Безопасность жизнедеятельности основы безопасности при работе с лазерным излучением. Учебное пособие

излучения, переместить лазерный луч в процессе обработки. С этой целью используются различные зеркальные оптические системы преобразования лазерного излучения.

В зависимости от назначения зеркала геометрическая форма его поверхности может быть плоской либо криволинейной (сфера, пара- бола, гипербола и др.). Плоские зеркала применяют для поворота ла- зерного излучения. Криволинейные зеркала (в первую очередь сфе- рические) используют для фокусировки лазерного излучения.

Зеркала технологических лазеров в основном изготовляют с металлической отражающей поверхностью. При попадании лазер- ного излучения на поверхность металла происходит зеркальное отражение, диффузное рассеяние и поглощение в приповерхност- ном слое. Чтобы уменьшить диффузное рассеяние и поглощение, поверхность зеркала тщательно обрабатывают для достижения минимально возможной шероховатости. Металл для зеркал выби- рают из условия обеспечения максимальной отражательной спо- собности, характеризуемой коэффициентом Rотр зеркального от- ражения, представляющего собой отношение зеркально отражен- ной энергии к энергии падающего излучения. Чем ближе Rотр к единице, тем выше качество зеркала и меньше потери энергии из- лучения при отражении. В табл. 1.1 даны значения Rотр ряда ме- таллов для различной длины волны лазерного излучения.

Требования к материалу, используемому для изготовления зеркал, следующие: Rотр ≥ 98 %; высокий коэффициент теплопро- водности для быстрого отвода теплоты от рабочей поверхности зеркала; высокая твердость с целью облегчить полирование по- верхности зеркала, обеспечить ее стойкость к разрушениям и

11

низкую шероховатость Rа ≤ 10…20 нм; химическая стойкость по- верхности зеркал к воздействию окружающей среды в процессе эксплуатации.

Для удовлетворения этих требований используют многослой- ные покрытия из различных материалов. Например, на зеркало на медной основе наносят слой никеля (облегчает полирование), а затем напыляют слой золота (обеспечивает высокий коэффици- ент отражения и практически не окисляется в процессе эксплуа- тации).

Как правило, металлические поверхности зеркал подвергают суперполированию (т.е. обработке суперабразивной суспензией) с целью уменьшить шероховатость до Rа ≤ 1…10 нм. После по- лирования и суперполирования осуществляют финишную обра- ботку (ионно-лучевую, плазменную, химическую и др.).

В последние годы широко применяют алмазное точение, по- вышающее производительность изготовления зеркал в 6–10 раз по сравнению с суперполированием.

При большой мощности излучения технологического лазера (P > 1 кВт) обычно применяют охлаждаемые (как правило, про- точной водой) зеркала с целью не допустить перегрева и окисле- ния их рабочей поверхности и уменьшить тепловые деформации.

Для лазерной обработки применяют разнообразные оптиче- ские системы. В большинстве случаев основной задачей является обеспечение относительного перемещения луча и обрабатывае- мой детали. При обработке тяжелых крупногабаритных деталей перемещают лазерный луч, а при обработке малогабаритных де- талей – обрабатываемую деталь.

Обработка неподвижных деталей может осуществляться по любому заданному контуру с помощью двух подвижных зеркал (см. рис. 1.1). Плоские зеркала перемещаются линейно: зеркало 2 – вдоль оси выходящего из лазера луча, а зеркало 3 – вдоль оси луча, отраженного от зеркала 2. Фокусирующее устройство и зеркало 3 перемещаются синхронно с зеркалом 2. Перемещение луча можно осуществить и поворотом зеркал (см. рис. 1.2) в двух взаимно перпендикулярных плоскостях.

12

Для фокусировки лазерного излучения малой мощности (Р = 1…3 кВт) используют прозрачные линзы, а для фокусировки лазерного излуче- ния повышенной мощности – зеркала, обеспечивающие значительно больший срок службы. Применяют как одиночные фокусирующие зеркала, так и более сложные по конструкции, но зато и более эффек- тивные двухзеркальные объективы Кассегрена.

На рис. 1.3 показаны схемы лазерной обработки с использованием вогнутого фокусирующего и поворотного плоского зеркал. Если исход- ное лазерное излучение имеет сплошное сечение (рис. 1.3, а), применя- ют плоское сплошное зеркало 4 и фокусирующее сферическое зерка- ло 3, установленное под углом ω к оси падающего на него луча.

Если исходное лазерное излучение имеет кольцевое сечение (рис. 1.3, б), применяют плоское кольцевое зеркало 6 и фокусирую- щее сферическое зеркало 3, соосное с падающим на него лучом.

Рис. 1.3. Схемы лазерной обработки с одиночным фокусирующим зеркалом, наклоненным под углом к лучу (а) и расположенным прямо (б): 1 – лазерный луч; 2 – ось зеркала; 3 – фокусирующее зеркало;

4 – плоское сплошное зеркало; 5 – обрабатываемая деталь; 6 – плоское кольцевое зеркало

Наибольшими возможностями фокусировки лазерного излуче- ния облагают внеосевые объективы Кассегрена (рис. 1.4), состоя- щие из выпуклого зеркала 2 и вогнутого зеркала 3. Этот двухзер- кальный объектив позволяет достичь высокой концентрации энер- гии лазерного излучения.

Фокусировка лазерного излучения сравнительно небольшой мощности (до 3 кВт) осуществляется линзами из оптически про- зрачных материалов. Наилучшие условия фокусировки (т.е. ми- нимальный диаметр пятна сфокусированного излучения) удается

14

получить при фокусировке луча двояковыпуклой линзой (рис. 1.5) с неравными радиусами кривизны поверхности (r1 < r2); при этом линза должна быть установлена более выпуклой стороной к излучению.

Для технологических СО2-лазеров с длиной волны излучения λ = 10,6 мкм в качестве материала при изготовлении линз ис- пользуют искусственные оптические кристаллы из хлористого натрия (NaCl), хлористого калия (КСl), фтористого натрия (NaF)

идр. Также используют оптические линзы из германия (Ge), се- линида цинка (ZnSe), кремния (Si), арсенида галлия (GaAs), имеющие более высокий коэффициент преломления и вследствие этого увеличенные потери на отражение. Поэтому на эти мате- риалы наносят интерференционные просветляющие покрытия. Простые, дешевые в изготовлении линзы из монокристаллов КСl

иNaCl, имеющие небольшие показатели преломления и обеспе- чивающие малые потери на отражение, используют без покры- тия. Недостатками этих материалов являются их гигроскопич- ность, низкая прочность и малая стойкость при эксплуатации.

Фокусировка излучения твердотельных технологических лазе- ров с длиной волны 0,69 и 1,06 мкм осуществляется стеклянными линзами.

15

1.2.Инженерные основы создания технологических лазеров

Перспективы развития лазерной технологии, прежде всего, определяются уровнем разработки и возможностями создания необходимой лазерной техники. Для промышленного освоения лазерной технологии требуются не просто лазеры определенной мощности и качества излучения, а лазеры, удовлетворяющие конкретным условиям производства. Поэтому технологические лазеры должны быть экономичными и надежными в эксплуата- ции, иметь большой ресурс и высокую воспроизводимость пара- метров излучения.

Уникальность свойств лазеров состоит в исключительно вы- сокой когерентности и направленности излучения, возможности генерирования когерентных волн большой интенсивности в ви- димой инфракрасной и ультрафиолетовой областях спектра, по- лучении высоких плотностей энергии как в непрерывном, так и в импульсном режиме.

1.2.1. Достоинства лазерной технологии при обработке материалов

Основными преимуществами лазерной технологии перед дру- гими видами обработки материалов являются:

–высокие мощности излучения, большая и изменяемая плот- ность мощности излучения, что позволяет производить практически все технологические операции, основанные на тепловых процессах;

–кратковременность нагрева материалов и возможность ре- гулирования его временного режима (от 10 –8 до 1 с);

–локальность воздействия, ограниченность зоны теплового воздействия, малая ширина шва, реза и т.п., что обусловливает минимальные деформации обрабатываемых деталей;

–простота управления лучом, возможность расщепления лу- ча на несколько составных лучей меньшей мощности, которые могут быть одновременно использованы для различных техноло- гических процессов, безынерционность луча, отсутствие изна- шиваемости «инструмента» – лазерного луча;

–отутствие механического контакта с деталью, что очень важно при работе с тонкими и хрупкими деталями;

16

–независимость нагрева от механических свойств обрабаты- ваемых материалов, возможность обработки тугоплавких, хими- чески активных разнородных и иных материалов;

–возможность обработки деталей в труднодоступных местах, получение сложных и прецизионных швов и резов и т.д.;

–упрочнение локальных (по глубине и площади) объемов материала деталей в местах их износа;

–получение заданных свойств поверхности деталей с помо- щью лазерного легирования различными элементами;

–возможность полной автоматизации процесса, отсутствие вредных излучений в процессе обработки.

Таким образом, внедрение технологических лазеров в маши- ностроении позволяет: значительно улучшить качество материа- лов и изделий, повысить производительность труда, создать по- верхности деталей и изделий с заранее заданными свойствами; снизить трудоемкость технологических процессов; сэкономить обрабатываемый материал, освоить новые производственные процессы, невозможные без лазерной технологии; улучшить ус- ловия труда, повысить культуру производства и сократить долю ручного труда.

Проведенный технико-экономический анализ различных ти- пов лазеров позволяет сделать вывод, что для процессов лазер- ной обработки в машиностроении наиболее приемлемыми явля- ются твердотельные и газовые лазеры.

Наметились основные направления совершенствования твер- дотельных лазеров: повышение КПД за счет использования но- вых активных элементов и создание высокомощных и эффектив- ных источников накачки; повышение мощности излучения за счет использования новых конфигураций активных элементов.

1.2.2. Классификация технологических лазеров

Принципиальная схема лазера (рис. 1.6) проста и включает в себя активный элемент, устройство накачки активной среды, на- бор зеркал оптического резонатора и систему охлаждения.

17

1.3.Требования к промышленным технологическим лазерам

Технологический лазер представляет собой устройство, предна- значенное для работы в составе комплекса промышленного оборудо- вания, производящего изделия или материалы с заданными физиче- скими и химическими характеристиками и демонстрирующими такие достоинства лазерной технологии, как гибкость (быстрая перестраи- ваемость на разные виды обработки), безотходность, малые габариты производственной линии, бесшумность, надежность, воспроизводи- мость обработки, возможность полной автоматизации процесса. По- этому он должен удовлетворять, во-первых, общим требованиям, предъявляемым к любому промышленному технологическому обо- рудованию; во-вторых, специфическим требованиям, предъявляемым со стороны лазерного технологического процесса или связанным с особенностями лазерного луча как рабочего инструмента.

Для выполнения этих требований технологический лазер должен обладать соответствующими параметрами конструкции и рабочего тела, быть полностью автоматизированным, являться составной ча- стью автоматизированного лазерного технологического комплекса; конструкция его и условия эксплуатации должны обеспечивать пол- ную безопасность в работе и удовлетворять гигиеническим, экологи- ческим и эстетическим требованиям.

Особой группой условий промышленного применения технологи- ческих лазеров является технико-экономическая целесообразность использования каждого конкретного вида лазерной технологии при изготовлении конкретных промышленных изделий. Этот вопрос должен рассматриваться применительно как к текущему моменту, так и в перспективе к ближайшему будущему.

Требования к параметрам лазерного излучения со стороны лазер- ных технологических процессов определяются физической возмож- ностью самого процесса лазерной обработки изделия. К ним отно- сятся: интенсивность излучения и длительность воздействия; средняя мощность излучения, которая определяет не только производитель- ность процесса, но иногда и физическую возможность его (например, в случаях сварки с глубоким проплавлением). Диапазон мощностей от 0,5 до 5 кВт в настоящее время, по экспертным оценкам, покрыва- ет большую часть потребностей применения лазеров в технологии машиностроения. Требования к угловой расходимости и апертуры

19

пучка связаны с требованиями достижения необходимой интенсив- ности излучения при фокусировке лазерного излучения.

Допустимые величины нестабильностей полной мощности излу- чения и угловой расходимости определяют качество процесса лазер- ной обработки (однородность закаленного или наплавленного слоя, однородность глубины и ширины проплавленной зоны при сварке, шероховатость реза и т.д.).

Помимо общепромышленных технико-экономических и эксплуа- тационных требований к оборудованию для лазерных технологиче- ских операций добавляют особые требования.

Технико-экономические требования заключаются в том, что все системы лазерного технологического комплекса должны обладать ресурсом работы не менее 104 ч, характеризоваться высоким средним процентом времени работы оборудования с генерацией и использо- ванием лазерного излучения (не менее 90 %), быть компактным, эко- номичным в расходе электроэнергии, рабочих газов, жидкостей, экс- плуатационных материалов и деталей; комплекс должен быть полно- стью автоматизированным.

Помещение, инженерные и энергетические системы предприятия, на котором будет использоваться лазерный комплекс, должны обес- печивать необходимые мощности и стабильность силовой электросе- ти, давление, расход и качество охлаждающей воды и сжатого возду- ха; нормы уровня вибрации, шума, и электромагнитных наводок, а также нормы температуры, влажности и запыленности воздуха. В настоящее время лазерные комплексы чаще всего имеют автономные замкнутые системы охлаждения и газообеспечения, фильтры газов и жидкостей, защиты оптических элементов и т.д.

Требования, предъявляемые к обеспечению санитарно-гигиенической

иэкологической безопасности эксплуатации лазерного оборудования, имеют не только социально-экономический, но и юридический характер; они определены «Санитарными нормами и правилами устройства и экс- плуатации лазеров».

Экономические требования изготовления технологических лазе- ров включают: модульность конструкции, максимальное использо- вание готовых промышленных выпускаемых комплектующих узлов

иизделий, унификацию и стандартизацию, использование недорогих материалов в конструкции лазера; высокий уровень конструкторской проработки, заключающийся в минимальном числе отдельных бло- ков, в максимальном обеспечении необходимыми в эксплуатации механическими, оптическими и электронными составляющими, ра-

20