апупенчик. Физические процедуры 12 (2011) 548554
 Скачать 1.26 Mb.
|
|
Доступно на сайте www.sciencedirect.com Физические процедуры 12 (2011) 548–554 LiM 2011 г. Роль вспомогательного газа в лазерной резке алюминия Сплавы А. Ривейро а, б , Ф. Кинтеро а , Ф. Лускиньос а , Р. Комесанья а , Х. дель Валь а , Дж. Поу а * а Dpto. Физика Апликада, Университет Виго, ETSI Industriales, Lagoas-Marcosende 9, 36310 Виго, Испания б Centro Universitario de la Defensa, Escuela Naval Militar, Plaza de España 2, 36920 Марин, Испания Абстрактный Лазерная резка - это стандартный производственный процесс резки листового металла. Процесс основан на удалении расплавленного материала с помощью сжатого вспомогательного газа. Среди основных переменных, управляющих процессом, важным фактором является тип вспомогательного газа. Этот газ обычно выбирают с учетом обрабатываемого материала и требуемого качества резки. В то время как влияние использования различных вспомогательных газов хорошо изучено при резке стали, влияние типа вспомогательного газа во время лазерной резки алюминиевых сплавов изучено недостаточно. Эта работа представляет собой исследование влияния различных вспомогательных газов (аргона, азота, кислорода и воздуха) на качество кромки и химический состав ее поверхности во время лазерной резки типичного сплава Al-Cu. © 2010 Издатель Elsevier BV Ключевые слова: лазерная резка; вспомогательный газ; окисление; алюминиевые сплавы 1. Введение Резка листового металла является крупнейшим в мире промышленным лазерным оборудованием с точки зрения продаж. В этом процессе расплавленный лазерным лучом материал удаляется из пропила с помощью сжатого вспомогательного газа. Вспомогательный газ играет решающую роль в лазерной резке плавлением, в основном из-за аэродинамических взаимодействий между расплавленным материалом и вспомогательным газом, взаимодействия, которое оказывает огромное влияние на качество окончательной резки [1-2]. С другой стороны, этот газ может химически реагировать с расплавленным материалом. Вспомогательные газы, используемые при лазерной резке, в целом можно классифицировать как инертные или химически активные газы с этой точки зрения [3]. Когда используется химически активный газ, он обеспечивает дополнительную экзотермическую энергию за счет химической реакции между газом и расплавленным материалом. Эта реакция дает дополнительную энергию, которая улучшает процесс резки. В этом смысле использование кислорода во время лазерной резки мягкой стали обеспечивает до 60% энергии, необходимой для резки этого материала. Таким образом, скорость резания обычно, по крайней мере, удваивается с использованием кислорода в качестве вспомогательного газа [4]. Однако из-за химической реакции можно ожидать некоторого химического изменения материала режущей кромки. В этом смысле на кромках среза образуется очень тонкий повторно затвердевший слой оксида металла. Чтобы избежать этой реакции, обычно используют инертные газы, такие как аргон или гелий [3]. Эти газы только обеспечивают возможно некоторое химическое изменение материала обрезной кромки. В этом смысле на кромках среза образуется очень тонкий повторно затвердевший слой оксида металла. Чтобы избежать этой реакции, обычно используют инертные газы, такие как аргон или гелий [3]. Эти газы только обеспечивают возможно некоторое химическое изменение материала обрезной кромки. В этом смысле на кромках среза образуется очень тонкий повторно затвердевший слой оксида металла. Чтобы избежать этой реакции, обычно используют инертные газы, такие как аргон или гелий [3]. Эти газы только обеспечивают * Автор, ответственный за переписку. Тел .: +34 986 812 216; Факс: +34 986 812 201. Адрес электронной почты: jpou@uvigo.es. 1875-3892 © 2011 Издано Elsevier Ltd. Открыть доступ под Лицензия CC BY-NC-ND. DOI: 10.1016 / j.phpro.2011.03.069 Перевод: английский - русский - www.onlinedoctranslator.com A. Riveiro et al. / Physics Procedure 12 (2011) 548–554. 549 механическое усилие, необходимое для выталкивания расплава из зоны реза и предотвращения нежелательных химических реакций. В связи с тем, что сталь является основным материалом, разрезаемым лазером, влияние типа вспомогательного газа на резку этих материалов широко изучалось [3]. Предыдущие исследования указали на большую чувствительность процесса к типу вспомогательного газа, используемого для резки стали. С одной стороны, кислород чаще всего используется для резки углеродистой стали. Однако это приводит к окисленным краям. С другой стороны, азот используется для резки углеродистой и нержавеющей стали, когда требуется высококачественная кромка. Кроме того, в нескольких работах сообщается о большом влиянии чистоты газа на эффективность лазерной резки и качество кромок [5-8]. Было продемонстрировано, что скорость резания снижается на 50% или даже больше, если чистота кислорода снижается даже на 3% [9]. Тем не мение, Несмотря на то, что алюминий и сплавы являются важными промышленными металлами и имеют широкое применение, например, в аэрокосмической или автомобильной промышленности, влияние типа вспомогательного газа на эффективность лазерной резки и качество кромок во время их обработки недостаточно изучено. В этом смысле некоторые авторы считают, что азот - лучшая альтернатива при резке алюминиевых сплавов, тогда как кислород лучше для чистого алюминия [10]. Тем не менее, всестороннего исследования по выбору наилучшего вспомогательного газа для резки алюминиевых сплавов в литературе нет. тогда как кислород лучше для чистого алюминия [10]. Тем не менее, всестороннего исследования по выбору наилучшего вспомогательного газа для резки алюминиевых сплавов в литературе нет. тогда как кислород лучше для чистого алюминия [10]. Тем не менее, всестороннего исследования по выбору наилучшего вспомогательного газа для резки алюминиевых сплавов в литературе нет. В этой работе мы исследовали влияние использования четырех общих вспомогательных газов (аргон, азот, кислород и воздух) на скорость резания, качество кромок и химический состав поверхности во время лазерной резки листов из сплава Al-Cu. Для выполнения этой задачи мы использовали сверхзвуковую режущую головку, основываясь на ее продемонстрированных преимуществах для получения высокой производительности и качества резки [11-12]. 2. Экспериментальный В качестве обрабатываемой детали использовались плоские пластины из коммерческого алюминиево-медного сплава 2024-Т3 толщиной 3 мм. Эксперименты проводились на СО мощностью 3,5 кВт. 2 пластинчатый лазер, режим лазера - ТЕМ 00 . Лазерный луч фокусировался на поверхность детали с помощью линзы с фокусным расстоянием 127 мм, и испытания проводились только в непрерывном режиме. В этой работе все испытания проводились с использованием XYZ-таблицы с числовым программным управлением (ЧПУ). Для сравнения результатов эксперименты проводились только на однонаправленной прямой. Испытания на резку проводились с помощью режущей головки со смещенным от оси соплом Де Лаваля для впрыска вспомогательного газа под давлением 8 бар. Сопло рассчитано на работу при числе Маха M = 2. Внеосевое сопло Де Лаваля устанавливали под углом 35 ° к оси лазерного луча и на расстоянии 4 мм от заготовки. Подробности, касающиеся этой системы впрыска вспомогательного газа, можно найти в [11]. В этом исследовании использовались четыре типа вспомогательных газов (аргон, азот, кислород и воздух). Торговое обозначение, качество и основные примеси для четырех рассматриваемых вспомогательных газов приведены в таблице 1. Таблица 1. Качество и основные примеси (в ppmv) в четырех вспомогательных газах, использованных во время всего эксперимента. Обозначение газа Качество Примеси (ppmv) 77-80% N 2 Воздух S1 <10 часов 2 0 20-23% O 2 99,999% Кислород 5.0 Азот S1 Аргон 4,8 ЧАС 2 0 ≤ 2; C п ЧАС м ≤ 0,1; CO 2 ≤ 0,2; CO ≤ 0,2; Инертность ≤ 10 ЧАС 2 0 ≤10; О 2 ≤ 10 ЧАС 2 0 ≤ 4; О 2 ≤ 3; N 2 ≤ 15; C п ЧАС м ≤ 1 ≥ 99,99% 99,998% Осмотр образцов спереди и в разрезе краев пропила проводился с помощью оптического стереоскопического микроскопа (Nikon Optiphot), оснащенного позиционером предметного столика XY. К микроскопу была подключена фотографическая система для записи и хранения изображений. Оцениваемыми параметрами во время обработки были максимальная скорость резания, средняя шероховатость кромки реза, высота окалины (измеренная от нижней грани заготовки) и протяженность зоны термического влияния (ЗТВ). 550 A. Riveiro et al. / Physics Procedure 12 (2011) 548–554. Шероховатость оценивали с помощью измерителя шероховатости Taylor-Hobson Form Talysurf Plus с гауссовым фильтром, скорректированным по фазе. Шероховатость была измерена в разных местах режущей кромки, и было извлечено среднее значение для каждого экспериментального условия. С другой стороны, площадь ЗТВ измерялась в поперечном сечении полированных образцов. Отобранные образцы были разрезаны перпендикулярно кромке среза на прецизионном отрезном станке (Struers Minitom) и затем залиты эпоксидной смолой. Впоследствии они были отполированы серией абразивной бумаги SiC до степени чистоты 1200 с последующей обработкой алмазной пастой до 0,1 мкм. Затем образцы были покрыты углеродом и исследованы с помощью сканирующей электронной микроскопии (SEM). Для выявления зеренной структуры образцы предварительно подвергали химическому травлению для нанесения углеродного покрытия. Наконец, химический состав поверхности режущих кромок образцов был определен с помощью измерений поверхности XPS. Измерения XPS проводили с использованием монохоромического излучения Al-Kα с помощью прибора Thermo Scientific K-Alpha ESCA. Нейтрализация поверхностного заряда была выполнена с использованием как низкоэнергетической наводной пушки (электроны в диапазоне от 0 до 14 эВ), так и низкоэнергетической пушки с ионами аргона. Измерения XPS проводились с использованием монохроматического излучения Al-Kα (hν = 1486,6 эВ). Фотоэлектроны собирались под углом вылета 90º относительно поверхности образца. Измерения проводились в режиме постоянной энергии анализатора (CAE) с энергией прохода 100 эВ для обзорных спектров и энергией прохода 20 эВ для спектров высокого разрешения. Отнесение заряда было выполнено путем установки фотопика C1s с более низкой энергией связи на 285. Углеводородный пик C1s 0 эВ. Атомные концентрации определялись по площадям пиков XPS с использованием метода вычитания фона Ширли и факторов чувствительности Скофилда. 3. Результаты и обсуждение Экспериментальные испытания, проведенные для оценки влияния природы вспомогательного газа на производительность резания (здесь количественно выраженную в терминах скорости резания), показали, что аргон является наиболее эффективным газом, затем кислород, сжатый воздух и, наконец, азот (см. Рисунок 1a). Следствием использования вспомогательного газа, отличного от аргона, является снижение скорости резания, как показано на рисунке 1b. а б Рисунок 1. (а) Максимальная скорость резания как функция мощности лазера для рассматриваемых вспомогательных газов; (b) Снижение скорости резания вследствие использования вспомогательного газа, отличного от аргона. Кроме того, химическая реакция чистого кислорода с алюминием дает больше энергии, чем химическая реакция окисления железа: 4Al + 3O 2 2Al 2 О 3 ЧАС c = -1675 кДж / моль (1) 2Fe + O 2 2FeO ЧАС c = -538,8 кДж / моль (2) A. Riveiro et al. / Physics Procedure 12 (2011) 548–554. 551 Это означает, что скорость резания сталей существенно снижена по сравнению с алюминиевыми сплавами [13-14]. С другой стороны, азот также может экзотермически реагировать с расплавленным алюминием при температурах выше 830ºC в том же порядке по отношению к фронту резания, что и при окислении материала [15-16]: Al + N AlN ЧАС c = -1050,4 кДж / моль (3) Однако снижение еще более выражено, чем в случае использования кислорода в качестве вспомогательного газа [17]. Среднее снижение по сравнению со значениями, полученными при использовании аргона в качестве вспомогательного газа, составляет: 37% для кислорода, 70% для сжатого воздуха и 72% для азота. Следовательно, азот - это вспомогательный газ, который больше влияет на скорость резания; однако это уменьшение аналогично тому, которое происходит при использовании сжатого воздуха. Наконец, можно заметить, что снижение скорости резания не зависит от мощности лазера в случае использования азота или сжатого воздуха; однако это снижение зависит от мощности лазера при использовании кислорода. Что касается ширины пропила, то использование сжатого воздуха имеет тенденцию давать большие пропилы, тогда как аргон - это газ, который производит самые маленькие пропилы для диапазона рассматриваемых мощностей лазера. Кислород и азот также создают большие пропилы, чем в случае использования аргона. Рис. 2. Влияние мощности лазера на ширину пропила для рассматриваемых вспомогательных газов: сжатого воздуха, кислорода, азота и аргона. Что касается качества обрезной кромки, можно наблюдать явное влияние типа вспомогательного газа, как ясно показано на рисунке. 3. Осмотр кромок реза показывает исключительно гладкую топографию, полученную при использовании аргона в качестве вспомогательного газа и применении высокой мощности лазера. Рис. 3. Оптические микрофотографии морфологии поверхности среза образцов, обработанных с помощью выбранных вспомогательных газов, в зависимости от мощности лазера. 552 A. Riveiro et al. / Physics Procedure 12 (2011) 548–554. Как отмечено в таблице 2, максимальная средняя шероховатость достигается при использовании кислорода или азота, тогда как использование сжатого воздуха несколько снижает этот параметр. Минимальная средняя шероховатость, достигающая среднего значения 3,7 мкм для условий испытаний, была получена за счет использования аргона в качестве вспомогательного газа. Осмотр нижней части кромки реза в образцах, обработанных с помощью кислорода (см. Рис. 4), показывает наличие большого количества пустот, которые являются причиной большой неравномерности кромки. При этом по краю могут наблюдаться микротрещины. Рис. 4. Микрофотографии нижней части кромки реза и b) вид в разрезе, полученный с помощью SEM-микроскопии, образца, обработанного с использованием кислорода в качестве вспомогательного газа. Таблица 2. Средняя шероховатость (оцененная для условий максимальной скорости резания, полученных во время обработки при мощности 1000, 1500, 2500 и 3000 Вт) и удлинение ЗТВ в зависимости от испытанных вспомогательных газов. Вспомогательный газ Средняя шероховатость (мкм) Удлинение ЗТВ (мкм 2 ) Сжатый воздух Кислород Азот Аргон 8,2 14,2 13,1 3,7 131147 182242 94591 15469 Характеристики поперечного сечения образцов показывают, что в зависимости от условий обработки может образоваться большая ЗТВ. Как показано на рисунке 4b, на кромке среза образуется мелкая дендритная микроструктура. В этой области образуется сильное осаждение частиц второй фазы (темные области). Кроме того, наблюдается явное влияние природы вспомогательного газа, как показано в Таблице 2. Кислород и сжатый воздух - это газы, которые производят разрезы с большей ЗТВ. Это следствие тепла, выделяемого при окислении расплавленного материала. Однако аргон имеет тенденцию производить разрезы с расширением ЗТВ на порядок меньше, чем в остальных рассматриваемых вспомогательных газах. Наконец, несмотря на то, что химическая реакция азота с расплавленным материалом примерно такая же экзотермическая, как и при окислении, Использование кислорода и сжатого воздуха, газов, наиболее активных по отношению к расплавленному алюминию, приводит к наивысшей высоте окалины. С другой стороны, использование азота снижает уровень окалины; однако аргон - единственный газ, который может производить резку без окалины, как показано на рисунке 5. Следует отметить, что эти результаты были получены с помощью сверхзвуковой режущей головки. Тем не менее, аргон позволяет достаточно хорошо резать алюминиевые сплавы даже при использовании обычной режущей головки [18]. A. Riveiro et al. / Physics Procedure 12 (2011) 548–554. 553 Рис. 5. Изменение высоты окалины (измеренной от нижней части детали) в зависимости от мощности лазера для рассматриваемых вспомогательных газов. Чтобы определить возможное влияние типа вспомогательного газа на химический состав режущей кромки и объяснить предыдущие результаты, для отобранных образцов были выполнены анализы XRD и XPS. XRD-анализы проводились на кромке среза образцов, обработанных при мощности лазера 1000 и 2500 Вт. Несмотря на то, что XRD-анализ проводился при скользящем падении, результаты не полностью раскрыли химию поверхности. Таким образом, анализы XPS выполнялись на переднем крае из-за лучшего разрешения по глубине (приблизительно 1-10 нм). После выполнения обзорного сканирования было выполнено детальное сканирование пиков фотоэлектронов в областях Al2p, C1s, O1s и N1s в верхней, средней и нижней части режущей кромки образцов, обработанных четырьмя вспомогательными газами при мощности лазера 3000 Вт. В образцах, обработанных сжатым воздухом, были обнаружены оксиды / гидроксиды азота и аргона и нитриды алюминия, тогда как в образцах, обработанных с помощью кислорода, присутствует только оксид алюминия. Уровень оксидов / гидроксидов и нитридов значительно выше в образцах, обработанных с помощью сжатого воздуха, азота и кислорода, чем в случае использования кислорода, как показано в таблице 3. Наблюдаемая чистовая обработка может быть связана с химическим составом поверхности режущей кромки. Образование оксидов и / или нитридов имеет тенденцию к увеличению вязкости и поверхностного натяжения расплава и резко снижает удаление расплавленного материала струей газа, образуя фракции с окалиной и большой ЗТВ. Аргон был задуман как более эффективный вспомогательный газ для получения результатов наилучшего качества, поскольку он производит меньшее количество оксидов и / или нитридов (как видно из спектров XPS на Рисунке 6a). Кислород, азот и сжатый воздух в большей или меньшей степени реагируют с расплавленным материалом (см. Рисунок 6b), и это в значительной степени влияет на извлечение расплавленного материала, вызывая разрезы с неровным профилем, большое количество налипшего шлака и термическое воздействие на разрезы. а б Рис. 6. XPS-спектры высокого разрешения образца, обработанного азотом в окне Al2p для (а) аргона, (б) азота (красная, зеленая и синяя линии, соответственно, спектры для трех проанализированных точек на переднем крае: верхняя , средняя и нижняя часть). 554 A. Riveiro et al. / Physics Procedure 12 (2011) 548–554. Таблица 3. Химический состав (в ат.%) Среза образцов, обработанных сжатым воздухом, кислородом, азотом и аргоном. AlN (ат.%) Металл Al (ат.%) Оксид / гидроксид (ат.%) Воздуха Кислород Азот Аргон 4.6 - 23,8 17.0 95,4 17,8 76,2 83,0 82,2 - 4. Выводы Было проведено подробное исследование влияния различных вспомогательных газов на эффективность лазерной резки и качество резки сплава Al – Cu. Результаты показывают явное влияние природы вспомогательного газа на характеристики отделки. Этот результат может быть связан с химическим составом поверхности режущей кромки. Наблюдалось образование оксидов и нитридов, которые влияли на качество резки и скорость резания. Кислород, азот и сжатый воздух в большей или меньшей степени реагируют с расплавленным материалом, образуя большое количество оксидов и / или нитридов. Это во многом влияет на скорость резания и качество получаемых резов. С другой стороны, аргон возник как более эффективный вспомогательный газ для получения результатов наилучшего качества и с более высокой эффективностью. Потом, использованная литература [1] Мужчина, ХК; Duan, J .; Юэ Т.М. Динамические характеристики газовых струй дозвуковых и сверхзвуковых сопел для газовой лазерной резки высокого давления. В оптике и лазерных технологиях, 30 (1998), 497-509. [2] Riveiro, A .; Quintero, F .; Lusquiños, F .; Comesaña, R .; Поу Дж .: Исследование динамики течения расплава и ее влияния на качество резки CO 2 лазерная резка методом плавления. В Journal of Physics D: Applied Physics, (2011) в печати. [3] Пауэлл Дж .: Колорадо 2 лазерная резка. Спрингер, Нью-Йорк, 1998. [4] Стин, У.М. Лазерная обработка материалов., Спрингер, Лондон, Нью-Йорк, 2003. [5] Ivarson, A .; Пауэлл, Дж .; Магнуссон, Ч .: Роль окисления в лазерной резке нержавеющей и мягкой стали. В Journal of Laser Applications, 3 (1991) 41-45. [6] Пауэлл, Дж .; Ivarson, A .; Kamalu, J .; Broden, G .; Магнуссон, Ч .: Роль чистоты кислорода при лазерной резке низкоуглеродистой стали. В трудах ICALEO'92 (1992), 433-442. [7] Габздил, Дж. Т.; Морган Д.А.: Вспомогательные газы для лазерной резки стали. В: Известия ИКАЛЕО'92 (1992), 443-447. [8] O'Neill, W .; Стин, WM: Трехмерный анализ уноса газа в процессе лазерной резки. В: Journal of Physics D: Applied Physics 28 (1995), 12-18. [9] Пауэлл, Дж .; Petring, D .; Кумар, Р.В.; Аль-Машихи, СО; Каплан, AFH; Войзи, К.Т .: Лазерно-кислородная резка низкоуглеродистой стали: термодинамика реакции окисления. В Journal of Physics D: Applied Physics, 42 (2009), 015504. [10] Кристенсен, Т .; Ольсен, Ф.О .: Резка алюминиевых сплавов. В материалах 4-й конференции NOLAMP (1993), 121–130. [11] Riveiro, A .; Quintero, F .; Lusquiños, F .; Pou, J .; Перес-Амор, М .: Лазерная резка авиационного алюминиевого сплава 2024-T3. В журнале Laser Applications, 20 (4) (2008), 230-235. [12] Riveiro, A .; Quintero, F .; Lusquiños, F .; Comesaña, R .; Поу Дж .: Влияние параметров обработки на лазерную резку алюминиево-медных сплавов с использованием внеосевых сверхзвуковых сопел. In Applied Surface Science., (2010) DOI: 10.1016 / j.apsusc.2010.11.061. [13] Rai, A .; Парк, К .; Чжоу, L .; Захария, MR: Понимание механизма окисления наночастиц алюминия. В теории горения и моделировании, 10 (2006), 843-859. [14] Каплан, AFH: Теоретический анализ лазерной резки, Shaker Verlag GmbH, Ахен, 2002. [15] Мондольфо, Л.Ф .: Алюминиевые сплавы: структура и свойства, Баттервортс, Лондон, 1976. [16] Сараванан, РА; Молина, JM; Narciso, J .; García-Cordovilla, C .; Луис, Э .: Влияние азота на поверхностное натяжение чистого алюминия при высоких температурах. В Scripta Materialia, 44 (2001), 965-970. [17] Andrews, L .; Чжоу, М .; Чертихин, Г.В. Голая, WD; Hannachi, Y .: Реакции подвергнутых лазерной абляции атомов алюминия с атомами и молекулами азота. Расчеты инфракрасных спектров и функционала плотности AlN 2 , Al 2 N, Al 2 N 2 , AlN 3 , и Al 3 N молекул. В Journal of Physical Chemistry A, 104 (2000), 1656–1661. [18] Riveiro, A .; Quintero, F .; Lusquiños, F .; Comesaña, R .; Поу Дж .: Параметрическое исследование CO 2 лазерная резка сплава 2024-Т3. В Journal of Materials Processing Technology 210 (2010), 1138-1152. |