Реферати українською » Технология » Лазерна різка : розрахунок зануления кабельної сіті й освітленості складального місць блоку


Реферат Лазерна різка : розрахунок зануления кабельної сіті й освітленості складального місць блоку

Страница 1 из 3 | Следующая страница

ЧАСТИНА ПЕРША


Огляд науково-технічної інформації.


1.1 Запровадження.


Можливості лазерів. Широке використання у промисловості отримали різні механічні методи поділу металів, насамперед різка ножовочными полотнами, ленточными пилками, фрезами та інших. У їх виробництві використовують різноманітні верстати спільного освітнього і спеціального призначення для розкроювання листових, профільних та інших заготовок із різних металів і сплавів. Проте за багатьох достоїнствах цього процесу існують значні недоліки, пов'язані з низькою продуктивністю, високої вартістю отрезного інструмента, труднощами чи неможливістю розкроювання матеріалів по складного криволинейному контуру.

У промисловості поширився ряд процесів поділу матеріалів, заснованих на виключно электрохимическом, электрофизическом і фізико-хімічному впливах. Ацителено-кислородная різка, плазменная різка яка проникає дугою та інші фізико-хімічні методи поділу забезпечують підвищення продуктивності проти механічними методами, але з забезпечують високої точності й діють чистоти поверхонь реза і вимагають здебільшого наступної механічного оброблення. Электроэрозионная різка дозволяє здійснювати процес поділу матеріалів з малої шириною і високим якістю реза, але водночас із цим характеризуються малої продуктивністю.

У зв'язку з цим виникла виробнича потреба у з розробки й промисловому освоєнні методів різання сучасних конструкційних матеріалів, які забезпечують високу продуктивність процесу, точність і якість поверхонь одержуваного реза. До таких перспективних процесів поділу матеріалів слід віднести лазерну різання металів, засновану на процесах нагріву, плавлення, випаровування, хімічних реакціях горіння і видалення розплаву із зони різання.

Сфокусированное лазерне випромінювання , забезпечуючи високу концентрацію енергії, дозволяє розділяти практично будь-які метали і сплави незалежно від своїх теплофизических властивостей. У цьому можна отримати роботу вузькі резы з мінімальним зоною термічного впливу. При лазерної краянні відсутня механічне вплив на опрацьований матеріал і виникають мінімальні деформації, як тимчасові у процесі різання, і залишкові після повного остигання. Вследствии цього лазерну різання можна проводити із високим ступеня точністю, зокрема легкодеформируемых і нежестких заготовок чи деталей. Завдяки великий щільності потужності лазерного випромінювання забезпечується висока продуктивність процесу у поєднані із високим якістю поверхонь реза. Легке та порівняно просте управління лазерним випромінюванням дозволяє здійснювати лазерну різання по складного контуру пласких і об'ємних деталей і заготовок з високим рівнем автоматизації процесу. Коротко розглянуті особливості лазерної різання наочно демонструють незаперечні переваги процесу з порівнянню з традиційними методами обробки.

Лазерна різка належить до перших технологічних застосувань лазерного випромінювання, апробованих ще на початку 1970-х років. Впродовж минулих років створено лазерні установки із широкою діапазоном потужності (і від кількох десятків ватів за кілька кіловат), щоб забезпечити ефективну різання металів з допомогою допоміжного газу, що надходить зону обробки разом з випромінюванням лазера. Лазерное випромінювання нагріває, плавить і випаровує матеріал лінією гаданого реза, а потік допоміжного газу видаляє продукти руйнації. З використанням кисню чи повітря при краянні металів лежить на поверхні руйнації утворюється оксидная плівка, що підвищує поглощательную здатність матеріалу, а результаті экзотермической реакції виділяється досить багато теплоти.

Для різання металів застосовують технологічних установок з урахуванням твердотільних і газових CO2 - лазерів, працюючих як і безупинному, і у импульсно-периодическом режимах випромінювання. Промислове застосування газолазерной різання з кожним роком збільшується, але той процес неспроможна повністю замінити традиційні способах розподілу металів. У зіставленні з багатьма із застосовуваних з виробництва установок вартість лазерного устаткування різання ще чимало висока, хоча у останнім часом намітилася тенденція до її зниженню. У зв'язку з цим процес газолазерной різання (надалі просто лазерної різання) стає ефективним лише за умови обґрунтованої і публічно розумного вибору області застосування, коли використання традиційних способів занадто багато роботи чи взагалі неможливо.

У розділі 1.3 розглядаються стаціонарні теплові процеси з метою оцінки їхнього впливу на швидкість різання, представлені рівнянням ( 1.4, 1.5 ).

Досить наближено розглядався процес течії газу зоні різання, показуючи лише мінімальний витрати газу, у якому ще можлива різка і дуже якісне вплив складу газу на руйнація матеріалу.

Не враховувалося вплив явищ оптичного пробою ( виникає при q @ 107 - 108 Вт/см2 ) і экранировки випромінювання плазмовим факелом.


1.2 Фізичні процеси при лазерному вплив на поверхню твердих тіл.


Поглиненна і відбиток лазерного випромінювання. У основі лазерної обробки матеріалів лежить здатність лазерного випромінювання створювати на малому ділянці поверхні високі щільності теплового потоку, достатні для нагріву, плавлення чи випаровування практично будь-якого матеріалу. Це з термічним ефектом поглинання випромінювання непрозорими твердими тілами.

Світловий потік лазерного випромінювання, направлений замінити поверхню оброблюваного матеріалу, частково відбивається від нього, а частково відбувається на глиб тіла. Випромінення, проникаюче вглиб металу, практично цілком поглинається вільними електронами провідності в приповерхностном шарі завтовшки 0,1- 1 мкм, ці електрони переходить до стану з вищими рівнями енергії, тобто. порушуються.

Возбужденные електрони зіштовхуючись із іншими електронами чи вузлами кристалічною грати передають їм надлишок енергії.

Основна частина теплоти при лазерному нагріванні перенесено у глиб металу за допомогою електронної провідності. Тому, теплові процеси при лазерному нагріванні мають таку ж фізичну природу, як і традиційні способи термічного на метал, це дозволяє користуватися класичної теорією теплопровідності.

Інтенсивність поглинання енергії визначається значенням коефіцієнта поглинання, який залежить роду матеріалу і довгі хвилі падаючого випромінювання.

Поглощательная здатність неокисленной металевої поверхні на довжині хвилі лазерного випромінювання l = 10,6 мкм визначається рівнянням: a = 112,2 (s0-1)-1/2 , де a - коефіцієнт поглинання;s0 - питома електрична провідність металу по постійному току, См/м.

Цей вислів застосовно для коефіцієнтів поглинання чистих, полірованих поверхонь. Для матеріалу з неочищеною, неполированною поверхнею ( матеріалу поставки ) коефіцієнт поглинання залежить стану поверхні і є може значно перевищувати для чистих металів ( табл. 1.1 ).


Таблиця 1.1 Коефіцієнти поглинання різних матеріалівa, для випромінювання l = 10,6 мкм, % .[2]


Матеріал

Поверхня може поставки

Полирован-ная поверхню

Нержавіюча сталь 39 9
Алюміній 12 2
Мідь 12 2

Низкоуглеродистая сталь


85 48

Срібло



___

11


Рис.1.1 Залежність

коефіцієнта пог-

лощения випромінювання ЗІ2 - лазера від

температури для

різних матеріалів

[2]


При нагріванні зразка електрична провідність металів зменшується, відповідно зростають коефіцієнти поглинання. Якщо лазерна обробка поверхні відбувається у повітряної чи будь-якою окислительной середовищі, це відбувається зростання оксидной плівки лежить на поверхні зразка й відбувається додаткове збільшення поглощательной здібності ( рис. 1.1 ) [2].


Рис. 1.2 Характерні криві нагріву повітря термічно тонких мішеней безперервним випромінюванням ЗІ2 - лазера при q = 4,7· 106 Вт/см2 й формує відповідні криві коефіцієнта ефективного поглинання aеф [2]: а - дюралюміній ;

б - сталь.

В міру зростання оксидной плівки лежить на поверхні заліза коефіцієнт відображення періодично зменшується, коли товщина плівки стає кратною половині довгі хвилі світла. Отже aеф відчуває зміни у часі ( рис. 1.2 б ). Ефективний коефіцієнт поглинання заліза може бути порядок вище, ніж той самий коефіцієнт для чистої поверхні.

Оксидная плівки лежить на поверхні алюмінію термічно міцна, Tпл вище 20000 З повагою та її товщина при нагріванні не змінюється і коефіцієнт поглинання залишається практично постійним ( рис. 1.2 а ).

Коефіцієнт поглинання можна збільшувати штучно. Для випромінювання CO2 - лазерів це особливо важливо, т.к. на довжині хвилі випромінювання l = 10,6 мкм коефіцієнти поглинання більшість металів менш 10%. Для збільшення поглинання поверхню зразка покривають спеціальними теплостойкими речовинами, добре поглащающими ІК - випромінювання, наприклад фосфат цинку, котрій при Т = 10000 З ефективний коефіцієнт поглинання aеф = 0,7.


Рис 1.3 Схема різання металу

променем лазера.

Вплив поляризації лазерного випромінювання. При переміщенні лазерного випромінювання щодо матеріалу утворюється рез, нормаль до якого складають з падаючим променем кут y ( рис. 1.3 ). При похилому падінні відбиток лазерного випромінювання залежить від поляризації. Здібності поглинання лазерного випромінювання aчъ - складової, що у площині падіння променя, і a^ - складової, перпендикулярній площині падіння променя, у випадку різні. Це означає, що здатність поглинання поляризованого випромінювання залежить від орієнтації електричного вектора напруженості щодо поверхні металу.

Залежність здатність до поглинання випромінювання заліза і алюмінію на довжині хвиліl = 10,6 мкм обох складовихaчъ і a^ наведено малюнку 1.4.

При ширині променя d і товщині разрезаемого матеріалу h середній кут падіння визначається вираженнямy = arctg ( h/d ).

Наприклад, при краянні матеріалу завтовшки 1,5 мм з діаметром плями фокусування 0,1 мм y = 800 .

Використовуючи залежністьaеф від кута падіння променя на поверхню можна визначити частки поглиненої лазерного випромінювання для паралельної і перпендикулярної складових поляризації та його ставлення aчъ /a^ = 20, при y = 800.


а ) б )


Рис. 1.4 Залежність коефіцієнтаaеф для променя з перпендикулярної і подовжньої поляризацією ( l = 10,6 мкм ) від кута падіння на поверхню при Т = 200 З повагою та 10000 С[4]:

а - матеріал алюміній;

б - матеріал залізо.


Це означає, що з збігу площин різання і поляризації променя ( при напрямі різання, паралельній площині поляризації ) поглинута на лобовій поверхні реза потужність випромінювання удвадцятеро більше, аніж за перпендикулярному становищі векторів швидкості різання і поляризації.

Це характерний випадок отримання глибокого реза у вихідному матеріалі, т.к. ставлення h/d становить приблизно 5,6 , і за розгляді необхідно враховувати вплив поляризації.

Що стосується поверхневою обробки чи неглибокого проникнення випромінювання у матеріал, коли ставлення h/d приймає невеликі значення, впливом орієнтації векторів швидкості різання і поляризації можна знехтувати. Наприклад, при прорезании металу на глибину 0,3 мм кут y становитиме 450 , а ставлення поглинання паралельної до перпендикулярній складових поляризації одно 1,2.

Отражательная здатність металів істотно залежить від температури, а ставленняaчъ /a^ зменшується із зменшенням температури. Оскільки поглощательная здатність залежить від кута падіння, відносна разориентация векторів швидкості різання і поляризації, лінійно поляризованого випромінювання можуть призвести до нахилу реза. Цей ефект схематично показаний малюнку 1.4 [4].


Рис. 1.5 Вплив відносної орієнтації векторів поляризації Є. і швидкості різання n на поперечну форму каналу реза [4].

При збігу площин реза і поляризації більшість енергії випромінювання поглинається попереду реза, що забезпечує максимальну швидкість різання при мінімальної ширині. Якщо площину поляризації перпендикулярна площині реза, то більшість енергії випромінювання поглинається бічними сторонами реза. При проміжних кутках між поглинання несиметрично, що зумовлює розширенню реза та її спотворення ( рис. 1.5 ). Зі збільшенням швидкості різання кути скоса крайок збільшуються.


Поширення лазерного випромінювання в каналі реза. При краянні матеріалів лазерним випромінюванням необхідно, щоб промінь проникнув у речовина якнайглибше. У цьому інтенсивність випромінювання мусить бути дуже високим, у зв'язку з цим необхідно домогтися мінімальної відстані світлового плями лежить на поверхні мішені. Радіус світлового плями в фокальної площині променя rл = l/y, ( де y - кут расходимости променя, l - довга хвилі випромінювання ), тобто. обернено пропорційна розі фокусування променя . Тому, потрібно працювати з острофокусным випромінюванням. Таке випромінювання пройшовши фокальную площину ( зазвичай збігається з площиною поверхні зразка ), расфокусируется вже в малої глибині L=l/y2 і потраплятиме на бічні стінки каналу. Якщо a - коефіцієнт поглинання малий, то більшість світла відбиватиметься від стінок і ступати дно каналу.

Щодо просто розподіл світла каналі можна розрахувати у наближенні геометричній оптики. Елементарний промінь світла, багаторазово позначаючись від стінок , або частково відбивається , якщо канал реза неглибокий, або повністю поглинається, якщо канал реза глибокий.

Процеси поширення теплоти в зонах що прилягають до джерелу, може бути описані тільки з урахуванням впливу характеру розподілу щільності потужності плямі лазерного випромінювання.

Найефективнішими параметрами фокусування має нормальне (Гауссово) розподіл щільності потужності Є(r) сфальцьованого лазерного випромінювання, вельми поширеного з промисловою технологічних лазерах.


Рис.1.6 Нормальне розподіл щільності потужності плямі лазерного випромінювання.

1 - лазерне излу чение;

2 - оброблювана деталь.

Під впливом такого випромінювання лежить на поверхні мішені виникає теплової джерело нагріву з такою самою нормальним розподілом щільності потужності плямі лазерного випромінювання (рис.1.1), q(r) =qm·e k r ; де qm =aеф Єm- максимальна щільність у центрі плями нагріву ; k -коефіцієнт зосередженості, що характеризує форму кривою нормального розподілу ; Єm - максимальна щільність потужності лазерного випромінювання по осі; r - радіальне відстань даної точки від центру.

За радіус світлового плями rл зазвичай приймають радіус плями нагріву, у якому q = 0,05·qm . Випромінення зручно розглядати як потоку фотонів. На дні разрезаемого ділянки вследствии дифракції елементарний промінь розпливається на ширину lh/d. Для розрахунку траєкторії променя необхідно, щоб ця ширина, була за ширини каналу d. Звідси випливає умова застосовності наближення геометричній оптики: d2 /lh >> 1.

Це нерівність можна переписати , запровадивши поняття коефіцієнта форми каналу h/d: d/l >> h/d. Насправді h/d лежать у межах 5-10, тобто. при l = 10,6 мкм для застосовності теорії геометричній оптики необхідно, щоб ширина реза каналу реза d > 0,1 мм.

З наближень геометричній оптики сфокусована випромінювання можна як сукупності N променів. Кожному променю на вході у канал відповідала потужність P/N, де P - потужність лазера. При про чисельні розрахунках [4], якщо потужність променя після чергового відображення була за 10-4 початковій, його виключали.


Рис. 1.7 Залежність ефективного коефіцієнта поглинання излу ченияaеф ЗІ 2 - лазера зі сталевої мішенню від глибини резаa = 0,1. Для випадку кругової поляризації.

З допомогою такий методики була залежність ефективного поглинанняµеф від глибини реза aеф = ( P- Pотр )/ P ( рис.1.7 ). Конкретні розрахунки [4] проводилися для стали, коефіцієнт відображення поверхніa = 0,1. Полагалось, що лазер генерує випромінювання з кругової поляризацією, електричний вектор якого обертається щодо каналу реза.


1.3 Закономірності лазерної різання металів безперервним випромінюванням.


Параметри і екологічні показники процесу лазерної різання . Для процесу лазерної різання металів можна назвати основні чинники, що

Страница 1 из 3 | Следующая страница

Схожі реферати:

Навігація