Лазерная резка

Размещено на http://www.allbest.ru/

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.

С помощью углекислотных лазеров возможна обработка различных неметаллов - фанеры, дерева, ДВП, ДСП, пластика, оргстекла, полиэфирного и акрилового стекла, ламината, линолеума, резины, ткани, кожи, асбеста, картона и других.

При разрезании поролона следует соблюдать повышенные меры пожаробезопасности, поскольку он может загореться. По причине загорания невозможна или очень затруднена резка толстого пенокартона (при толщине более 10 мм).

Невозможен или крайне сложен раскрой лазером таких материалов как текстолит, стеклотекстолит, гетинакс, сотовый полипропилен, поликарбонат, сотовый поликарбонат. Затруднено разрезание материалов, склонных к растрескиванию, например, керамики или стекла.

Зависимость скорости лазерной резки от толщины разрезаемого листа

Технологические параметры

Основными технологическими параметрами процесса лазерной резки являются:

· мощность излучения;

· скорость резки;

· давление вспомогательного газа;

· диаметр сфокусированного пятна и др.

При импульсном режиме к данным параметрам добавляются:

· частота повторения импульсов;

· длительность импульсов;

· средняя мощность излучения.

Эти параметры влияют на ширину реза, качество резки, зону термического влияния и другие характеристики.

Рисунок. Влияние мощности излучения на скорость резки металлов

Рисунок. Влияние скорости резки на ширину реза в металлах

Качество реза определяется шероховатостью его поверхности. Она отличается для различных зон по толщине металла. Наилучшее качество характерно для верхних слоев разрезанного металла, наихудшее - для нижних.

Рисунок. Влияние скорости резки и избыточного давления кислорода на размеры области качественной резки углеродистых сталей толщиной 3 мм при мощности излучения 0,45 кВт.

Рисунок. Зависимость шероховатости поверхности реза углеродистой стали от избыточного давления кислорода при разных скоростях газолазерной резки.

Преимущества, недостатки и сравнительная характеристика

Сфокусированное лазерное излучение позволяет разрезать почти любые материалы независимо от их теплофизических свойств. При этом можно получать качественные и узкие резы (шириной 0,1-1 мм) со сравнительной небольшой зоной термического влияния. При лазерной резке возникают минимальные деформации, как временные в процессе обработки заготовки, так и остаточные после ее полного остывания. В результате возможна резка с высокой степенью точности, в том числе нежестких и легкодеформируемых изделий. Благодаря относительно несложному управлению лазерным пучком можно выполнять автоматическую обработку плоских и объемных деталей по сложному контуру.

Лазерная резка особенно эффективна для стали толщиной до 6 мм, обеспечивая высокие качество и точность при сравнительно большой скорости разрезания. Однако для металла толщиной 20-40 мм она применяется значительно реже кислородной или плазменной резки, а для металла толщиной свыше 40 мм - практически не используется.

Выводы

Лазерная резка является термической. В случае лазерной резки в азоте, луч лазера расплавляет, а струя азота уносит расплавленный металл из разреза. При резке лазером в кислороде, лазерный луч расплавляет металл, а кислород сначала окисляет (сжигает) расплав, а затем уносит его из разреза. Часть металла может и непосредственно испаряться. C помощью лазеров можно делать аккуратные, точные разрезы на листах металла небольшой толщины. Точность обработки металла лазером настолько велика, что часто вышедшая из установки лазерной резки деталь может быть без какой-либо завершающей резку обработки использована или передана на следующий этап производственного процесса. В установках лазерной резки, луч мощного лазера через линзу фокусируется на разрезаемом металле и расплавляет его. Яподаваемый под давлением через концентрическое сопло газ выдувает из разреза расплавленный металл - будь то в неизмененном химически состоянии или, в случае лазерной резки в кислороде, в окисленном виде. В некоторых случаях, часть металла может непосредственно испаряться. Лазерная резка может производиться в присутствии разных газов: обычно, или кислорода, или водорода, но также аргона и иногда других благородных газов. Выбор газа зависит от специфики конкретного случая применения: вида разрезаемого металла, толщины листа, планируемой последующей обработки. В кислороде обычно режут металлы, нуждающиеся в более высокой температуре, и в тех случаях, когда образование оксидной пленки некритично - в первую очередь, к таковым относятся низкосплавные сорта стали. К резке в азоте прибегают в случае обработки нержавеющей стали и алюминия. Некоторые чувствительные металлы, такие как, например, титан и цирконий, нельзя резать ни в кислороде, ни в азоте - их можно резать только аргоном сверхвысокой чистоты и, желательно, в заполненной этим же аргоном рабочей камере.

Литература

1. Бергер И.И. Токарное дело. - М.: Высш. шк.., 1990. - 314 с.

2. Брунштейн Б.Е.; Дементьев В.И. Токарное дело, М.: Высшая школа, 1987.

3. Зайцев Б.Г., Завгороднев П.И., Справочник молодого токаря, М.: Высшая школа, 1976.

4. Захаров В.А., Чистоклетов А.С., Токарь, М.: Машиностроение, 1999.

5. Оглобин А.Н. Основы токарного дела, М.: Машиностроение, 1997.

6. Лакирев С.Г. Обработка отверстий: Справочник.- М.: Машиностроение., 2004. - 208 с.

7. Тишенина Т.И.; Фёдоров Б.В. Токарные станки и работы на них. - М.: Машиностроение, 2002.

Размещено на Allbest.ru