Лазерная резка : расчет зануления кабельной сети и освещенности сборочного мест блока (LAZERREZ)

Посмотреть архив целиком

Часть.1 Обзор научно-технической информации.


ЧАСТЬ ПЕРВАЯ



Обзор научно-технической информации.


1.1 Введение.


Возможности лазеров. Широкое применение в промышленности получили различные механические методы разделения металлов, в первую очередь резка ножовочными полотнами, ленточными пилами, фрезами и др. В производстве используются разнообразные станки общего и специального назначения для раскроя листовых, профильных и других заготовок из различных металлов и сплавов. Однако при многих достоинствах этого процесса существуют значительные недостатки, связанные с низкой производительностью, высокой стоимостью отрезного инструмента, трудностью или невозможностью раскроя материалов по сложному криволинейному контуру.

В промышленности получил распространение ряд процессов разделения материалов, основанных на электрохимическом, электрофизическом и физико-химическом воздействиях. Ацителено-кислородная резка, плазменная резка проникающая дугой и другие физико-химические методы разделения обеспечивают повышение производительности по сравнению с механическими методами, но не обеспечивают высокой точности и чистоты поверхностей реза и требуют в большинстве случаев последующей механической обработки. Электроэрозионная резка позволяет осуществлять процесс разделения материалов с малой шириной и высоким качеством реза, но одновременно с этим характеризуются малой производительностью.

В связи с этим возникла производственная необходимость в разработке и промышленном освоении методов резки современных конструкционных материалов, обеспечивающих высокую производительность процесса, точность и качество поверхностей получаемого реза. К числу таких перспективных процессов разделения материалов следует отнести лазерную резку металлов, основанную на процессах нагрева, плавления, испарения, химических реакциях горения и удаления расплава из зоны резки.

Сфокусированное лазерное излучение , обеспечивая высокую концентрацию энергии, позволяет разделять практически любые металлы и сплавы независимо от их теплофизических свойств. При этом можно получить узкие резы с минимальной зоной термического влияния. При лазерной резке отсутствует механическое воздействие на обрабатываемый материал и возникают минимальные деформации, как временные в процессе резки, так и остаточные после полного остывания. Вследствии этого лазерную резку можно осуществлять с высокой степени точностью, в том числе легкодеформируемых и нежестких заготовок или деталей. Благодаря большой плотности мощности лазерного излучения обеспечивается высокая производительность процесса в сочетании с высоким качеством поверхностей реза. Легкое и сравнительно простое управление лазерным излучением позволяет осуществлять лазерную резку по сложному контуру плоских и объемных деталей и заготовок с высокой степенью автоматизации процесса. Кратко рассмотренные особенности лазерной резки наглядно демонстрируют несомненные преимущества процесса по сравнению с традиционными методами обработки.

Лазерная резка относится к числу первых технологических применений лазерного излучения, апробированных еще в начале 70-х годов. За прошедшие годы созданы лазерные установки с широким диапазоном мощности (от нескольких десятков ватт до нескольких киловатт), обеспечивающие эффективную резку металлов с использованием вспомогательного газа, поступающего в зону обработки одновременно с излучением лазера. Лазерное излучение нагревает, плавит и испаряет материал по линии предполагаемого реза, а поток вспомогательного газа удаляет продукты разрушения. При использовании кислорода или воздуха при резке металлов на поверхности разрушения образуется оксидная пленка, повышающая поглощательную способность материала, а в результате экзотермической реакции выделяется достаточно большое количество теплоты.

Для резки металлов применяют технологические установки на основе твердотельных и газовых CO2 - лазеров, работающих как в непрерывном, так и в импульсно-периодическом режимах излучения. Промышленное применение газолазерной резки с каждым годом увеличивается, но этот процесс не может полностью заменить традиционные способы разделения металлов. В сопоставлении со многими из применяемых на производстве установок стоимость лазерного оборудования для резки еще достаточно высока, хотя в последнее время наметилась тенденция к ее снижению. В связи с этим процесс газолазерной резки (в дальнейшем просто лазерной резки) становится эффективным только при условии обоснованного и разумного выбора области применения, когда использование традиционных способов трудоемко или вообще невозможно.

В разделе 1.3 рассматриваются стационарные тепловые процессы для оценки их влияния на скорость резки, представленные уравнением ( 1.4, 1.5 ).

Достаточно приближенно рассматривался процесс течения газа в зоне резки, показывая лишь минимальный расход газа, при котором еще возможна резка и качественное влияние состава газа на разрушение материала.

Не учитывалось влияние явлений оптического пробоя ( возникает при q @ 107 - 108 Вт/см2 ) и экранировки излучения плазменным факелом.


1.2 Физические процессы при лазерном воздействии на поверхность твердых тел.


Поглощение и отражение лазерного излучения. В основе лазерной обработки материалов лежит способность лазерного излучения создавать на малом участке поверхности высокие плотности теплового потока, достаточные для нагрева, плавления или испарения практически любого материала. Это связанно с термическим эффектом поглощения излучения непрозрачными твердыми телами.

Световой поток лазерного излучения, направленный на поверхность обрабатываемого материала, частично отражается от нее, а частично проходит в глубь тела. Излучение, проникающее в глубь металла, практически полностью поглощается свободными электронами проводимости в приповерхностном слое толщиной 0,1- 1 мкм, эти электроны переходят в состояния с более высокими уровнями энергии, т.е. возбуждаются.

Возбужденные электроны сталкиваясь с другими электронами или узлами кристаллической решетки передают им избыток энергии.

Основная доля теплоты при лазерном нагреве переносится в глубь металла посредством электронной проводимости. Поэтому, тепловые процессы при лазерном нагреве имеют ту же физическую природу, что и традиционные способы термического воздействия на металл, это дает возможность пользоваться классической теорией теплопроводности.

Интенсивность поглощения энергии определяется значением коэффициента поглощения, который зависит от рода материала и длинны волны падающего излучения.

Поглощательная способность неокисленной металлической поверхности на длине волны лазерного излучения l = 10,6 мкм определяется уравнением: a = 112,2 (s0-1)-1/2 , где a - коэффициент поглощения; s0 - удельная электрическая проводимость металла по постоянному току, См/м.

Это выражение применимо для коэффициентов поглощения чистых, полированных поверхностей. Для материала с неочищенной, неполированною поверхностью ( материала поставки ) коэффициент поглощения зависит от состояния поверхности и может значительно превышать для чистых металлов ( табл. 1.1 ).


Таблица 1.1 Коэффициенты поглощения различных материалов a, для излучения l = 10,6 мкм, % .[2]


Материал

Поверхность в состоянии поставки

Полирован-ная поверхность

Нержавеющая сталь

39

9

Алюминий

12

2

Медь

12

2


Низкоуглеродистая сталь


85

48


Серебро




___

11


Рис.1.1 Зависимость

коэффициента пог-

лощения излучения СО2 - лазера от

температуры для

различных материалов

[2]



При нагревании образца электрическая проводимость металлов уменьшается, соответственно возрастают коэффициенты поглощения. Если лазерная обработка поверхности происходит в воздушной или какой-либо окислительной среде, то происходит рост оксидной пленки на поверхности образца и происходит дополнительное увеличение поглощательной способности ( рис. 1.1 ) [2].


























Рис. 1.2 Характерные кривые нагрева в воздухе термически тонких мишеней непрерывным излучением СО2 - лазера при q = 4,7· 106 Вт/см2 и соответствующие кривые коэффициента эффективного поглощения aэф [2]: а - дюралюминий ;

б - сталь.


По мере роста оксидной пленки на поверхности железа коэффициент отражения периодически уменьшается, когда толщина пленки становится кратной половине длинны волны света. Таким образом aэф испытывает изменения во времени ( рис. 1.2 б ). Эффективный коэффициент поглощения железа может быть на порядок выше, чем тот же коэффициент для чистой поверхности.

Оксидная пленки на поверхности алюминия термически прочная, Tпл выше 20000 С и ее толщина при нагревании не изменяется и коэффициент поглощения остается практически постоянным ( рис. 1.2 а ).

Коэффициент поглощения можно увеличивать искусственно. Для излучения CO2 - лазеров это особенно важно, т.к. на длине волны излучения l = 10,6 мкм коэффициенты поглощения для большинства металлов менее 10%. Для увеличения поглощения поверхность образца покрывают специальными теплостойкими веществами, хорошо поглащающими ИК - излучение, например фосфат цинка, для которого при Т = 10000 С эффективный коэффициент поглощения aэф = 0,7.




















Рис 1.3 Схема резки металла

лучом лазера.


Влияние поляризации лазерного излучения. При перемещении лазерного излучения относительно материала образуется рез, нормаль к поверхности которого составляет с падающим лучом угол y ( рис. 1.3 ). При наклонном падении отражение лазерного излучения зависит от поляризации. Способности поглощения лазерного излучения a÷ú - составляющей, лежащей в плоскости падения луча, и a^ - составляющей, перпендикулярной плоскости падения луча, в общем случае различны. Это означает, что способность поглощения поляризованного излучения зависит от ориентации электрического вектора напряженности относительно поверхности металла.

Зависимость способности к поглощению излучения железа и алюминия на длине волны l = 10,6 мкм для двух составляющих a÷ú и a^ приведены на рисунке 1.4.

При ширине луча d и толщине разрезаемого материала h средний угол падения определяется выражением y = arctg ( h/d ).

Например, при резке материала толщиной 1,5 мм с диаметром пятна фокусировки 0,1 мм y = 800 .

Используя зависимость aэф от угла падения луча на поверхность можно определить доли поглощенного лазерного излучения для параллельной и перпендикулярной составляющих поляризации и их отношение a÷ú /a^ = 20, при y = 800.
















а ) б )


Рис. 1.4 Зависимость коэффициента aэф для луча с перпендикулярной и продольной поляризацией ( l = 10,6 мкм ) от угла падения на поверхность при Т = 200 С и 10000 С[4]:

а - материал алюминий;

б - материал железо.



Это означает, что при совпадении плоскостей резки и поляризации луча ( при направлении резки, параллельной плоскости поляризации ) поглощенная на лобовой поверхности реза мощность излучения в 20 раз больше, чем при перпендикулярном положении векторов скорости резки и поляризации.

Это характерный случай получения глубокого реза в материале, т.к. отношение h/d составляет примерно 5,6 , и при рассмотрении необходимо учитывать влияние поляризации.

В случае поверхностной обработки или неглубокого проникновения излучения в материал, когда отношение h/d принимает небольшие значения, влиянием ориентации векторов скорости резки и поляризации можно пренебречь. Например, при прорезании металла на глубину 0,3 мм угол y составит 450 , а отношение поглощения параллельной к перпендикулярной составляющих поляризации равно 1,2.

Отражательная способность металлов существенно зависит от температуры, а отношение a÷ú /a^ уменьшается с уменьшением температуры. Так как поглощательная способность сильно зависит от угла падения, относительная разориентация векторов скорости резки и поляризации, линейно поляризованного излучения может привести к наклону реза. Этот эффект схематически показан на рисунке 1.4 [4].

















Рис. 1.5 Влияние относительной ориентации векторов поляризации Е и скорости резки n на поперечную форму канала реза [4].


При совпадении плоскостей реза и поляризации большая часть энергии излучения поглощается впереди реза, что обеспечивает максимальную скорость резки при минимальной ширине. Если плоскость поляризации перпендикулярна плоскости реза, то большая часть энергии излучения поглощается боковыми сторонами реза. При промежуточных углах между поглощение несимметрично, что приводит к расширению реза и его искажению ( рис. 1.5 ). С увеличением скорости резки углы скоса кромок увеличиваются.


Распространение лазерного излучения в канале реза. При резке материалов лазерным излучением необходимо, чтобы луч проник в вещество как можно глубже. При этом интенсивность излучения должна быть весьма высокой, в связи с этим необходимо добиться минимального размера светового пятна на поверхности мишени. Радиус светового пятна в фокальной плоскости луча rл = l/y, ( где y - угол расходимости луча, l - длинна волны излучения ), т.е. обратно пропорционален углу фокусировки луча . Поэтому, необходимо работать с острофокусным излучением. Такое излучение пройдя фокальную плоскость ( обычно совпадающую с плоскостью поверхности образца ), расфокусируется уже на малой глубине L=l/y2 и будет попадать на боковые стенки канала. Если a - коэффициент поглощения мал, то большая часть света будет отражаться от стенок и попадать на дно канала.

Относительно просто распределение света в канале можно рассчитать в приближении геометрической оптики. Элементарный луч света, многократно отражаясь от стенок , либо частично отражается , если канал реза неглубокий, либо полностью поглощается, если канал реза глубокий.

Процессы распространения теплоты в зонах прилегающих к источнику, могут быть описаны только с учетом влияния характера распределения плотности мощности в пятне лазерного излучения.

Наиболее эффективными параметрами фокусировки обладает нормальное (Гауссово) распределение плотности мощности Е(r) сфокусированного лазерного излучения, широко распространенного в промышленных технологических лазерах.



























Рис.1.6 Нормальное распределение плотности мощности в пятне лазерного излучения.

1 - лазерное излу чение;

2 - обрабатываемая деталь.


Под воздействием такого излучения на поверхности мишени возникает тепловой источник нагрева с таким же нормальным распределением плотности мощности в пятне лазерного излучения (рис.1.1), q(r) =qm·e k r ; где qm =aэф Еm- максимальная плотность в центре пятна нагрева ; k -коэффициент сосредоточенности, характеризующий форму кривой нормального распределения ; Еm - максимальная плотность мощности лазерного излучения по оси; r - радиальное расстояние данной точки от центра.

За радиус светового пятна rл обычно принимают радиус пятна нагрева, на котором q = 0,05·qm . Излучение удобно рассматривать в виде потока фотонов. На дне разрезаемого участка вследствии дифракции элементарный луч расплывается на ширину lh/d. Для расчета траектории луча необходимо, чтобы эта ширина, была меньше ширины канала d. Отсюда вытекает условие применимости приближения геометрической оптики: d2 /lh >> 1.

Это неравенство можно переписать , введя понятие коэффициента формы канала h/d: d/l >> h/d. На практике h/d лежит в пределах 5-10, т.е. при l = 10,6 мкм для применимости теории геометрической оптики необходимо, чтобы ширина реза канала реза d > 0,1 мм.

Исходя из приближений геометрической оптики сфокусированное излучение можно представить в виде совокупности N лучей. Каждому лучу на входе в канал соответствовала мощность P/N, где P - мощность лазера. При численных расчетах [4], если мощность луча после очередного отражения была меньше 10-4 начальной, то его исключали.















Рис. 1.7 Зависимость эффективного коэффициента поглощения излу ченияaэф СО 2 - лазера со стальной мишенью от глубины реза a = 0,1. Для случая круговой поляризации.


С помощью такой методики была рассчитана зависимость эффективного поглощения µэф от глубины реза aэф = ( P- Pотр )/ P ( рис.1.7 ). Конкретные расчеты [4] проводились для стали, коэффициент отражения поверхности a = 0,1. Полагалось, что лазер генерирует излучение с круговой поляризацией, электрический вектор которого вращается относительно канала реза.


1.3 Закономерности лазерной резки металлов непрерывным излучением.


Параметры и показатели процесса лазерной резки . Для процесса лазерной резки металлов можно выделить основные факторы, определяющие производительность и качественные показатели процесса. Среди них основными являются : плотность мощности лазерного излучения, скорость резки, давление и состав поддуваемого газа, поглощательная способность поверхности материалов , вид и свойства разрезаемых материалов . Плотность подводимой в зону обработки мощности зависит , в свою очередь , от мощности лазерного излучения , его модового состава , поляризации и условий фокусировки ( фокусного расстояния линз, величины и направления расфокусировки).

В силу ряда причин , области режимов , обеспечивающих высокое качество кромки реза и высокую эффективность процесса , при лазерной резке металлов зачастую не совпадают .
























Рис. 1.8 Параметры реза.


Параметры получаемого реза при лазерной резке металлов имеет много сходных характеристик с другими термическими способами резки. Характеристики получаемого реза определяют следующие показатели (рис. 1.8 ): точность , неровность реза Rz , неперпендикулярность ( клиновидность ) j , протяженность зоны термического влияния b зтв, ширина верхнего реза bв , ширина нижнего реза bн , количество грата ( наплывы на нижней кромке разрезаемого материала ) .

При резке металлов непрерывным излучением лазера различают стационарный и нестационарный характер разрушения материала .

Значение скорости разрушения nр зависит от физико-химических свойств металлов. Весь диапазон скоростей лазерной резки металлов непрерывным излучением можно представить в виде : первой области режимов со скоростью n < nр, соответствующий нестационарному механизму разрушения, второй - n > nр, cоответствующей стационарной скорости разрушения и третьей - n < 0,5 м/мин, автогенный режим резки. Для алюминия автогенный режим резки не проявляется ( не воспламеняется ), при плотности излучения до 106 Вт/cм2. Это обусловлено наличием трудно удаляемой , термически прочной пленки AL2О3 в зоне расплава. Каждая из областей характеризуется определенными физическими условиями cуществования и показателями качества реза.

Нестационарный режим устанавливающийся при малых скоростях резки, является нежелательным и при резке его избегают, т. к. на кромке реза наблюдается значительное количество грата , ухудшающее качество обработки.






















Рис. 1.9 Стадии разрушения при резке металлов непрерывным излучением на низких скоростях резки ( нестационарный режим ).


При нестационарном механизме разрушение протекает периодически, на передней кромке материала ( рис.1.9 ). После удаления очередной массы жидкого расплава из канала реза в нижней ее части вновь образуется расплав, т. к. из-за расширения сфокусированного лазерного излучения нижняя ее часть , протяженностью 2rл-x0 , постоянно находится в поле лазерного излучения.

На верхней кромке реза образуется расплавленный участок протяженностью xs . Зона этого расплавленного участка распространится на большее расстояние в направлении резки, чем переместится лазерный луч (характерно для малых скоростей резки ), т.е. xs > x0 . Образовавшаяся ванна расплава не удаляется т.к. динамического воздействия потока вспомогательного газа оказывается недостаточно. В следующие моменты времени процесс плавления металла приводит к увеличению объема ванны и при достижении определенных размеров расплав удаляется из зоны обработки. Процессы разрушения материала далее периодически повторяются.

Стационарный механизм разрушения материала устанавливается при высоких скоростях резки , когда xs > x0 . Разрушение материала происходит только в непрерывном режиме , температурное поле вокруг движущегося лазерного источника постоянно.

Диапазон скоростей резки , при которых еще сохраняются борозды на поверхности реза , лежит в пределе nр < 2,5 м/мин для стального листа (нестационарный режим ). При слишком низких скоростях подачи образца nр < 0,5 м/мин, металл у кромок реза нагревается за счет механизма теплопроводности , достаточно , чтобы перейти в режим неуправляемой, автогенной резки, независимо от толщины разрезаемого материала. В этом случае металл горит по всей поверхности контакта с газовой струей , за счет экзотермической реакции окисления. Рез получается с сильно увеличенным по ширине размером , боковые стенки приобретают рваную форму.


Нагрев поверхности обрабатываемого металла. Воздействие лазерного излучения на металлы при резке характеризуются общими положениями, связанные с поглощением и отражением излучения, распространением поглощенной энергии по объему материала, за счет теплопроводности и др., а также специфическими для процесса резки особенностями.

На участке воздействия излучения металл нагревается до первой температуры разрушения - плавления. При дальнейшем поглощении излучения металл расплавляется и от участка воздействия излучения в объем материала начинает перемещаться фазовая граница плавления. Наряду с этим энергетическое воздействие лазерного излучения приводит к последующему повышению температуры образца, достигающей второй температуры - кипения.

Процессы нагревания весьма просты, если не учитывать изменение коэффициента поглощения с температурой. Скорость испарения экспоненциально зависит от температуры и максимального своего значения достигает при стационарной температуре испарения, когда скорости фазовых границ плавления и испарения одинаковы.

В зависимости от плотности мощности лазерного излучения количество расплавленного металла, стационарная температура, скорость плавления и испарения будут различными. Указанные параметры характеризуют процесс разрушения, и, следовательно, изменяя плотность мощности лазерного излучения и время его воздействия на материал, можно управлять этим процессом.

Значительное влияние на интенсивность процесса разрушения также оказывает поглощательная способность металлов, зависящая от температуры поверхности, длинны волны, поляризации и угла падения излучения на обрабатываемую поверхность.

Таким образом, при воздействии лазерного излучения на металлы возможны два механизма резки - плавление и испарение. Поверхность разрушения при этом, так называемый канал реза, существует по всей длине и перемещается со средней скоростью в направлении резки.

Практическое использование разрушения металлов посредством механизма испарения затруднено в связи с достаточно высокими энергозатратами на теплопроводность материала и необходимостью поддержания температуры металла на уровне температуры кипения.

Заметное снижение энергозатрат достигается использованием вспомогательного газа для удаления продуктов разрушения металла из канала реза.

Процесс нагрева поверхности материала лазерным излучением при отсутствии фазовых переходов описывается уравнениями ( 1.1, 1.2 ).

Падающее излучение поглощается в тонком приповерхностном слое по закону Буггера:


q( x ) = a × qo × exp( -x × x ); ( 1.1 )


где: q( x ) - плотность потока лазерного излучения, Вт/см2;

a - поглощательная способность материала;

a × q0 - плотность лазерного потока поглощенная поверхностью;

x - коэффициент поглощения излучения в

материале, см-1.


Глубина проникновения излучения в вещество составит: l = 1/x . Для металлов величина x составляет 104 - 10-5 см-1.

Распространение теплового потока описывается законом Фурье:

( 1.2 )


где: f - тепловой поток, Вт/см2;

l - коэффициент теплопроводности, Вт/(С0 × см) ;

Т - температура, С0.

Уравнение теплопроводности при нагреве движущихся образцов. Для описания температурных полей, возникающих при лазерной резке металлов, используется уравнение теплопроводности. Это уравнение формирует условия теплопередачи в твердых телах вследствии теплопроводности.

В общем случае уравнение теплопроводности является нелинейным. Лишь для некоторых частных случаев изменений теплофизических свойств материала, c(Т) - удельной теплоемкости материала [ Дж/(г×С0)], а(Т) - коэффициента температуропроводности [ см2/c ], l - коэффициента теплопроводности [ Вт/(C0×см)], задаваемых в виде упрощенных аналитических зависимостей, можно получить сложные аналитические выражения.


Случайные файлы

Файл
182877.rtf
VITUS.DOC
130144.rtf
114328.rtf
141341.rtf