В производстве спеченных металлов качество резки имеет решающее значение для характеристик конечного продукта. Среди различных методов резки лазерная резка выделяется своей высокой точностью, бесконтактным характером и гибкостью.
Однако при резке пористых металлических материалов, таких как титановый или никелевый войлок, традиционные лазеры непрерывного-волнового излучения склонны к чрезмерному поступлению тепла, что приводит к плавлению кромок, образованию вторичного слоя и даже закупорке пор. Это серьезно ухудшает проницаемость материала, каталитическую активность или эффективность фильтрации.
В этой статье рассматриваются передовые лазерные процессы и технологии, которые фундаментально решают эту проблему.
1. Основная причина: почему происходит плавление кромок?
Понимание причины является ключом к поиску решения. Суть плавления кромки – «перегрев».
Эффект накопления тепла: металлический войлок состоит из взаимосвязанных волокон. Хотя его теплопроводность лучше, чем у полимерного войлока, его трехмерная пористая структура приводит к прерывистым путям теплопроводности и более низкой теплоемкости по сравнению с твердыми металлическими листами. Непрерывный подвод энергии от непрерывного лазера приводит к быстрому накоплению тепла в зоне резки, -превышающему точку плавления материала-, прежде чем оно сможет диффундировать в сыпучий материал.
Характеристики материала: Титан и никель являются химически активными металлами, причем титан имеет высокое сродство к кислороду и азоту. При высоких температурах кромки реза подвергаются окислению и азотированию, образуя твердые и хрупкие слои соединения. Это сопровождается повторным-затвердеванием расплавленного материала, что разрушает исходную структуру волокна и пористость.
2. Решение: технологический скачок от «непрерывного» к «импульсному»
Основной принцип заключается в уменьшении общего тепловложения и обеспечении достаточного «времени охлаждения» материала. В первую очередь это достигается за счет двух ключевых технологий:
►1. Внедрение импульсных волоконных лазеров – основное решение
В отличие от лазеров непрерывного-волнового излучения, импульсные лазеры излучают «лазерные импульсы» на очень высоких частотах и чрезвычайно короткой длительности (наносекундные, пикосекундные или даже фемтосекундные уровни). Каждый импульс создает крошечную точку абляции или испарения, при этом за время интервала между импульсами материал достаточно охлаждается.
►2. Оптимизация вспомогательного газа – незаменимый синергетический элемент
Вспомогательный газ играет двойную роль при лазерной резке: выбрасывает расплавленный материал и участвует в химических реакциях. Выбор газа особенно важен для материалов,-склонных к окислению, таких как титановый и никелевый войлок.
Предпочтительный выбор: инертные газы высокой-чистоты (например, аргон, аргон).
Функция: Создает защитную атмосферу, эффективно изолируя кромку реза от кислорода и азота, чтобы предотвратить химические реакции при высоких температурах. Одновременно с этим высокоскоростной-поток газа быстро удаляет испаренный или минимально расплавленный материал из реза, предотвращая его повторное-осаждение и затвердевание на краях волокна.
Используйте с осторожностью: кислород/сжатый воздух
В то время как кислородная резка углеродистой стали увеличивает скорость за счет экзотермической реакции, в случае титана и никеля она вызывает сильное окисление кромки реза, образуя толстый хрупкий оксидный слой, сопровождающийся значительным плавлением, и этого следует строго избегать.
3. Управление ключевыми параметрами процесса: достижение точности «микрохирургии».
Даже при использовании импульсного лазера и инертного газа настройка параметров является последним шагом, определяющим успех.
►Пиковая мощность и частота импульсов: более высокая пиковая мощность обеспечивает эффективное испарение материала, а подходящая частота импульсов (не обязательно чем выше, тем лучше) должна соответствовать скорости резания, чтобы обеспечить достаточное время охлаждения для каждого импульса.
►Скорость резания: слишком низкая скорость приводит к чрезмерному выделению тепла; слишком быстрая скорость может привести к неполному резу или неровным краям. Цель состоит в том, чтобы использовать максимально возможную скорость, обеспечивая при этом полное проникновение.
►Фокальное положение: точно выровняйте фокус на поверхности материала или немного внутри нее, чтобы добиться наименьшего диаметра пятна и максимальной плотности энергии для более точной резки.
►Расход сопла и газа: выберите подходящий диаметр сопла и обеспечьте достаточный стабильный поток инертного газа высокой-чистоты для формирования эффективной защитной завесы и эффективной возможности выброса.
