Лазер для резки металла

 

 

 

РЕФЕРАТ

 

Курсовая работа: с. 22,  рис. 2,   источников 8.

Объект разработки – проведение технологического процесса, резка стали 45 толщиной 1 мм с помощью лазерной установки.

Цель работы – выбрать тип лазера и режим его работы для проведения  технологического процесса, определить  мощность лазера, рассчитать объем активной среды лазера.

Описаны процессы взаимодействия лазерного излучения с материалом и физические процессы, происходящие в материале. Приводится расчет энергии требуемой для осуществления резки, объема активной среды, мощности лазерного излучения.

 

РЕЗКА, СТАЛЬ 45, ГАЗОВЫЙ ЛАЗЕР, РЕЗОНАТОР, АКТИВНАЯ СРЕДА, МОЩНОСТЬ ИЗЛУЧЕНИЯ.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

Введение…………………………………………………..……………..….4

1 Методы разделения материалов ……………..…………………………5

           2 Выбор типа лазера и режима его работы………..……………………10

2.1 Обоснование выбора типа лазера……………………..……….10

3 Расчет активной среды………………………..……………….…..……14

3.1 Расчет  мощности лазера…………………………………...…..14

3.2 Расчет  объема активной среды………..………..……..………16

4 Выбор резонатора…………………………………………..…………...19

Вывод……………………………………………………………..…..........21

Перечень ссылок………………………………………………..……...….22

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Лазерное излучение обеспечивает громадную концентрацию энергии на относительно малых участках обработки, благодаря чему является универсальным инструментом для осуществления технологических операций резки металлов. Процесс лазерной обработки выполняется с высокими скоростями. Наряду с большой производительностью  достигается высокое качество поверхностей реза практически на всех металлах независимо от их температуры плавления и твердости. Промышленная обработка материалов стала одной из областей наиболее широкого использования лазеров, особенно после появления лазеров высокой мощности.

Достижения в области лазерной резки в значительной степени определяется уровнем мощности лазерных установок и качеством лазерного излучения, в частности возможностью улучшения модового состава, снижение расходимости и достижения тем самым повышения плотности мощности сфокусированного излучения.

Наиболее распространенным техническим процессом в машиностроении является резка – основная операция заготовительного производства.

Развитие лазерной техники и технологии является сегодня одним из приоритетных направлений ускорения научно – технического процесса [1].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 МЕТОДЫ РАЗДЕЛЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ

 

В настоящее время в машиностроении широко применяются различные методы разделения металлических заготовок. Отдельной задачей является резка тонких металлических листов.  Для этого могут применяться различные механические методы разделения металлов, в первую очередь резка ножовочными полотнами, ленточными пилами, фрезами. В производстве используют различные станки общего и специального назначения для раскроя листовых, профильных и других заготовок из различных металлов и сплавов.

Однако при механической обработке существует ряд недостатков, которые связаны с низкой производительностью, высокой стоимостью отрезного инструмента, трудностью или невозможностью раскроя металлов по сложному криволинейному контуру.

Лазерная резка применяется для изготовления отверстий в промежуточных кольцах паровых турбин, изготовления различных шаблонов и сепараторов из инструментальных сталей, изготовление дисковых и ножовочных пил, которые имеют гораздо более высокий срок службы, чем пилы, изготовленные традиционными методами. Также лазерная  резка металла широко применяется в автомобилестроении, судостроении, авиастроении [1].

Лазерная резка широко применяется для изготовления матриц и пуансонов практически любой формы с минимальными отходами материала.   

В промышленности получили распространения методы разделения материалов, основанных на электрохимическом, электрофизическом и химико-физическом воздействиях. К этим методам относится ацитиленово-кислородная резка, плазменная резка проникающей дугой. Однако они не обеспечивают высокой точности и чистоты поверхностей реза и требуют в большинстве случаев последующей механической обработки. Электроэрозионная резка позволяет получать малую ширину реза и высокое качество поверхности реза, но одновременно с этим характеризуется низкой 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 реза. К числу таких процессов разделения материалов следует отнести лазерную резку, основанную на процессах нагрева, плавления, испарения, химических реакциях горения и удаления расплава из зоны реза.

Сфокусированное лазерное излучение, обеспечивая высокую концентрацию энергии, позволяет разделять практически любые металлы и сплавы независимо от их теплофизических свойств. При этом можно получать узкие резы с  минимальными зонами термического воздействия.

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 лазерную резку можно осуществлять с высокой степенью точности, в том числе легко деформируемых и нежестких заготовок или деталей.  

Благодаря высокой плотности мощности лазерного излучения обеспечивается высокая производительность процесса в сочетании с высоким качеством поверхности реза.

Легкое и сравнительно простое управление лазерным излучением позволяет осуществить лазерную резку по сложному контуру плоских и объемных деталей с высокой степенью автоматизации процесса.

Воздействие лазерного излучения на металлы при резке характеризуется общими положениями, связанными с поглощением и отражением излучения, распространение поглощенной энергии по объему материала за счет теплопроводности, а также специфическими для процесса резки особенностями.

На участке воздействия излучения металл нагревается до первой температуры разрушения – плавления. При дальнейшем поглощении излучения металл расплавляется и от участка воздействия излучения в объем материала начинает перемещаться фазовая граница плавления. Наряду с этим излучение приводит к последующему повышению температуры, достигающей второй температуры разрушения – кипения, когда имеет место активного испарения.

Таким образом, при воздействии лазерного излучения на металлы  возможны два механизма резки – плавление и испарение. Поверхность разрушения, так называемый канал реза, существует по всей толщине в процессе резки и перемещается со средней скоростью в направлении резки.

Однако практическое использование механизма резки под средством механизма испарения затруднено в связи с высокими энергозатратами.

Заметное снижение энергозатрат снижается при использовании вспомогательного газа для удаления продуктов разрушения металла из канала реза. Такой процесс резки называется газолазерной резкой.

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

Стационарный механизм достигается в том случае, когда скорости плавления металла в направлении реза и удаление расплавленного металла равны в каждом сечении канала. При скоростях газолазерной резки меньших установившихся имеет место нестационарный характер разрушения.

При нестационарном разрушении после удаления очередной массы жидкой ванны из канала реза в его нижней части вновь образуется ванна, так как из-за расхождения сфокусированного лазерного излучения нижняя часть канала постоянно находится в поле лазерного излучения. При последующем перемещении металла относительно лазерного излучения, последние попадает на зоны канала, расположенные выше, и подплавляет их. Образованная ванна расплава не удаляется, так как динамическое воздействие дополнительного потока газа оказывается недостаточной. В последующие моменты времени процесс плавления металла приводит к увеличению объема ванны и при достижении определенных размеров ванна уносится из зоны обработки.

Процессы разрушения металла далее повторяются, в результате чего на боковой поверхности кромок реза образуются так называемые бороздки.

При газолазерной резки сталей и ряда  других сплавов в качестве вспомогательного газа используют кислород, обеспечивающий на поверхности разрушения дополнительной теплоты экзотермической реакции. Кроме этого на обрабатываемой поверхности металла образуется оксидная пленка, изменяющая тепловую обстановку в канале реза за счет изменения поглощательной способности материала. Окисная пленка также заметно влияет на гидродинамику течения расплава, так как вязкость окислов существенно превышает вязкость металлического расплава.

Производительность и качество обработки металла с помощью газолазерной резки во многом определяется объемом ванны в канале реза, поэтому расчетная модель описывает образование и течение расплава в ванне.

Шероховатость поверхности кромки реза, профиль реза зависят от толщины ванны расплава на боковой поверхности канала, в свою очередь, определяемую из физической модели разрушения объема ванны на передней стенке канала [1].

Исследование процесса окисления сталей при газолазерной резке с учетом газодинамического течения ванны расплава указывает на наличие тонкой окисной пленки на поверхности расплава. Поглощательная способность поверхности ванны при газолазерной резки сталей близка с поглощением излучения окислами. Поглощательная способность окислов в 2-5 раза превышает поглощательную способность неокисленной металлической поверхности.

Использование инертного газа не позволяет получать высокую производительность газолазерной резки сталей вследствие заметного уменьшения поглощательной способности поверхности передней стенки канала реза при увеличении скорости перемещения расплавленного металла по каналу.

Теоретические влияния параметров лазера и фокусирующей оптики на качество раскроя сталей непрерывным излучением получило установить, что независимо от их выбора существует скорость резки, меньше которой достаточно трудно или невозможно получить требуемое качество обработки.

С целью повышения производительности и качества раскроя сталей по криволинейному контуру на участках прямолинейных или с малой кривизной

Необходимо осуществлять раскрой с максимально возможной скоростью из оптимального диапазона. На участке с большой кривизной и при вырезке углов контура невозможно достигнуть требуемого качества при неизменных технологических параметрах.

Для диапазона скоростей резки υ ˂ 10мм/с независимо от выбора технологических параметров лазера и оснастки подачи вспомогательного газа проблематично достижение требуемого качества раскроя, что физически связано с существованием нестационарного механизма разрушения металла.

Использование газолазерной резки металла так же должно быть обоснованно технологическими и экономическими преимуществами по сравнению с традиционными методами разделения металла.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 ВЫБОР ТИПА ЛАЗЕРА И РЕЖИМА ЕГО РАБОТЫ

 

2.1 Обоснование выбора типа лазера

 

В настоящее время наиболее широкое применение для технологических процессов обработки материалов находят три типа лазеров:

- твердотельные  на иттрий - алюминиевом гранате  с неодимом (ИАГ:Nd);

- твердотельные на стекле с неодимом (Ст:Nd);

- молекулярные или газовые на диоксиде углерода СО2.

Лазеры указанных типов обладают большой выходной мощностью, относительно высоким коэффициентом полезного действия (КПД) и стабильностью параметров излучения.

Твердотельные лазеры, используемые в настоящее время для технологических целей в машиностроении, достигают среднего уровня мощности 50 – 500 Вт, а промышленные серийно выпускаемые лазеры на СО2 ,- более 15 кВт.

Твердотельные Nd – лазеры позволяют осуществлть интенсивную высокоскоростную лазерную обработку. Типичный частотный режим работы современных твердотельных  Nd – лазеров изменяется в пределах 0,05 – 50 кГц, сохраняя среднюю мощность 20 – 50 Вт при высоком для твердотельных лазеров электрооптическом КПД (4-7%). При низких частотах (0,1 – 1Гц) эти лазеры способны генерировать энергию до 10 Дж/импульс при длительности импульса 100 мкс развивая пиковую мощность 105 Вт.

Твердотельные лазеры широко используются при небольших временах воздействия на материал. Так при пробивке отверстий за время импульса путем воздействия лазерного излучения на материал происходит испарение заданного объема. Но для резки материала необходимо достичь высокого значения мощности излучения в непрерывном режиме работы.