На верхней кромке реза образуется расплавленный участок протяженностью xs . Зона этого расплавленного участка распространится на большее расстояние в направлении резки, чем переместится лазерный луч (характерно для малых скоростей резки ), т.е. xs > x0 . Образовавшаяся ванна расплава не удаляется т.к. динамического воздействия потока вспомогательного газа оказывается недостаточно. В следующие моменты времени процесс плавления металла приводит к увеличению объема ванны и при достижении определенных размеров расплав удаляется из зоны обработки. Процессы разрушения материала далее периодически повторяются.

Стационарный механизм разрушения материала устанавливается при высоких скоростях резки , когда xs > x0 . Разрушение материала происходит только в непрерывном режиме , температурное поле вокруг движущегося лазерного источника постоянно.

Диапазон скоростей резки , при которых еще сохраняются борозды на поверхности реза , лежит в пределе nр < 2,5 м/мин для стального листа (нестационарный режим ). При слишком низких скоростях подачи образца nр < 0,5 м/мин, металл у кромок реза нагревается за счет механизма теплопроводности , достаточно , чтобы перейти в режим неуправляемой, автогенной резки, независимо от толщины разрезаемого материала. В этом случае металл горит по всей поверхности контакта с газовой струей , за счет экзотермической реакции окисления. Рез получается с сильно увеличенным по ширине размером , боковые стенки приобретают рваную форму.

Нагрев поверхности обрабатываемого металла. Воздействие лазерного излучения на металлы при резке характеризуются общими положениями, связанные с поглощением и отражением излучения, распространением поглощенной энергии по объему материала, за счет теплопроводности и др., а также специфическими для процесса резки особенностями.

На участке воздействия излучения металл нагревается до первой температуры разрушения - плавления. При дальнейшем поглощении излучения металл расплавляется и от участка воздействия излучения в объем материала начинает перемещаться фазовая граница плавления. Наряду с этим энергетическое воздействие лазерного излучения приводит к последующему повышению температуры образца, достигающей второй температуры - кипения.

Процессы нагревания весьма просты, если не учитывать изменение коэффициента поглощения с температурой. Скорость испарения экспоненциально зависит от температуры и максимального своего значения достигает при стационарной температуре испарения, когда скорости фазовых границ плавления и испарения одинаковы.

В зависимости от плотности мощности лазерного излучения количество расплавленного металла, стационарная температура, скорость плавления и испарения будут различными. Указанные параметры характеризуют процесс разрушения, и, следовательно, изменяя плотность мощности лазерного излучения и время его воздействия на материал, можно управлять этим процессом.

Значительное влияние на интенсивность процесса разрушения также оказывает поглощательная способность металлов, зависящая от температуры поверхности, длинны волны, поляризации и угла падения излучения на обрабатываемую поверхность.

Таким образом, при воздействии лазерного излучения на металлы возможны два механизма резки - плавление и испарение. Поверхность разрушения при этом, так называемый канал реза, существует по всей длине и перемещается со средней скоростью в направлении резки.

Практическое использование разрушения металлов посредством механизма испарения затруднено в связи с достаточно высокими энергозатратами на теплопроводность материала и необходимостью поддержания температуры металла на уровне температуры кипения.

Заметное снижение энергозатрат достигается использованием вспомогательного газа для удаления продуктов разрушения металла из канала реза.

Процесс нагрева поверхности материала лазерным излучением при отсутствии фазовых переходов описывается уравнениями ( 1.1, 1.2 ).

Падающее излучение поглощается в тонком приповерхностном слое по закону Буггера:

q( x ) = a × qo × exp( -x × x ); ( 1.1 )

где: q( x ) - плотность потока лазерного излучения, Вт/см2;

a - поглощательная способность материала;

a × q0 - плотность лазерного потока поглощенная поверхностью;

x - коэффициент поглощения излучения в

материале, см-1.

Глубина проникновения излучения в вещество составит: l = 1/x . Для металлов величина x составляет 104 - 10-5 см-1.

Распространение теплового потока описывается законом Фурье:

( 1.2 )

где: f - тепловой поток, Вт/см2;

l - коэффициент теплопроводности, Вт/(С0 × см) ;

Т - температура, С0.

Уравнение теплопроводности при нагреве движущихся образцов. Для описания температурных полей, возникающих при лазерной резке металлов, используется уравнение теплопроводности. Это уравнение формирует условия теплопередачи в твердых телах вследствии теплопроводности.

В общем случае уравнение теплопроводности является нелинейным. Лишь для некоторых частных случаев изменений теплофизических свойств материала, c(Т) - удельной теплоемкости материала [ Дж/(г×С0)], а(Т) - коэффициента температуропроводности [ см2/c ], l - коэффициента теплопроводности [ Вт/(C0×см)], задаваемых в виде упрощенных аналитических зависимостей, можно получить сложные аналитические выражения.

В большинстве практических случаев воздействия лазерного излучения на металл, для инженерных расчетов важным обстоятельством является возможность упрощенного аналитического описания процессов распространения теплоты.

Наличие аналитических зависимостей упрощает анализ тепловых процессов, позволяет оперативно устанавливать закономерности резки.

С целью получения аналитического решения вводят некоторые упрощения параметров теплопередачи. Принимают, что теплофизические свойства материала, такие как, c - удельная теплоемкость материала, а - коэффициент температуропроводности, l - коэффициент теплопроводности и a - коэффициент поглощения материала, не зависят от температуры.

Приближенно нагрев элемента объема происходит за время прохождения луча над этим объемом: t = 2R/n, за это время волна теплопроводности уйдет на глубину, равную ( а × t)1/2 .

Условием многомерного распределения тепла можно считать, что распространение волны теплопроводности вглубь материала значительно больше радиуса луча R<< ( a × t )1/2, или

Rn/a > 1. 1.3

В случае, когда излучение фокусируется в пятно с радиусом R = 0,01 см при обработке алюминия а = 0,91 см2/с скорость перемещения луча n < 100 см/с, это будет являться условием медленно движущегося образца, согласно (1.3).

Для случая медленно движущегося образца преобразовывая уравнения (1.1 и 1.2) температура поверхности составит:

1.4