Исследование прецизионной резки щелевых отверстий большого калибра…
13
кипения стали соответственно), из баланса энергии лазерного излу-
чения получаем, что мощность, затрачиваемая собственно на резку со
скоростью
v
р
щели размером
b
h
и включающая нагрев металла до
c
,
T
теплоту плавления
и нагрев наружного слоя жидкого металла
до температуры, близкой к
,
T
составляет
8,1
Вт:
p
м p
8,1
Q S hbv
Вт,
где
h
= 8 мм, скорость резки
v
p
~ 1 мм/с, а объемная плотность энергии,
затрачиваемой на нагрев стали от начальной температуры
T
0
до <
T
f
> и ее плавление,
м c c c
0
ж ж
[ (
)
]
c
S
c T T
с
(<
T
f
> –
–
9
с
) 12, 2 10
Т
Дж/м
3
. Для оценочных расчетов принимались следу-
ющие характеристики стали:
c
= 7,7
10
3
кг/м
3
,
ж
= 7,5
10
3
кг/м
3
,
c
c
= 700 Дж/(кг
К),
c
ж
= 840 Дж/(кг
К),
c
= 45 Вт/(м
К),
<
с
> = 0,9
10
–5
м
2
/с,
ж
= 0,4
10
–5
м
2
/с,
с
= 0,84
10
5
Дж/кг,
с
=
= 6,1
10
6
Дж/кг — теплота плавления и испарения стали соответ-
ственно.
Средняя по времени мощность подводимого к поверхности листа
лазерного излучения <
P
л
> составляет 310 Вт при мощности излуче-
ния в импульсе
P
л
= 930 Вт. Следовательно, по экспериментальным
данным при глубоком каналировании эффективность (КПД) преци-
зионной резки с помощью ВЛ, определяемая как η
е
=
Q
p
/<
P
л
> или
η
е
=
S
м
/
w
л
, составляет 2,6 %. Эта эффективность определяется эффек-
тивностью транспортировки (доставки) одномодового излучения в
«волноводном» режиме η
д
, коэффициентом его поглощения поверх-
ностью металла η
п
, значение которого для длины волны ~1 мкм
известно и составляет 30–40 % [12], и долей тепловых потерь
от по-
глощенной энергии излучения в зоне реза. Тепловые потери обуслов-
лены в основном теплопроводностью по четырем направлениям на
характерное расстояние
с
и
4
350
мкм. Оценки показывают,
что в жидкой пленке металла перед ее удалением аккумулируется
4,8
10
–2
Дж, а тепловые потери составляют 11
10
–2
Дж, т. е. их доля
0,7.
В этом случае эффективность доставки одномодового излучения
д
п
0, 25
(1 )
е
при
п
= 0,35.
После удаления жидкой пленки и выключения излучения проис-
ходит охлаждение нагретой области за время
2
=
1
–
и
= 5,5 мс до
характерного размера
500 мкм. Установившаяся температура, оце-
ненная по балансу энергии с учетом удаления жидкой пленки, состав-
ляет
400 К. Это значение является начальной температурой металла
T
0
на «ступеньке» перед нагревом и входит в расчет величины
S
м
.
