Разработка газолазерной головки для резки полимерных композиционных материалов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Полимерные композиционные материалы: основные типы

Композиционные материалы (композиты) [1] - многокомпонентные материалы, состоящие, как правило, из пластичной основы (матрицы), армированной наполнителями, обладающими высокой прочностью, жесткостью и т.д. Сочетание разнородных веществ приводит к созданию нового материала, свойства которого количественно и качественно отличаются от свойств каждого из его составляющих. Варьируя состав матрицы и наполнителя, их соотношение, ориентацию наполнителя, получают широкий спектр материалов с требуемым набором свойств. Многие композиты превосходят традиционные материалы и сплавы по своим механическим свойствам и в то же время они легче. Использование композитов обычно позволяет уменьшить массу конструкции при сохранении или улучшении ее механических характеристик.

Компонентами композитов являются самые разнообразные материалы - металлы, керамика, стекла, пластмассы, углерод и т.п. Известны многокомпонентные композиционные материалы - полиматричные, когда в одном материале сочетают несколько матриц, или гибридные, включающие в себя разные наполнители. Наполнитель определяет прочность, жесткость и деформируемость материала, а матрица обеспечивает монолитность материала, передачу напряжения в наполнителе и стойкость к различным внешним воздействиям.

Полимерные композиционные материалы

Композиты, в которых матрицей служит полимерный материал, являются одним из самых многочисленных и разнообразных видов материалов. Их применение в различных областях дает значительный экономический эффект. Например, использование ПКМ при производстве космической и авиационной техники позволяет сэкономить от 5 до 30% веса летательного аппарата. А снижение веса, например, искусственного спутника на околоземной орбите на 1 кг приводит к экономии 1000 долларов. В качестве наполнителей ПКМ используется множество различных веществ.

Стеклопластики

Полимерные композиционные материалы, армированные стеклянными волокнами, которые формуют из расплавленного неорганического стекла. В качестве матрицы чаще всего применяют как термореактивные синтетические смолы (фенольные, эпоксидные, полиэфирные и т.д.), так и термопластичные полимеры (полиамиды, полиэтилен, полистирол и т.д.). Эти материалы обладают достаточно высокой прочностью, низкой теплопроводностью, высокими электроизоляционными свойствами, кроме того, они прозрачны для радиоволн. Использование стеклопластиков началось в конце Второй мировой войны для изготовления антенных обтекателей - куполообразных конструкций, в которых размещается антенна локатора. В первых армированных стеклопластиках количество волокон было небольшим, волокно вводилось, главным образом, чтобы нейтрализовать грубые дефекты хрупкой матрицы. Однако со временем назначение матрицы изменилось - она стала служить только для склеивания прочных волокон между собой, содержание волокон во многих стеклопластиках достигает 80% по массе. Слоистый материал, в котором в качестве наполнителя применяется ткань, плетенная из стеклянных волокон, называется стеклотекстолитом. Стеклопластики - достаточно дешевые материалы, их широко используют в строительстве, судостроении, радиоэлектронике, производстве бытовых предметов, спортивного инвентаря, оконных рам для современных стеклопакетов и т.п.

Углепластики

Наполнителем в этих полимерных композитах служат углеродные волокна. Углеродные волокна получают из синтетических и природных волокон на основе целлюлозы, нефтяных и каменноугольных пеков и т.д. Термическая обработка волокна проводится, как правило, в три этапа (окисление - 220°С, карбонизация - 1000-1500°С и графитизация - 1800-3000°С) и приводит к образованию волокон, характеризующихся высоким содержанием (до 99,5% по массе) углерода. В зависимости от режима обработки и исходного сырья полученное углеволокно имеет различную структуру. Для изготовления углепластиков используются те же матрицы, что и для стеклопластиков - чаще всего - термореактивные и термопластичные полимеры. Основными преимуществами углепластиков по сравнению со стеклопластиками является их низкая плотность и более высокий модуль упругости, углепластики - очень легкие и, в то же время, прочные материалы. Углеродные волокна и углепластики имеют практически нулевой коэффициент линейного расширения. Все углепластики хорошо проводят электричество, черного цвета, что несколько ограничивает области их применения. Углепластики используются в авиации, ракетостроении, машиностроении, производстве космической техники, медтехники, протезов, при изготовлении легких велосипедов и другого спортивного инвентаря.

На основе углеродных волокон и углеродной матрицы создают композиционные углеграфитовые материалы - наиболее термостойкие композиционные материалы (углеуглепластики), способные долго выдерживать в инертных или восстановительных средах температуры до 3000°С. Существует несколько способов производства подобных материалов. По одному из них углеродные волокна пропитывают фенолформальдегидной смолой, подвергая затем действию высоких температур (2000°С), при этом происходит пиролиз органических веществ и образуется углерод. Чтобы материал был менее пористым и более плотным, операцию повторяют несколько раз. Другой способ получения углеродного материала состоит в прокаливании обычного графита при высоких температурах в атмосфере метана. Мелкодисперсный углерод, образующийся при пиролизе метана, закрывает все поры в структуре графита. Плотность такого материала увеличивается по сравнению с плотностью графита в полтора раза. Из углеуглепластиков делают высокотемпературные узлы ракетной техники и скоростных самолетов, тормозные колодки и диски для скоростных самолетов и многоразовых космических кораблей, электротермическое оборудование.

Боропластики

Композиционные материалы, содержащие в качестве наполнителя борные волокна, внедренные в термореактивную полимерную матрицу, при этом волокна могут быть как в виде мононитей, так и в виде жгутов, оплетенных вспомогательной стеклянной нитью или лент, в которых борные нити переплетены с другими нитями. Благодаря большой твердости нитей, получающийся материал обладает высокими механическими свойствами (борные волокна имеют наибольшую прочность при сжатии по сравнению с волокнами из других материалов) и большой стойкостью к агрессивным условиям, но высокая хрупкость материала затрудняет их обработку и накладывает ограничения на форму изделий из боропластиков. Кроме того, стоимость борных волокон очень высока (порядка 400 $/кг) в связи с особенностями технологии их получения (бор осаждают из хлорида на вольфрамовую подложку, стоимость которой может достигать до 30% стоимости волокна). Термические свойства боропластиков определяются термостойкостью матрицы, поэтому рабочие температуры, как правило, невелики.

Применение боропластиков ограничивается высокой стоимостью производства борных волокон, поэтому они используются главным образом в авиационной и космической технике в деталях, подвергающихся длительным нагрузкам в условиях агрессивной среды.

Органопластики

Композиты, в которых наполнителями служат органические синтетические, реже - природные и искусственные волокна в виде жгутов, нитей, тканей, бумаги и т.д. В термореактивных органопластиках матрицей служат, как правило, эпоксидные, полиэфирные и фенольные смолы, а также полиимиды. Материал содержит 40-70% наполнителя. Содержание наполнителя в органопластиках на основе термопластичных полимеров - полиэтилена, ПВХ, полиуретана и т.п. - варьируется в значительно больших пределах - от 2 до 70%. Органопластики обладают низкой плотностью, они легче стекло- и углепластиков, относительно высокой прочностью при растяжении; высоким сопротивлением удару и динамическим нагрузкам, но, в то же время, низкой прочностью при сжатии и изгибе.

Важную роль в улучшении механических характеристик органопластика играет степень ориентация макромолекул наполнителя. Макромолекулы жесткоцепных полимеров, таких, как полипарафенилтерефталамид (кевлар) в основном ориентированы в направлении оси полотна и поэтому обладают высокой прочностью при растяжении вдоль волокон. Из материалов, армированных кевларом, изготавливают пулезащитные бронежилеты.

Органопластики находят широкое применение в авто-, судо-, машиностроении, авиа- и космической технике, радиоэлектронике, химическом машиностроении, производстве спортивного инвентаря и т.д.

Полимеры, наполненные порошками

Известно более 10000 марок наполненных полимеров. Наполнители используются как для снижения стоимости материала, так и для придания ему специальных свойств. Впервые наполненный полимер начал производить доктор Бейкеленд (Leo H.Baekeland, США), открывший в начале 20 в. способ синтеза фенолформфльдегидной (бакелитовой) смолы. Сама по себе эта смола - вещество хрупкое, обладающее невысокой прочностью. Бейкеленд обнаружил, что добавка волокон, в частности, древесной муки к смоле до ее затвердевания, увеличивает ее прочность. Созданный им материал - бакелит - приобрел большую популярность. Технология его приготовления проста: смесь частично отвержденного полимера и наполнителя - пресс-порошок - под давлением необратимо затвердевает в форме. Первое серийное изделие произведено по данной технологии в 1916, это - ручка переключателя скоростей автомобиля «Роллс-Ройс». Наполненные термореактивные полимеры широко используются по сей день.

Сейчас применяются разнообразные наполнители так термореактивных, так и термопластичных полимеров. Карбонат кальция и каолин (белая глина) дешевы, запасы их практически не ограничены, белый цвет дает возможность окрашивать материал.

Применяют для изготовления жестких и эластичных поливинилхлоридных материалов для производства труб, электроизоляции, облицовочных плиток и т.д., полиэфирных стеклопластиков, наполнения полиэтилена и полипропилена. Добавление талька в полипропилен существенно увеличивает модуль упругости и теплостойкость данного полимера. Сажа больше всего используется в качестве наполнителя резин, но вводится и в полиэтилен, полипропилен, полистирол и т.п. По-прежнему широко применяют органические наполнители - древесную муку, молотую скорлупу орехов, растительные и синтетические волокна. Для создания биоразлагающихся композитов в качество наполнителя используют крахмал.

Текстолиты

Слоистые пластики, армированные тканями из различных волокон. Технология получения текстолитов была разработана в 1920-х на основе фенолформальдегидной смолы. Полотна ткани пропитывали смолой, затем прессовали при повышенной температуре, получая текстолитовые пластины. Роль одного из первых применений текстолитов - покрытия для кухонных столов - трудно переоценить.

Основные принципы получения текстолитов сохранились, но сейчас из них формуют не только пластины, но и фигурные изделия. И, конечно, расширился круг исходных материалов. Связующими в текстолитах является широкий круг термореактивных и термопластичных полимеров, иногда даже применяются и неорганические связующие - на основе силикатов и фосфатов. В качестве наполнителя используются ткани из самых разнообразных волокон - хлопковых, синтетических, стеклянных, углеродных, асбестовых, базальтовых и т.д. Соответственно разнообразны свойства и применение текстолитов.

Современное состояние рынка лазерной техники

Современный рынок [2] лазерной техник исключительно многообразен и по используемому оборудованию, и по технологиям его использования, и по отраслям промышленности, в которых это оборудование применяется.

Современная литература, затрагивающая вопросы лазерной техники и технологии, перешла из разряда научной или научно-технической (как это было в 70-80 годы прошлого века) в разряд производственно-рекламной. Такое изменение произошло в связи с тем, что на сегодняшний момент найдены решения основных научно-технических проблем, связанных с производством конкретных видов лазерных систем, и есть возможность достаточно четко определить области применения лазерного оборудования определенного типа и мощности.

Такого рода определенность дает возможность потребителю выбрать оборудование, которое бы удовлетворяло поставленным требованиям. Для этого необходимо определиться с количественными и качественными показателями технологического процесса, ориентированного на применение лазерной техники. Под показателями технологического процесса обычно понимают способность оборудования качественно проводить требуемую операцию за определенное время. Используя показатели технологического процесса можно, с достаточной точностью, определить три основные параметра требуемой лазерной установки:

1. Мощность лазерного излучения;

2. Модовый состав лазерного излучения (данный параметр определяет «качество» излучения, т.е. способность получить максимальную плотность мощности на обрабатываемом изделии);

3. Динамические свойства, т.е. способность достаточно быстро регулировать мощность лазерного излучения во времени.

В выбранном диапазоне параметров различные формы предлагают несколько современных лазерных систем. Эти системы в каждом сегменте рынка, отличаются незначительными конструктивными особенностями и наличием дополнительных, в основном сервисных функций. В результате и цены различных производителей, за исключением российских, отличаются незначительно (+-30%). Таким образом, на рынке лазерной техники сложилась такая ситуация, когда основными вопросами, которые сейчас интересуют как потребителей, так и производителей ЛТ являются экономические вопросы. К этой группе вопросов относятся:

1. Технические возможности и стоимость ЛО,

2. Надежность и удобства эксплуатации оборудования,

3. Эксплуатационные расходы.

Как показывает исследование различных иностранных фирм, рынок ЛТ - быстро развивающийся рынок, объем продаж на котором в 2004 году практически достиг 7 млрд $.

Рисунок 1 Динамика роста продаж лазерного оборудования в различных регионах мира [2]

Развитие этого рынка происходит практически во всех странах мира, не исключая и России. Однако в приведенной диаграмме не указана из-за слишком малой доли. Приблизительно 0,5 % лазерной техники, продаваемой в ней. Правда в эти данные не вошли системы, которые производятся и продаются в нашей стране, а также бывшее в употреблении и восстановленное лазерное оборудование, которое занимает значительную часть нашего рынка.

Как видно из данных, приведенных на Рисунке 2, основными технологическими применениями ЛТ является резка и сварка, а основными потребителями подобной техники - микроэлектроника, мелкотоварное производство и обработка металла.

Рисунок 2 Продажа оборудования для основных областей применения лазерных установок млрд $ [2]

Основную часть мирового рынка ( в стоимостном выражении) занимают CO₂ лазеры Р>500Вт.

Причем эти тенденции характерны практически для всех промышленно развитых стран мира. [2]

1. диодные

2. CO₂<500Вт

3. CO₂>500Вт

4. эксимерные

5. непрерывные YAG>100Вт

6. непрерывные YAG<100Вт

Доминирование на рынке мощных CO₂-лазеров связано с двумя их главными преимуществами над твердотельными YAG лазерными системами, которые в настоящее время могут давать примерно такие же значительные мощности излучения (по предварительному заказу можно приобрести YAG лазерную систему мощностью до 5КВт). Эти преимущества заключаются в высоком КПД, CO₂-лазеров и в высоком качестве излучения, которое генерируют эти системы. Из-за высокого качества излучения CO₂-лазера оказываются практически вне конкуренции в областях рынка, связанных с резкой различных металлов. К сожалению, CO₂-лазерные системы имеют большие массогабаритные показатели, требуют высокой квалификации обслуживающего персонала и высоких эксплуатационных расходов. Эти недостатки приводят к тому, что на рыке мощной лазерной техники все большее место занимают небольшие по габаритам и достаточно простые в обслуживании YAG лазерные системы. Особенно велика роль подобных систем в технологиях сварки и термообработки.

Лазерная техника приобретается, в основном, в составе целого комплекса оборудования, которое позволяет проводить требуемый технологический процесс. Данное оборудование обеспечивает высокую точность транспортировки лазерного излучения до обрабатываемого изделия (включая получение требуемой плотности мощности на обрабатываемой поверхности), подачу в зону обработки требуемых по технологии газов, защиту элементов оптического тракта и т.д.

Главными отличиями рынка лазерной техники в России от мировых тенденций является присутствие на этом рынке большого количества бывшего в употреблении и восстановленного оборудования, покупка не всего комплекса оборудования, а отдельно лазерных систем, которые затем приспосабливаются для требуемых технологических операций.

Актуальность

В связи с тем, что полимерные композиты обладают рядом преимуществ по сравнению с другими видами конструкционных материалов - возможность управления свойствами ПКМ путем изменения состава и условий получения; сравнительная легкость переработки и низкая плотность, в последнее время все чаще ПКМ используют в различных областях техники.

Лазерное излучение считают наиболее удобным способом обработки ПКМ, поскольку оно исключает проблемы, возникающие при обработке механическими способами (анизотропия свойств, экологические проблемы). Лазерная обработка может использоваться бесконтактно, она дает возможность автоматизации процесса и наиболее точна.

Сфокусированное лазерное излучение, [4] обеспечивая высокую концентрацию энергии, позволяет разделять практически любые металлы и сплавы независимо от их теплофизических свойств. При этом можно получать узкие разрезы 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. Вследствие этого можно осуществлять лазерную резку с высокой степенью точности, в том числе и 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 пучком позволяет осуществить лазерную резку по сложному контуру плоских и объемных деталей и заготовок с высокой степенью автоматизации процесса.

При газолазерной резке [3] металлов различают стационарный характер разрушения, когда жидкая ванна расплава существует по всей длине канала реза, и нестационарный, характеризуемый периодическим выкосом расплавленного металла из зоны обработки.

Стационарный механизм разрушения достигается в том случае, когда скорости плавления металла в направлении реза и удаления расплавленного металла равны в каждом сечении канала. При скоростях газолазерной резки металлов меньше стационарных имеет место не стационарный, т.е. неустановившийся характер разрушения.

Производительность и качество газолазерной резки металлов определяются объемом ванны расплава в канале реза, поэтому расчетная модель описывает образование и течение расплава в канале. Глубина ванны расплава в канале реза не зависит от времени. Толщина расплава на передней стенке канала реза зависит от распределения поглощенной энергии лазерного излучения и выделяемой по поверхности ванны теплоты экзотермической реакции, газодинамического воздействия, толщины и свойств металла.

Нестационарный механизм разрушения характеризуется периодическим образованием и удалением ванны расплава из канала реза. Нестационарный механизм разрушения имеет место тогда, когда скорость разрушения металла в направлении предполагаемого реза выше скорости обработки. Качество обработки в данном случае определяется толщиной слоя разрушенного металла в поперечном направлении относительно скорости резки, а следовательно, временем образования и удаления ванны расплава из канала реза.

Итак, необходимо выбирать режим лазерной обработки (непрерывный или периодический). В некоторых случаях для резки материалов желательно применение импульсно-периодического излучения, обеспечивающего меньшую зону термического влияния и режим испарения с высоким качеством кромок реза, резка большинства материалов излучением непрерывного CO₂-лазера также осуществляется в режиме испарения и по сравнению с импульсно-периодическим режимом позволяет достичь значительно более высоких скоростей обработки. Это достоинство процесса также делает его конкурентоспособным с методами механической резки.

При раскрое на малых скоростях резки используется импульсно-периодическое излучение. [5] Его использование характерно для участков криволинейного контура с большой кривизной. Итак, 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. Промышленное применение газолазерной резки с каждым годом увеличивается, но этот процесс не может полностью заменить традиционные способы разделения металлов. В сопоставлении со многими из применяемых на производстве установок, стоимость лазерного оборудования для резки ещё достаточно высока, хотя в последнее время наметилась тенденция к её снижению. В связи с этим процесс лазерной резки становится эффективным только при условии обоснованного и разумного выбора области применения, когда использование традиционных способов трудоемко или вообще невозможно.

Лазерная резка [6] осуществляется путём сквозного прожига листовых металлов лучом лазера. Такая технология имеет ряд очевидных преимуществ перед многими другими способами раскроя:

· Отсутствие механического контакта позволяет обрабатывать хрупкие и деформирующиеся материалы;

· Обработке поддаются материалы из твердых сплавов;

· Возможна высокоскоростная резка тонколистовой стали;

· При выпуске небольших партий продукции целесообразнее провести лазерный раскрой материала, чем изготавливать для этого дорогостоящие пресс-формы или формы для литья;

· Для автоматического раскроя материала достаточно подготовить файл рисунка в любой чертежной программе и перенести файл на компьютер установки, которая выдержит погрешности в очень малых величинах;

Цель работы - разработка газолазерной головки для резки полимерных композиционных материалов.

Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:

· Анализ имеющихся на рынке технологических головок

· Расчет оптических систем

· Разработка конструкции газолазерной головки

Технологические головки для волоконных лазеров

Лазерный источник в технологических применениях не является, как правило, конечным инструментом. Это источник светового потока с высокой мощностью или энергией с определенными свойствами, которые позволяют преобразовать его в инструмент, выполняющий при наличии разных дополнительных условий, технологическую операцию. Лазерная технологическая головка как раз и обеспечивает эту финишную функцию сборки потоков лучевой энергии и потоков других необходимых веществ. Кроме того, в технологическую головку могут быть интегрированы сенсоры разного типа, как контрольно аварийные, так и обеспечивающие функции управления процессом (например, слежение за поверхностью). Рассмотрим имеющиеся на рынке технологические головки и основные тенденции их развития. [7]

Функциональность лазерных головок. Оптическая функция

Главная функциональность - оптическая, или функция преобразования оптического потока, выходящего из транспортного оптического волокна лазера. Световое излучение выходит из среза в виде конуса с полным углом 0.2...0.4 радиана (в зависимости от модового типа волокна) и в этом виде непригодно для термических операций. Хотя есть и исключения - можно выполнять сварку тонких металлов просто излучением, выходящим из кварцевого волокна - за счет очень высокой стойкости кварца срез разрушается довольно медленно. Это единственный известный способ использования волоконного лазера без лазерной головки - но все равно необходимо подавать защитный газ и выполнять модуляцию мощности излучения.

Оптическая функция (см. Рисунок 3) состоит в формировании области высокой концентрации лучевой энергии в зоне обработки. Часть технологических процессов с использованием мощных лазеров (сварка и резка) с точки зрения физики процесса - существенно трехмерны и, таким образом, важен не только диаметр пятна фокусировки df, но и характерная длина перетяжки пучка gf . Эти величины можно оценивать, исходя из указанного в паспорте волоконного лазера параметра качества излучения BPP (Beam Production Parameter) и угла фокусировки выходного пучка a, который можно оценивать как отношение фокусного расстояния выходной линзы F и апертуры пучка D до этой линзы a = D/F (эти параметры указываются в спецификации лазерной головки):

Рисунок 3 Оптическое преобразование светового потока лазерной головкой [7]

Следует учитывать, что распределение интенсивности потока в лазерном пучке неоднородно и приведенные оценки дают характерные размеры высокоэнергетической зоны пучка, причем для «хорошо» спроектированной системы с минимальной сферической аберрацией. Для многих технологических применений неоднородность пучка весьма вредна, так, для термической закалки она приводит к тому, что в центре металл доводится до плавления, а на периферии глубина закалки недостаточна. Поэтому в состав оптических функций нужно дополнительно включать выравнивание интенсивности - либо статическим методом (Рисунок. 4), скажем за счет использования асферической оптики, или динамическим, за счет быстрого сканирования (развертки) лазерного пучка по поверхности по оптимальному закону. Сканирование также необходимо в ряде случаев для сварки больших толщин, оно обеспечивает расширение парогазового канала, улучшение дегазации и исключение пор и других дефектов сварного шва.



Рисунок 4 Методы выравнивания распределения светового потока - статический (слева) и динамический (справа) [7]

полимерный композиционный лазерный оптический

Кроме всей этой функциональности важно, чтобы оптическая система передавала лучевую мощность с малыми потерями и не ухудшала качество лазерного пучка. В настоящее время есть фактически только один оптический материал, пригодный для изготовления линз для волоконных лазеров мощностью 500…20000 Вт - кварцевое стекло разных марок с качественным просветляющим покрытием. Характерные потери на одной линзе для таких элементов составляют 0.3…0.5%, а общие потери мощности в лазерной головке не превосходят 1.5…3%. Передаваемая мощность ограничивается как лучевой стойкостью оптических элементов, так и формированием термических линз из-за изменения показателя преломления кварцевого стекла при нагреве в зоне прохождения лазерного пучка. Для кварца эффект всегда положительный, то есть в первом приближении тепловые линзы эквивалентны появлению положительных линз в системе, так что проявляется этот эффект на практике в смещении точки фокуса в сторону к лазерной головке. Моделирование показывает, что характерное время формирования тепловой линзы составляет 2…20 с, так что эффект возникает практически сразу, а не «при длительной работе», как часто ошибочно считается.

Лучевая стойкость высококачественных линз весьма велика и превышает значение 5 кВт/см², а вот термические линзы могут возникать при существенно меньшей плотности мощности и именно они могут ограничивать предельную рабочую мощность системы. Если воспользоваться практическим опытом лидера в производстве лазерных головок Precitec, то можно, исходя из доступной технической документации, построить график необходимой апертуры системы от мощности передаваемого потока (Рисунок 5) и определить, что практическое значение рабочей плотности мощности, усредненное по апертуре составляет около 0.6…0.7 кВт/см². Весь набор оптической функциональности сведен в таблицу 1.

Рисунок 5 Зависимость апертуры пучка внутри системы от предельной передаваемой мощности [7]

Таблица 1 Оптическая функциональность лазерных головок [7]

Функция	Технологические процессы	Методы реализации
Передача лучевого потока с минимальными потерями мощности и качества пучка	Все	Использование оптических компонентов с малыми потерями на поглощение и рассеяние, а также с малыми термическими наводками
Формирование пятна с заданной плотностью мощности на поверхности материала	Сварка и резка малых толщин, закалка, наплавка, перфорация, очистка	Оптическое преобразование пучка линзами или зеркалами
Формирование трехмерной области высокой концентрации лучевой энергии	Резка и сварка металла больших толщин	То же с оптимизацией геометрических параметров перетяжки пучка
Формирование равномерного пятна термического нагрева	Закалка, наплавка, очистка	Использование асферических элементов (а также градиентной оптики)
Динамическое выравнивание энергетического потока	Закалка, наплавка, очистка, сварка больших толщин	Использование сканеров-приводов быстрого управления направлением пучка

Функции юстировки

Из-за неточностей изготовления деталей головки, в том числе оптических, посадок, сборочных отклонений и т.п. возникает необходимость согласования пространственного положения элементов головки и положения лазерного пучка (Рисунок 6). Особенно это важно для процесса лазерной резки, где фокусированный лазерный пучок проходит через небольшое (0.5…1.5 мм) отверстие в сопле. Поэтому в конструкцию лазерной головки вводят элементы, обеспечивающие согласование оптической оси лазерного пучка и оси газового сопла - обычно это механические элементы (набор регулировочных винтов), обеспечивающие такую юстировку за счет взаимного смещения узлов головки. Ничто, в принципе, не мешает эту функцию автоматизировать и следует ожидать появления лазерных головок, обеспечивающих автоматизированное совмещение осей.

Рисунок 6 Взаимное положение сопла лазерной головки, детали и лазерного пучка [7]

Далее нужно установить оптимальное положение точки фокуса пучка относительно среза сопла. Для этого в большинстве головок имеется микрометрический механизм смещения фокусирующей линзы относительно корпуса. Проблема, однако, состоит в том, что из-за разницы показателя преломления кварца для мощного пучка с длиной волны 1080 нм и для длины волны встроенного в лазер пилотного источника (красный, около 630 нм) точки фокуса смещены на расстояние 2…5 мм, и по пилотному пучку без учета этого смещения выполнить операцию установки оптимального расстояния Dz не удается. В результате пользователю приходится проводить экспериментальные работы на материалах (например, выполнять серии треков на мощном пучке) для выяснения реального положения фокуса мощного пучка.

Технология обработки требует, чтобы точка фокуса пучка находилась на заданном расстоянии Df от поверхности материала, если смещение Dz установлено, то необходимо просто поддерживать требуемое значение расстояния от среза сопла до детали Df+ Dz (c учетом знаков, так как фокус, может быть, и заглублен под поверхность). Функция поддержания расстояния в большинстве головок реализуется на основе введения в конструкцию емкостного датчика расстояния от сопла до детали. Сопло конструктивно изолируется от корпуса головки диэлектрическим элементом, и специальная электроника измеряет емкость между промежутком соплометаллический лист и преобразует в электрический сигнал, несущий информацию о расстоянии, который передается в систему управления координатной системой для выполнения корректировки положения головки.

Иногда технология качественной лазерной резки может включать управление положением точки фокуса относительно листа. Так раскройные столы фирмы Trumpf с СО2 лазерами включают режимы врезки с перемещением точки фокуса относительно листа с использованием адаптивного зеркала. Следовательно, функция осевого перемещения точки фокуса в технологических головках для волоконных лазеров - также прямой кандидат на автоматизацию и перевод на электронное управление, но пока реализована только в нескольких моделях головок.

Технологические функции

Лазерный технологический процесс требует также подачи в зону обработки веществ (газов, наплавочных материалов). Все эти потоки должны быть согласованы и синхронизированы с потоком лучевой энергии. Простейший вариант - подача режущего газа через коаксиальное сопло при лазерной резке. В качестве газа используется чистый кислород, сжатый воздух, азот, а также смеси газов. Избыточное давление газа в выходной камере перед соплом может составлять от 0.3 до 15 атм, а в технологии лазернокислородной резки листов большой толщины до 40 атм. Следовательно, конструкции выходных камер головок для резки должны быть рассчитаны на высокое статическое давление газа.

Технология лазерной сварки выдвигает иные требования к газовой системе. Во-первых, требуется защитить ванну расплава инертным газом (как правило, аргоном). Во-вторых, подавать в зону активного взаимодействия лазерного пучка с металлом и парами газовые смеси для управления процессом. Последнее обязательно при лазерной сварке СО2 лазерами при мощности выше 24 кВт, но является пока дискуссионным для лазерной сварки волоконными лазерами. Пока, как правило, плазмоподавляющие и управляющие смеси не используют, но есть экспериментальные данные, что и в случае лазерной сварки мощными волоконными лазерами можно эффективно управлять сварочным процессом за счет использования газовых смесей. На Рисунке 7 представлена сопловая часть лазерной головки VF001M, в которой реализована двойная газовая схема - лазерный пучок проходит через центральное коаксиальное отверстие, через систему отверстий вблизи оси подается контролируемая газовая смесь в зону активного взаимодействия, а периферийная зона формирует окутывающий ламинарный поток аргона для защиты сварного шва. Такая головка не очень пригодна для скоростной сварки линейных швов, так как зона защиты шва при высоких скоростях недостаточна по длине, но идеально годится для качественной сварки с максимальной глубиной проплавления и контурной сварки, в том числе и таких критических материалов, как титановые сплавы.



Рисунок 7 Сварочная насадка к лазерной головке VF001M [7]

В простейшем варианте при лазерной термообработке не используются сопловые системы и защитные газы, но в идеале требуются специальные насадки для защиты металла от окисления или для активации диффузионных процессов насыщения поверхностного слоя металла из газовой фазы.

Лазерная наплавка требует подачи в зону нагрева порошковых материалов или проволок, если смотреть на опыт развития наплавочных процессов на основе СО2 лазеров, то это могут быть достаточно сложные и гибко управляемые системы с пространственной раскладкой порошковых струй сканирующими соплами.

Гибридные способы лазерной сварки требуют интеграции в сварочной насадке лазерной части с дуговыми сварочными инструментами.

Рисунок 8 Головка для гибридной сварки фирмы Precitec (слева) и вариант более глубокой интеграции двух сварочных процессов [7]

Контроль и безопасность

Лазерная технологическая головка является энергетически нагруженным объектом, передающим большую мощность, поэтому разумно ее снабжать сенсорами и защитными функциями. Сюда можно отнести следующие опции:

· мониторинг температуры корпуса или отдельных зон, который может давать информацию о деградации оптических элементов и ошибках юстировки системы;

· прямой мониторинг состояния оптики;

· встроенный контроль мощности лучевого потока;

· датчики давления или расхода технологических газов.

Все это важно, особенно для полностью автоматизированных процессов, так как мониторинг состояния позволит предотвратить не только выпуск бракованной продукции, но и разрушение довольно дорогого устройства.

В этот же раздел можно добавить функции защиты оптики, поскольку материальный процесс лазерной обработки непременно связан с активным выделением паров, брызг и других потоков, способных разрушить оптические свойства выходной поверхности. В процессе лазерной резки достаточно использовать сравнительно дешевый элемент - защитное стекло (как расходный материал), так как присутствует естественная защита в виде осевого потока режущего газа. При лазерной сварке и некоторых других процессах такая защита отсутствует, и приходится использовать шторные газодинамические завесы перед защитными стеклами, основанные на использовании щелевых сопел, формирующих плоский защитный воздушный экран.

Функции, обеспечивающие адаптивность процесса

При использовании лазерных головок в роботизированных комплексах возникает необходимость функций предварительного, текущего и финишного контроля процесса. Наиболее явно это можно пояснить на процессе лазерной сварки - подготовленные под сварку элементы никогда не обладают абсолютной точностью ни по геометрии элементов, ни по зазорам, ни по пространственному положению относительно координатной системы манипулятора. Поэтому возникает задача предварительного сканирования расположения стыка и зазора между элементами в пространстве и последующей корректировки программы движения. Это не будет идеальным решением, так как в ряде случаев зазор может меняться непосредственно во время сварочного процесса из-за термических напряжений. Поэтому идеальное решение будет состоять в использовании встроенных в головки трех систем сенсоров, формирующих, по терминологии фирмы Precitec, сквозную систему контроля качества лазерной сварки LWQC - Laser Welding Quality Control. Система должна содержать:

· сенсоры предварительного измерения геометрии сварного шва - STS - Seam Tracking Systems,

· сенсоры текущего контроля LWM - Laser Welding Monitor,

· сенсоры контроля финишной геометрии сварного шва SGM - Seam Geometry Monitor.

Это в равной мере касается и других технологических процессов, например, лазерной закалки и лазерной очистки.



Рисунок 9 Лазерная сварочная головка YW50 фирмы Precitec со встроенным модулем видеосенсора (осевой вариант) [7]

Рисунок 10 Головка для гибридной сварки фирмы ScanSonic со встроенной функцией слежения по стыку [7]

На данном этапе развития конструкций лазерных головок эта функциональность реализована в минимальной стадии. В серийные лазерные головки обязательно встроена возможность подключения емкостного сенсора расстояния, и некоторые производители встраивают в головки модуль видеосенсора, который позволяет производить предварительное обучение робота по положению стыка (Рисунок 9). На выставке «Машиностроение 2009» фирма Trumpf демонстрировала полностью автоматический процесс сварки коробчатых деталей, в котором использовался встроенный видеосенсор для предварительного сканирования положения стыка деталей, а сварка производилась на втором проходе. Из беседы со специалистами фирмы выяснилось, что система надежно работает только при применении высококачественного полированного металла заготовок, это только подтверждает, что системы адаптации процесса сварки пока находятся в самом зачаточном состоянии.

Из альтернативных решений следует упомянуть лазерные сварочные головки фирмы ScanSonic (Рисунок 10), снабженные системой механического слежения по стыку на основе щупа или подаваемой присадочной проволоки в случае гибридных способов сварки. Такую систему можно отнести к классу LWM, так как сварка и слежение выполняются в едином проходе. Тем не менее, вряд ли это решение имеет большую перспективу для лазерной сварки, следует ожидать активного развития именно оптических сенсоров, особенно на основе LPF камер с лазерной подсветкой.

Обзор изделий на рынке

Большинство лазерных головок для волоконных лазеров выполнены по схеме Рисунок 11.

Рисунок 11 Типичная оптическая схема лазерной головки для волоконных лазеров [7]

Рисунок 12 Оптические коллиматоры и фокусирующие модули фирмы Optoscand [7]

Первая часть представляет собой кварцевый дублет и служит для преобразования расходящегося пучка в параллельный (поэтому ее называют коллиматором). Вторая часть - фокусирующая одиночная кварцевая линза, которая и производит конечную фокусировку лучевой мощности на обрабатываемом изделии. Эта схема обладает приемлемыми, хотя и не идеальными оптическими параметрами и является основой большинства лазерных головок. Обычно фокусное расстояние выходной линзы f в 1.5…2.5 раз больше фокусного расстояния коллиматора fk. В качестве примера приведем лазерные головки фирмы Optoscand (Рисунок 12). Многие пользователи приобретают такие головки как полуфабрикат из-за умеренной цены и заменяют только выходную сопловую часть под конкретные задачи. Выходная линза в этих головках размещена в механизме продольного перемещения, что позволяет осуществлять регулирование положения точки фокуса относительно среза сопловой насадки.

В большинстве головок фирмы Precitec использована эта же оптическая схема, в некоторых головках с минимальными фокусными расстояниями для улучшения фокусировки опционально может быть не одиночная фокусирующая линза, а набор двух линз. Фирма также предлагает модификации с поворотным зеркалом в тракте, что в ряде случаев удобно для применения с роботами и встраивания видеосенсоров. На примере изделия YW52 можно проследить тенденции модульности и унификации (Рисунок 13), система компонуется из стандартных модулей форматом 74х74 мм с проходной апертурой около 48 мм, достаточной для передачи мощности до 20 кВт. Пользователь имеет возможность самостоятельно компоновать систему нужной геометрии с нужными параметрами фокусировки, так как можно изменять как фокусное расстояние коллиматора (100, 125, 150, 200 мм), так и фокусное расстояние фокусирующей линзы (150…1000 мм).



Рисунок 13 Модульные сварочные головки фирмы Precitec.

1 - оптический коннектор, 2 - модуль коллиматора, 3 - расщепитель пучка (плоское зеркало), 4 - фокусирующий модуль, 5 - контейнер со сменным защитным стеклом, 6 - модуль шторной защиты, 7 - видеокамера или окуляр для наведения и слежения, 8 - измеритель мощности

Модульная система имеет значительную массу и высокую цену, поэтому для более массовых головок для лазерной резки фирма не использует модульный подход и предлагает оптимизированные по массе и габаритам головки серий YR30, YK52 для работы с роботами. Отличительной особенностью этих насадок является улучшенная емкостная система слежения за поверхностью Lasermatic Z, способная работать с минимальными по размеру сопловыми наконечниками, что обеспечивает малую чувствительность к боковым элементам изделия при 3D резке роботами. Следует упомянуть также довольно популярную на российском рынке режущую головку для потальных раскройных систем HPSSL (Рисунок 14), имеющую катриджный вариант смены оптики, что позволяет оперативно обслуживать оптику на станках и быстро менять параметры фокусировки.



Рисунок 14 Головка HP-SSL для резки с катриджной сменой оптики фирмы Precitec [7]

Рисунок 15 Наплавочные головки YC50 фирмы Precitec с четырехканальной (слева) и одноканальной аксиальной (справа) подачей порошка [7]

Для технологии лазерной наплавки фирма Precitec разработала два базовых варианта наплавочных головок YC50 (Рисунок 15), снабженных одноканальной (аксиальной) или четырехканальной системой подачи порошков. В этих разработках, созданных на базе популярной сварочной головки YW50, пока еще не реализованы опции сканирования ни лазерного пучка, ни порошкового потока, но можно только приветствовать появление на рынке первых серийных головок для этих перспективных процессов. Модульный подход к конструкции лазерных головок дает пользователю достаточную гибкость в выборе параметров процесса, но только на стадии разработки технологического процесса. Другой подход к гибкости и модульности представлен в лазерной головке VF001M российской фирмы «Электроресурс».

В этой головке использована перестраиваемая оптическая система, за счет которой можно плавно менять фокусное расстояние (или угол фокусировки), а, следовательно, размер фокального пятна df и длину перетяжки gf. Для изменения фокусировки вообще не нужно выполнять разборку системы, более того, вся перестройка выполняется электронным путем под управлением встроенного микропроцессора, так что робот или ЧПУ система могут выполнять перестройку параметров автоматически по ходу выполнения программы.

Внешний вид лазерной вариоголовки представлен на Рисунке 14, процессорный блок может при необходимости размещаться не на корпусе головки, а в любом удобном для управления месте, хотя он используется в основном для предварительной настройки. Принцип модульности в головке VF001M также используется, но только для быстрой замены технологических насадок (сварка, резка, закалка), которые фиксируются на стыковочном узле с помощью магнитного фиксатора.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 16 Лазерная технологическая головка с переменным фокусным расстоянием VF001M и принцип магнитной фиксации технологических насадок [7]

Ниже перечислены полезные функции, которые обеспечивает такой конструктивный подход:

· можно оперативно перестраивать параметры пучка (фокусное расстояние, положение фокуса) для оптимизации производительности и качества операции. В принципе, это может выполнять ЧПУ система автоматически.

· положение точки фокуса относительно среза сопла также управляется электронным образом, более того реализован режим «имитации» точки фокусировки мощного пучка, то есть при переходе в режим «R» с пульта на головке или по команде ЧПУ точка фокуса видимого пилотного источника подсвечивает точку фокуса мощного пучка, что существенно упрощает операции настройки.

· за счет магнитной фиксации технологической насадки имеется быстрый оперативный доступ к контейнеру с защитным стеклом для промывки или замены.

· технологические насадки содержат встроенную систему емкостного измерения расстояния от сопла до листа, причем связь с управляющим процессором осуществляется по беспроводному каналу (оптическая), поэтому при смене насадки не требуется никаких операций по отключению разъемов.

· магнитная фиксация технологических насадок надежно защищает лазерную головку от ударов и наездов на непредвиденные препятствия.

1. Процесс разработки лазерных технологических головок для волоконных лазеров в целом продвигается успешно. В настоящее время на рынке есть выбор головок для лазерной сварки и резки, появились первые модели наплавочных головок.

2. Можно проследить основные тенденции в дизайне лазерных головок - модульность, перестраиваемость, насыщение сенсорами и контрольными функциями.

3. В области создания головок с адаптивными возможностями разработчиками сделаны пока только первые шаги, но адекватно поставленные разработчиками цели позволяют надеяться, что развитие адаптивных технологий - дело ближайших лет.

Таким образом, существует достаточно большое количество лазерных технологических головок, но наша задача - головка для газолазерной резки (с сопловым блоком). Газолазерная головка является одной из основных частей оборудования для лазерной резки. Она фокусирует лазерное излучение и обеспечивает подачу рабочего или нейтрального газа. [8] Оптическая система (фокусировка) позволяет добиться требуемой плотности мощности. Сопловой блок обеспечивает подачу активного газа (при газолазерной резке) или нейтрального газа (для сдува плазмы и уменьшения потерь на плазменное поглощение)

Расчет оптических систем

В качестве конструктивной схемы для объектива были выбраны соосно расположенные плоско-выпуклая и плоско-вогнутая линзы. Параметрами, необходимыми для полного определения данной системы являются параметры, обозначенные на Рисунке 17:

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 17

Сферическая аберрация системы объектива не должна превышать 1 мрад (10^-3 рад). Полагая, что угловая расходимость излучателя не превышает 10^-2 рад, выбираем увеличение системы Галилея равным 15^х.

Это означает, что:

,

где f₁ и f₂ - фокусные расстояния плоско-выпуклой и плоско-вогнутой линз соответственно.

Сферическая аберрация системы будет определяться положительной (плоско-выпуклой) линзой. Угловой размер сферической аберрации плоско-выпуклой линзы равен:

,

где отношение называется относительным отверстием положительной линзы; n - показатель преломления материала линзы.

В качестве материала для линз выбираем стекло марки ВК7. Показатель преломления стекла ВК7 для л=0.532 мкм равен n=1,519.

Задаемся рад, где к - коэффициент <1

Примем к=0,99

Тогда рад

Полагая, что диаметр апертуры излучателя численно равен 6мм, делаем вывод о входном диаметре D₁ отрицательной линзы и D₂ положительной линзы:

Из условий для входных диаметров линз объектива выбираем:

D₁=5мм D₂=75мм

Тогда для углового размера сферической аберрации получаем:

рад

Отсюда находится фокусное расстояние плоско-выпуклой линзы:

мм принимаем мм, следовательно, мм.

Радиусы кривизны сферических поверхностей соответствующих линз вычисляются по формулам:

(для выбранного увеличения системы в 10^х)

Подставляя значения фокусных расстояний и показателя преломления выбранного стекла, получаем:

мм

мм

Толщины d₁ и d₂ вдоль оптической оси выбираются из соотношения . Примем , и тогда:

Толщина d₃ находится по формуле:

;

мм

Таким образом, объектив излучателя является полностью определенным.



n1	1.519
n2	1.519
D1, мм	5
D2, мм	75
R1, мм	16.816
R2, мм	252.234
d1, мм	1
d2, мм	15
d3, мм	443.067

Газолазерная головка

Головка газолазерной резки предназначена для фокусировки лазерного излучения, выходящего из магистрального технологического световода на поверхность изделия.

Лазерная головка содержит корпус, на котором закреплена пневмотрасса для подачи технологического газа через сопло в область реза.

Рисунок 18 Объектив для газолазерной резки



Рисунок 19 Объектив для газолазерной резки 1 - сопрягающий блок; 2 - коллимирующий блок; 3 - переходник; 4 - фокусирующий блок; 5 - сопловой блок

Рисунок 20 Коллимирующий блок

Размещено на http://www.allbest.ru/