Металлургические машины и оборудование расчет основных параметров лазерного технологического оборудования. Учебное пособие

При необходимости расщепить излучение на две позиции очень часто используется решение, продемонстрированное на рис. 4.7. Здесь в оптический канал вводится бипризма 2, расщепляющая излу- чение на два луча под небольшим углом друг к другу. Оба луча фо- кусируются объективом 5. в виде двух световых пятен. Расстояние между ними рассчитывается по формуле

L = ФtgΨ,

где Ψ – угол расщепления лучей, Ψ = 2 ϕ(n – 1); здесь ϕ – преломляющий угол бипризмы;

n – коэффициент преломления стекла бипризмы.

Как правило, при использовании в лазерных установках подобных ОС расстояние между световыми пятнами не превышает 1 мм.

Рис. 4.7. Схема расщепления луча:

1 – луч лазера до расщепления; 2 – бипризма; 3 и 4 – разделенные лучи после призмы; 5 – объектив; 6 и 7 – свариваемые детали

Если в такой системе вместо бипризмы установить аксикон с та- кими же преломляющими углами, то излучение в фокальной плоско- сти будет фокусироваться в кольцо. Это может быть использовано при сварке в торец деталей, сопрягающихся по цилиндрической по- верхности.

81

4.4. Приемники оптического излучения

Приемники оптического излучения (ПОИ) – это устройства, изме- нение состояния которых (реакция) под действием оптического из- лучения служит для обнаружения и измерения этого излучения. Оп- тическое излучение взаимодействует с веществом чувствительного элемента приемника оптического излучения, в результате чего энер- гия излучения преобразуется в другие виды энергии (тепловую, элек- трическую, механическую и т.д.), более удобные для непосредствен- ного измерения. Приемники оптического излучения являются одним из основных узлов автоматизированных систем управления.

Основными параметрами ПОИ являются:

–пороговая чувствительность – минимальный поток излучения,

который может быть обнаружен на фоне собственных шумов прием- ника, отнесенный к единице полосы рабочих частот, Вт/Гц1/2;

–коэффициент преобразования (интегральная чувствительность, относительная чувствительность), связывающий падающий поток излучения с величиной сигнала на выходе приемника;

–постоянная времени – время, за которое сигнал на выходе ПОИ нарастает до определенного уровня (служит мерой способности при- емника регистрировать сигналы малой длительности;

–спектральная характеристика – зависимость чувствительности приемника от длины волны излучения. По этому признаку приемни- ки делятся на:

•неселективные, у которых чувствительность – величина посто- янная на широком диапазоне спектра;

•cелективные, имеющие на спектральной характеристике четко выраженные максимумы и (или) минимумы.

В зависимости от механизма преобразования энергии приемники

подразделяются на тепловые, фотометрические, фотохимические, пондемоторные (механические).

Втепловых приемниках поглощение энергии (табл. 4.1) приводит

кповышению температуры чувствительного элемента, которое, в свою очередь, вызывает изменение различных параметров вещества (электропроводности, поляризации и т.д.)

Наиболее распространенные из них – металлические и полупро- водниковые болометры и термоэлементы; применяются также моле- кулярные радиометры, оптико-акустические, пироэлектрические приемники и др. Действие болометров основано на изменении элек- трического сопротивления при изменении температуры из-за погло- щения излучения.

82

Втермоэлементах изменение температуры приводит к появлению

вних термоЭДС.

Воптико-акустических и пневматических приемниках регистри- руется либо увеличение объема среды, либо акустические волны (звук), возникающие из-за поглощения излучения.

Пироэлектрические изготавливаются на основе сегнетоэлектри- ков; при взаимодействии с излучением на их поверхности появляют- ся статические электрические заряды.

Тепловые приемники, как правило, неселективны и пригодны для измерения в широкой области спектра (0,2…50 мкм). Пороговая чув-

ствительность лучших тепловых приемников 10–11…10–10 Вт/Гц1/2 при постоянной времени 10–4 с.

Фотоэлектрические приемники непосредственно преобразуют элек- тромагнитную энергию в электрическую. К ним относятся фотоэле- менты, фотоумножители, фоторезисторы, фотодиоды. Эти приемники селективные, их реакция зависит от энергии квантов. Красная граница 0,06…1,2 мкм. Чувствительность приемников 10–12…10–15 Вт/Гц1/2 при постоянной времени 10–5…10–7с.

Пондемоторные приемники реагируют на световое давление, для измерения которого используют крутильные весы; они чувствитель- ны к вибрациям и тепловому излучению окружающей среды.

Фотохимические приемники основаны на фотографических слоях. Мерой величины поглощенной энергии служит оптическая плот- ность проявленного фотослоя.

83

Диапазон чувствительности человеческого глаза – 0,4…0,8 мкм с максимумом 0,555 нм. Порог чувствительности – 10–17 Вт/Гц1/2, что соответствует нескольким десяткам фотонов в секунду. Охлаждаемые

тические приемники чаще применяются в далекой ИК-области спектра.

4.5. Выбор оптимального устройства охлаждения лазера

Лазер, как любой другой электрический прибор, является нагрева- тельным прибором. Нагрев окружающей среды является побочным нежелательным для технологического оборудования процессом. Не- гативные последствия нагрева связаны с изменениями настройки оп- тической системы лазерного технологического оборудования. Воз- никает задача отвода тепла от лазера.

Необходимо перед проектированием ЛТО или подбором помеще- ния для его размещения определить требования к электрической и водопроводной сетям.

Определение расхода охлаждающей жидкости

В качестве исходных данных имеем: мощность излучения лазера Ризл и коэффициент полезного действия лазера η.

Потребляемую лазером мощность равную, Ризл/η, необходимо от- вести при помощи нагрева определенного количества воды в тепло- обменнике. Для этого тепловыделяющие части лазера (активный эле- мент, отражатель излучатель, часть блока питания и т.д.) помещают в теплосъемный кожух («водяную рубашку»). Система охлаждения, как правило, строится по двухконтурной схеме:

•первый контур включает «водяную рубашку» и «вход теплооб- менника»;

•второй контур включает «выход теплообменника» и «водопро- водную сеть» при малом расходе. Или «выход теплообменника» и «автономный резервуар» при значительном расходе. Граничным критерием является экономическая целесообразность.

Необходимое для охлаждения количество воды рассчитывается по формуле

Если расход воды значителен, целесообразно использовать авто- номный резервуар оборотной воды.

84

4.6. Обзор отечественных ЛТУ и ЛТК

Лазерная система для упрочнения деталей и точного раскроя листового материала (на основе CO2-лазеров)

Изготовитель: ИМАШ РАН Лазерная закалка сталей 45, 40Х позволяет получить твердость

упрочненного слоя 57...60 HRC, что невозможно обеспечить при тра- диционных методах термической обработки. Глубина зоны закалки 0,9...1,2 мм. Применение лазерной резки дает возможность оказаться от проектирования и изготовления дорогостоящей оснастки: выруб- ных и просечных штампов, кондукторов и шаблонов. Скорость ла- зерной резки стального листа толщиной 1 мм при мощности излуче- ния 2,5 кВт достигает 10 м/мин.

Лазерные комплексы для резки, сварки, термообработки и наплавки (на основе CO2-лазеров)

Изготовитель: ИТПМ СО РАН Комплексы изготавливаются под конкретные задачи потребителя

и состоят из лазера мощностью 1,5...5 кВт, технологического стола и автоматической системы управления. Предлагаются промышленные лазерные технологии резки листовых материалов, сварки, термооб- работки и лазернопорошковой наплавки.

85

Технологические возможности комплексов:

–лазерная резка листовых материалов;

–обрабатываемые материалы: металлы, древесина, пластик, па- ронит, стекло, керамика и т.п.;

–площадь раскроя до 2,5 × 6 м2; точность обработки – до 10 мкм при скоростях резки до 20 м/мин.

Характерные толщины листов и режимы обработки для мощности лазера 1,5 кВт

Лазерная сварка. Комплекс позволяет сваривать с минимальным тепловым влиянием стальные детали с толщиной стенки до 10 мм при скорости до 5 м/мин.

Лазерная термообработка. Технология лазерной закалки приме- няется преимущественно для получения самозатачивающегося инст- румента. Лазерная термообработка применяется также в комплексе с механической обработкой после восстановления изношенных по- верхностей валков прокатных станов методом лазерно-порошковой наплавки.

Оборудование для лазерной обработки поверхности и резки материалов (на основе СО2-лазера)

Изготовитель: БНТУ Область применения: лазерная закалка, резка, легирование, на-

плавка и сварка изделий сложной формы и больших размеров.

86

Оборудование поставляется с руководством по реализации технологи- ческих процессов, которые отрабатываются под конкретных заказчиков.

«КАМЕЯ» – лазерная технологическая установка (на основе СО2-лазера)

Изготовитель: ФГУП «ИСТОК» Установка предназначена для резки изделий из дерева и других

диэлектрических материалов. Состоит из лазерного технологическо- го модуля, блока питания и системы числового программного управ- ления. В состав технологического модуля входят двухкоординатный стол, лазерный комплекс, система транспортировки лазерного луча с элементами управления и фокусировки.

Управление установкой (исполнительными органами и режимами излучения) осуществляется системой ЧПУ.

* По заказу поставляется устройство автоматического перемещения заготовки для обработки изделий длиной более 400 мм.

87

КЛТ-01 – технологический лазерный комплекс (на основе твердотельного лазера)

Изготовитель: ОАО «Туламашзавод» Предназначен для лазерной обработки различных материалов – ста-

лей, в том числе нержавеющих, цветных металлов и их сплавов, кера- мики, пластмасс и др. Выполняет следующие технологические опера- ции: сверление, сварка, резка, гравирование, термоупрочнение и др.

Комплекс состоит из твердотельного Nd:YAG-лазера МЛТИ-500 собственного производства.

Комплекс оснащен источником питания и контроля фирмы ANALOG MODULES (США), холодильной установкой рефрижера- торного типа фирмы NESLAB (США), трехкоординатным столом фирмы AEROTECH (США) с системой ЧПУ Unidex-620 на базе про- мышленного компьютера. Наличие такого рабочего стола и бескон- тактного датчика фирмы PRECITEC (Германия) позволяет вести об- работку объемных деталей и управлять положением точки фокуси- ровки относительно обрабатываемой поверхности.

88

ЛСП-2000 (LSP-2000) – лазерный комплекс (на основе Nd:YAG-лазера)

Изготовитель: КТИНП СО РАН Комплекс предназначен для обработки металлических изделий

большого размера с произвольной формой поверхности.

Основные узлы комплекса: Nd:YAG-лазер для испарения метал- лических пленок, Nd:YAG-лазер для резки или сварки, шестикоор- динатная система ЧПУ с возможностью одновременного движения по всем координатам, трехкоординатный стол портального типа, сис- тема углового перемещения исполнительного элемента.

Конструктивные особенности: бесконтактные воздушные под- шипники в системе позиционирования портала; бесконтактный при- вод в системе позиционирования портала и исполнительного элемен- та; аэростатическая система поддержания зазора между исполни- тельным элементом и обрабатываемой поверхностью; система ЧПУ для управления режимами обработки.

Управление комплексом – автоматическое от ПЭВМ совместимой с IBM PC.

89

MЛ4-1, MЛ4-2 – машины лазерные для сварки и размерной обработки материалов (на основе твердотельного лазера)

Изготовитель: НПЦ «Лазеры и аппаратура ТМ» Машины серии МЛ-4 предназначены для ручной и автоматиче-

ской сварки изделий из черной и нержавеющей стали, ковара, титана и др., а также резки, прошивки отверстий, гравировки металлов и сплавов, поликора, керамики, ситалла и др. Управление машинами осуществляется от компьютера.

Основные функциональные модули машины: лазерный излуча- тель, оптическая система с каналом телевизионного контроля, блок охлаждения, источник питания ламп, координатный стол, компью- тер, блок управления координатным столом и приводами оснастки, блок управления машиной, индикатор энергии (мощности) излуче- ния лазера, блоки управления газовой и пневмосистемой. Для визу- ального контроля зоны обработки в оптическую систему встроена TV-камера. Энергия, частота повторения, длительность и форма им- пульса излучения могут варьироваться в широких пределах.

Основные опции: вращательное приспособление с блоком управ- ления для сварки круговых швов под различными углами; режущая

90