше.

Почему бы и нет? Технологии не стоят на месте.

В. О. Попов, ООО «ЛАЗЕРТЕРМ»
С. Н. Смирнов, СП «Лазертех»
Ю. Г. Яхонтов, СП «Лазертех»