Лазерная резка алюминия - файл n1.docx

Лазерная резка алюминия
скачать (136.2 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.docx137kb.03.11.2012 16:01скачать

n1.docx

Министерство образования Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального

Образования «Ижевский Государственный Технический Университет»

КАФЕДРА «Физика и оптотехника»

РЕФЕРАТ

на тему:

«Лазерная резка аллюминия»

Ижевск 2010.

Содержание.

1. Введение


3

2. Принцип действия СО2 лазера.


4

3. Лазерная резка

6

- Технология лазерной резки металла.


7

- Технологические параметры лазерной резки.


8

- Преимущества, недостатки и сравнительная характеристика.





10

4. Список литературы

12



Введение.

Лазерный луч способен производить быструю и точную резку практически всех материалов. Критическим параметром здесь является мощность лазера, которая определяет максимальную скорость и глубину разреза, поэтому для резки традиционно используются СО2 лазеры. Поскольку требования к скорости обработки существенно ниже, чем при гравировке и маркировке, лазерный луч обычно делают неподвижным и двигают сам материал. Если для большинства неметаллов - таких как акрил, текстолит, ткань, дерево, пластик, бумага, достаточно умеренных мощностей излучения - до 100-200 Вт, то металлы в этом отношении гораздо более требовательны. 500-ваттный лазер Diamond K500 способен разрезать мягкие сорта стали до 5 мм толщиной и нержавеющую сталь до 4 мм. Алюминий, титан, вольфрам еще хуже поддаются обработке - здесь предельная толщина порядка 2 мм.

Принцип действия СО2 лазера.

Молекулы, в отличие от атомов, имеют не только электронные, но и т. н. колебательные уровни энергии, обусловленные колебаниями атомов, составляющих молекулу, относительно положений равновесия (см. Молекула). Переходы между колебательными уровнями энергии соответствуют инфракрасному излучению. Лазеры, в которых используются эти переходы, называются молекулярными. Из числа молекулярных лазеров особенно интересен лазер, в котором используются колебательные уровни молекулы СО2, между которыми создаётся инверсия населённостей (СО2-лазер).

В газоразрядных CO2 -лазерах инверсия населённостей также достигается возбуждением молекул электронным ударом и резонансной передачей возбуждения. Для передачи энергии возбуждения служат молекулы азота N2, возбуждаемые, в свою очередь, электронным ударом. Обычно в условиях тлеющего разряда около 90% молекул азота переходит в возбуждённое состояние, время жизни которого очень велико. Молекулярный азот хорошо аккумулирует энергию возбуждения и легко передаёт её молекулам CO2 в процессе неупругих соударений. Высокая инверсия населённостей достигается при добавлении в разрядную смесь Не, который, во-первых, облегчает условия возникновения разряда и, во-вторых, в силу своей высокой теплопроводности охлаждает разряд и способствует опустошению нижних лазерных уровней молекулы CO2. Эффективное возбуждение СО2-лазеров может быть достигнуто химическими или газодинамическими методами.

  Тонкая структура колебательных уровней молекулы C02 позволяет изменять длину волны (перестраивать лазер) скачками через 30—50 Ггц в интервале длин волн от 9,4 до 10,6 мкм.

СО2-лазеры обладают высокой мощностью (наибольшая мощность лазерного излучения в непрерывном режиме) и высоким кпд. При возбуждении молекул CO2 электронным ударом и длине газоразрядной трубы 200 м СО2-лазер излучает мощность 9 квт. Существуют компактные конструкции с выходной мощностью в 1 квт. Кроме высокой выходной мощности, СО2-лазеры обладают большим кпд, достигающим 15—20% (возможно достижение кпд 40%). СО2-лазеры могут принципиально эффективно работать и в импульсном режиме. Перечисленные особенности CO2-лазеров обусловливают многообразие их применения: технологические процессы (резание, сварка), локация и связь (атмосфера прозрачна для волн с ? = 10 мкм), физические исследования, связанные с получением и изучением высокотемпературной плазмы (высокая мощность излучения), исследование материалов и т. д.

  Газоразрядные трубки СО2-лазеров имеют диаметр от 2 до 10 см, длина их может быть очень большой . Обычно применяются секционные (модульные) конструкции с током разряда до нескольких а при напряжениях до 10 кв на секцию. Т. к. мощность СО2-лазеров непрерывного действия достигает очень высоких значений, серьёзной проблемой является изготовление достаточно долговечных зеркал хорошего оптического качества. Применяются покрытые золотом сапфировые или металлические зеркала. Вывод излучения зачастую производится через отверстия в зеркалах. В качестве полупрозрачных выходных зеркал применяются пластины из высокоомного германия, арсенида галлия и т. п.

  В электрическом разряде СО2-лазеров имеют место нежелательные эффекты, разрушающие инверсию населённостей, — разогрев газа и диссоциация его молекул. Для их устранения газовая смесь непрерывно «прогоняется» через разрядные трубы лазеров. Так происходит обновление активной среды. Для получения больших мощностей (несколько квт) в непрерывном режиме газ прогоняют через трубку с большой скоростью и разряд происходит в сверхзвуковом потоке. Для того чтобы избежать потерь дорогостоящего Не, газовая смесь циркулирует по замкнутому контуру. Возбуждение электронным ударом производится либо в резонаторе, либо непосредственно перед поступлением смеси в резонатор. В лучших приборах практически все молекулы CO2, влетающие в резонатор, уже возбуждены и за время пролёта через резонатор отдают энергию возбуждения в виде кванта излучения.

Лазерная резка.


При лазерной резке нагревание и разрушение участка материала осуществляется с помощью лазерного луча.

Общепринятые обозначения


LBC – Laser Beam Cutting – резка лазерным лучом

Сущность процесса


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).

лазерная резка 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.

схема лазерной резки металла

Резка различных материалов.


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 требуется излучение более высокой мощности, что обусловлено следующими факторами:

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.

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.

Технологические параметры лазерной резки.


Основными технологическими параметрами процесса лазерной резки являются:

При импульсном режиме к данным параметрам добавляются:

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

влияние мощности лазерного излучения на скорость резки металлов

Рисунок 1. Влияние мощности излучения на скорость резки металлов

влияние скорости лазерной резки на ширину реза в металлах

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.

влияние скорости резки и избыточного давления кислорода на размеры области качественной резки углеродистых сталей толщиной 3 мм

Рисунок 3. Влияние скорости резки и избыточного давления кислорода на размеры области

качественной резки углеродистых сталей толщиной 3 мм при мощности излучения 0,45 кВт

зависимость шероховатости поверхности реза углеродистой стали от избыточного давления кислорода при разных скоростях резки

Рисунок 4. 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.

Таблица1. Сравнение лазерной резки с кислородной, плазменной и гидроабразивной резкой

Наименование

Характеристика лазерной резки по отношению к

кислородной

плазменной

гидроабразивной

Типичная ширина реза (мм)

меньше в разы и десятки раз

Качество

сильно превосходит

превосходит

уступает

Зона термического влияния

меньше

меньше

больше

Ограничение по максимальной толщине металла

очень сильно уступает

значительно уступает по цветным металлам, уступает по остальным металлам

значительно уступает

Производительность резки тонкой стали (до 6 мм, без пакетной резки)

превосходит

сопоставимая

сильно превосходит

Стоимость оборудования

гораздо выше

выше

сопоставимая

Стоимость обслуживания

выше

сопоставимая

сопоставимая

Список литературы.





Учебный материал
© bib.convdocs.org
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации