Файл: Учебное пособие для студентовзаочников. Компьютерная версия. 2е изд., перер и доп. Челябинск юурГУ, 2006. 89 с. З. И. Поляков и др., 1986. Издво Челябинского политехнического инсти тута имени Ленинского комсомола.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 29.11.2023
Просмотров: 179
Скачиваний: 3
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
56
и работающие на различных режимах излучения на длине волны 10,6 мкм. В этих лазерах увеличение снимаемой мощности происходит за счет добавления к рабочему газу СО
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
2
молекулярного азота и гелия. Эта смесь газов подается в газоразрядную полость. При приложении электрического поля молекулы СО
2 и
N
2
возбуждаются и создаются их вынужденные колебания. Молекулы N
2
, стал- киваясь с молекулами СО
2
, повышают их энергетический уровень за счет пере- дачи своей энергии. После чего молекулы СО
2
, переходя на более низкий энер- гетический уровень, испускают лазерное излучение. При этом молекулы He
(благодаря высокой подвижности атомов) служат для охлаждения рабочей сме- си, способствуют расселению нижнего энергетического уровня и стабилизиру- ют разряд. Для поддержания работоспособности газовой смеси в процессе ра- боты в конструкциях лазеров предусматривается подача свежих газов в газо- разрядную полость излучателя.
В процессе работы лазера происходит повышение температуры рабочей смеси газов, приводящее к снижению его выходной мощности. Для устранения этого явления возникает необходимость охлаждения этой смеси.
В СО
2
лазерах с медленной прокачкой газовой смеси отвод тепла из зоны разряда осуществляется охлаждающей жидкостью (водой) через стенки газо- разрядной полости (диффузионное охлаждение). Газоразрядные лазеры с мед- ленной прокачкой газовой смеси — лазеры первого поколения.
Требования производства привели к созданию более мощных технологи- ческих СО
2
лазеров (рис. 3.4). Их создание оказалось возможным за счет при- менения другого способа отвода тепла из зоны разряда. В этом случае отвод тепла происходит заменой нагретой части смеси на свежую газовую смесь
(конвективное охлаждение).
Ввиду того, что в этих лазерах прокачка смеси газов производится с большой скоростью, они называются газоразрядными лазерами с быстрой про- качкой.
H
V
1 2
3 4
5 6
7 8
Рис. 3.4 Принципиальная схема быстропроточных СО
2
лазеров
1 — непрозрачное (глухое) зеркало резонатора; 2 — полупрозрачное зеркало резонатора;
3 — газоразрядная полость излучателя; 4 — теплообменник; 5 — электроды;
6 — направление потока газовой смеси; 7 — лазерное излучение; 8 — высокое напряжение.
3.3 Основные свойства лазерного излучения
Широкое использование лазеров для различных практических целей обу- словлено некоторыми уникальными свойствами их излучения.
57
Когерентность
как свойство лазерного излучения представляет собой согласованное протекание во времени ряда волновых процессов.
Направленность
обусловлена тем, что активная среда помещена между двумя плоскопараллельными зеркалами (открытый резонатор). В резонаторе же могут поддерживаться только те электромагнитные волны, которые распро- страняются в близком к оси направлении или вдоль его оси. Направленность характеризуется углом расходимости пучка лазерного излучения, который ко- леблется от нескольких угловых секунд до нескольких угловых минут.
Это свойство пучка лазерного излучения имеет большое практическое значение в связи, локации и в других областях техники.
Лазерное излучение имеет определенный интервал частоты, обычно очень узкий. Это свойство называют
монохроматичностью
излучения. Моно- хроматичность связана с определенностью квантового перехода и генерации и усиления излучения только на определенных частотах резонатора.
Яркость
. Лазер даже небольшой мощности имеет яркость, которая на не- сколько порядков превосходит яркость обычных источников. Это свойство яв- ляется следствием высокой направленности пучка лазерного излучения.
В импульсных лазерах излучение длится малые доли секунды, поэтому даже при небольшой величине
излучаемой энергии
лазера его
мощность
значи- тельна. Обычно импульсные лазеры характеризуются излучаемой энергией в джоулях, тогда как непрерывные — мощностью в ваттах.
Плотность мощности излучения
определяется как мощность излучения, падающего на единицу облучаемой поверхности, расположенной, перпендику- лярно к направлению лазерного пучка. Для лазерных установок импульсного действия пользуются понятием плотности энергии (энергия излучения, падаю- щая на единицу поверхности, расположенной перпендикулярно к направлению лазерного луча).
3.4 Промышленные лазерно-технологические системы (комплексы),
применяемые для обработки материалов
Для реализации лазерной технологии созданы различные лазерно- технологические системы (ЛТС).
ЛТС — это комплекс, включающий лазер, формирующий рабочий инст- румент, равно пригодный для обработки различных материалов и осуществле- ния разнородных процессов и устройств для программного перемещения луча или заготовки.
Структурная схема ЛТС показана на рисунке 3.5 (см. с. 58). ЛТС со- стоит из следующих основных узлов: лазера 1, энергетического канала 3 (опти- ческая система для транспортировки и формирования лазерного излучения), рабочего стола 8, узла управления рабочими органами системы 9, источника энергетического питания 10.
Местоположение сфокусированного пятна лазерною излучения на по- верхности заготовки в данный момент времени может быть задано:
58
перемещением пятна при помощи зеркал; перемещением пятна за счет относительного перемещения пятна и обра- батываемой заготовки; за счет перемещения заготовки относительно неподвижного пятна.
1 2
3 4
5 6
7 8 9
1 0
Рис. 3.5. Структурная схема лазерной технологической системы, предназначенной для обработки материалов: 1 — излучатель (генератор);
2 — отключающее зеркало; 3 — энергетический канал; 4 — средства наблюдения;
5 — оптическая фокусирующая система; 6 — технологический газ;
7 — обрабатываемая деталь; 8 — предметный стол; 9 — узел управления;
10 — источник энергетического питания.
Последние два метода наиболее широко используются в ЛТС, предна- значенных для резки материалов.
ЛТС для работы в производственных условиях должна обладать: необходимой мощностью; стабильным излучением в процессе работы и достаточно высоким КПД; простой и компактной конструкцией при хорошем дизайне; высокой надежностью и большим сроком службы узлов и деталей; простым и удобным управлением; небольшими эксплуатационными затратами и ремонтопригодностью; максимальным удобством в обслуживании и безопасными условиями работы.
3.5 Лазерная резка материалов
Лазерная резка материалов является наиболее распространенной из ла- зерных технологий.
Лазерная резка имеет следующие преимущества перед механической (вы- рубка на штампах, фрезерование и пр.): нет износа инструмента вследствие пе- редачи больших усилий; не образуется стружка; отсутствие факторов, иска- жающих конструктивные параметры деталей при резке (при штамповке нельзя создавать конфигурацию острых углов или округлений малого радиуса); боль- шие скорости, в 3–5 раз превышающие скорости фрезерования; меньшая трудо- емкость; возможность автоматизации; повышение коэффициента использова- ния материалов до 0,7–0,85. Лазерная резка относится к гибкоперестраиваемой
59
технологии. Эти преимущества способствовали быстрому распространению ла- зерной резки в машиностроении. Высокая динамика развития лазерной техно- логии привела к тому, что уже в настоящее время в Западной Европе, США и
Японии лазерная технология является основной для резки листов толщиной
0,1–10 мм.
Следует отметить, что в ряде отраслей машиностроения лазерная резка применяется при производстве не только заготовок, но и как конечная операция изготовления деталей. Поэтому очень важно знать влияние последствий лазер- ной резки на структуру и свойства материалов, как при непосредственном их проявлении, так и опосредствованно после дополнительных обработок.
3.5.1 Физические процессы при лазерной резке металлов и сплавов
Различают три режима проведения лазерной резки:
1.
Испарением.
2.
Плавлением.
3.
Сгоранием.
При первом режиме интенсивность излучения должна быть такой высо- кой, чтобы потери тепла теплопроводностью были минимальными. Резка испа- рением осуществляется твердотельными лазерами в пульсирующем режиме и применяется достаточно редко. При резке плавлением материал в области шва расплавляется и удаляется с помощью технологического газа (N, Ar и др.).
Наиболее часто применяется лазерная резка сгоранием, которая исполь- зуется при обработке металлов, предрасположенных к горению ниже точки плавления и образующих жидкотекучие окислы (углеродистые стали, сплавы титана и др.). При резке сгоранием в качестве технологического газа применя- ют воздух или кислород. Таким образом, при резке происходит сложный про- цесс, включающий не только плавление металла и его удаление, но и интенсив- ное окисление. Последнее обеспечивает усиление поглощения лазерного излу- чения, повышает локальность реза и способствует более равномерному удале- нию продуктов резки. При этом могут быть два режима резки: управляемый и неуправляемый-автогенный режим. Управляемый режим резания возможен то- гда, когда фронт горения самопроизвольно не распространяется на всю зону воздействия кислорода на поверхности разрезаемой заготовки и локализуется в зоне реза. Поэтому в этом случае ширина реза определяется диаметром сфоку- сированного пятна лазерного излучения и, получаются ровные кромки реза.
Автогенный рез происходит тогда, когда металл горит за счет тепла реакции по всей зоне воздействия кислорода на поверхности и в итоге получается рваный и бесформенный рез. Перевод из автогенного режима резки в управляемый дос- таточно легко осуществляется за счет увеличения скорости перемещения дета- ли относительно луча или наоборот.
При резке плавлением материал не горит. Расплав из зоны реза уносится газовой струей. Такой механизм газолазерной резки имеют медь, алюминий и их сплавы за счет образования тугоплавких окислов при взаимодействии с кислородом. Лазерная резка таких металлов и их сплавов возможна только ла- зерами большой мощности.
60
Рез металла после лазерной резки имеет следующие особенности:
1.
Упрочненная поверхность. Прилегающие к резу участки претерпе- вают скоростной нагрев до оплавления (со скоростями до 10тыс. град./сек.) и столь же быстрое охлаждение. В результате в этих участках имеет место образование структур закалки, а в ряде случаев даже аморфизация поверхно- сти.
2.
Изменение химического состава участков металла около реза. Высо- кие температуры (плавление) и окисляющая среда способствуют проникнове- нию в поверхностные слои металла окислителей и азота воздуха.
3.
Характерный рельеф шероховатости поверхности реза.
4.
Неоднородность распределения локальных напряжений, возможность возникновения трещин в результате больших термических напряжений.
Следует отметить, что перечисленные особенности поверхности реза в разной степени влияют на различные свойства материала. В самом деле, труд- но ожидать сколько-нибудь значительного изменения статических механиче- ских свойств у образцов, вырезанных лазером, так как глубина зоны термиче- ского влияния лазерного излучения весьма мала в сравнении с шириной об- разца, а шероховатость незначительно сказывается на статических механиче- ских свойствах.
3.5.2 Практика проведения лазерной резки материалов
Лазерная обработка, первоначально применяемая для резки тонколисто- вых материалов, все чаще используется и при резке толстолистовых материа- лов (до 10–12 мм для черных металлов). Считается, что лазерная резка метал- лов больших толщин экономически нецелесообразна и наиболее эффективным процессом для них является плазменная резка, а в некоторых случаях и элек- троэрозионный способ обработки.
Лазерная резка металлов производится при плотности мощности 10 6
–
10 7
Вт/см². Лазерная резка материалов обычно производится непрерывными лазерами.
Метод лазерной резки материалов заключается в том, что под воздейст- вием энергии сфокусированного пучка лазерного излучения, направленного на обрабатываемую поверхность, происходит плавление и испарение материа- ла. При перемещении луча по заданному контуру и удалении паров и жидкого металла из зоны резания воздухом, инертными газами или кислородом, пода- ваемыми соосно лучу, образуется рез. Такая резка называется газолазерной.
Технологические (режущие) газы, кроме указанного, выполняют еще сле- дующие функции: охлаждают кромки реза; защищают от сгорания органиче- ские вещества (N, Аг) и кислород; первоначально способствуя предваритель- ному окислению металла; значительно увеличивает его поглощательную способность и дают дополнительную энергию (экзотермическая реакция). На некоторых ЛТС в зону резания (с целью увеличения их технологических воз- можностей), кроме режущего газа, подается вода.
Лазерная резка материалов, в настоящее время производится двумя спо- собами.
61
При первом способе рез производится за счет удаления продуктов разру- шения материала из зоны воздействия лазерного излучения. Таким способом режут металлы, ткани и т.д. В этом случае для повышения эффективности процесса соосно лучу подают струю химически активного или инертного газа.
Второй способ — способ управляемого термоскалывания — применяют для разделения хрупких материалов (например, стекла или керамики). При этом способе лазерный луч, перемещаясь по поверхности хрупкого материала
(например, стекла), вызывает появление термического напряжения и микро- трещин, следующих за ним. Разделение материала происходит по линии воз- действия лазерного луча. Этот способ в какой-то мере подобен алмазной резке хрупких материалов.
Ширина реза определяется диаметром фокального пятна лазерного луча и составляет 0,2–0,5мм для диаметра пятна луча 0,2–0,3мм.
Способность материала подвергаться резке лазером и глубина реза зави- сят от его физико-механических свойств (от степени поглощения лазерного из- лучения при высокой температуре, от теплопроводности и удельной теплоем- кости, температуры плавления и испарения и т.д.), от мощности лазерной уста- новки, от скорости обработки, от вида применяемого технологического газа и т.п.
Лазерная резка дает хороший эффект и ее применение технически целе- сообразно при изготовлении деталей из листовых материалов: имеющих различные свойства (мягких, твердых, тугоплавких метал- лов, различных тканей, органостеклопластиков и т.п.) на одной и той же маши- не, одним и тем же инструментом; в условиях мелкосерийного производства для получения плоских де- талей, часть размеров которых имеет тенденции изменяться в процессе произ- водства изделия; плохо поддающихся холодной штамповке: аустенитные и высоколеги- рованные стали и сплавы, дерево, оргстекло и т.д.; при необходимости изготовления небольших серий (примерно до
10000–15000 деталей в год) сложноконтурных деталей, имеющих вырезы раз- личной конфигурации внутри детали (узкие щели, пазы с острыми углами, пе- ремычки толщиной в пределах 1 мм и т.д.); при серийном производстве штрихового мерительного инструмента и других случаях, когда применение лазерной резки экономически целесообраз- но.
В настоящее время созданы ЛТС для обработки объемных деталей из листовых материалов. Лазерная обработка таких деталей возможна на маши- нах, у которых имеется управление рабочими органами по пяти осям: три по- ступательно движущихся и две вращающихся оси. Это дает возможность при заданном перемещении детали постоянно направлять лазерный луч по нормали к обрабатываемой поверхности, что необходимо для получения качественного реза.
Ниже приводятся сравнительные таблицы 3.1 и 3.2, показывающие воз- можности различных методов резки титана разной толщины и затраты на эти