Технологические особенности излучения ОКГ
1. Отсутствие механического и электрического контакта между источником энергии и изделием повышает точность обработки.
2. Высокая концентрация энергии в пятне нагрева, малые размеры которого обеспечивают локальность нагрева и точность обработки.
3. Плавная регулировка луча.
4. Очень высокие температуры нагрева материала в фокальном пятне.
5. Возможность осуществления технологического процесса обработки в любой оптически прозрачной среде, в том числе через прозрачную разделительную перегородку или по световоду.
6. Возможность полной автоматизации СЛО.
7. Лазерная обработка ведется с применением сложного и дорогостоящего оборудования, эксплуатация которого должна осуществляться высококвалифицированным обслуживающим персоналом с соблюдением повышенных требований к технике безопасности.
Следует отметить, что область эффективного применения СЛО шире, чем ЭЛО. Однако особенности получения когерентного излучения, сложность оборудования и значительные габаритные размеры мощных лазеров ограничивают возможность их использования в таких энергоемких процессах, как, например, плавка материалов. Здесь чаще используют более простые и имеющие более высокий КПД процессы ЭЛО и плазменной обработки.
Технологические методы СЛО, нашедшие применение в современной промышленности, можно разделить на три группы:
1. Методы, основанные на нагреве металла заготовки без плавления.
2. Методы, основанные на плавлении обрабатываемого материала.
3. Методы, основанные на локальном плавлении обрабатываемого материала и его дальнейшем удалении под действием силы тяжести или газовой струи, подаваемой в зону обработки, а также методы, основанные на испарении материала заготовки.
Группа 1.
Поверхностная термообработка. Этот способ применяют для упрочнения отдельных зон поверхности изделий из подвергающихся закалке материалов. Способ универсален по сравнению с традиционно применяемым способом закалки ТВЧ, т.к. не требует изготовления для каждого типоразмера изделия специальной оснастки (индуктора). При этом производительность процесса выше, чем при обработке ТВЧ на 70 – 90%. Применяется для обработки лезвий режущего инструмента, беговых дорожек подшипника, шеек валов, зубъев шестерен и т.д.)….
При использовании лазерной закалки твердость поверхностного слоя чугуна и стали возрастает в 3-5 раз. Производительность по сравнению с индукционной закалкой возрастает на 70-90%. Локальность закалочных зон может достигать значений менее 10мкм. Глубина закаленной зоны 0,5-1мм. Из-за малой площади зоны термического влияния и отсутствия увода изделия такая ТО может быть финишной операцией техпроцесса (если нет плавления).
Эффект упрочнения основан на локальном нагреве участка поверхности под действием излучения и последующем охлаждении с большой скоростью за счет теплоотвода во внутренние слои заготовки.
При удельной мощности около 108-109Вт/м2 не происходит плавления материала. В зоне обработки возникает упрочненный поверхностный слой с высоким сопротивлением износу.
При удельной мощности 109÷5∙109Вт/м2 происходит плавление обрабатываемого материала. Из жидкой фазы образуется мелкозернистая структура с высокой твердостью, износостойкостью и коррозионной стойкостью. однако в этом случае нарушается качество поверхности, и требуется последующая финишная механическая обработка.
Группа 2. 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-стойких сталей, никеля, молибдена и др. Высокая мощность излучения позволяет сваривать материалы с высокой теплопроводностью (медь, серебро). Для материалов, плохо поддающихся сварке другими методами (вольфрам+алюминий, медь+сталь, бериллиевая бронза+др.сплавы), применяют лазерную сварку.
Наиболее эффективно применять лазеры:
¾ для сварки в труднодоступных местах,
¾ при соединении легкодеформируемых деталей,
¾ в условиях интенсивного теплоотвода (при низкой температуре, для материалов с высокой теплопроводностью)
¾ когда надо обеспечить минимальную зону термического влияния.
Лазерная сварка с использованием непрерывного излучения происходит со скоростью несколько метров в минуту, ширина шва до 0,5мм. При применении лазерной сварки прочность сварного соединения достигает уровня прочности свариваемого металла.
Ширина шва при лазерной сварке в 2-5 раз меньше, чем при дуговой. Размер зоны термического влияния в 10раз меньше. Время получения одной точки 10-2-10-3с, что в 10раз меньше, чем при контактной сварке. Из-за малой зоны термического влияния и малой деформации свариваемых изделий лазерная сварка рекомендуется при сборке готовых изделий.
При незначительной интенсивности импульсов
При использовании интенсивных импульсов
Способы введения присадочного материала при сварке:
1. подача проволоки
2. использование накладок
3. подача порошка
Группа 3.
К способам 3 группы относятся лазерная резка и размерная обработка.
Лазерная резка
В основе лазерной обработки лежит простой научный факт: лазерный луч можно сконцентрировать на поверхности материала в пятно диаметром в десятые доли миллиметра. Если при этом лазер обладает достаточной мощностью, то происходит расплавление, испарение, разрушение, изменение структуры материала. Для превращения лазерного луча в инструмент на его пути на расстоянии нескольких сантиметров от поверхности обрабатываемого материала ставится фокусирующая линза. Процесс напоминает детское развлечение в солнечный день с выжигательным стеклом. Только вместо солнечного луча луч лазера. Если теперь начать двигать материал с помощью двухкоординатного привода, управляемого от компьютера, то получится простейший станок для лазерной обработки материалов. Обычно в реальных станках перемещается лазерный резак над неподвижным материалом, так называемый координатный стол с «летающей оптикой».
В основном для обработки материалов используются два класса лазеров: так называемые твердотельные и газовые. Наиболее распространенные твердотельные лазеры на неодимовом стекле и иттрий-алюминиевом гранате с длиной волны около 1 микрона, что немножко длиннее видимого красного излучения, и газовые лазеры на углекислом газе с длиной волны около 10 микрон (дальняя инфракрасная область, невидимая глазом. Примерно такую длину волны излучает кипящий чайник). Есть еще всякая экзотика типа зеленых лазеров на парах меди, красных на рубине, цветных на жидких красителях, полупроводниковых и т.д. Все они имеют ограниченную область применения и редко используются для обработки материалов в утилитарном смысле этого слова.
1. Лазерная резка
Лазерная резка является наиболее распространенной операцией СЛО (40% всех операций СЛО). Возможно разделение любых металлов и сплавов.
Мощность светового луча
N = n ∙ h ∙ ω
где n – скорость образования активных атомов (м-3с-1)
h – постоянная Планка (h=6,625∙10-34Дж∙с)
ω – частота кванта
Предельная глубина резки при N=5кВт:
Ti – 10мм;
нерж.сталь – 6мм;
низкоуглеродистая сталь – 10мм.
При помощи газового лазера (СО2) мощностью 100Вт и толщине заготовки 1мм скорость газовой лучевой резки составляет:
1,6м/мин – низкоуглеродистая сталь
0,94м/мин – нерж.сталь
0,5м/мин – кварц
Стоимость погонного метра реза, выполненного лазером при толщине материала 1 – 10мм, в 2-3 раза ниже, чем при механической резке.
В промышленности для лазерной резки в основном используются газовые лазеры (СО2) и твердотельные (рубин).
Эффективность лазерной резки существенно повышается при введении в зону резания кислорода. Реакция между металлом и кислородом увеличивает локальное энерговыделение (такую резку называют газолазерной). Установки для газолазерной резки оснащены специальными устройствами для подачи кислорода или воздуха в зону резания.
Кислород проявляет себя следующим образом:
1. За счет реакции окисления обеспечивает выделение основной части энергии, необходимой для резки
2. Значительно увеличивает поглощающую способность материала за счет создания на его поверхности оксидов, имеющих меньший коэффициент отражения
3. Охлаждает кромки разрезаемого материала
2. Размерная обработка
Лазерную размерную обработку применяют для прошивания глухих и сквозных отверстий, вырезания заготовок из листовых материалов.
Для этого чаще всего применяют импульсные твердотельные ОКГ.
Основными преимуществами лазерного прошивания по сравнению с механической обработкой являются:
¾ Возможность обрабатывать любые материалы, независимо от их механических свойств
¾ Возможность получать отверстия малых диаметров (менее 0,1мм) с большим отношением глубины к диаметру, в этом случае применяется многоимпульсный режим обработки
¾ Отсутствие усилий обработки
Следует обратить внимание на следующий факт – металлы, образующие тугоплавкие оксиды с большой вязкостью, плохо поддаются газолазерной резке, т.к. затруднено удаление оксидов из зоны реза. Такими материалами являются алюминий и его сплавы, магний, латунь, хром и др. Их выгоднее резать плазменной резкой.
Производительность достигается при получении отверстий за один импульс с большой энергией (до 30Дж). При этом основная масса материала удаляется из отверстия в расплавленном состоянии под давлением пара, образовавшегося в результате испарения относительно небольшой части вещества. НО! Точность обработки одноимпульсным методом невысокая (10-20% диаметра). Максимальная точность (1-5%) достигается при воздействии на материал серии импульсов (многоимпульсный метод) с относительно небольшой энергией (0,1-0,3Дж) и малой длительностью (≤0,1мс). Возможно получение различных форм поперечного сечения (круглые, треугольные и т.д.) и продольного сечения (цилиндрические, конические).
Освоено получение отверстий Ø0,003÷1мм. Шероховатость стенок отверстия Ra=0,4-0,1мкм. Глубина структурно измененного слоя h=1-100мкм
Производительность лазерных установок 60-240 отв/мин. Наиболее эффективно применение лазера для труднообрабатываемых другими методами материалов (алмаз, рубин, керамика), получения отверстий диаметром менее 100мкм, или под углом к поверхности.