Лазерная резка : расчет зануления кабельной сети и освещенности сборочного мест блока

ЧАСТЬ ПЕРВАЯ

Обзор научно-технической информации.

1.1 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. При использовании кислорода или воздуха

при резке металлов на поверхности разрушения образуется оксидная

пленка, повышающая поглощательную способность материала, а в результате

экзотермической реакции выделяется достаточно большое количество

теплоты.

Для резки металлов применяют технологические установки на основе

твердотельных 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 еще достаточно

высока, хотя в последнее время наметилась тенденция к ее снижению. В

связи с этим процесс газолазерной резки (в дальнейшем просто лазерной

резки) становится эффективным только при условии обоснованного и

разумного выбора области применения, когда использование традиционных

способов трудоемко или вообще невозможно.

В разделе 1.3 рассматриваются стационарные тепловые процессы для

оценки их влияния на скорость резки, представленные уравнением ( 1.4,

1.5 ).

Достаточно приближенно рассматривался процесс течения газа в зоне

резки, показывая лишь минимальный расход газа, при котором еще возможна

резка и качественное влияние состава газа на разрушение материала.

Не учитывалось влияние явлений оптического пробоя (

возникает при q ( 107 - 108 Вт/см2 ) и экранировки излучения плазменным

факелом.

1.2 Физические процессы при лазерном воздействии на поверхность

твердых тел.

Поглощение и отражение лазерного излучения. В основе лазерной

обработки материалов лежит способность лазерного излучения создавать на

малом участке поверхности высокие плотности теплового потока,

достаточные для нагрева, плавления или испарения практически любого

материала. Это связанно с термическим эффектом поглощения излучения

непрозрачными твердыми телами.

Световой поток лазерного излучения, направленный на поверхность

обрабатываемого материала, частично отражается от нее, а частично

проходит в глубь тела. Излучение, проникающее в глубь металла,

практически полностью поглощается свободными электронами проводимости в

приповерхностном слое толщиной 0,1- 1 мкм, эти электроны переходят в

состояния с более высокими уровнями энергии, т.е. возбуждаются.

Возбужденные электроны сталкиваясь с другими электронами или

узлами кристаллической решетки передают им избыток энергии.

Основная доля теплоты при лазерном нагреве переносится в глубь

металла посредством электронной проводимости. Поэтому, тепловые

процессы при лазерном нагреве имеют ту же физическую природу, что и

традиционные способы термического воздействия на металл, это дает

возможность пользоваться классической теорией теплопроводности.

Интенсивность поглощения энергии определяется значением

коэффициента поглощения, который зависит от рода материала и длинны

волны падающего излучения.

Поглощательная способность неокисленной металлической

поверхности на длине волны лазерного излучения ( = 10,6 мкм

определяется уравнением: ( = 112,2 ((0-1)-1/2 , где ( - коэффициент

поглощения; (0 - удельная электрическая проводимость металла по

постоянному току, См/м.

Это выражение применимо для коэффициентов поглощения чистых,

полированных поверхностей. Для материала с неочищенной, неполированною

поверхностью ( материала поставки ) коэффициент поглощения зависит от

состояния поверхности и может значительно превышать для чистых

металлов ( табл. 1.1 ).

Таблица 1.1 Коэффициенты поглощения различных материалов (, для

излучения ( = 10,6 мкм, % .[2]

| | | |

|Материал |Поверхность |Полирован|

| |в состоянии |-ная |

| |поставки |поверхнос|

| | |ть |

|Нержавеющая сталь | | |

| |39 |9 |

|Алюминий | | |

| |12 |2 |

|Медь | | |

| |12 |2 |

| | | |

|Низкоуглеродистая сталь |85 |48 |

| | |11 |

|Серебро |___ | |

| | | |

Рис.1.1 Зависимость

коэффициента пог-

лощения излучения

СО2 - лазера от

температуры для

различных материалов

[2]

При нагревании образца электрическая проводимость металлов

уменьшается, соответственно возрастают коэффициенты поглощения. Если

лазерная обработка поверхности происходит в воздушной или какой-либо

окислительной среде, то происходит рост оксидной пленки на поверхности

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 поглощения (эф [2]:

а - дюралюминий ;

б - сталь.

По мере роста оксидной пленки на поверхности железа

коэффициент отражения периодически уменьшается, когда толщина пленки

становится кратной половине длинны волны света. Таким образом (эф

испытывает изменения во времени ( рис. 1.2 б ). Эффективный

коэффициент поглощения железа может быть на порядок выше, чем тот же

коэффициент для чистой поверхности.

Оксидная пленки на поверхности алюминия термически прочная,

Tпл выше 20000 С и ее толщина при нагревании не изменяется и

коэффициент поглощения остается практически постоянным ( рис. 1.2 а ).

Коэффициент поглощения можно увеличивать искусственно. Для

излучения CO2 - лазеров это особенно важно, т.к. на длине волны

излучения ( = 10,6 мкм коэффициенты поглощения для большинства

металлов менее 10%. Для увеличения поглощения поверхность образца

покрывают специальными теплостойкими веществами, хорошо поглащающими ИК

- излучение, например фосфат цинка, для которого при Т = 10000 С

эффективный коэффициент поглощения (эф = 0,7.

Рис 1.3 Схема резки металла

лучом лазера.

Влияние поляризации лазерного излучения. При перемещении

лазерного излучения относительно материала образуется рез, нормаль к

поверхности которого составляет с падающим лучом угол ( ( рис. 1.3 ).

При наклонном падении отражение лазерного излучения зависит от

поляризации. Способности поглощения лазерного излучения ((( -

составляющей, лежащей в плоскости падения луча, и (( - составляющей,

перпендикулярной плоскости падения луча, в общем случае различны. Это

означает, что способность поглощения поляризованного излучения зависит

от ориентации электрического вектора напряженности относительно

поверхности металла.

Зависимость способности к поглощению излучения железа и

алюминия на длине волны ( = 10,6 мкм для двух составляющих ((( и

Страницы: 1, 2, 3