СПОСОБ ГАЗОЛАЗЕРНОЙ РЕЗКИ ТИТАНА И ЕГО СПЛАВОВ Российский патент 2007 года по МПК B23K26/38 B23K26/14 

Изобретение относится к способу газолазерной резки (ГЛР), в частности титана и его сплавов, использующего в качестве технологического газа газовую смесь, содержащую аргон и кислород.

Технологическими газами при ГЛР, в основном, являются кислород, аргон, азот, гелий и иногда водород.

Известно, что газ в процессе ГЛР металлов играет существенную роль. Он уносит из зоны резки расплавленный металл, обеспечивая качественный рез. В случае использования кислорода, кроме того, происходит экзотермическая реакция взаимодействия газа и разрезаемого материала, приводящая к увеличению скорости резки и (или) толщины разрезаемого материала. Таким образом, с точки зрения производительности, кислород кажется предпочтительнее нейтральных газов.

Реакция взаимодействия титана с кислородом приводит к образованию окисла с сильным выделением тепла:

Ti+O₂→TiO₂+220 ккал/моль

В случае использования кислорода в качестве технологического газа при ГЛР титана выделяющаяся теплота приводит к переходу процесса резки в автогенный (неуправляемый) режим.

Азот и водород также являются химически активными по отношению к титану. Титан обладает способностью поглощать атмосферные газы и водород, образуя хрупкие сплавы, непригодные для практического использования. Поглощение водорода происходит уже при комнатной температуре с небольшой скоростью, которая значительно возрастает при 400°С и выше. С азотом титан реагирует при температуре выше 700°С, при этом получаются нитриды типа TiN. Получаемый в результате взаимодействия с этими газами слой отличается повышенными твердостью и хрупкостью и должен удаляться с поверхности титановых изделий путем травления или механической обработки.

Гелий редко используют в качестве технологического газа для ГЛР по причине его высокой стоимости.

В основном в качестве технологического газа для ГЛР титана используют аргон [1]. Однако при этом качество реза может оказаться неудовлетворительным, особенно при толщинах материала >3 мм, из-за образования по краю среза грата.

В то же время известны способы (Прототипы) ГЛР углеродистых и алюминиевых сплавов, когда в качестве технологического газа используют смеси кислорода с по крайней мере одним из инертных газов и (или) азотом с целью получения высокой скорости реза и хорошего качества его поверхности [2, 3].

Техническая задача предлагаемого изобретения состоит в том, чтобы предложить способ газолазерной резки титана и его сплавов с целью нахождения оптимального соотношения скорости реза и качества его поверхности, особенно при толщине материала >3 мм.

Указанная задача достигается тем, что в качестве технологического газа при ГЛР титана (или его сплава) используют смесь кислорода с аргоном, подбирая их соотношение для определенной толщины разрезаемого материала таким образом, чтобы качество поверхности реза удовлетворяло заданным технологическим требованиям при максимально достижимой скорости резки.

Предлагаемый способ реализуется следующим образом.

В зону реза коаксиально с лазерным излучением подают через газовый смеситель кислород и аргон. Варьируя процентное содержание кислорода в смеси, находят такое его объемное количество, когда соотношение скорости процесса ГЛР и качества поверхности реза удовлетворяют предъявляемым технологическим требованиям.

Пример.

Способ апробирован при газолазерной резке сплава титана ВТ6 толщиной 4 мм. Для ГЛР использовали CO₂-лазер мощностью 1500 Вт, работающий в непрерывном режиме. Лазерная головка состояла из фокусирующей линзы с фокусным расстоянием 127 мм, фокус которой был заглублен в металл на 2,2 мм, и сопла с диаметром выходного отверстия 1,4 мм. Кислород и аргон подавали из баллонов в газовый смеситель, который позволял плавно регулировать процентное содержание газов в смеси больше 0% и меньше 100% (выбирая x% одного газа необходимо установить для другого 100%-х%). Полученная в ресивере смесителя смесь под давлением подавалась через сопло лазерной головки коаксиально с лазерным излучением в зону реза.

Изменяя содержание кислорода в смеси с аргоном от 5% до 80%, определили, что при давлении смеси 10 бар наилучшее соотношение скорости реза и качества его поверхности получилось при содержании кислорода около 20%. При этом скорость резки возросла по сравнению с использованием чистого аргона на 30% (от 2,5 м/мин до 3,25 м/мин).

На чертеже показаны графики зависимостей скорости резки и относительного качества поверхности реза от концентрации кислорода в его смеси с аргоном. По представленным графикам, исходя из предъявляемых к качеству реза технологических требований, можно определить необходимую концентрацию кислорода в смеси.

При содержании кислорода в смеси до 15% по краю реза наблюдался грат, уменьшающийся с ростом процентного содержания кислорода. От 15% до 20% грат стал мелким и редким. При 20% грат исчез, и край реза стал чистым. Свыше 25% по краю реза появился поджиг - результат горения титана, увеличивающийся с ростом процентного содержания кислорода в смеси. При 70-80% содержания кислорода процесс перешел в автогенный.

Источники информации

1. Исследование газолазерной резки металлов с целью получения деталей с высокими характеристиками точности воспроизведения контура/ А.Г.Валиулин, С.Г.Горный, А.М.Григорьев и др. - СПб.: Изд-во СПбГТУ, 1999. 36 с.

2. Выкладное описание изобретения к неакцептованной заявке (Германия) DE 4403726 A1/ Verfahren zum Laserschneiden, insbesondere von hochlegierten Stählen, mit einem Schneidgas // Mootz, Andreas, Dr. - дата подачи 7.02.94; дата выкладки описания 10.08.95

3. Заявка на патент изобретения (Франция) 2779078/ Precede de decouple laser de l'aluminium et de ses alliages// Bertez Christophe, Lombard Sophie et Lefevre Philippe - дата подачи 29.05.98, опубл. 03.12.99

Изобретение относится к способу газолазерной резки титана и его сплавов и может найти применение в различных отраслях энерго- и машиностроения. Способ включает использование технологического газа, представляющего смесь кислорода и аргона. Технологический газ содержит кислорода 15-25%. Для резки заданной толщины металла содержание кислорода в указанных пределах определяют в зависимости от скорости реза и качества его поверхности, исходя из предъявляемых технологических требований к качеству реза при максимально достижимой скорости реза. Технический результат заключается в повышении качества реза, поскольку при содержании кислорода в смеси в указанных пределах гарт либо исчезает совсем, либо становится мелким и редким. 1 ил.

Способ газолазерной резки титана и его сплавов, включающий использование технологического газа, представляющего смесь кислорода и аргона, отличающийся тем, что используют технологический газ с содержанием кислорода 15-25%, при этом для резки заданной толщины металла содержание кислорода в указанных пределах определяют в зависимости от скорости реза и качества его поверхности, исходя из предъявляемых технологических требований к качеству реза при максимально достижимой скорости реза.