Обзор технологий лазерной резки

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Обзор технологий лазерной резки

История лазера началась с создания в 1916 году Альбертом Энштейном теории взаимодействия излучения с веществом, из которой вытекала принципиальная возможность создания квантовых усилителей и генераторов электромагнитных волн. Первая попытка экспериментально обнаружить индуцированное излучение была осуществлена в 1928 году, когда Ланденбург, изучая отрицательную дисперсию света, сформулировал условия обнаружения индуцированного излучения как преобладание его над поглощением (условие инверсии), отметив, что для этого необходимо специальное избирательное возбуждение квантовой системы. В 1955 году ученые Николай Басов и Александр Прохоров разработали квантовый генератор - усилитель микроволн с помощью индуцированного излучения, активной средой которого является аммиак. Это изобретение позволило американским ученым Чарльзу Таунсу и Артуру Шавлову через два года начать разработку принципов лазера. Работая параллельно в том же направлении, Александр Прохоров в 1958-м использовал для создания лазера резонатор Фабри-Перо, представляющий собой два параллельных зеркала, одно из которых полупрозрачно. В мае 1960 г. сотрудник исследовательского центра фирмы Hughes, американский физик Теодор Мейман, основываясь на работах Н. Басова, А. Прохорова и Ч. Таунса, сконструировал первый лазер на рубине с длиной волны в 0,69 мкм. Спустя полгода в лабораториях корпорации IBM заработал инфракрасный лазер на фториде кальция с добавкой ионов урана, построенный Питером Сорокиным и Миреком Стивенсоном. Это был уникальный прибор, который действовал лишь при температуре жидкого водорода и практического значения не приобрел. Наконец, в декабре того же года исследователи из Bell Laboratories Али Джаван, Уильям Беннетт и Дональд Хэрриот продемонстрировали первый в мире газовый лазер на смеси гелия и неона, который повсеместно применяется и в наши дни.

Лазер - это устройство, преобразующее энергию накачки (световую, электрическую, тепловую, и др.) в энергию когерентного, монохроматического, поляризованного и узконаправленного потока излучения. [1] Физической основой работы лазера служит квантово-механическое явление вынужденного излучения. Излучение лазера может быть непрерывным, с постоянной мощностью, или импульсным, достигающим предельно больших пиковых мощностей. Лазерный луч по сравнению с обычным светом является монохроматичным (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. Лазерное излучение легко передается с помощью оптических систем в труднодоступные места. На лазерный луч не влияют магнитные поля.

Одним из применений лазера является лазерная резка. При этом от других способов резки ее отличает отсутствие механического воздействия на обрабатываемый материал, возникновение минимальных деформаций. Для лазерной резки металлов применяют технологические установки на основе твердотельных, волоконных лазеров и газовых CO2-лазеров, работающих как в непрерывном, так и в импульсно-периодическом режимах излучения. Сфокусированный лазерный луч обеспечивает высокую концентрацию энергии и позволяет разрезать практически любые материалы независимо от их теплофизических свойств. В процессе резки, под воздействием лазерного луча материал разрезаемого участка плавится, возгорается, испаряется или выдувается струей газа. При этом можно получить узкие резы с минимальной зоной термического влияния.

Возможны два механизма лазерной резки - плавлением и испарением. [2] Однако последний механизм требует высоких энергозатрат и осуществим лишь для достаточно тонкого металла. Поэтому на практике резку выполняют плавлением.

В настоящее время в технологических лазерах применяются твердотельные и газовые излучатели. В твердотельных лазерах в качестве рабочего тела используются активные элементы из рубина, стекла с присадками ионов неодима, алюмоиттриевого граната с неодимом. Длина волн твердотельных установках намного короче, чем у аппаратов газового типа. Агрегаты работают как в импульсном, так и в непрерывном режиме. Что касается схемы работы, то в данном случае лазер проходит через стеклянный стержень (активный твердотельный элемент) с включениями рубина, неодима, граната алюмоиттриевого (легированного неодимом или же иттербием). Сам стержень располагается в специальной камере, которая освещается лампой накачки, которая способна создавать равномерные мощные вспышки света. В торцах стержней располагаются частично прозрачные и отражающие зеркала. Если обобщить, то все оборудование данного вида, предназначенное для лазерной сварки, работает по принципу: лазерный луч, проходя через стекло, усиливается, многократно отражаясь в рубиновом стержне (рисунок 1).

квантовый генератор лазерный резка

Рис. 1. Схема твердотельного рубинового лазера

Газовые установки традиционно отличаются большей мощностью. [3] Это объясняется тем, что здесь применяются высоковольтные источники в импульсном или непрерывном режиме, которые возбуждают активную рабочую среду - газовую смесь (рисунок 2). Энергетическое возбуждение газа в этом случае достигаться будет за счет электроразряда. Для подачи газа в зону резки между линзой и заготовкой размещено сопло в виде усеченного конуса. Газ, выходящий под давлением из сопла по лазерному пучку, помимо технологических функций обеспечивает защиту линзы от продуктов лазерной обработки.

Рис. 2. Схема газового лазера

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. Для получения качественного реза используется азот высокой чистоты, подаваемый при повышенном давлении. 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. Правильный подбор типа газа, его качества и параметров продувки оказывает принципиальное воздействие на результат. Увеличение влажности, наличие углеводородных соединений, содержания пыли может приводить к повреждению оптики, рассеиванию излучения и общему снижению эффективности работы.

Учитывая определяющий характер тепловых явлений, для оценочных расчетов режимов резки используют тепловые модели, созданные на основе теории теплопроводности. При этом не учитывается влияние газогидродинамических явлений в полости реза. Простейшей является одномерная модель резки с последовательным образованием отверстий и коэффициентом перекрытия. Для оценочных расчетов режимов резки применяются также модель линейного источника тепла в пластине. В параметрической форме основное ее уравнение имеет вид [4]:

, , ,

где и параметры соответственно мощности и скорости; - эффективная тепловая мощность луча, Вт; - толщина металла, м; - коэффициент температуропроводности, м²/с; - плотность, кг/м³; - удельная теплоемкость, Дж/(кг·К); - температура плавления, К; - скрытая теплота плавления, Дж/кг; - скорость резки, м/с; - ширина реза, м.

При и выражение преобразуется в уравнение для мощного быстродвижущегося линейного источника тепла в пластине, при и оно описывает предельное состояние теплового поля для линейного подвижного источника тепла. По формуле можно рассчитать скорость резки при заданной мощности излучения или требуемую мощность излучения при заданной толщине металла и скорости резки. В качестве примера рассчитаем минимальное значение , требуемое для резки разных металлов толщиной  м при минимальной скорости резки м/с и м.

К основным преимуществам технологии лазерной резки можно отнести: а) отсутствие механического контакта позволяет обрабатывать хрупкие и деформирующиеся материалы; б) обработке поддаются материалы из твердых сплавов; в) возможна высокоскоростная резка тонколистовой стали; г) при выпуске небольших партий продукции целесообразнее провести лазерный раскрой материала, чем изготавливать для этого дорогостоящие литейные и пресс-формы; д) возможность автоматизации и высокая точность.

Список литературы

1. Кербера Г. Промышленное применение лазеров: Пер. с англ. М., Машиностроние, 1988, 280 с.

2. Виттеман В. СО2-лазер: Пер.с англ. М., Мир, 1990, 360 c.

3. Григорьянц А.Г., Шиганов И.Н., Мисюров А.И. Технологические процессы лазерной обработки. М., Изд-во МГ ТУ им. Н.Э. Баумана, 2008, 664 c.

4. Вакуленко В.М., Иванов Л.П. Источники питания лазеров. М., Сов. Радио, 1980, 104 c.

5. Реди Дж., Промышленные применения лазеров. М., Мир, 1981, 638 c.

6. Крылов К.И., Прокопенко В.Т., Митрофанов А.С., Применение лазеров в машиностроении и приборостроении Л. Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1978, 336 c.

Размещено на Allbest.ru