Лазерная резка неметаллических материалов.

Для разделения неметаллических материалов применяют резку механическую, ультразвуковую, плазменную, струей воды высокого давления, газовой горелкой и лазерным излучением. Лазерная резка неметаллических материалов составляет примерно 70% от объема всей лазерной резки в промышленности.

Особенности:

· высокая точность,

· высокое качество кромки,

· малая зона нагрева,

· большая производительность,

· легко автоматизируется процесс резки,

· возможность резки высокотвердых материалов (металлокерамика, стеклоуглерод, композиционные материалы на основе нитей бора и углерода, сапфир, алмаз)

При резке неметаллических материалов образуется факел из продуктов испарения (твердые и жидкие частицы) приводящих к поглощению, рассеянию и искажению лазерного излучения (тепловое расплывание луча, смещение центра «тяжести» пятна фокусировки). Для устранения этого влияния используется активный или нейтральный газ, выдувающий продукты испарения материала.

Таблица 1

Удельная энергия резания неметаллических материалов

Из Таблицы 1 видно, что удельная энергия резания слоистых материалов (текстолит, стеклотекстолит, композиционные материалы) существенно больше других материалов.

Удельная энер­гия резки холодного стекла (при 20 °С) составляет 160 кДж/г, горячего стекла (при 600 °С) - 75 кДж/г, Подача в зону реза соосно с лучом газового потока снижает удельную энергию резания до 31 кДж/г.

Глубину реза можно оценить из выражения

P – мощность лазерного излучения,

T_исп – температура испарения материала,

L_исп - удельная теплота испарения материала,

r - радиус пятна фокусировки лазерного излучения,

v_p- скорость перемещения,

с – удельная теплоемкость,

ρ – удельный вес.

Рис. 1 Зависимость глубины реза δр (оргстекло) СО₂-лазером от мощности излучения и фокусно­го расстояния: 1 — 50 мм; 2 — 100 мм; 3 — 150 мм; 4 — 200 мм; 5 — 250 мм

Из Рис. 1 видна практически линейная зависимость глубины реза от мощности излучения лазера.

На глубину реза влияет также угол схождения лазерного пучка. Эта зависимость приведена на Рис.2. (стр.504)

10 20 30 θ, гр

Рис. 2 Влияние угла схождения сфо­кусированного излучения на глубину реза стеклотекстолита излучением СО₂-лазера (Р = 1,5 кВт, v_р — 10 мм/с)

1 – устойчивый резонатор, 2 – неустойчивый резонатор

-4 -3 -2 -1 0 1 ΔF,mm

Рис. 3 Зависимость ширины bи глу­бины δ_p реза стеклотекстолита от за­глубления ΔF фокальной плоскости сфокусированного излучения СО₂-ла-зера (Р = 1,6 кВт, v_р = 11 мм/с)

Положение фокуса относительно поверхности материала влияет слабо на ширину реза и сильно на глубину канала реза. Соответствующие зависимости приведены на Рис. 3.

Поляризация луча сильно влияет на параметры реза материалов с большим коэффициентом отражения, например, полупроводники. Для большинства диэлектриков с низким коэффициентом отражения поляризация практически не влияет на параметры резки.

Рис.4 Зависимость глубины реза материала от мощности излучения

(v_р = 10 мм/с, F = 160 мм):1 — стеклотекстолит; 2 — гетинакс

(—не­устойчивый резонатор; - - - устойчивый резонатор).

Рис.5 Зависимость параметров поперечного се­чения канала реза в стеклотекстолите (δ = 5 мм; Р = 2 кВт) от скорости рез­ки, мм/с: 1- 6,6; 2-16,6;

3- 25; 4 -33

Рис. 6 Влияние скорости резки стеклотекстолита на ширину зоны обугливания верхней (1) и нижней (2) кромок реза (b=3 мм; Р = 1,5 кВт)

В таблице приведены режимы резки СО₂ лазером различных материалов

Режимы резкиТаблица