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  
 
 

Доклад  по теме

«Лазерная резка» 
 
 
 
 
 
 

  Выполнил: студент гр. ЭТС-10-1

                                             Никоровский Н.А.

                                             Проверил:

                                             доцент, ктн  Косолапов О.А. 
 
 
 

Пермь 2011

 

Содержание

 

Лазерная  резка

Сущность  процесса лазерной резки

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.

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.

Типы  лазеров

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 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.

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.

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.

Рисунок. Схема газодинамического лазера

1 - форкамера; 2 - критическое сечение сопла; 3 - оптический резонатор; 4 - диффузор; 5 - газовый тракт для подвода CO2 

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.

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.

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; 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.

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.