ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Томский государственный университет

Западно-Сибирский филиал в г. Томске

Российского государственного университета

инновационных технологий и предпринимательства

ООО «Лазерные Инновационные Технологии Томска»

Лазерная резка и сварка

металлов

Учебно-методическое пособие

Томск

2008

Солдатов А.Н., Реймер И.В.

Лазерная резка и сварка металлов. – Учебно-методическое пособие – Томск: Томский государственный университет, 2008. ‑ 23 с.

Кратко изложены теоретические аспекты взаимозависимости лазерного излучения с твёрдым телом. Описана технология сварки и резки металлов. В работе изложены методические указания по измерению параметров резки и сварки металлов из нержавеющей стали.

Пособие разработано для студентов физических, радиофизических и химических специальностей старших курсов дневной формы обучения вузов.

Рецензент:

доктор физико-математических наук, профессор

В.Н. Черепанов

© Томский государственный университет, 2008

© ООО «Лазерные инновационные технологии Томска», 2008

© Западно-Сибирский филиал в г. Томске

Российского государственного университета

инновационных технологий и предпринимательства, 2008

Цель работы

1. Изучить устройство и принцип работы технологического лазера ЛТН - 103

2. Научиться работать с мощным излучением непрерывного лазера наNd-YAG c  = 1064 нм.

3. Научиться вводить излучение лазера в световод и проводить с помощью световода технологические операции резки и сварки металла в защитной среде газов Ar, Kr.

Задания

1. Изучить теорию взаимодействия лазерного излучения с веществом.

2. Излучение лазера ЛТН - 103 мощностью Р = 250 Вт завести в световод с помощью телескопического объектива с F = 100мм.

3. Произвести фокусировку лазерного излучения за световодом телескопическим объективом ТО с F = 50мм и F = 100мм.

4. Вычислить достижимую плотность мощности для трех токов накачки Iн = 10, 20, 30 А

5. Научиться измерять размер фокального пятна с помощью микроскопа и визуализатора.

6. Произвести лазерную сварку металлических деталей из нержавеющей стали измерить глубину h ширину Б и скорость V cварки.

7. Построить зависимость глубины образования сварного шва h и скорости V в различных типах стали, свариваемых при помощи лазера Nd-YAG непрерывного действия мощностью 250Вт.

8. Произвести лазерную резку ШХ15, измерить глубину h и ширину реза b и скорости V.

9. Построить зависимость глубины реза h и скорости V в различных типах стали для лазера Nd-YAG непрерывного действия мощностью 250Вт.

10. Произвести лазерный разрез древесины.

Рекомендуемая литература

1. Дж. Реди. Промышленные применения лазеров // Изд-во Мир,1981 - С. 359.

2. Лазеры в технологии / Под ред. М.Ф. Стельмаха // М., Энергия, 1975. - С. 108.

3. Антонов Г.Ф. Механизм создания отверстий в вертикально расположенных металлических пластинах непрерывного излучения СО₂–лазера // Квантовая электроника. – 1999. – Т. 26. - № 2. - С.139.

4. Лазерные технологии. Материалы конференции // Санкт – Петербург. 1997.

5. У. Дьюли. Лазерная технология и анализ материалов // М.,Изд-во Мир, 1986. - c 82 – 93.

Теоретическая часть Поглощение лазерного излучения металлами

Для непрозрачных твердых тел доля падающего монохроматического излучения, поглощенная телом, равна

А = ε = 1 ‑ r₀,

где А – поглощательная способность, ε – степень черноты, R₀ – отражательная способность при нормальном падении излучения. Значения R₀ и  можно вычислить по данным измерений оптических постоянных или комплексного показателя преломления. При комплексном показателе преломления,

m = n ‑ ik,

отражательная способность в случае нормального падения излучения равна

R₀ = [(n - 1)² + k²]/[(n + 1)² + k²],

а степень черноты равна

ε = 4n/[(n + 1)² + k²].

Для металлов в общем случае n и k являются функциями длины волны и температуры. Изменения n и k с длиной волны и соответствующие изменения ε для Ti при 300 К показаны на рис. 1. Очевидно, что и n, и k относительно слабо зависят от λ в интервале длин волн 0,4 < λ < 1,0 мкм, а  в этом интервале велика. При больших λ, n и k быстро увеличиваются с λ, а ε падает до небольшой доли своего значения на более коротких длинах волн. В ИК-области  ~ 1/λ^1/2 при постоянной температуре. Так как  ~ r^1/2, где r – электрическое сопротивление, возрастающее с температурой, ε (λ) также увеличивается с температурой в ИК-области.

Температурная зависимость ε (λ) при λ1 мкм более сложная, однако полное изменение ε меньше, чем в ИК-области. В видимой области спектра ε обычно несколько уменьшается с ростом температуры.

Рис. 1. Зависимость , n и k от длины волны λ для Τi при 300 К

Т а б л и ц а 1.