Содержание

Введение		3
1	Некоторые вопросы теории лазерной обработки	4
2	Обработка материалов лазерным лучом	6
	2.1 Лазерная сварка	8
	2.2 Термообработка	9
	2.3 Лазерная резка	11
	2.4 Получение отверстий	11
3	Примеры оборудования для лазерной обработки материалов	13
	3.1 Автоматизированный технологический комплекс М-36М для лазерной резки листового материала	13
	3.2 Автоматизированный лазерный технологический комплекс М-25С	13
Заключение		15
Список литература		16

Введение

Большое развитие за последнее время в наиболее развитых стра­нах и передовых отраслях машиностроения в России (авиационной, ракетно-космической, энергетической, приборостроительной) полу­чили современные технологии обработки заготовок и деталей с ис­пользованием различных видов энергии (тепловой, акустической, электрической, магнитной, световой, химической, радиационной) и «ин­струментов» (жидкость, газ, плазма, твёрдые частицы) в форме струи, луча, статических и динамических полей или комбинированных ме­тодов.

К одному из современных методов изменения формы и размеров заготовок относится светолучевая обработка.

Целью данной работы является раскрытие сущности и области применения светолучевой обработки деталей, выявление достоинств и недостатков данного вида обработки.

1 Некоторые вопросы теории лазерной обработки

Ла­зер — источник электромагнитного излучения, видимого инфра­красного и ультрафиолетового диапазонов, основанный на выну­жденном излучении атомов и молекул. Слово «лазер» составлено из начальных букв слов английской фразы «Light amplification by stimylated Emission of Radiation» — что означает «усиление света в результате вынужденного излучения».

Вынужденное излучение происходит при столкновении кванта с электроном, находящимся на верхнем энергетическом уровне и отдающим квант энергии при переходе на нижний уровень. Усиле­ние света получается за счет того, что первый квант, т. е. квант-возбудитель, после столкновения с атомом не исчезает, а сохра­няется и дальше летит вместе с вновь рожденным квантом. Затем каждый из этих двух квантов сталкивается с одним атомом, а по­том с восьмью, шестнадцатью и т. д., пока не кончится их путь в активном веществе. Так что чем длиннее будет этот путь, тем более мощную лавину квантов, т. е. более мощный луч света, вызывает первый квант. А так как первоначальный импульс света заключает в себе не 1 квант, а множество, то и лавина квантов становится мощной. Поэтому в твердотельных лазерах активное вещество используется в виде узких длинных призм, цилиндров, т. е. в виде стержней, длина которых примерно в 10 раз больше толщины.

В генераторе имеется система зеркал. Зеркала представляют собой не что иное, как торцы стержня, покрытые серебром. Торцы шлифуются строго параллельно друг другу и перпендикулярно оси цилиндра. Причем один покрывается серебром плотно, так, чтобы свет полностью отражался от него, а другой серебрится тонким слоем с таким расчетом, чтобы он отражал 90 % квантов, а 10 % пропускал.

Зеркала необходимы для того, чтобы делать луч лазера напра­вленным, а главным образом для многократного усиления первич­ной лавины квантов, летящих вдоль оси стержня активного ве­щества. Первичная лавина, пролетевшая стержень до конца, еще очень слаба для того, чтобы стать мощным потоком света. И ее отбрасывает назад зеркало на торце стержня. Зеркало со сто­процентным отражением света. Лавина квантов мчится обратно гигантскими скачками, набираясь новых сил. Нарастание мощ­ности выходного пучка света происходит так быстро, что практи­чески незаметно.

В качестве активного вещества в твердотельных лазерах исполь­зуют кристаллические или аморфные диэлектрики, т. е. вещества, не пропускающие электрический ток. Наиболее распространенным материалом рабочих тел лазеров является синтетический рубин — кристаллическая окись алюминия, в которой часть атомов алю­миния заменена на атомы хрома. Эти атомы хрома и являются рабочими телами, которые «накачиваются» энергией, а затем от­дают ее, усиливая световой поток.

Лазерный луч можно сфокусировать и так, что он будет вызы­вать интенсивный нагрев. Например, с помощью линзы с фокус­ным расстоянием 1 см луч можно сфокусировать в пятно, назы­ваемое фокальным, так как оно находится в фокусе диаметром 0,01 см, т. е. площадью в 0,0001 см². Хотя вспышка лазера и кратковременна, ее достаточно для расплавления и испарения освещенной части любого материала, будь то металл, камень или керамика.

Во время мощных вспышек, а тем более во время непрерывной работы лазера, стержень активного вещества сильно нагревается и его приходится охлаждать. Для этого стержень заключают в кожух, через который циркулирует охлаждающая среда. Руби­новый лазер обычно охлаждается жидким азотом, температура которого равна —196 °С.

1 — зарядное устройство; 2 — ёмкостный накопитель; 3 — система

управления; 4 — блок поджига; 5 — лазерная головка; 6 — система

охлаждения; 7 — система стабилизации энергии излучения; 8 — датчик

энергии излучения; 9 — оптическая система; 10 — сфокусированный

луч лазера; 11 — обрабатываемая заготовка; 12 — координатный стол;

13 — система программного управления

Рисунок 1 - Типовая структурная схема лазерной установки с

твердотельным лазером

2 Обработка материалов лазерным лучом

Направим на поверх­ность какого-то материала, например металла, луч мощного лазе­ра. Вообразим, что интенсивность излучения постепенно растет (за счет увеличения мощности лазера или за счет фокусирования излучения). Когда интенсивность излучения достигнет необходи­мого значения, начнется плавление металла. Вблизи поверхности, непосредственно под световым пятном, возникает область жидкого (расплавленного) металла. Поверхность, отграничивающая эту область от твердого металла (ее называют поверхностью расплава), постепенно перемещается в глубину материала по мере поглощения им световой энергии. При этом площадь поверхности расплава увеличивается и, следовательно, теплота начинает более интен­сивно проникать в глубину материала за счет теплопроводности. В результате устанавливается поверхность расплава (рисунок 2, а). При повышении интенсивности лазерного излучения одновре­менно с плавлением будет происходить интенсивное испарение (кипение) материала. Часть вещества превратится в пар, вслед­ствие чего на поверхности металла возникает лунка, начинается процесс формирования отверстия (рисунок 2, б).

Когда интенсивность излучения достигнет максимума, свет начнет сильно ионизовать пары вещества, превращая их в плазму. Возникнув, плазма преградит дальнейший доступ лазерного излу­чения к поверхности материала — ведь свет интенсивно погло­щается плазмой (рисунок 2, в).

а – плавление металла под действием лазерного излучения; б – интенсивное испарение металла; в – образование плазмы

Рисунок 2 - Воздействие лазерного излучения

Говоря о действии луча на вещество, мы имели в виду концен­трацию световой мощности лишь в пространстве (ведь интенсив­ность луча есть мощность, отнесенная к единице площади его сечения). Надо, однако, учитывать и концентрацию мощности во времени. Ее можно регулировать, изменяя длительность оди­ночных лазерных импульсов или частоту следования импульсов (если генерируется последовательность импульсов). Предполо­жим, что интенсивность достаточна для того, чтобы металл не только плавился, но и кипел; при этом излучение лазера пред­ставляет собой одиночные импульсы. В данном случае в материале поглощается значительная световая энергия за очень короткое время. За такое время поверхность расплава не успевает пере­меститься в глубь материала; в результате еще до того, как рас­плавится сколько-нибудь заметная масса вещества, начнется его интенсивное испарение. Иными словами, основная часть погло­щаемая веществом световой энергии лазерного импульса расхо­дуется в подобных условиях не на плавление, а на испарение.

В зависимости от вида обработки и свойств материала исполь­зуют излучение с вполне определенными энергетическими и вре­менными характеристиками. Если, например, для сварки подхо­дят относительно менее интенсивные и в то же время более дли­тельные импульсы, но для пробивания отверстий, где важно интенсивное испарение материала, подходят более интенсивные и более короткие импульсы.

Чтобы получить тончайшую проволоку из меди, бронзы, воль­фрама и других металлов, применяют технологию протягивания (волочения) проволоки сквозь отверстия очень малого диаметра. Эти отверстия (каналы волочения) высверливают в материалах, обладающих особо высокой твердостью, например в сверхтвер­дых сплавах и алмазах. Поэтому лучше всего протягивать тонкую проволоку сквозь отверстие в алмазе (сквозь так называемые ал­мазные фильеры). Алмазные фильеры позволяют получать прово­локу диаметром всего 10 мкм. Для сверления одного отверстия в алмазной фильере механическим путем требуется до 10 ч.

Канал волочения в алмазной фильере имеет сложный профиль (рисунок 3). Лазерным импульсным излучением пробивают черно­вой канал в алмазной заготовке, затем, обрабатывая канал ультра­звуком, шлифуя и полируя, придают ему необходимый профиль.

1 — входное отверстие; 2 — рабочая часть кана­ла; 3 — выходное отвер­стие

Рисунок 3 - Профиль ка­нала волочения в ал­мазной фильере

Лазерное сверление широко применяют для получения отвер­стий не только в твердых и сверхтвердых материалах, но и в мате­риалах, отличающихся повышенной хрупкостью.

2.1 Лазерная сварка

Лазерная сварка может быть точечной и шовной. В большин­стве случаев применяют импульсные лазеры, обеспечивающие наименьшую зону термического влияния. С помощью лазерной сварки можно полу­чать высококачественные соединения дета­лей из коррозионно-стойкой стали, никеля, молибдена и др. Высокая мощность лазер­ного излучения позволяет сваривать мате­риалы с высокой теплопроводностью (медь, серебро). Для материалов, плохо поддаю­щихся сварке другими методами (вольфрам с алюминием, медь со сталью, бериллиевая бронза с другими сплавами), применяют лазерный метод. Плотность потока излучения на поверхности свариваемых деталей в зависимости от их мате­риала может быть 0,1 ... 1 МВт/см². Глубина проплавления мате­риала при сварке импульсным твердотельным лазером 0,05 ... 2 мм при ее отношении к диаметру сварочной точки или ширине шва 0,5 ... 5 мм, что делает возможным надежную сварку деталей толщиной 0,01 ... 1 мм. Оборудование для лазерной сварки обе­спечивает работу в следующих режимах: энергия излучения в импульсе 0,1 ... 30 Дж, длительность импульса 1 ... 10 мс, диаметр светового пятна 0,05 ... 1,5 мм. Производительность точечной сварки 60 операций в 1 мин, шовной — 1 м/мин при глу­бине проплавления 0,5 мм.

Наиболее эффективно применять лазеры для сварки конструк­ций в труднодоступных местах, при соединении легкодеформи­руемых деталей, в условиях интенсивного теплоотвода (напри­мер, для материалов с высокой теплопроводностью, при низких температурах и т. д.), а также в тех случаях, когда надо обеспе­чить минимальную зону термического влияния.

Развитие лазерной сварки прошло через два этапа. Вначале развивалась точечная сварка — на основе импульсных твердо­тельных лазеров на рубине и на стекле с неодимом. С появлением мощных лазеров на СО₂ и лазеров на гранате с неодимом, дающих непрерывное излучение или последовательность часто повторяю­щихся импульсов, стала развиваться шовная сварка с глубиной проплавления до нескольких миллиметров (и даже сантиметров).

Лазерную сварку с использованием непрерывного излу­чения применяют для герметизации корпусов приборов, при­вариваемых наконечников к лопастям газовых турбин, приварки режущих кромок из закаленной стали к полотнам металлорежу­щих пил и т. д. Скорость сварки достигает нескольких метров в минуту; ширина шва до 0,5 мм.

При применении лазерной сварки прочность сварных соеди­нений (ширина шва составляет несколько миллиметров) дости­гает уровня прочности свариваемого материала. Осуществляет­ся автоматическая лазерная сварка кузовов автомобилей, сварка листов титана и алюминия на судостроительных верфях, сварка газопроводов. На ПО ЗИЛ при помощи лазеров на С0₂ производят автоматическую лазерную сварку карданных валов ав­томобилей. Срок службы валов повысился в 3 раза. Развивается также лазерная сварка неметаллических материалов.

Лазерная сварка успешно конкурирует с хорошо известными способами сварки. Она обладает рядом преимуществ, которые делают ее во многих случаях предпочтительной или даже един­ственно возможной. При лазерной сварке нет контакта со сваривае­мым образцом, а поэтому нет опасности его загрязнения какими-либо примесями. В отличие от электронной сварки, для которой нужен вакуум, лазерная сварка производится в атмосфере. Лазер­ная сварка позволяет осуществлять быстро и с высокой точностью локальное проплавление в данной точке или вдоль заданной линии. Подвергающаяся тепловому воздействию зона имеет очень малые размеры, что важно, в частности, в тех случаях, когда сварка производится в непосредственной близости от чувствительных к нагреву элементов.