1. Лабораторная работа № 7 (Лазер – 2)
ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ ЛАЗЕРНОЙ РЕЗКИ
Цель работы: теоретически и экспериментально определить
скорость резания заготовки лазерным лучом.

2. Теоретическая часть
При лазерной резке материалов сфокусированный на поверхности детали луч лазера
частично отражается. Оставшаяся энергия поглощается в тонком поверхностном слое
вещества и расходуется на его нагревание, плавление и испарение, т.е. на образование разреза.
Часть поглощенной энергии отводится из зоны нагрева вследствие теплопроводности вглубь
вещества, а также теряется при тепловом излучении с нагретой поверхности. В начальный
момент резки энергия лазерного луча поглощается дном и боковыми стенками формируемого
разреза. Когда рез сформирован, он не имеет дна и задней стенки, энергия поглощается только
передней и боковыми стенками и часть ее теряется.
Полная энергия лазерного излучения, падающего на поверхность металла,
Е = Еотр + Еисп + Етепл + Ет.и. + Епрох,
(1)
где Еотр – энергия, отраженная от поверхности заготовки; Еисп – энергия, идущая на
нагревание, плавление и испарение материала, т.е. на образование разреза; Етепл – энергия,
отводимая из зоны разреза вследствие теплопроводности; Ет.и – энергия, теряемая вследствие
излучения; Епрох – энергия, потерянная при прохождении лазерного луча сквозь разрез.

3. Энергия Еисп является полезной, остальные виды энергии теряются. Энергия
отраженной волны составляет основную часть потерь. Коэффициент отражения
R = Еотр / Е зеркально полированной металлической поверхности при комнатной
температуре может доходить до 0,8…0,9. Он уменьшается при увеличении шероховатости
поверхности обрабатываемого материала, наличия на его поверхности окисной пленки, при
повышении температуры материала и увеличении плотности потока излучения.
В данной работе полезная энергия, идущая на образование реза, составляет 15 – 20%
от общей энергии лазерного излучения. Теряется 80 – 85% энергии.
Процессы разрушения вещества лазерным лучом описываются с помощью
упрощенных и частных моделей.
В простейшем случае считается, что вся энергия, поглощенная поверхностным слоем,
используется для нагревания, плавления и испарения материала. Тогда по закону
сохранения энергии
ηPt = Qρalb
(2)
где η – доля мощности, идущей на нагревание, плавление и испарение материала; Р –
мощность лазерного излучения, Вт; t – время обработки детали, с; Q – количество теплоты,
необходимой для нагревания, плавления и испарения единицы массы разрезаемого
материала, Дж; ρ – плотность материала, г/мм3; а – толщина листа, мм; l – длина реза, мм;
b - ширина реза, мм.

4. Тепло, необходимое для испарения единицы массы вещества, определяется по формуле
Q = сТ(Тпл – Т0) + Нпл + сж(Тк – Тпл) + Нк ,
(3)
где сT – удельная теплоемкость твердого металла, Дж/(кг К); сж – удельная теплоемкость
жидкого металла, Дж/(кг К); Нпл – удельная теплота плавления, Дж/кг; Нк – удельная
теплота парообразования, Дж/кг; Т0 – температура материала до начала резки, К; Тпл –
температура плавления, К; Тк – температура кипения, К.
Приведем значения величин, входящих в формулу (3), для примера резки стали:
сТ(Тпл – Т0) + сж(Тк – Тпл) = 1290 Дж/кг;
Нпл = 272 Дж/кг; Нк = 6070 Дж/кг; Тпл = 1826 К; Тк = 3023 К.
Используя формулы (2) и (3), можно вычислить теоретическую скорость перемещения
детали при лазерной резке
l
t
T  
P
Qab
(4)
Из формулы (4) следует, что скорость подачи детали пропорциональна мощности
излучения, обратно пропорциональна толщине а разрезаемого материала, а также зависит
от теплофизических характеристик вещества (теплоемкости, теплоты плавления и
парообразования, температур плавления и кипения).

5. Порядок проведения работы
Экспериментальное определение скорости резания металла
В работе необходимо разрезать заготовку лазерным лучом и определить
экспериментальную скорость лазерной резки:   lэ / t
(5)
где lэ – длина реза, мм; t – время лазерной резки.
Результаты измерений занести в таблицу.
Таблица
Номер
опыта
Длина
реза, lэ мм
Ширина
реза b, мм
Скорость подачи
детали   lэ / t , мм/мин
Есть разрез
или нет
1
2
3
Обработка результатов измерений
1. Вычислить экспериментальную скорость подачи образца, при лазерной резке по
формуле (5).
T  Э
100% .
2. Вычислить относительную погрешность измерений скорости  
Сделать выводы по работе.
Э