POLITECHNIKA ŚWIĘTOKRZYSKA |
||
LABORATORIUM LTM |
||
Temat: Podstawy cięcia laserowego. |
|
|
Data: 1997. 04. 07. |
Wykonał: Wójcik Andrzej |
Grupa: 22 B |
Celem ćwiczenia jest zapoznanie z procesem cięcia laserowego jako jednym ze sposobów wykorzystania lasera.
W trakcie ćwiczenia zapoznajemy się z metodami cięcia i czynnikami je uzależniającymi.
Cięcie laserowe to jedna z najbardziej rozpowszechnionych metod obróbki laserowej. W początkowym okresie istnienia lasera był on wykorzystywany głównie w tym celu, dopiero dalszy rozwój technologii laserowej umożliwił wykorzystanie wiązki promieniowania do spawania, obrabiania plastycznego i in.
Zalety cięcia laserowego:
- jest to obróbka bezdotykowa, nie wymaga stosowania konwencjonalnych narzędzi w związku z tym jest oszczędna;
- brak zamocowania potrzebnego do przenoszenia sił związanych z procesem;
- brak zjawiska dystorsji, czyli odkształcenia elementu przy cięciu;
- w związku z dużą koncentracją wiązki laserowej występuje mała szczelina cięcia i minimalna strefa wpływu cieplnego;
- lepsza jakość otrzymywanej powierzchni;
- duża wydajność;
- łatwość automatyzacji i zmiany procesu technologicznego;
- możliwość obróbki materiałów trudnoobrabialnych (laser tnie materiały bardzo twarde, jak szafir czy diament);
- elastyczność produkcji (zmiana profilu produkcji ogranicza się jedynie do wprowadzenia nowego programu);
Główną wadą obróbki laserowej która wpływa na ograniczenie ich zastosowania jest wysoki koszt inwestycyjny przy zakupie samego lasera tj. źródła wiązki i urządzeń dodatkowych.
Przebieg procesu cięcia:
Jest to proces złożony z czynników fizyko-chemicznych, polegający głównie na ogrzaniu materiału obrabianego, a następnie usunięciu roztopionego materiału bądź przez odparowanie, bądź przez wydmuchanie.
Proces cięcia obrazuje poniższy rysunek:
wiązka lasera
gaz
przedmiot
Jak widać na rysunku wiązka promienia laserowego działa termicznie na materiał, a dalsze zadanie spełnia gaz. Stosuje się dwa rodzaje gazów: ochronne (niepalne) - azot, argon i hel oraz gazy palne - tlen.Zależnie od rodzaju występującego procesu usuwania materiału rozróżniamy następujące rodzaje cięcia:
1. Przez odparowanie (drewno, plastik) - gaz spełnia rolę ochronną, jego zadaniem jest nie dopuścić do palenia podawany przy niskim ciśnieniu.
2. Przez topienie i wydmuchiwanie (stale stopowe) - materiał topi się i gaz obojętny pod wysokim ciśnieniem wydmuchuje go. Proces wydajny jednakże wymagający specjalnej głowicy. Daje bardzo dobrą jakość powierzchni (nie trzeba obrabiać wykańczająco).
3. Przez kontrolowane pękanie - stosowany do materiałów kruchych (szkło, kwarc). Mechanizm polega na kontrolowanym pękaniu. Wiązka uderza, ogrzewa przez co wzrastają naprężenia i w przypadku materiału kruchego następuje pęknięcie, w przypadku plastycznego - odkształcenie. Uderzając impulsowo powodujemy przemieszczanie się pęknięcia.
4. Cięcie zimne - laser ekscymerowy, o niższej długości fali, ultrafioletowe promieniowanie, łatwiejsze do skupienia. Energia niesiona przez wiązkę jest taka sama jak wielkość wiązań cząsteczkowych materiału. Efekt polega na niszczeniu tych wiązań, a nie na działaniu termicznym. Otrzymywane moce są małe, wykorzystywany jest do bardzo precyzyjnych prac (mikroobróbka).
W procesie cięcia wyróżniamy następujące parametry:
a) rodzaj materiału;
b) moc lasera;
c) Częstotliwość impulsów;
d) prędkość cięcia;
e) rodzaj i ciśnienie gazu roboczego;
oraz dwa dodatkowe:
f) punkt zogniskowania wiązki w odniesieniu do powierzchni materiału;
g) średnica dyszy wylotowej;
W ramach ćwiczenia praktycznego obserwowaliśmy cięcie kilku różnych materiałów rejestrując podstawowe parametry procesu. Wyniki zamieszczone są w poniższej tabeli:
Materiał |
Moc |
Czstotliwość |
Prędkość |
Ciśnienie i rodz. gazu |
Uwagi |
|
W |
Hz |
m/min |
kPa |
|
1H18N9T g. 4 mm |
840 |
200 |
0,5 |
tlen 300 |
ognisko 2 mm nad pow. materiału; Srednica dyszy 1,1 mm |
St 3S g. 3 mm |
870 |
10000 |
2 |
tlen 100 |
ognisko do 1 mm wgłąb materiału; Sr. dyszy 1,6 mm |
St 3S g. 6 mm |
980 |
10000 |
1,4 |
tlen 90 |
ognisko 1-2 mm wgłąb materiały; śr. dyszy 1,6 mm |
St 3S g. 8 mm |
1050 |
10000 |
1 |
tlen 80 |
ognisko 2-3 mm wgłąb materiału; śr. dyszy 1,6 mm; była zbyt duża prędkość; |
Ceramika g. 6 mm |
850 |
10000 |
1 |
tlen 100 |
ognisko 2-3 mm wgłąb materiału; śr. dyszy 1,6 mm; |
Drewno jesion; g. 30 |
1000 |
20000 |
1-0,72 |
azot 200 |
ognisko 3 mm wgłąb materiału; śr. dyszy 1,6 mm; |
Wnioski
Cięcie laserowe jest najbardziej rozpowszechnionym rodzajem obróbki laserowej. O jego pozycji decyduje szereg wymienionych wyżej zalet m. in. możliwość obróbki materiałów trudnoobrabialnych czy elastyczność produkcji.
Proces cięcia znajduje zastosowanie przy grubości materiału w granicach 10 - 20 mm , dając efekt konkurencyjny w stosunku do innych rodzajów cięcia. Chodzi tu głównie o jakość powierzchni wykonywanych elementów. Jeśli powierzchnia jest taka sama jak przy innych rodzajach obróbki to nie opłaca się stosować drogiego urządzenia jakim jest laser.