- •Введение
- •1. Технологии размерной лазерной обработки
- •1.1. Физические основы лазерной обработки
- •1.1.1. Актуальность применения лазерных технологий
- •1.1.2. Схема технологической лазерной установки
- •1.1.3. Физические основы работы лазера. Волоконные лазеры
- •1.1.4. Физическая модель лазерной обработки
- •1.1.5. Физические явления, ограничивающие качество лазерной обработки
- •1.2. Методы повышения качества лазерной обработки
- •1.2.1. Параметры технологических лазеров и лазерного излучения.
- •1.2.2.Влияние длительности и формы импульсов на качество лазерной обработки
- •1.2.3.Влияние оптической системы на качество и длительность лазерной обработки
- •1.2.4. Многоимпульсная обработка
- •1.2.5. Улучшение качества путем использования струи газа и струи воды
- •1.3. Лазерная резка металлов
- •1.3.1. Особенности и преимущества лазерной резки
- •1.3.2. Характеристики качества лазерной резки
- •1.3.3. Временно–энергетические характеристики типичного импульса и их влияние на качество лазерной резки металлов
- •1.3.4. Влияние оптической системы на лазерную резку
- •1.3.5. Обеспечение режима лазерной резки металлов с высоким качеством и разрешением
- •2. Деформация тонколистовых деталей в процессе лазерной резки
- •2.1. Термодеформационные процессы при лазерной резке тонколистовых деталей.
- •2.1.1. Неравномерный нагрев – причина возникновения напряжений
- •2.2. Используемое оборудование – комплекс лазерный fMark-20 rl.
- •2.2.1.Внешний вид и структура комплекса
- •2.2.2. Сканаторная система комплекса
- •2.2.3. Настройка комплекса для работы
- •2.3. Математическая модель и методика проведения измерений
- •2.3.1. Математическая модель получения изображения
- •2.3.2. Параметрический метод проектирования управляющих программ
- •2.3.3. Настройка оборудования для обработки по управляющей программе, составленной по параметрическому методу
- •2.4. Экспериментальное исследование тепловых деформаций тонколистовых изделий с различной насыщенностью конструктивными элементами.
- •2.4.1. Условия эксперимента
- •2.4.2. Эксперимент 1. Выбор оптимального режима обработки: эргономичность и скорость
- •2.4.3. Эксперимент 2. Выбор оптимального режима: точность и стабильность
- •2.4.4 Эксперимент 3. Связь насыщенности конструктивными элементами и деформаций.
- •2.5. Выводы
- •III. Обработка детали «прокладка контактная»
- •3.1. Проект модернизации технологического процесса детали типа «Прокладка контактная» с использованием лазерного комплекса
- •3.1.1. Существующая технология изготовления деталей типа «Прокладка контактная»
- •3.1.2. Модернизированный технологический процесс изготовления деталей типа «Прокладка контактная»
- •3.1.3. Преимущества предлагаемого технологического процесса
- •Заключение
1.2.2.Влияние длительности и формы импульсов на качество лазерной обработки
Как было определено в предыдущем параграфе, длительность импульса τ является важным параметром, существенно влияющим на качество обработки. Рассмотрим, как выбирается оптимальная продолжительность импульса при лазерной обработке.
Микрообработка лазерным импульсом налагает противоречивые требования на длительность импульса. Формирование глубоких отверстий и разрезов требует увеличения длительности воздействия, т.к. другой способ повышения плотности потока выше Вт/см2 нецелесообразно из–за поглощения излучения в факеле. Однако, получение глубоких отверстий посредством только увеличения длительности воздействия неизбежно ведет к образованию большого количества жидкой фазы, что недопустимо в прецизионной микрообработке.
Решение состоит в выборе коротких импульсов и высокой частоты их следования и плотности потока достаточно большой, чтобы обеспечить минимальное количество жидкой фазы и в то же время достаточно малой, чтобы избежать сильного поглощения света в факеле. Тогда требуемая глубина обработки достигается за несколько сотен импульсов.
Возможно также управление формой импульса, а именно изменение длины переднего и заднего фронтов, огибающей формы импульса в целом.
Увеличение длины переднего фронта ведет к росту диаметра входного конуса
Увеличение длины заднего фронта, в свою очередь, ведет к понижению температуры в конце импульса и образованию большого количества жидкой фазы, а также к снижению давления отдачи паров Pп, которого недостаточно для удаления расплава из отверстия (разреза).
Изучение влияния формы импульса на процесс удаления материала показывает, что не только крутизна переднего и заднего фронта импульса, но также огибающая в целом, очень важны при точной микрообработке. Крутизна переднего края воздействует главным образом на время tи нагрева материала до температуры испарения. Чем меньше крутизна, тем больше и tи и размер зоны теплового воздействия и, поэтому, больше диаметр входного конуса. Полезно чтобы передний край импульса t1 был не длиннее, чем .
Требования к заднему фронту импульса для точной обработки определяются необходимостью резко прервать процесс испарения при достижении желаемой глубины и формы. Это уменьшит до минимума формирование и перераспределение расплава и снизит вероятность плавления стенок. Поэтому, длительность заднего фронта импульса не должна превышать длительности переднего фронта. Лазерные импульсы с требуемыми параметрами могут быть получены разными путями: выбором соответствующих лазеров, использованием модуляции излучения или с помощью источников накачки с профилированным электрическим (и световым) импульсами накачки.
Внутренняя структура импульса существенна при лазерной обработке в режиме пичковой генерации твердотельных лазеров (при общей длительности импульсов ~ 1 мс).
Пичковый режим генерации благоприятен для микрообработки. Его эффективность реализуется при использовании для удаления материала энергией каждого пичка при их высокой мощности и малой длительности (≈ 1 мкс), что заметно снижает потери на теплопроводность, нагрев и плавление.
Высокая точность обработки легко достигается в случае регулярного пичкового режима, т.е. когда все пички имеют одинаковую форму, длительность τ0 и энергию, следуют с постоянными интервалами τi, и обладают однородным пространственным распределением интенсивности. В результате, обработка осуществляется импульсами (пичками) с параметрами (τ0, τi, q) которые выбираются так, чтобы каждый импульс испарял материал с минимальным количеством расплава. Это может быть выполнено, если режим одномерного испарения устанавливается в течение действия каждого импульса. Если, кроме того, в течении интервала между пичками τi испаряемая поверхность остынет
до точки кристаллизации, то минимальное количество жидкости будет удалено со дна кратера. Время τi должно быть достаточным для вылета паров из отверстия, что зависит от текущей глубины hi отверстия и от скорости паров W. При W ~ 1 км/с и hi ≈ мм, должно выполняться условие: .