WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 11 |

1.3. Характеристики лазерного излучения Излучение лазера является узконаправленным (так как испускаются лишь волны, многократно отраженные и не испытавшие существенного отклонения от оси объемного резонатора). Это значит, что энергия может легко передаваться по лучу на значительные расстояния и в соответствии с законами геометрической оптики – легко сфокусирована на площадке небольших размеров. Угловая расходимость луча ОКГ определяется из дифракционной теории по формуле:

1,G =, (2) d где d - диаметр источника излучения.

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ Чем короче волна, тем меньше угловая расходимость излучения ОКГ. Расходимость влияет на минимальный диаметр сфокусированного луча ОКГ и, следовательно, на максимальную плотность энергии, которую можно получить при фокусировании. Минимальный диаметр сфокусированного луча:

dn = G. f, (3) где G - действительная угловая расходимость;

f - фокусное расстояние фокусирующей системы.

Плотность сконцентрированной световой энергии может достигать до 1012 Вт/м2:

Ф S 4Е W = = d2, (4) n 2 f где Ф - лучистый поток ОКГ;

S - площадь, на которой фокусируется луч;

Е - энергия импульса;

Процесс взаимодействия лазерного излучения с веществом можно представить в следующем виде: поглощение излучения поверхностью материала, нагрев и плавление материала, испарение и выброс расплава (лазерная эрозия).

При падении лазерного излучения на поверхность обрабатываемого материала часть излучения отражается и, как правило, безвозвратно теряется. Отражённая энергия зависит от коэффициента отражения (таблица 1), который определяется типом материала и длиной волны излучения.

Таблица Значения коэффициентов отражения для неокисленных полированных поверхностей различных металлов.

Активная среAu Ag Cu Mo Ni Al Cr Fe да ОКГ Аргон 0,415 0,952 0,437 0,455 0,597 0,85 - 0,(=0,488 мкм) Рубин 0,930 0,961 0,831 0,498 0,676 0,82 0,555 0,(=0,6943 мкм) Неодимовое стекло 0,981 0,964 0,901 0,582 0,741 0,733 0,570 0,( = 1,06 мкм) Углекислый газ 0,975 0,989 0,984 0,945 0,941 0,970 0,930 0,( = 10,6 мкм) Из таблицы видно, что металлы обладают высокой отражательной способностью и в некоторых случаях коэффициент отражения близок к каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ единице. Для того, чтобы эффективно использовать лазерный луч для обработки металлов необходимо уменьшить коэффициент отражения луча от поверхности. Для этого можно увеличить шероховатость поверхности, нанести на поверхность металлов диэлектрическую плёнку или слой порошка (металлического, либо диэлектрического).

Другая часть лазерного луча проникает в материал и переходит в тепло. Проникновение излучения в материал описывается в соответствии с законом Бугера:

E(x)= E0 (1 - R) e-kx, (5) где Е0 – энергия падающего лазерного излучения к поверхности мате риала, R – отражательная способность материала (R = 1- A (А – поглощательная способность материала)), k- коэффициент поглощения света в данной среде.

Поглощение энергии лазерного пучка осуществляется с помощью двух основных механизмов:

• взаимодействие квантов света с валентными электронами (поляризационный механизм);

• взаимодействие квантов света с электронами проводимости.

Первый механизм универсален, он характерен для любых сред. Второй же механизм наблюдается преимущественно в металлах. По этим причинам металлы сильнее поглощают лазерное излучение, чем диэлектрики и полупроводники.

Поглощение энергии лазерного излучения большой мощности приводит к резкому возрастанию температуры материала, превышающей температуру плавления. Высокие температуры и плотности фотонов вызывают термоэмиссию частиц с поверхности материала. Наблюдается интенсивное плавление и испарение материала, образуется мощная струя паров, и продукты разрушения выбрасываются из зоны обработки в виде факела.

Характер разрушения диэлектрических материалов и металлов различен. Разрушение диэлектриков под воздействия светового излучения во многом определяется низкой теплопроводностью, которая приводит к возникновению больших градиентов температуры и, как следствие, к растрескиванию материала.

Лазерный луч можно использовать для изготовления отверстий малых диаметров, в следующих деталях: диафрагмах, форсунках, ситах, часовых и приборных камнях, фильерах для изготовления синтетических волокон, алмазных волоках для протягивания микропровода и т.д.

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ При этом параметрами лазерной обработки являются энергетические характеристики импульса ОКГ (энергия, плотность энергии), частота и длительность импульсов излучения, КПД лазера (табл.2).

Таблица Характеристики ОКГ Параметры излучения Тип Активная Области Расхо Е, f, Р, КПД, изл,, ла- среда применения димо Дж Гц кВт % мкм мс зера сть, Q мрад 0,337 0,01 NДинамическая 0,6328 0,2-Не – Nе балансировка 0,4880 0,5-Ar деталей, резка, 0,упрочнение, 10,6 0,1-0,5 0,05 300 1-COлегирова10,6 0,1 10->СО2 + N2 + ние,наплавка Н2О 0,6943 0,5 0,03 1,4 1-40 1-1,5 Динамическая Рубин балансировка (Al2O3 + Cr3+) деталей, про1,064 0,1 5 0,05 0,01- 0,5- 0,8-Стекло + шивка отвер40 20 Nd2+ стий, сварка, 1,064 0,2-5 0,2- 10- 0,15- 2-30 2-АИГ резка, упрочне130 100 (Y3Al5O15 + ние, легироваNd2+) ние, наплавка 0,885 0,03- 20- 20-50 Связь, дальПП GaAs 2 200 (100) нометрия неорганические соеди- Наука (ввиду малой мощнонения R сти) 0,34- до < 0,органиче11,75 0,ский 2,6- 4,5 2,Фтористый 3,водород ПП – полупроводниковые лазеры R – редкоземельные элементы - длина волны излучения; - длительность импульса; Е – энергия импульса; f – частота повторения импульсов; Р – мощность импульса;



Q – расходимость;

0,1- 15-Газовые на примесях Твёрдотельные ные ЖидкостХимиический каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ Исследования показали, что отверстия с малой конусностью получаются при воздействии на обрабатываемый материал короткими импульсами (0,5 - 1,5 мс). С увеличением длительности импульса растет конусность отверстия, уменьшается его глубина. При обработке импульсами большой длительности (до 8 мс) наблюдается лишь проплавление материала без образования отверстия. Поэтому режим с большими длительностями импульса применяется при сварке и локальной термообработке.

Диаметр обрабатываемого отверстия и его глубина при условии сохранения в фокальном пятне постоянной плотности энергии излучения увеличиваются с увеличением фокусного расстояния фокусирующей системы. На форму и размеры отверстия влияет величина смещения фокальной плоскости фокусирующей системы.

Оптимальные размеры отверстия (наибольшая глубина, наименьший диаметр входа, постоянная конусность) получают, располагая деталь в некоторой зоне между фокальной плоскостью и фокусирующей системой. Величина этой зоны определяется параметрами фокусирующей системы и расходимостью излучения ОКГ. Изменение фокусного расстояния или величины смещения поверхности детали от фокальной плоскости фокусирующей системы, а также изменение энергии импульса изменяют плотность энергии излучения.

На размерные характеристики обработки влияет также количество импульсов. С увеличением количества импульсов, последовательно подаваемых в зону обработки, увеличивается глубина отверстия. Многоимпульсная обработка практически не увеличивает входной диаметр отверстия. Многоимпульсная обработка импульсами малой энергии улучшает форму поперечного сечения по глубине, дает большую цилиндричность отверстия.

Энергия излучения и длительность импульса, плотность энергии излучения, фокусное расстояние фокусирующей системы, смещение поверхности детали относительно фокальной плоскости, количество импульсов излучения - все это режимы лазерной обработки. Для определения оптимальных режимов получения микроотверстий строят монограммы, пользуясь которыми можно определить фокусное расстояние f, энергию Е и длительность t импульса излучения для заданных значений глубины Н и диаметра D отверстия на входе.

Точность изготовления микроотверстий лучом ОКГ довольно высока. При правильном выборе режимов обработки и стабилизации энергетических и временных характеристик излучения ОКГ погрешность размерных параметров может составить 8 - 10% номинала. Повысить точность можно различными технологическими приемами - такими, как каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ ограничение длительности светового импульса, пневматическое калибрование отверстий, обработка лучом ОКГ с использованием экрана, калибрование отверстий обратным действием светового луча и т.д.

Чтобы повысить точность геометрических параметров отверстия, улучшить топографию поверхностного слоя, целесообразно ограничивать длительность светового импульса, оставляя лишь ту часть, которая непосредственно используется для размерного формирования отверстия. Для этого можно применять различные затворы, работающие на механическом, электрическом, магнитооптическом и других принципах действия.

Машинное время изготовления одного отверстия при многоимпульсной обработке определяется длительностью импульса и составляет 0,001 - 0,0015 с. Следует, однако, учитывать, что при лазерной обработке еще велика доля вспомогательного времени, что ограничивает ее производительность (несовершенно фокусирование излучения ОКГ на обрабатываемой поверхности). Ручная настройка фокусирующей системы на рабочий режим, помимо увеличения вспомогательного времени технологического процесса, препятствует автоматизации лазерных установок. Критерием для оценки точности фокусирования служит резкость изображения обрабатываемой поверхности в поле зрения визуальной системы, что в значительной степени субъективно.

Размеры заготовок различны, поэтому для каждой из них нужна индивидуальная настройка. В этих случаях целесообразно использовать системы автоматического фокусирования. Они основаны на оценке и использовании для настройки доли сигнала, отраженного от обрабатываемой поверхности. Однако, из-за значительной сложности такие системы в технологических установках применяются редко. Если используется визуальная система, время ручной настройки можно уменьшить, улучшив условия наблюдения за объектом обработки. Это делают, покрывая поверхность обрабатываемого материала тушью, графитовой смазкой и пр. При обработке прозрачных материалов (стекло, алмаз, кварц и др.) без этого приема качественную настройку иногда выполнить вообще не удается. Кроме того, как показали исследования, предварительная окраска прозрачных заготовок повышает также эффективность самого процесса.

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 2.1. Цель и задачи работы - закрепить теоретические знания по лазерной обработке материалов, ознакомиться с устройством технологического лазера и принци каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ пом его работы, уяснить основные закономерности процесса лазерной прошивки материалов.

- определить производительность лазерной прошивки материала в зависимости от оптических свойств объекта, твердости материала и мощности воздействия.

2.2. Описание экспериментальной установки, принципиальная схема Лазер ЛТИ-501 - твердотельный лазер импульсного режима, работающий на длине волны 1064,1 нм в одномодовом режиме.

Средняя мощность лазерного излучения при частоте повторения импульсов 30 кГц составляет 8 Вт.

Частота повторения импульсов излучения от 5 до 50 кГц.





Энергетическая расходимость лазерного излучения на уровне 0,мощности не более 0,001 рад.

Диаметр пучка излучения по уровню 0,5 мощности у выходного окна излучателя составляет не более 1,5 мм.

Примечание: Указанные параметры лазера достигаются при токе накачке не более 37 А.

Режим работы лазера - одномодовый при отсутствии свободной генерации. Время готовности лазера не более 15 мин, время непрерывной работы до 8 часов с последующим перерывом в 45 мин, суточная наработка до 16 часов.

Конструктивно лазер состоит из двух частей: излучателя и стойки питания и охлаждения (СПО).

СПО- предназначена для питания, управления и охлаждения элементов излучателя.

Важнейшей частью лазера является излучатель, состоящий из квантрона, резонатора из двух зеркал, акусто-оптического затвора (АОЗ), диафрагмы и электромеханической заслонки. В резонаторе излучателя происходит преобразование электрической энергии, поступающей от стойки СПО, в энергию лазерного излучения.

Корпус излучателя имеет вид бруса почти квадратного сечения, имеющего в торцевых частях выступающие козырьки.

В центральной части внутренней полости корпуса установлен на направляющих полозьях столик с квантроном.

Внутри корпуса квантрона размещается отражатель в форме эллиптического цилиндра, активный элемент в виде круглого стержня из монокристалла алюмо-иттриевого граната, активированного ионами неодима (АИГ), а также дуговая лампа непрерывного горения с криптоновым наполнителем для накачки активного элемента.

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ Резонатор излучателя образован двумя зеркалами: в задней торцевой части корпуса излучателя крепится юстируемое зеркало, а в передней торцевой части - глухое (неюстируемое).

Перед глухим зеркалом со стороны квантрона расположена электромеханическая заслонка.

Для модуляции добротности и получения импульсного режима излучения в резонаторе излучателя лазера применен АОЗ, работа которого основана на явлении дифракции света на ультразвуковых волнах.

2.3. Порядок работы Поверните ручку регулировки тока накачки «выходной ток» в крайнее положение (против часовой стрелки), соответствующее минимальному ток.

Откройте кран водопроводной магистрали и убедитесь в прохождении воды в систему слива.

Вставьте ключ в замок переключателя «Питание» и поверните его по часовой стрелке до упора.

Нажмите кнопку «Вкл» и «Сеть», при этом должны загореться три лампочки индикации «Сеть».

Если горит лампа «Авария», нажмите кнопку «Выкл» «Сеть», поверните ключ замка переключателя «Питание» против часовой стрелки до упора, проверьте систему охлаждения лазера и устраните неисправность.

Нажмите кнопку «Контроль» «Зажигание» и убедитесь, что в лампе накачки излучателя происходит пробой.

Нажмите кнопку «Вкл» «Силовая», при этом наблюдайте поджиг и подхват работы лампы накачки излучателя и установление величины выходного тока около 10 А.

Установите по амперметру необходимую для генерации величину тока (32-37 А) поворотом ручки «Выходной ток».

Открыть затвор переключением тумблера в передней части станины лазера.

Проверьте кратковременно визуализатором наличие на выходе излучателя генерации излучения.

Разместите на предметном столике калибровочный материал.

Рычагом предметного столика переместите материал к выходной линзе и по достижении фокусного расстояния (по визуальному наблюдению через окуляр) зафиксировать данное положение.

Закрыть затвор тумблером, разместить на предметном столике один из подготовленных к прошивке материалов, открыть затвор и начать прошивку материала, фиксируя время операции.

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ Затем проделать все пункты по предыдущему пункту, с той лишь разницей, что прошивке подлежат другие материалы.

На всех материалах снять зависимость скорости прошивки от мощности излучения. Мощность излучения изменяется поворотом ручки "Выходной ток" по часовой стрелке до показаний амперметром поочередно 22 А, 26 А, 29 А, 32 А, 36 А.

Для выключения источника питания (силовой части) нажмите кнопку "Выкл» «Силовая", предварительно уменьшив величину тока до 10-А.

Для выключения питания лазера нажмите кнопку «Выкл» «Сеть» (при этом гаснут три лампы «Сеть») и поверните ключ замка переключателя «Питание» против часовой стрелки до упора и выньте его.

2.4. Оформление результатов работы По результатам измерения заполнить таблицу 2 и построить зависимости скорости прошивки материалов от тока накачки генератора, и установить влияние свойств материалов на эффективность прошивки.

Таблица Зависимость скорости прошивки материала от мощности ОКГ Время прошивки, Скорость прошивки t, с V, мкм /с Ток накачки, А материла, Материал мкм 2.5. Контрольные вопросы 1. Что такое лазерное излучение и его особенности.

2. Механизм генерации лазерного излучения.

3. Какие свойства материалов определяют обрабатываемость их лазерным пучком 4. Что определяет температуру материала при нагревании лазерным лучом 5. Механизм лазерной прошивки материалов.

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ 2.6. Литература 1. Коваленко В.С. Лазерная технология: Учебник.- Киев: Выща шк., 1989.- 280 с.

2. Епечурин В.П., Латышев А.П. Электротехнология.- Л.: СЗПИ, 1974.- 76 с.

3. Бутурович И.Х, Гончаров Б.Ф. Электрофизические и электрохимические методы размерной обработки: уч. пособие.- Л.: ЛПУ., 1980.- 73 с.

4. Ракалин Н.Н., Углов А.А., Зуев И.В., Кокора А.Н. Лазерная и электронно-лучевая обработка материалов.- М.: Машиностроение, 1985.- 496 с.

Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 11 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.