Лазер для резки металла

Средняя мощность излучения лучших твердотельных лазеров имеет ограничения, связанные с малыми линейными размерами синтетических кристаллов и низкой теплопроводностью, затрудняющей охлаждение активных элементов.

Также твердотельные лазеры имеют низкий КПД, поскольку при работе возникают большие потери, связанные с тепловыми потерями в активной среде и лампе накачки.

Для лазерной резки металла в непрерывном режиме наиболее применимым будет электроразрядный СО2 лазер работающий в непрерывном режиме, в котором используются нижние колебательные уровни возбужденных молекул СО2   для генерации инфракрасного излучения с длиной волны 10,6 мкм. Для повышения эффективности генерации излучения молекул углекислого газа в большинстве СО2 лазеров используют газовую смесь с различным процентным содержанием диоксида углерода СО2 , азота N2  , и гелия Не. Добавка азота в рабочую смесь способствует усилению генерации лазерного излучения, а гелий необходим для отвода теплоты во время генерации вследствие высокой теплоемкости  и теплопроводности, понижая тем самым общую температуру смеси.  

В СО2 лазерах широко распространена схема с самостоятельным газовым разрядом, совмещающим функции накачки и ионизации газовой смеси. При высоких мощностях в непрерывном режиме применяют продольную или поперечную прокачку газовой смеси для увеличения ее объема.

СО2 лазеры характеризуются высоким значением КПД (10-30%) что является еще одним преимуществом для резки материала [2].

При использовании лазерного излучения для резки необходимо применить специальную оптическую систему для фокусировки излучения и направления на обрабатываемый материал. Также необходимо предусмотреть систему перемещения детали при обработке.

Возможная система фокусировки представлена на рисунке 1.1.

Здесь лазерное излучение, выходящее из лазера 1, отражается от зеркала 2 и направляется на фокусирующую линзу 3. Обрабатываемый материал 4 находится в фокусе линзы. При данной системе, в случае заготовок малой массы, возможно, их перемещение относительно сфокусированного пятна излучения.

При обработке крупногабаритных заготовок выгоднее использовать движущееся лазерное излучение относительно неподвижной заготовки. Это можно достичь, используя систему подвижных оптических передающих элементов

 

Рисунок 1.1- Оптическая система фокусировки

 

Для улучшения параметров лазерной резки и увеличения КПД процесса в зону обработки целеобразно подавать струю кислорода  под давлением 1-2 атм (рис. 1.2).

 

 

Рисунок 1.2 – Вид газолазерной головки

Для этой цели используют сопло в виде усеченного металлического конуса. Газ, выходящий под давлением соосно лазерному пучку из сопла, кроме технологических функций выполняет функцию защиты линзы от продуктов лазерного излучения. Наряду с соосной подачей газа возможно осуществление боковой подачи газа [3]. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 РАСЧЕТ АКТИВНОЙ СРЕДЫ

 

3.1 Расчет  мощности лазера

 

Для расчета мощности лазерного излучения для резки металла необходимо определить характеристики заданного металла.

Характеристики стали 45:

- температура  плавления Tпл = 1520 ˚С;

- плотность  металла ρ = 7.87 · 103 кг/м3;

- теплоемкость  металла с = 0.472·103 Дж/кг·град;

- теплота плавления γ = 0.84·103 Дж/кг.

Толщина разрезаемого листа h =1 мм, ширина реза примем равной        d = 0.3 мм.

Расчет производится на длину в  L=1 м листа.

Объем удаляемого материала:

 

                         (3.1.1)

 

Масса удаляемого металла:

 

                        (3.1.2)

 

Энергия необходимая для резки листа стали рассчитывается из уравнения теплового баланса:

 

                                                                                         (3.1.3)

 

где - количество энергии необходимое для нагрева металла до температуры плавления; - энергия необходимая для плавления металла.

 

                                                                    (3.1.4)

 

 где - температура окружающей среды. Принимаем .

Подставив числовые значения, получим:

 

 

 

Энергия необходимая для плавления металла:

 

                          (3.1.5)

 

Суммарная энергия по формуле (2.3):

 

 

 

          При расчете энергии необходимо  учесть, что часть излучения отражается  от поверхности металла. Коэффициент  отражения поверхностью металла  излучения CO2 лазера высок, однако он понижается при окислении поверхности металла. Также возможно принудительное нанесение химических покрытий способствующих повышению поглощательной способности металла.

          Учитывая коэффициент отражения  R = 0,55, получим:

 

 

 

Зададим скорость резки листа V = 5 м/мин, что соответствует разрезанию листа длиной в 1 м за время равное t = 12 с.

Определив скорость резки металла, получим необходимую мощность лазерного излучения для осуществления технологического процесса:

 

 

 

Для резки стали 45 будем использовать СО2 лазер работающий в непрерывном режим.

 

3.2 Расчет объема активной среды

 

Для расчета объема активной среды необходимо рассчитать число активных центров в среде.

Для этого рассчитаем мощность единичного перехода в активной среде:

 

 

 

где  - энергия единичного перехода; = 10-3 с - время жизни атома на метастабильном энергетическом уровне.

Энергия единичного перехода рассчитывается по формуле:

 

 

 

где длина волны лазерного перехода.

Подставив числовые значения в формулу (3.1), получим:

 

 

 

Для создания заданной мощности лазерного излучения количество активных центров равно:

 

 

 

Объем активной среды рассчитывается по формуле:

 

 

 

где - число Авогадро; Т – температура дугового разряда; -   парциальное давление .

Подставив числовые значения получим значение объема активной среды:

 

 

 

 

Приняв значение квантового выхода равным ηкв = 0.25 и число возбужденных молекул N2 равным η = 0.5, получим реальное значение объема активной среды:

 

 

 

Суммарный объем газовой смеси в этом случае:

 

 

 

При данном значении мощности лазерного излучения и объема активной среды необходимо осуществить продольную прокачку газовой смеси и обеспечить охлаждение лазера.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4 ВЫБОР РЕЗОНАТОРА

 

Оптический резонатор — совокупность нескольких отражающих элементов, образующих открытый резонатор, формирующих стоячую световую волну. Необходимы резонаторы с разреженным спектром собственных колебаний. Такими свойствами обладают открытые резонаторы, что и обуславливает их применение в оптическом диапазоне.  Количество отражающих зеркал может быть различно, но наиболее часто применяются двухзеркальные резонаторы, в которых зеркала могут быть плоскими или сферическими. Из различных возможных типов резонаторов обратим внимание на следующие резонаторы:

– Плоскопараллельный резонатор (или резонатор Фабри - Перо).

Этот резонатор состоит из двух плоских зеркал, расположенных параллельно друг другу. В первом приближении моды такого резонатора можно представить себе как суперпозицию двух плоских электромагнитных волн распространяющихся в противоположных направлениях вдоль оси резонатора.

–    Концентрический (или сферический) резонатор. Этот резонатор состоит из двух сферических зеркал, имеющих одинаковые радиусы, и расположены на расстоянии друг от друга таким образом, что центры кривизны зеркал совпадают. В этом случае моды резонатора представляют собой суперпозицию двух сферических волн исходящих из точки совпадения центров кривизны.

– Конфокальный резонатор. Он состоит из двух сферических зеркал с одинаковыми радиусами кривизны, которые расположены на расстоянии друг от друга таким образом, что фокусы зеркал совпадают. То есть центр кривизны одного зеркала лежит на поверхности другого.

– Полуконфокальный  и полуконцентрический резонатор. Состоят из плоского и сферического зеркала, и по своим свойствам близки к комфокальному и концентрическому резонатору [4].

Для СО2 лазера предназначенного для резки металла более предпочтительным  будет использование плоскопараллельного резонатора Фабри – Перо.

Глухое зеркало резонатора должно обеспечивать высокий коэффициент отражения излучения лазера. Для длины волны в качестве материала зеркала используют медь, покрытую тонким слоем золота. Коэффициент отражения такого зеркала достигает 0,98.  Более высокий, чем у металлов, коэффициент отражения может быть обеспечен применением интерференционных покрытий, наносимых вакуумным напылением на подложку из материала с высокой прозрачностью на длине волны 10,6 мкм. Количество слоев из интерференционных материалов для зеркал CO2-лазеров  может колебаться от 1 до 5.

Для выходного зеркала в качестве подложек  применяется германий или упрочненный и очищенный кристалл хлористого натрия NaCl или хлористого калия KCl [5] .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВЫВОД

 

В данной курсовой работе рассмотрена  установка для лазерной резки стали 45. Выбран тип лазера и его режим работы, рассчитана необходимая энергия и объем активной среды. В результате расчета получены результаты:

- тип лазера – СО2-лазер (рабочая длина волны l=10,6 мкм);

- объём активной среды V = м3;

- необходимая мощность лазера P = Вт.

Также рассмотрены системы фокусировки излучения и перемещения обрабатываемого материала. Даны основные характеристики СО2-лазера и оптических резонаторов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОК

 

1. Григорянц А. Г. Основы лазерной обработки материалов – М.: Машиностроение, 1989. – 304с.

2. Кондиленко И.И., Коротков П.А., Хижняк А.И. Физика лазеров. – К.: Выща шк. Головное изд-во, 1984. – 232с.

3. Байбородин Ю.В. Основы лазерной техники – 2-е изд., перераб. и доп. – К.: Вища шк. Головное изд-во, 1988. – 383 с.

4. Быков В. П., Силичев О.О. Лазерные резонаторы. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2004. – 320 с.

5. Справочник по лазерной технике: Пер. с нем. Под ред. проф. А.П.Напартовича. – М.: Энергоатомиздат, 1991. – 544 с.: ил.

6. Газовые лазеры: Пер. с англ. /Под ред. И.Мак-Даниеля и У.Нигена – М.: Мир, 1986. – 552с., ил.

7. Федоров Б. Ф.  Лазеры. Основы устройства и применение. – М.: ДОСААФ, 1988.- 190с.

8. Основы лазерной техники: Учеб. Пособие для студентов приборостроительных спец вузов/ К.И. Крылов, В.Т. Прокопенко, В.А. Тарлыков. – СПб.: Машиностроение, 1990. – 316 с.: ил.