Реферат: Лазерная резка: расчет зануления кабельной сети и освещенности сборочного места блока

ЧАСТЬ ПЕРВАЯ

Обзор научно-техническойинформации.

1.1 Введение.

Возможностилазеров.Широкое применение в промышленности получили различные механические методыразделения металлов, в первую очередь резка ножовочными полотнами, ленточнымипилами, фрезами и др. В производстве используются разнообразные станки общего испециального назначения для раскроя листовых, профильных и других заготовок изразличных металлов и сплавов. Однако при многих достоинствах этого процесса существуютзначительные недостатки, связанные с низкой производительностью, высокойстоимостью отрезного инструмента, трудностью или невозможностью раскрояматериалов по сложному криволинейному контуру.

В промышленности получил распространение рядпроцессов разделения материалов, основанных на электрохимическом,электрофизическом и физико-химическом воздействиях. Ацителено-кислороднаярезка, плазменная резка проникающая дугой и другие физико-химические методыразделения обеспечивают повышение производительности по сравнению с механическимиметодами, но не обеспечивают высокой точности и чистоты поверхностей реза итребуют в большинстве случаев последующей механической обработки.Электроэрозионная резка позволяет осуществлять процесс разделения материалов смалой шириной и высоким качеством реза, но одновременно с этим характеризуютсямалой производительностью.

В связи с этим возникла производственнаянеобходимость в разработке и промышленном освоении методов резки современныхконструкционных материалов, обеспечивающих высокую производительность процесса,точность и качество поверхностей получаемого реза. К числу таких перспективныхпроцессов разделения материалов следует отнести лазерную резку металлов,основанную на процессах нагрева, плавления, испарения, химических реакцияхгорения и удаления расплава из зоны резки.

Сфокусированное лазерное излучение,обеспечивая высокую концентрацию энергии, позволяет разделять практически любыеметаллы и сплавы независимо от их теплофизических свойств. При этом можнополучить узкие резы с минимальной зоной термического влияния. При лазернойрезке отсутствует механическое воздействие на обрабатываемый материал и возникаютминимальные деформации, как временные в процессе резки, так и остаточные послеполного остывания. Вследствии этого лазерную резку можно осуществлять с высокойстепени точностью, в том числе легкодеформируемых и нежестких заготовок илидеталей. Благодаря большой плотности мощности лазерного излученияобеспечивается высокаяпроизводительность процесса в сочетании с высоким качеством поверхностей реза.Легкое и сравнительно простое управление лазерным излучением позволяетосуществлять лазерную резку по сложному контуру плоских и объемных деталей изаготовок с высокой степенью автоматизации процесса. Кратко рассмотренные особенностилазерной резки наглядно демонстрируют несомненные преимущества процесса посравнению с традиционными методами обработки.

Лазерная резкаотносится к числу первых технологических применений лазерного излучения,апробированных еще в начале 70-х годов. За прошедшие годы созданы лазерныеустановки с широким диапазоном мощности (от нескольких десятков ватт до нескольких киловатт), обеспечивающиеэффективную резку металлов с использованием вспомогательного газа, поступающегов зону обработки одновременно с излучением лазера. Лазерное излучение нагревает, плавит ииспаряет материал по линии предполагаемого реза, а поток вспомогательного газаудаляет продукты разрушения. При использовании кислорода или воздуха при резкеметаллов на поверхности разрушения образуется оксидная пленка, повышающаяпоглощательную способность материала, а в результате экзотермической реакциивыделяется достаточно большое количество теплоты.

Для резкиметаллов применяют технологические установки на основе твердотельных и газовыхCO2 — лазеров, работающих как внепрерывном, так и в импульсно-периодическом режимах излучения. Промышленноеприменение газолазерной резки с каждым годом увеличивается, но этот процесс неможет полностью заменить традиционные способы разделения металлов. Всопоставлении со многими из применяемых на производстве установок стоимостьлазерного оборудования для резки еще достаточно высока, хотя в последнее времянаметилась тенденция к ее снижению. В связи с этим процесс газолазерной резки(в дальнейшем просто лазерной резки) становится эффективным только при условииобоснованного и разумного выбора области применения, когда использованиетрадиционных способов трудоемко или вообще невозможно.

В разделе 1.3рассматриваются стационарные тепловые процессы для оценки их влияния наскорость резки, представленные уравнением ( 1.4, 1.5 ).

Достаточноприближенно рассматривался процесс течения газа в зоне резки, показывая лишьминимальный расход газа, при котором еще возможна резка и качественное влияниесостава газа на разрушение материала.

Не учитывалосьвлияние явлений оптического пробоя ( возникает при q @

107 — 108Вт/см2 ) и экранировки излучения плазменным факелом.

1.2 Физические процессы при лазерном воздействии на поверхность твердыхтел.

Поглощениеи отражение лазерного излучения. В основе лазерной обработки материаловлежит способность лазерного излучения создавать на малом участке поверхностивысокие плотности теплового потока, достаточные для нагрева, плавления илииспарения практически любого материала. Это связанно с термическим эффектомпоглощения излучения непрозрачными твердыми телами.

Световой поток лазерного излучения,направленный на поверхность обрабатываемого материала, частично отражается отнее, а частично проходит в глубь тела. Излучение, проникающее в глубь металла,практически полностью поглощается свободными электронами проводимости в приповерхностномслое толщиной 0,1- 1 мкм, эти электроны переходят в состояния с более высокимиуровнями энергии, т.е. возбуждаются.

Возбужденные электроны сталкиваясь с другими электронами или узлами кристаллическойрешетки передают им избыток энергии.

Основная доля теплоты при лазерном нагревепереносится в глубь металла посредством электронной проводимости. Поэтому,тепловые процессы при лазерном нагреве имеют ту же физическую природу, что итрадиционные способы термического воздействия на металл, это дает возможностьпользоваться классической теорией теплопроводности.

Интенсивность поглощения энергии определяетсязначением коэффициента поглощения, который зависит от рода материала и длинныволны падающего излучения.

Поглощательная способность неокисленнойметаллической поверхности на длине волны лазерного излучения l

= 10,6мкм определяется уравнением: a= 112,2 (s0-1)-1/2 , где a — коэффициент поглощения; s0 — удельная электрическаяпроводимость металла по постоянному току, См/м.

Этовыражение применимо для коэффициентов поглощения чистых, полированныхповерхностей. Для материала с неочищенной, неполированною поверхностью (материала поставки ) коэффициент поглощения зависит от состояния поверхности иможет значительно превышать для чистыхметаллов ( табл. 1.1 ).

Таблица 1.1Коэффициентыпоглощения различных материалов a

, дляизлучения l= 10,6 мкм, % .[2]

Материал

Поверхность в состоянии поставки

Полирован-ная поверхность

Нержавеющая сталь

Алюминий

Медь

Низкоуглеродистая сталь

Серебро

___

Рис.1.1 Зависимость

коэффициента пог-

лощения излучения СО2 — лазераот

температуры для

различных материалов

[2]

При нагревании образца электрическаяпроводимость металлов уменьшается, соответственно возрастают коэффициентыпоглощения. Если лазерная обработка поверхности происходит в воздушной иликакой-либо окислительной среде, то происходит рост оксидной пленки наповерхности образца и происходит дополнительное увеличение поглощательной способности( рис. 1.1 ) [2].

Рис. 1.2 Характерные кривые нагрева в воздухе термически тонких мишеней непрерывным излучением СО2 — лазера при q = 4,7·

106 Вт/см2 и соответствующие кривые коэффициента эффективного поглощенияaэф [2]: а — дюралюминий ;

б — сталь.

По мере роста оксидной пленки на поверхности железа коэффициент отражения периодическиуменьшается, когда толщина пленки становится кратной половине длинны волнысвета. Таким образом a

эф испытывает изменения во времени ( рис. 1.2 б ). Эффективный коэффициент поглощения железа может быть напорядок выше, чем тот же коэффициент для чистой поверхности.

Оксиднаяпленки на поверхности алюминия термически прочная, Tпл выше 20000 С и ее толщина при нагревании неизменяется и коэффициент поглощения остается практически постоянным ( рис. 1.2а ).

Коэффициент поглощения можно увеличиватьискусственно. Для излучения CO2 — лазеровэто особенно важно, т.к. на длине волны излучения l

= 10,6 мкм коэффициенты поглощения для большинства металлов менее10%. Для увеличения поглощения поверхность образца покрывают специальнымитеплостойкими веществами, хорошо поглащающими ИК — излучение, например фосфатцинка, для которого при Т = 10000 Сэффективный коэффициент поглощения aэф = 0,7.

Рис 1.3Схема резки металла

лучом лазера.

Влияние поляризации лазерного излучения.При перемещении лазерногоизлучения относительно материала образуется рез, нормаль к поверхности которогосоставляет с падающим лучом угол y

( рис. 1.3 ). При наклонномпадении отражение лазерного излучения зависит от поляризации. Способностипоглощения лазерного излучения a÷ú — составляющей, лежащей вплоскости падения луча, и a^ — составляющей,перпендикулярной плоскости падения луча, в общем случае различны. Это означает,что способность поглощения поляризованного излучения зависит от ориентацииэлектрического вектора напряженности относительно поверхности металла.

Зависимость способности к поглощениюизлучения железа и алюминия на длине волны l

= 10,6 мкм для двухсоставляющих a÷ú и a^ приведены на рисунке 1.4.

При ширине луча d и толщине разрезаемого материалаh средний угол падения определяется выражением y

= arctg ( h/d ).

Например, при резке материала толщиной <st1:metricconverter ProductID=«1,5 мм» w:st=«on»>1,5 мм</st1:metricconverter> с диаметром пятнафокусировки <st1:metricconverter ProductID=«0,1 мм» w:st=«on»>0,1 мм</st1:metricconverter>y

= 800 .

Используя зависимость a

эф отугла падения луча на поверхность можно определить доли поглощенного лазерногоизлучения для параллельной и перпендикулярной составляющих поляризации и ихотношение a÷ú/a^= 20, при y= 800.

а ) б )

Рис. 1.4Зависимость коэффициента a

эфдля луча с перпендикулярной и продольной поляризацией ( l= 10,6 мкм ) от угла падения на поверхность при Т = 200С и 10000 С[4]:

а — материал алюминий;

б — материал железо.

Это означает, что при совпадении плоскостейрезки и поляризации луча ( при направлении резки, параллельной плоскостиполяризации ) поглощенная на лобовой поверхности реза мощность излучения в 20раз больше, чем при перпендикулярном положении векторов скорости резки и поляризации.

Это характерный случай получения глубокогореза в материале, т.к. отношение h/d составляет примерно 5,6, и при рассмотрениинеобходимо учитывать влияние поляризации.

В случае поверхностной обработки илинеглубокого проникновения излучения в материал, когда отношение h/d принимаетнебольшие значения, влиянием ориентации векторов скорости резки и поляризации можно пренебречь. Например, припрорезании металла на глубину <st1:metricconverter ProductID=«0,3 мм» w:st=«on»>0,3 мм</st1:metricconverter> угол y

составит 450 , а отношение поглощения параллельной кперпендикулярной составляющих поляризации равно 1,2.

Отражательная способность металловсущественно зависит от температуры, а отношение a

÷ú/a^уменьшается суменьшением температуры. Так какпоглощательная способность сильно зависит от угла падения, относительнаяразориентация векторов скорости резки и поляризации, линейно поляризованногоизлучения может привести к наклону реза. Этот эффект схематически показан на рисунке1.4 [4].

Рис. 1.5 Влияние относительной ориентации векторов поляризации Е и скорости резки n

на поперечную форму канала реза [4].

При совпадении плоскостей реза и поляризациибольшая часть энергии излучения поглощается впереди реза, что обеспечиваетмаксимальную скорость резки при минимальной ширине. Если плоскость поляризацииперпендикулярна плоскости реза, то большая часть энергии излучения поглощается боковымисторонами реза. При промежуточных углах между<img src="/cache/referats/765/image002.gif" v:shapes="_x0000_i1025"><img src="/cache/referats/765/image004.gif" v:shapes="_x0000_i1026"> поглощениенесимметрично, что приводит к расширению реза и его искажению ( рис. 1.5 ). Сувеличением скорости резки углы скосакромок увеличиваются.

Распространение лазерногоизлучения в канале реза. При резке материалов лазерным излучениемнеобходимо, чтобы луч проник в вещество как можно глубже. При этоминтенсивность излучения должна быть весьма высокой, в связи с этим необходимодобиться минимального размера светового пятна на поверхности мишени. Радиуссветового пятна в фокальной плоскости луча rл = l

/y, ( где y — угол расходимости луча, l — длинна волны излучения ), т.е. обратно пропорционален углу фокусировкилуча . Поэтому, необходимо работать сострофокусным излучением. Такое излучение пройдя фокальную плоскость ( обычносовпадающую с плоскостью поверхности образца ), расфокусируется уже на малойглубине L=l/y2и будет попадать на боковыестенки канала. Если a — коэффициент поглощениямал, то большая часть света будет отражаться от стенок и попадать на дно канала.

Относительно просто распределение света в канале можно рассчитатьв приближении геометрической оптики. Элементарный луч света, многократноотражаясь от стенок, либо частично отражается, если канал реза неглубокий,либо полностью поглощается, если канал реза глубокий.

Процессы распространения теплоты в зонах прилегающих к источнику,могут быть описаны только с учетом влияния характера распределения плотностимощности в пятне лазерного излучения.

Наиболее эффективными параметрами фокусировки обладает нормальное(Гауссово) распределение плотности мощности Е(r) сфокусированноголазерного излучения, широко распространенного в промышленных технологическихлазерах.

Рис.1.6Нормальное распределение плотности мощности в пятне лазерного излучения.

1 — лазерное излу чение;

2 — обрабатываемая деталь.

Под воздействием такого излучения наповерхности мишени возникает тепловой источник нагрева с таким же нормальным распределениемплотности мощности в пятне лазерного излучения (рис.1.1), q(r) =qm·

e k r ; где qm =aэф Еm — максимальная плотность в центре пятнанагрева; k -коэффициент сосредоточенности, характеризующий форму кривойнормального распределения; Еm — максимальнаяплотность мощности лазерного излучения по оси; r — радиальное расстояние даннойточки от центра.

За радиус светового пятна rл обычно принимают радиус пятна нагрева,на котором q = 0,05·

qm .Излучение удобно рассматривать в виде потока фотонов. На дне разрезаемогоучастка вследствии дифракции элементарный луч расплывается на ширину lh/d. Для расчета траектории луча необходимо,чтобы эта ширина, была меньше ширины канала d. Отсюда вытекает условиеприменимости приближения геометрической оптики: d2 /lh >> 1.

Это неравенство можно переписать, введяпонятие коэффициента формы канала h/d: d/l

>> h/d.На практике h/d лежит в пределах 5-10, т.е. при l= 10,6 мкмдля применимости теории геометрической оптики необходимо, чтобы ширинареза канала реза d > <st1:metricconverter ProductID=«0,1 мм» w:st=«on»>0,1 мм</st1:metricconverter>.

Исходя из приближений геометрической оптикисфокусированное излучение можно представить в виде совокупности N лучей.Каждому лучу на входе в канал соответствовала мощность P/N, где P — мощностьлазера. При численных расчетах [4], если мощность луча после очередногоотражения была меньше 10-4 начальной,то его исключали.

Рис. 1.7Зависимость эффективного коэффициента поглощенияизлу ченияa

эфСО 2 — лазера со стальной мишенью от глубины реза a= 0,1. Для случая круговой поляризации.

С помощью такой методики была рассчитаназависимость эффективного поглощения µ

эф от глубины реза aэф = ( P- Pотр )/ P( рис.1.7 ). Конкретные расчеты[4] проводились для стали, коэффициент отражения поверхности a= 0,1.Полагалось, что лазер генерирует излучение с круговой поляризацией,электрический вектор которого вращается относительно канала реза.

1.3Закономерности лазерной резки металлов непрерывным излучением.

Параметрыи показатели процесса лазерной резки. Для процесса лазерной резки металловможно выделить основные факторы, определяющие производительность и качественныепоказатели процесса. Среди них основными являются: плотность мощностилазерного излучения, скорость резки, давление и состав поддуваемого газа,поглощательная способность поверхностиматериалов, вид и свойства разрезаемых материалов. Плотность подводимой взону обработки мощности зависит, в свою очередь, от мощности лазерногоизлучения, его модового состава, поляризации и условий фокусировки (фокусного расстояния линз, величины и направления расфокусировки).

В силу ряда причин, области режимов,обеспечивающих высокое качество кромки реза и высокую эффективность процесса,при лазерной резке металлов зачастую не совпадают.

Рис. 1.8Параметры реза.

Параметры получаемого реза при лазерной резкеметаллов имеет много сходных характеристик с другими термическими способамирезки. Характеристики получаемого реза определяют следующие показатели (рис.1.8 ): точность, неровность реза Rz, неперпендикулярность ( клиновидность ) j, протяженность зонытермического влияния b зтв, ширина верхнего реза bв, ширина нижнего реза bн, количество грата ( наплывы на нижнейкромке разрезаемого материала ) .

При резке металлов непрерывным излучениемлазера различают стационарный и нестационарный характер разрушения материала.

Значение скорости разрушения n

р зависит от физико-химическихсвойств металлов. Весь диапазон скоростей лазерной резки металлов непрерывнымизлучением можно представить в виде: первой области режимов со скоростью n< nр, соответствующийнестационарному механизму разрушения, второй — n> nр, cоответствующейстационарной скорости разрушения и третьей — n< 0,5 м/мин, автогенныйрежим резки. Для алюминия автогенный режим резки не проявляется ( не воспламеняется), при плотности излучения до 106 Вт/cм2. Этообусловлено наличием трудно удаляемой, термически прочной пленки AL2О3 в зоне расплава. Каждая из областейхарактеризуется определенными физическими условиями cуществования и показателямикачества реза.

Нестационарный режим устанавливающийся прималых скоростях резки, является нежелательным и при резке его избегают, т. к.на кромке реза наблюдается значительное количество грата, ухудшающее качествообработки.

Рис. 1.9Стадии разрушения при резке металлов непрерывным излучением на низких скоростях резки ( нестационарный режим ).

При нестационарном механизме разрушениепротекает периодически, на передней кромке материала ( рис.1.9 ). Послеудаления очередной массы жидкого расплава из канала реза в нижней ее частивновь образуется расплав, т. к. из-за расширения сфокусированного лазерногоизлучения нижняя ее часть, протяженностью 2rл-x0 , постоянно находится в поле лазерного излучения.

На верхней кромке реза образуетсярасплавленный участок протяженностью xs .Зона этого расплавленного участка распространится на большее расстояние внаправлении резки, чем переместится лазерный луч (характерно для малых скоростей резки ),т.е. xs > x0 . Образовавшаяся ванна расплава не удаляетсят.к. динамического воздействия потока вспомогательного газа оказываетсянедостаточно. В следующие моменты времени процесс плавления металла приводит кувеличению объема ванны и при достижении определенных размеров расплавудаляется из зоны обработки. Процессы разрушения материала далее периодическиповторяются.

Стационарный механизм разрушения материалаустанавливается при высоких скоростях резки, когда xs > x0 . Разрушение материала происходит только внепрерывном режиме, температурное поле вокруг движущегося лазерного источникапостоянно.

Диапазон скоростей резки, при которых ещесохраняются борозды на поверхности реза, лежит в пределе n

р< 2,5 м/мин для стального листа (нестационарный режим ). При слишком низких скоростях подачи образца nр< 0,5 м/мин, металл укромок реза нагревается за счет механизма теплопроводности, достаточно,чтобы перейти в режим неуправляемой,автогенной резки, независимо от толщины разрезаемого материала. В этом случаеметалл горит по всей поверхности контакта с газовой струей, за счет экзотермическойреакции окисления. Рез получается ссильно увеличенным по ширине размером, боковые стенки приобретают рвануюформу.

Нагрев поверхности обрабатываемого металла. Воздействие лазерногоизлучения на металлы при резке характеризуются общими положениями, связанные споглощением и отражением излучения, распространением поглощенной энергии пообъему материала, за счет теплопроводности и др., а также специфическими дляпроцесса резки особенностями.

На участкевоздействия излучения металл нагревается до первой температуры разрушения — плавления. При дальнейшем поглощении излучения металл расплавляется и отучастка воздействия излучения в объем материала начинает перемещаться фазоваяграница плавления. Наряду с этим энергетическое воздействие лазерного излученияприводит к последующему повышению температуры образца, достигающей второйтемпературы — кипения.

Процессынагревания весьма просты, если не учитывать изменение коэффициента поглощения стемпературой. Скорость испарения экспоненциально зависит от температуры имаксимального своего значения достигает при стационарной температуре испарения,когда скорости фазовых границ плавления и испарения одинаковы.

В зависимостиот плотности мощности ла

еще рефераты

Еще работы по технологии

Реферат по технологии

Разработка и внедрение автоматизированных систем управления технологического оборудования минипекарень

25 Июня 2015

Реферат по технологии

Сертификация систем управления качеством продукции BACO

25 Июня 2015

Реферат по технологии

Разработка "высоковольтного драйвера" газоразрядного экрана на полиимидном носителе

29 Августа 2013

Реферат по технологии

Автомобильный транспорт

29 Августа 2013