Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Диплом 06 мая 2012.docx
Скачиваний:
214
Добавлен:
21.03.2016
Размер:
1.09 Mб
Скачать

1.1.4. Физическая модель лазерной обработки

Лазерная обработка материалов основана на том, что использование лазерного излучения позволяет создавать на малом участке поверхности высокие плотности теплового потока, необходимые для интенсивного нагрева или расплавления практически любого материала.

При воздействии на поверхность обрабатываемых металлов и сплавов часть потока лазерного излучения отражается от нее, а остальная часть проникает на малую глубину. Процессы распространения теплоты зависят от интенсивности теплового воздействия и в значительной степени – от теплофизических свойств материала: его теплопроводности и теплоемкости. Комплексной характеристикой теплофизических свойств материала является коэффициент температуропроводности, характеризующий скорость выравнивания температуры при нестационарной теплопроводности. Он определяет, с какой скоростью в материале происходит передача тепловой энергии.

Таким образом, вне зависимости от применяемого типа лазера, в обрабатываемом лазерным методом материале наблюдаются некоторые физические процессы, связанные с передачей тепловой энергии: изменение фазового состояния и структуры, химические реакции, физические переходы – плавление, испарение и др.

Рассмотрим общую схему физических процессов при лазерной обработке.

  1. Поглощение лазерного излучения по закону при глубине проникновения света.

  1. Нагрев материала до точки плавления Тпл.

  2. Плавление после поглощения удельной теплоты плавления Lпл.

  1. Нагрев до точки испарения (кипения) .

  2. Испарение после поглощения удельной теплоты парообразования Lисп.

  3. Движение испаряемой поверхности вглубь материала со скоростью V0.

  1. Образование плазмы.

Существенное значение имеет расплавление материала и появление так называемой жидкой фазы, так как ее количество и распределение (удаление за счет испарения со стенок) оказывают непосредственное влияние на точность обработки.

Стоит также заметить, что физические процессы при импульсной периодической резке, являющейся предметом изучения в данной работе, во многом совпадают с таковыми при сверлении отверстий, так как рез образуется как совокупность отдельных отверстий.

1.1.5. Физические явления, ограничивающие качество лазерной обработки

Практически в любом реальном процессе формирования отверстий и резки существенная доля жидкой фазы остается на стенках после окончания лазерного импульса.

Формирование большого количества жидкой фазы и ее неполное удаление из отверстия – это наиболее неблагоприятный и трудноуправляемый фактор, который ведет к значительному уменьшению эффективности и ухудшению качества сверления отверстий.

Перераспределение жидкой фазы до кристаллизации оказывает решающее влияния на окончательную форму отверстия. В результате ее перераспределения, форма отверстия в момент отвердевания может существенно отличаться от формы, определенной геометрией луча, кинетикой испарения и гидродинамикой выброса жидкой фазы в конце лазерного импульса.

Основные причины увеличения количества жидкой фазы:

  • Уменьшение плотности светового потока из-за постепенной расфокусировки луча с ростом глубины отверстия.

  • Медленный спад мощности в конце импульса, что способствует увеличению объема остатка жидкой фазы в отверстии после окончания импульса.

  • Длительность действия.

Чем дольше время воздействия, тем больше объем жидкой фазы и, поэтому, больше разброс размеров отверстия и реза.

Кроме того, большое время воздействия вызывает увеличение глубины зоны теплового влияния (прогретого слоя), где происходят окисление и структурные изменения, и появление дефектов на поверхности отверстия.

Другими источники погрешности в лазерном формировании отверстия являются:

  • Неоднородность распределения по сечению интенсивности луча из-за модового характера лазерного излучения.

  • Размывание светового пятна при обработке в фокальной плоскости из-за отсутствия его резких границ.

Помимо этого, причиной снижения геометрической точности лазерной обработки являются тепловые эффекты в материале, а именно термодеформационные процессы в металле. При резке тонколистовых металлов они могут привести к искажениям вырезаемого контура и прогибам детали, выходящим за пределы допуска.

Таким образом, при рассмотрении вопросов точности и качества лазерной обработки и, в особенности, прецизионной резки металлов, следует обратить внимание на следующие аспекты:

  1. параметры лазерного луча как инструмента формообразования:

    1. временные и энергетические характеристики, зависящие от параметров лазера.

    2. пространственно-геометрические характеристики, зависящие от оптических параметров системы.

  2. процессы взаимодействия лазерного излучения с материалами, в частности, нагревание, испарение, появление жидкой фазы, реактивное давление паров и т.д.

  3. дополнительные и сопутствующие факторы, влияющие на результат лазерной обработки: поддув газа и жидкости, пред- и постобработка, и т.д.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]