Лазерная резка металлов реферат
Характеристика использования разрезания для фигурного раскроя листового металла. Особенность предельных отклонений размеров контуров деталей. Применение волоконных лазеров в промышленности. Анализ основных преимуществ и недостатков лазерной резки.
| Рубрика | Программирование, компьютеры и кибернетика |
| Вид | реферат |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 17.12.2016 |
| Размер файла | 16,1 K |
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
«Московский государственный технологический университет «Станкин»
Лазерная резка листового металла
Разрезание происходит с помощью воздействия на металлическое изделие лазерного луча. То есть, энергия луча вырезает отверстие в металле, расплавленный металл испаряется, а остальное убирается выдуванием смесью газов.
Данный способ обычно используют для фигурного раскроя листового металла. Такая резка чаще применяется для тонких листов стали. Лазерная резка полностью исключает деформацию металла. При этом детали, получаемые при резке, не требуют дополнительной обработки, так как их края довольно ровные. разрезание металл волоконный лазер
Лазер и его оптика (включая фокусирующие линзы) нуждаются в охлаждении. В зависимости от размеров и конфигурации установки, избыток тепла может быть отведен теплоносителем или воздушным обдувом. Вода, часто применяемая в качестве теплоносителя, обычно циркулирует через теплообменник или холодильную установку.
Данный способ резки считается одним из самых точных, поэтому лазерная резка металла осуществляется многими компаниями
Точность резки
Это комплексный параметр качества, который определяется на 50--80 % точностью режущей машины, но зависит также от погрешностей технологического процесса. Требования к точности диктуются назначением и толщиной деталей. Как правило, погрешности деталей толщиной мм должны укладываться в допуск 0,1--0,5 мм. Из параметров качества на технологическую точность резки влияют ширина реза, шероховатость поверхности и неперпендикулярность кромок. Точность портальных машин с ЧПУ на микроЭВМ для термической, в том числе для газолазерной резки регламентируется ГОСТ 5614--74 и ГОСТ 26940--86. Предельные отклонения от номинальных размеров квадратов со стороной 0,5 м и окружностей диаметром 0,5 м, воспроизводимых машиной, не должны превышать ± (0,1ч0,25) мм. Предельные отклонения размеров контуров деталей на углах удваиваются.
Разновидности лазеров
· Твердотельный лазер -- лазер, в котором в качестве активной среды используется вещество, находящееся в твёрдом состоянии (в отличие от газов в газовых лазерах и жидкостей в лазерах на красителях).
Самым первым твердотельным лазером был излучатель на рубине, накачка осуществлялась газоразрядной лампой.
· Волоконный лазер -- лазер, активная среда и, возможно, резонатор которого являются элементами оптического волокна.
Волоконные лазеры применяются в промышленности для резки металлов и маркировки продукции, сварке и микро обработке металлов, линиях волоконно-оптической связи. Их основными преимуществами являются высокое оптическое качество излучения, небольшие габариты и возможность встраивания в волоконные линии.
· Углекислотный лазер (CO2 лазер) -- один из первых видов газовых лазеров (изобретен в 1964 году).
Самые мощные лазеры с непрерывным излучением на начало 21 века. Их КПД может достигать 20%. Используются для гравировки резины и пластика, резки стекла и металлов, сварки металлов, в том числе с очень высокой теплопроводностью, таких как алюминий и латунь.
Лазерная резка осуществляется путём сквозного прожига листовых металлов лучом лазера. Такая технология имеет ряд очевидных преимуществ перед многими другими способами раскроя:
1. Высокую точность подачи и резки лазерного луча.
2. Минимум загрязнений на поверхности детали.
3. Малую вероятность нанесения деформации листу металла.
4. Снижение энергетических затрат.
5. Создание объемных сложных конструкций с большой скоростью и минимальной площадью обрабатываемого материала.
Несмотря на все неоспоримые преимущества, учитывая что все методы не идеальны, лазерная резка металлов имеет и ряд недостатков:
1. для толстостенного металла (более 20 мм) и наоборот - тонкостенного лазерная резка не подходит
2. метал подкаливается рядом с зоной резки. Возможны затруднения при последующих сверлениях, нарезках резьба и гибки.
3. резка отверстий с диаметром менее толщины листа, а также малых и тонких деталей, в том числе перемычек засчёт нагрева
4. зачастую большое время врезки в контур по сравнению со штамповкой
5. невозможность проведения вытяжных работ, жалюзовки и пуклёвки
Использованная литература
2. Черпаков Б.И., Альперович Т.А. Металлорежущие станки. -- ISBN 5-7695-1141-9
Подобные документы
Типы резки метала, оценка преимуществ и недостатков каждого метода: лазерная, плазменная, гидроабразивная, высокоточная. Структура и общее описание исследуемого предприятия. Функциональная модель деятельности и разработка путей ее совершенствования.
курсовая работа [124,3 K], добавлен 13.12.2013
Точность чертежей и документации. Использование собственного математического ядра и параметрических технологий как ключевая особенность "Компас-3D". Основной инструментарий трехмерного моделирования. Моделирование деталей из листового материала.
реферат [16,4 K], добавлен 20.06.2013
Характеристика кислородно-конвертерного производства. Структура и функции автоматизированных систем управления технологическими процессами доводки металла. Модернизация АСУ ТП УДМ-4 ОАО "Северсталь", техническое, аппаратное и программное обеспечение.
дипломная работа [662,8 K], добавлен 29.08.2014
Описание работы в среде AutoCAD. Разработка схем градации основных деталей изделия и схем раскроя. Построение чертежей конструкции деталей женского пальто. Автоматизация расчетных работ по проектированию швейных изделий. Разработка лекал деталей изделия.
курсовая работа [37,0 K], добавлен 08.03.2012
Общее представление о поисковых службах. Характеристика видов информационно-поисковых систем, анализ их преимуществ и недостатков. Приемы простого поиска с помощью ключевых слов. Сохранение информации на компьютере для ее последующего использования.
учебное пособие [313,9 K], добавлен 10.10.2011
Комплексное исследование истории развития, основных понятий, области применения и особенностей генетических алгоритмов. Анализ преимуществ генетических алгоритмов. Построение генетического алгоритма, позволяющего находить максимум целочисленной функции.
курсовая работа [27,9 K], добавлен 23.07.2011
Правила запуска программы Компас-График 5.11. Алгоритм создания новой папки и завершения сеанса работы с программой. Построение линий, прямоугольников, правильных шестиугольников, контуров деталей с указанием размеров и отрезком с заданием типа линии.
Лазерная резка
Свойства лазерного луча: направленность, монохроматичность и когерентность. Технология лазерной резки металла. Применение вспомогательного газа для удаления продуктов разрушения металла. Типы лазеров. Схема твердотельного лазера. Резка алюминия и сплавов.
| Рубрика | Производство и технологии |
| Вид | лабораторная работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 12.06.2013 |
| Размер файла | 2,1 M |
Введение
Возможности лазеров. Широкое применение в промышленности получили различные механические методы разделения металлов, в первую очередь резка ножовочными полотнами, ленточными пилами, фрезами и др. В производстве используются разнообразные станки общего и специального назначения для раскроя листовых, профильных и других заготовок из различных металлов и сплавов. Однако при многих достоинствах этого процесса существуют значительные недостатки, связанные с низкой производительностью, высокой стоимостью отрезного инструмента, трудностью или невозможностью раскроя материалов по сложному криволинейному контуру.
В промышленности получил распространение ряд процессов разделения материалов, основанных на электрохимическом, электрофизическом и физико-химическом воздействиях. Ацителено-кислородная резка, плазменная резка проникающая дугой и другие физико-химические методы разделения обеспечивают повышение производительности по сравнению с механическими методами, но не обеспечивают высокой точности и чистоты поверхностей реза и требуют в большинстве случаев последующей механической обработки. Электроэрозионная резка позволяет осуществлять процесс разделения материалов с малой шириной и высоким качеством реза, но одновременно с этим характеризуются малой производительностью.
В связи с этим возникла производственная необходимость в разработке и промышленном освоении методов резки современных конструкционных материалов, обеспечивающих высокую производительность процесса, точность и качество поверхностей получаемого реза. К числу таких перспективных процессов разделения материалов следует отнести лазерную резку металлов, основанную на процессах нагрева, плавления, испарения, химических реакциях горения и удаления расплава из зоны резки.
Сфокусированное лазерное излучение , обеспечивая высокую концентрацию энергии, позволяет разделять практически любые металлы и сплавы независимо от их теплофизических свойств. При этом можно получить узкие резы с минимальной зоной термического влияния. При лазерной резке отсутствует механическое воздействие на обрабатываемый материал и возникают минимальные деформации, как временные в процессе резки, так и остаточные после полного остывания. Вследствии этого лазерную резку можно осуществлять с высокой степени точностью, в том числе легкодеформируемых и нежестких заготовок или деталей. Благодаря большой плотности мощности лазерного излучения обеспечивается высокая производительность процесса в сочетании с высоким качеством поверхностей реза. Легкое и сравнительно простое управление лазерным излучением позволяет осуществлять лазерную резку по сложному контуру плоских и объемных деталей и заготовок с высокой степенью автоматизации процесса. Кратко рассмотренные особенности лазерной резки наглядно демонстрируют несомненные преимущества процесса по сравнению с традиционными методами обработки.
Лазерная резка относится к числу первых технологических применений лазерного излучения, апробированных еще в начале 70-х годов. За прошедшие годы созданы лазерные установки с широким диапазоном мощности (от нескольких десятков ватт до нескольких киловатт), обеспечивающие эффективную резку металлов с использованием вспомогательного газа, поступающего в зону обработки одновременно с излучением лазера. Лазерное излучение нагревает, плавит и испаряет материал по линии предполагаемого реза, а поток вспомогательного газа удаляет продукты разрушения.
Цель работы: изучить материал для лазерной резки
Задачи работы: найти материал для работы, выбрать нужный материал для нашего реферата.
Описание процесса лазерной резки
Сущность процесса
При лазерной резке нагревание и разрушение участка материала осуществляется с помощью лазерного луча.
В отличие от обычного светового луча для лазерного луча характерны такие свойства как направленность, монохроматичность и когерентность.
За счет направленности энергия лазерного луча концентрируется на относительно небольшом участке. Так, по своей направленности лазерный луч в тысячи раз превышает луч прожектора.
Лазерный луч по сравнению с обычным светом является монохроматичным, т. е. обладает фиксированной длиной волны и частотой. Это облегчает его фокусировку оптическими линзами.
Лазерный луч имеет высокую степень когерентности - согласованного протекания во времени нескольких волновых процессов. Когерентные колебания вызывают резонанс, усиливающий мощность излучения.
Благодаря перечисленным свойствам лазерный луч может быть сфокусирован на очень маленькую поверхность материала и создать на ней плотность энергии, достаточную для нагревания и разрушения материала (например, порядка 108 Вт/см2 для плавления металла).
Технология лазерной резки металла
Воздействие лазерного излучения на металл при разрезании характеризуется общими положениями, связанными с поглощением и отражением излучения, распространением поглощенной энергии по объему материала за счет теплопроводности и др., а также рядом специфических особенностей.
В области воздействия лазерного луча металл нагревается до первой температуры разрушения - плавления. С дальнейшим поглощением излучения происходит расплавление металла, и фазовая граница плавления перемещается в глубь материала. В то же время энергетическое воздействие лазерного луча приводит к дальнейшему увеличению температуры, достигающей второй температуры разрушения - кипения, при которой металл начинает активно испаряться.
Таким образом, возможны два механизма лазерной резки - плавлением и испарением. Однако последний механизм требует высоких энергозатрат и осуществим лишь для достаточно тонкого металла. Поэтому на практике резку выполняют плавлением. При этом в целях существенного сокращения затрат энергии, повышения толщины обрабатываемого металла и скорости разрезания применяется вспомогательный газ, вдуваемый в зону реза для удаления продуктов разрушения металла. Обычно в качестве вспомогательного газа используется кислород, воздух, инертный газ или азот. Такая резка называется газолазерной.
Рисунок. Схема лазерной резки
Например, кислород при газолазерной резке выполняет тройную функцию:
вначале содействует предварительному окислению металла и снижает его способность отражать лазерное излучение;
затем металл воспламеняется и горит в струе кислорода, в результате выделяется дополнительная теплота, усиливающая действие лазерного излучения;
кислородная струя сдувает и уносит из области резки расплавленный металл и продукты его сгорания, обеспечивая одновременный приток газа непосредственно к фронту реакции горения.
В зависимости от свойств разрезаемого металла применяются два механизма газолазерной резки. При первом значительный вклад в общий тепловой баланс вносит теплота реакции горения металла. Такой механизм резки обычно используется для материалов, подверженных воспламенению и горению ниже точки плавления и образующих жидкотекучие оксиды. Примерами могут служить низкоуглеродистая сталь и титан.
При втором механизме резки материал не горит, а плавится, и струя газа удаляет жидкий металл из области реза. Данный механизм применяется для металлов и сплавов с низким тепловым эффектом реакции горения, а также для тех, у которых при взаимодействии с кислородом образуются тугоплавкие оксиды. Например, легированные и высокоуглеродистые стали, алюминий, медь и др.
Рисунок. Схемы подачи вспомогательного газа в зону резки
Типы лазеров
лазерный резка металл газ
Лазер, как правило, состоит из трех основных узлов:
· источника энергии (механизма или системы накачки);
· активного (рабочего) тела, которое подвергается «накачке», что приводит к его вынужденному излучению;
· оптического резонатора (системы зеркал), обеспечивающего усиление вынужденного излучения активного тела.
Для резки обычно применяются следующие типы лазеров:
твердотельные и газовые - с продольной либо поперечной прокачкой газа, щелевые, а также газодинамические.
В осветительной камере твердотельного лазера размещаются лампа накачки и активное тело, представляющее собой стержень из рубина, неодимового стекла (Nd-Glass) или алюмо-иттриевого граната, легированного иттербием (Yb-YAG) либо неодимом (Nd-YAG). Лампа накачки создает мощные световые вспышки для возбуждения атомов активного тела. По торцам стержня расположены зеркала - частично прозрачное (полупрозрачное) и отражающее. Лазерный луч усиливается в результате многократных отражений внутри активного тела и выходит через частично прозрачное зеркало.
Рисунок. Схема твердотельного лазера
Серийные твердотельные лазеры имеют сравнительно небольшую мощность, как правило, не превышающую 1-6 кВт. Длина волны - около 1 мкм (рубинового лазера - около 694 нм). Режим излучения может быть как непрерывным, так и импульсным.
В газовых лазерах в качестве активного тела применяется смесь газов, обычно углекислого газа, азота и гелия. В лазерах с продольной прокачкой газа смесь газов, поступающих из баллонов, прокачивается с помощью насоса через газоразрядную трубку. Электрический разряд между электродами, подключенными к источнику питания, используется для энергетического возбуждения газа. По торцам трубки размещены отражающее и полупрозрачное зеркала.
Более компактными и мощными являются лазеры с поперечной прокачкой газа. Их общая мощность может достигать 20 кВт и выше.
Рисунок. Схемы лазеров с продольной и поперечной прокачкой газа
Весьма эффективны щелевые CO2-лазеры. Они имеют еще меньшие габариты, а мощность их излучения обычно составляет 600-8000 Вт. Режим излучения - от непрерывного до частотно-импульсного.
Рисунок. Схема щелевого лазера
В щелевом лазере применяется поперечная высокочастотная накачка активной среды (с частотой от десятков МГц до нескольких ГГц). Благодаря такой накачке увеличивается устойчивость и однородность горения разряда. Щель между электродами составляет 1-5 мм, что способствует эффективному отводу тепла от активной среды.
Наиболее мощные лазеры - газодинамические (100-150 кВт и выше). Газ, нагретый до температуры 1000-3000 К, протекает со сверхзвуковой скоростью через сопло Лаваля (суженный посередине канал), в результате чего он адиабатически расширяется и охлаждается в зоне оптического резонатора. При охлаждении возбужденных молекул углекислого газа происходит испускание когерентного излучения. Накачка лазера может осуществляться вспомогательным лазером или другим мощным источником энергии.
Рисунок. Схема газодинамического лазера
Длина волны излучения углекислотных лазеров составляет 9,4 или 10,6 мкм.
Твердотельные лазеры плохо обрабатывают неметаллы, поскольку ряд таких материалов полностью или частично прозрачен для излучения с длиной волны около 1 мкм, например, оргстекло. Лазерный луч более чувствителен к неровной поверхности обрабатываемого материала. Однако при раскрое алюминиевых сплавов, меди и латуни твердотельные лазеры имеют преимущество по сравнению с углекислотными, поскольку поглощение излучения поверхностью этих металлов значительно выше на длине волны твердотельного лазера.
Углекислотные лазеры более универсальны и применяются для обработки почти любых металлов и неметаллов. Кроме того, у них очень низкая расходимость луча, что дает возможность разместить источник излучения далеко от зоны обработки без потери качества луча.
Лазерная резка алюминия и его сплавов
Для разрезания металлов в основном требуется мощность лазера от 450-500 Вт и выше, для цветных металлов - от 1кВт и выше.
Для лазерной резки алюминия и его сплавов, меди и латуни требуется излучение более высокой мощности, что обусловлено следующими факторами:
низкой поглощательной способностью этих металлов по отношению к лазерному излучению, особенно с длиной волны 10,6 мкм углекислотного лазера, в связи с чем твердотельные лазеры более предпочтительны;
высокой теплопроводностью этих материалов.
Обработка малых толщин может выполняться в импульсном режиме работы лазера, что позволяет уменьшить зону термического воздействия, а больших толщин - в микроплазменном режиме. Плазмообразующими являются пары легко ионизируемых металлов - магния, цинка и др. Под действием лазерного луча в области реза образуется плазма, нагревающая металл до температуры плавления и плавящая его.
Воздушно-плазменная резка алюминия, как правило, используется в качестве разделительной при заготовке деталей для их последующей механической обработки. Хорошее качество реза обычно достигается лишь для толщин до 30 мм при силе тока 200 А.
При разрезании алюминия применяется вспомогательный газ с давлением более 10 атм. Структура торцевой поверхности реза - пористая с легко удаляемым гратом на нижней кромке реза. С повышением толщины металла качество торцевой поверхности реза ухудшается.
При резке латуни торцевая поверхность реза обладает пористой шероховатой структурой с легко удаляемым гратом в нижней части реза. С возрастанием толщины металла качество торцевой поверхности реза ухудшается.
Таблица. Характерные толщины разрезаемых листов при мощности лазера P = 5 кВт.
Лазерная резка листового металла
При лазерной резке нагревание и разрушение участка материала осуществляется с помощью лазерного луча.
В отличие от обычного светового луча для лазерного луча характерны такие свойства как направленность, монохроматичность и когерентность.
Содержание
Лазерная резка 3
Сущность процесса лазерной резки 3
Технология лазерной резки металла 3
Типы лазеров 5
Резка различных материалов 8
Преимущества, недостатки и сравнительная характеристика 11
Работа содержит 1 файл
Лазерная металлообработка.doc
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
Пермский национальный исследовательский политехнический университет
Факультет: Автодорожный Кафедра: Автомобили и автомобильное хозяйство
Специальность (направление): Эксплуатация автотранспортных средств
Выполнил: студент гр. ЭТС-10-1
доцент, ктн Косолапов О.А.
Содержание
Лазерная резка
Сущность процесса лазерной резки
Лазерный луч имеет высокую степень когерентности – согласованного протекания во времени нескольких волновых процессов. Когерентные колебания вызывают резонанс, усиливающий мощность излучения.
Технология лазерной резки металла
В области воздействия лазерного луча металл нагревается до первой температуры разрушения – плавления. С дальнейшим поглощением излучения происходит расплавление металла, и фазовая граница плавления перемещается в глубь материала. В то же время энергетическое воздействие лазерного луча приводит к дальнейшему увеличению температуры, достигающей второй температуры разрушения – кипения, при которой металл начинает активно испаряться.
Таким образом, возможны два механизма лазерной резки – плавлением и испарением. Однако последний механизм требует высоких энергозатрат и осуществим лишь для достаточно тонкого металла. Поэтому на практике резку выполняют плавлением. При этом в целях существенного сокращения затрат энергии, повышения толщины обрабатываемого металла и скорости разрезания применяется вспомогательный газ, вдуваемый в зону реза для удаления продуктов разрушения металла. Обычно в качестве вспомогательного газа используется кислород, воздух, инертный газ или азот. Такая резка называется газолазерной.
- вначале содействует предварительному окислению металла и снижает его способность отражать лазерное излучение;
- затем металл воспламеняется и горит в струе кислорода, в результате выделяется дополнительная теплота, усиливающая действие лазерного излучения;
- кислородная струя сдувает и уносит из области резки расплавленный металл и продукты его сгорания, обеспечивая одновременный приток газа непосредственно к фронту реакции горения.
Типы лазеров
источника энергии (механизма или системы накачки);
активного (рабочего) тела, которое подвергается «накачке», что приводит к его вынужденному излучению;
оптического резонатора (системы зеркал), обеспечивающего усиление вынужденного излучения активного тела.
Для резки обычно применяются твердотельные и газовые – с продольной либо поперечной прокачкой газа, щелевые, а также газодинамические лазеры.
В осветительной камере твердотельного лазера размещаются лампа накачки и активное тело, представляющее собой стержень из рубина, неодимового стекла или алюмо-иттриевого граната, легированного иттербием либо неодимом. Лампа накачки создает мощные световые вспышки для возбуждения атомов активного тела. По торцам стержня расположены зеркала – частично прозрачное (полупрозрачное) и отражающее. Лазерный луч усиливается в результате многократных отражений внутри активного тела и выходит через частично прозрачное зеркало.
Рисунок 1. Схема твердотельного лазера
В конструкции твердотельного лазера используются активный (лазерный) стержень 1 и лампа накачки 2 одинаковой конструкции. Зеркала 3 и 4 оптического резонатора разделены управляющим оптическим затвором 5. Для эффективного применения энергии оптической накачки стержень 1 и лампа 2 помещены в замкнутый рефлектор 6 эллиптической формы. При этом элементы 1 и 2 размещаются в фокусах эллиптического сечения рефлектора, что позволяет сконцентрировать энергию оптической накачки в объеме активной среды. Рефлектор 6 заполнен охлаждающей жидкостью, которая периодически прокачивается через лазер.
Серийные твердотельные лазеры имеют сравнительно небольшую мощность, как правило, не превышающую 1–6 кВт. Длина волны – около 1 мкм (рубинового лазера – около 694 нм). Режим излучения может быть как непрерывным, так и импульсным.
Весьма эффективны щелевые CO2-лазеры. Они имеют еще меньшие габариты, а мощность их излучения обычно составляет 600–8000 Вт. Режим излучения – от непрерывного до частотно-импульсного.
В щелевом лазере применяется поперечная высокочастотная накачка активной среды (с частотой от десятков МГц до нескольких ГГц). Благодаря такой накачке увеличивается устойчивость и однородность горения разряда. Щель между электродами составляет 1–5 мм, что способствует эффективному отводу тепла от активной среды.
Наиболее мощные лазеры – газодинамические (100–150 кВт и выше). Газ, нагретый до температуры 1000–3000 К, протекает со сверхзвуковой скоростью через сопло Лаваля (суженный посередине канал), в результате чего он адиабатически расширяется и охлаждается в зоне оптического резонатора. При охлаждении возбужденных молекул углекислого газа происходит испускание когерентного излучения. Накачка лазера может осуществляться вспомогательным лазером или другим мощным источником энергии.
1 - форкамера; 2 - критическое сечение сопла; 3 - оптический резонатор; 4 - диффузор; 5 - газовый тракт для подвода CO2
Резка различных материалов
Для разрезания металлов в основном требуется мощность лазера от 450–500 Вт и выше, для цветных металлов – от 1кВт и выше.
Резку углеродистых сталей чаще всего выполняют с применением кислорода в качестве вспомогательного газа. В результате взаимодействия кислорода с нагретым лучом металлом протекает экзотермическая реакция окисления железа обычно с выделением в 3–5 больше тепла, чем от самого лазерного излучения. Качество торцевой поверхности реза – высокое. На нижней кромке реза характерно образование незначительного грата.
Наибольшую проблему представляет возможность перехода процесса резки, выполняемого на очень малых скоростях (как правило, менее 0,5 м/мин), в неуправляемый автогенный режим, при котором металл начинает разогреваться до температуры горения за пределами воздействия луча, что приводит к повышению ширины реза и увеличению его шероховатости.
В ряде случаев, например, при вырезке деталей с острыми углами и отверстиями малого диаметра, вместо кислорода предпочтительно использование инертного газа при высоком давлении.
Лазерная резка нержавеющей стали, в особенности больших толщин, затруднена процессом зашлаковывания реза из-за присутствия в металле легирующих элементов, влияющих на температуру плавления металла и его оксидов. Так, возможно образование тугоплавких оксидов, препятствующих подводу лазерного излучения к обрабатываемому материалу. Усложняет процесс резки и низкая жидкотекучесть раплавленных оксидов, например, свойственная для нержавеющих хромоникелевых и высокохромистых сталей.
Для получения качественного реза используется азот высокой чистоты, подаваемый при повышенном давлении (обычно до 20 атм). При резке нержавеющей стали большой толщины требуется заглубление фокального пятна луча в разрезаемый металл. Как следствие, повышается диаметр входного отверстия и возрастает подача газа внутрь металла в зону расплава.
низкой поглощательной способностью этих металлов по отношению к лазерному излучению; высокой теплопроводностью этих материалов.
Обработка малых толщин может выполняться в импульсном режиме работы лазера, что позволяет уменьшить зону термического воздействия, а больших толщин – в микроплазменном режиме. Плазмообразующими являются пары легко ионизируемых металлов – магния, цинка и др. Под действием лазерного луча в области реза образуется плазма, нагревающая металл до температуры плавления и плавящая его.
При разрезании алюминия применяется вспомогательный газ с давлением более 10 атм. Структура торцевой поверхности реза – пористая с легко удаляемым гратом на нижней кромке реза. С повышением толщины металла качество торцевой поверхности реза ухудшается.
Лазерная обработка материалов
Целью курсовой работы является рассмотрение теоретических основ лазерной обработки материалов, а именно понятие и классификация лазеров, область их применения.
Изобретение лазеров стоит в одном ряду с наиболее выдающимися достижениями науки и техники XX века. Первый лазер появился в 1960 году, и с тех пор происходит бурное развитие лазерной техники. В короткое время были созданы разнообразные типы лазеров и лазерных устройств, предназначенных для решения конкретных научных и технических задач.
3.Пояснительная записка.doc
Наука о лазерах и лазерной технологии является бурно развивающейся областью знаний. В последние годы сделаны открытия принципиально новых типов лазеров, обладающих высоким коэффициентом полезного действия, простых и удобных в эксплуатации, обеспечивающих высокую надежность и, таким образом, весьма пригодных для применения в различных отраслях промышленности. В результате этого существенно расширился диапазон выполняемых функций лазерной техники. Наряду с увеличением производительности и качества традиционных лазерных технологических процессов обработки были разработаны новые процессы, обеспечивающие общий прогресс развития теории и практики в технологии машиностроения [1].
Целью курсовой работы является рассмотрение теоретических основ лазерной обработки материалов, а именно понятие и классификация лазеров, область их применения.
Изобретение лазеров стоит в одном ряду с наиболее выдающимися достижениями науки и техники XX века. Первый лазер появился в 1960 году, и с тех пор происходит бурное развитие лазерной техники. В короткое время были созданы разнообразные типы лазеров и лазерных устройств, предназначенных для решения конкретных научных и технических задач.
Содержание курсовой работы представляет собой совокупность современного уровня знаний и достижений в лазерной технологии.
1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЛАЗЕРНОЙ ОБРАБОТКИ
1.1 Перспективы развития лазерной техники и технологии
Развитие современного производства обуславливает все возрастающее внедрение наукоемких технологий. К ним относятся лазерная обработка материалов. Такая обработка является одной из технологий, которые определяют современный уровень производства в промышленно развитых странах. Использование лазерной обработки материалов позволяет обеспечить высокое качество получаемых изделий, заданную производительность процессов, экологическую чистоту, а также экономию людских и материальных ресурсов.
В настоящее время применение лазерных технологий в машиностроительном производстве чрезвычайно разнообразно. К числу таких технологий относятся сварка, термоупрочнение, легирование, наплавка, резка, размерная обработка, маркировка, гравировка, прецизионная микросварка и многие другие. В некоторых случаях лучевые технологии находятся вне конкуренции, так как с помощью лазеров можно получить технические и экономические результаты, которых нельзя достичь другими техническими средствами.
Спектр оборудования, используемого для лазерной обработки материалов, чрезвычайно широк. Большинство производителей поставляют на рынок не отдельные технологические лазеры, а лазерные технологические комплексы. В них имеются устройства внешней оптики, управляемые столы, манипуляторы, роботы для перемещения изделия во время обработки, а также программное обеспечение, необходимое для реализации конкретной технологии.
Важным преимуществом лазеров является сравнительно простая возможность управления временной структурой излучения. Это осуществляют как путем управления накачкой, так и использованием акустооптических затворов.
Одним из последних достижений в области лазерных технологий стало создание мощных волоконных лазеров (до 20 кВт). Их использование позволяет получить различные временные характеристики излучения в спектральном диапазоне от 1 до 2 мкм. Область их применения весьма разнообразна: лазерная резка и сварка металлов, маркировка и обработка поверхностей, полиграфия и скоростная лазерная печать, лазерные дальномеры и трехмерные локаторы, аппаратура для телекоммуникаций, медицинские установки и т.д.
Ведущими мировыми производителями лазерной техники являются США, Германия, Япония и Россия. Российские предприятия предлагают почти все виды лазерной техники – от технологических установок для обработки материалов до медицинской аппаратуры, измерительных приборов и телекоммуникационного оборудования [1].
1.2 Сущность, принцип действия лазера
Лазер – источник электромагнитного излучения, основанный на вынужденном излучении атомов и молекул. Лазерный луч обладает рядом замечательных свойств:
– распространяется на большие расстояния и имеет строго прямолинейное направление;
– движется очень узким пучком с малой степенью расходимости;
– обладает высокой монохромностью;
– в широких пределах можно управлять длительностью излучения: от сколь угодно длительных до сверхкоротких (вплоть до 10-15 с.) импульсных вспышек;
– обладает большой теплотой и может пробивать отверстие в любом материале
– световая интенсивность луча больше, чем интенсивность самых сильных источников света;
– не имеет опасного радиационного воздействия, как, например, рентгеновские, космические или гамма лучи;
– излучение лазеров может быть в видимом, в инфракрасном или ультрафиолетовом диапазонах [2].
Слово «лазер» составлено из начальных букв (аббревиатура) слов английской фразы «Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation», что означает «усиление света в результате вынужденного излучения» [3].
Физической основой работы лазера служит явление вынужденного (индуцированного) излучения (рисунок 1.2.1.). Суть явления состоит в том, что возбуждённый атом способен излучить фотон под действием другого фотона без его поглощения, если энергия последнего равняется разности энергий уровней атома до и после излучения. При этом излучённый фотон когерентен фотону, вызвавшему излучение (является его «точной копией»). Таким образом, происходит усиление света. Этим явление отличается от спонтанного излучения, в котором излучаемые фотоны имеют случайные направления распространения, поляризацию и фазу.
Рис. 1.2.1. Вынужденное испускание фотона
Вероятность того, что случайный фотон вызовет индуцированное излучение возбуждённого атома, в точности равняется вероятности поглощения этого фотона атомом, находящимся в невозбуждённым состоянии. Поэтому для усиления света необходимо, чтобы возбуждённых атомов в среде было больше, чем невозбуждённых (так называемая инверсия населённостей). В состоянии термодинамического равновесия это условие не выполняется, поэтому используются различные системы накачки активной среды лазера (оптические, электрические, химические и др.).
Первоисточником генерации является процесс спонтанного излучения (рисунок 1.2.2.), поэтому для обеспечения преемственности поколений фотонов необходимо существование положительной обратной связи, за счёт которой излучённые фотоны вызывают последующие акты индуцированного излучения. Для этого активная среда лазера помещается в оптический резонатор. В простейшем случае он представляет собой два зеркала, одно из которых полупрозрачное – через него луч лазера частично выходит из резонатора. Отражаясь от зеркал, пучок излучения многократно проходит по резонатору, вызывая в нём индуцированные переходы. Излучение может быть как непрерывным, так и импульсным. При этом, используя различные приборы (вращающиеся призмы, ячейки Керра и др.) для быстрого выключения и включения обратной связи и уменьшения тем самым периода импульсов, возможно создать условия для генерации излучения очень большой мощности (так называемые гигантские импульсы). Этот режим работы лазера называют режимом модулированной добротности.
Рис. 1.2.2. Спонтанное испускание фотона
Генерируемое лазером излучение является монохроматическим (одной или дискретного набора длин волн), поскольку вероятность излучения фотона определённой длины волны больше, чем близко расположенной, связанной с уширением спектральной линии, а, соответственно, и вероятность индуцированных переходов на этой частоте тоже имеет максимум. Поэтому постепенно в процессе генерации фотоны данной длины волны будут доминировать над всеми остальными фотонами. Кроме этого, из-за особого расположения зеркал в лазерном луче сохраняются лишь те фотоны, которые распространяются в направлении, параллельном оптической оси резонатора на небольшом расстоянии от неё, остальные фотоны быстро покидают объём резонатора. Таким образом, луч лазера имеет очень малый угол расходимости. Наконец, луч лазера имеет строго определённую поляризацию. Для этого в резонатор вводят различные поляроиды (ими могут служить плоские стеклянные пластинки), установленные под углом Брюстера к направлению распространения луча лазера [4].
1.3 Устройство лазера
Все лазеры состоят из трёх основных частей (рис.1.3.1):
– активной (рабочей) среды;
– системы накачки (источник энергии);
– оптического резонатора (может отсутствовать, если лазер работает в режиме усилителя).
Рис. 1.3.1. Схема лазера.
1 – активная среда; 2 – энергия накачки лазера; 3 – непрозрачное зеркало;
4 – полупрозрачное зеркало; 5 – лазерный луч.
Каждая из них обеспечивает для работы лазера выполнение своих определённых функций [5].
– Активная среда позволяет получить индуцированное излучение, может быть: твердой (кристаллы рубина или алюмо-иттриевого граната, стекло с примесью неодима в виде стержней различного размера и формы), жидкой (растворы анилиновых красителей или растворы солей неодима в кюветах), газообразной (смесь гелия с неоном, аргон, углекислый газ, водяной пар низкого давления в стеклянных трубках).
– Источник энергии (электрический ток, импульсная лампа или химическая реакция) переводит в возбужденное состояние активные частицы, позволяя получить излучение. Этот процесс называется накачкой. Накачки бывают оптическими, химическими, электронными и т.д.
Классическая трёхуровневая система накачки рабочей среды используется, например, в рубиновом лазере (Рис.1.3.2). Рубин представляет собой кристалл корунда Al2O3, легированный небольшим количеством ионов хрома Cr3+, которые и являются источником лазерного излучения. Из-за влияния электрического поля кристаллической решётки корунда внешний энергетический уровень хрома E2 расщеплён. Именно это делает возможным использование немонохроматического излучения в качестве накачки. При этом атом переходит из основного состояния с энергией E0 в возбуждённое с энергией около E2. В этом состоянии атом может находиться сравнительно недолго (порядка 10−8 с), почти сразу происходит безизлучательный переход на уровень E1, на котором атом может находиться значительно дольше (до 10−3 с), это так называемый метастабильный уровень. Возникает возможность осуществления индуцированного излучения под воздействием других случайных фотонов. Как только атомов, находящихся в метастабильном состоянии становится больше, чем в основном, начинается процесс генерации.
В некоторых лазерах, например в неодимовом, генерация излучения в котором происходит на ионах неодима Nd3+, используется четырёхуровневая схема накачки. Здесь между метастабильным E2 и основным уровнем E0 имеется промежуточный — рабочий уровень E1. Вынужденное излучение происходит при переходе атома между уровнями E2 и E1 [6].
Рис. 1.3.2: а — трехуровневая схема накачки активной среды лазера;
б — четырехуровневая схемы накачки активной среды лазера.
– Резонатор представляет из себя два параллельных друг другу зеркала (плоские, сферические, комбинации плоских и сферических и др.), между которыми помещается активная среда. Одно зеркало имеет 100 % отражения и называется «глухим». Второе зеркало является полупрозрачным и называется «выходным». Свет многократно проходит по резонатору и выходит через выходное зеркало в виде узконаправленного высококогерентного пучка света.
Рис. 1.3.3. Принципиальная схема резонатора:
1 - выходное окно, 2 - 5 - зеркала, 6 - цель
У лазеров с большой мощностью выделяется много тепла при работе, которое обязательно надо отводить. Поэтому также существует система охлаждения. У маломощных лазеров системы охлаждения нет.
Основные параметры лазерного излучения:
– длина волны излучения – от этого параметра зависит цвет светового пучка. Длина волны зависит от используемой активной среды.
– мощность лазерного излучения – энергетическая характеристика излучения. Этот параметр существует только у лазеров, работающих в непрерывном режиме. Для импульсных лазеров применяются понятия энергии отдельного импульса и средней мощности. У таких лазеров есть дополнительные важные параметры: длительность импульса и частота импульса. От мощности лазерного излучения зависит то, где этот лазер может применяться. Лазеры с мощностью около мегаватта используются в качестве целеуказателей, индикаторов и т.д. Мощности около ватта и киловатта позволяют производить механическое воздействие на различные материалы. Такие лазеры могут применяться для обработки материалов, их резки и т.д.
– расходимость излучения – характеризует величину светового пятна при удалении от излучателя. Измеряется в градусах. Как правило для точных стабильных лазеров это очень малые значения, т.к. лазерное излучение является узконаправленным, практически нерасходимым. У газовых лазеров расходимость находится в пределах нескольких угловых минут. У твердотельных лазеров расходимость хуже – несколько градусов. У полупроводниковых лазеров расходимость имеет лепестковый характер - 15-30 градусов.
– коэффициент полезного действия – у твердотельных – до 3,5 %, у газовых – до 15 %, у полупроводниковых - до 60 % [7].
Лазерное излучение отличается от излучения обычных источников света следующими характеристиками:
Читайте также: