Основы формообразования лазерным лучом

(Теоретическая часть)

 

План 2011 г.

 

Авторская редакция

 

Подписано в печать с оригинал-макета 15.09.11

Формат 60х84 1/16. Бумага для множ. апп. Печать офсетная.

Усл. печ. л. 2,5. Уч.-изд л.4,0. Тираж 500 экз.

Заказ Цена

 

Петербургский государственный университет путей сообщения

190031, СПб, Московский пр., 9.Типография ПГУПС.

190031, СПб, Московский пр., 9.

 

Введение.

В настоящее время на предприятиях машиностроения происходит структурная перестройка, связанная с обновлением номенклатуры выпускаемых изделий, развитием новых технологий и применением современных материалов. В различных отраслях производства возрастает доля технологий, основанных на использовании высокоинтенсивных электрофизических, электрохимических и комбинированных воздействий на обрабатываемые материалы. Особенно интенсивно развиваются лазерные методы обработки материалов. Лазеры находят применение во все более широком диапазоне научных исследований и технологий, в машино- и приборостроении, медицине, космической промышленности и т.д.

В этой учебном пособии рассмотрены физические основы и конструктивные особенности различных лазеров. В современной технологии нашли широкое применение традиционные лазеры, такие как газовые, полупроводниковые, твердотельные. Но для перспективного развития техники и технологий большой интерес вызывают и современные лазеры: акустические, жидкостные, ультраширокополостные, нанокремниевые, которые не нашли еще широкого применения в машиностроении, но обязательно найдут.

 

Основы формообразования лазерным лучом

 

Лазерная обработка материалов (металлов и сплавов, керамики, пластмасс, древесины) основана на возможности лазерного излучения создавать на ограниченном участке поверхности высокие плотности теплового потока, позволяющие осуществлять при необходимости: интенсивный нагрев материала, расплавление, испарение.

В основе работы оптических квантовых генераторов или лазеров лежит принцип вынужденного излучения. Основное понятие лазера - LAZER - L ight A mplification by S timulated E mission of R adiation – усиление света с помощью вынужденного излучения. Монохроматичность, исключительно высокая когерентность и направленность излучения, возможность генерирования когерентных волн большой интенсивности в видимой, инфракрасной и ультрафиолетовой областях спектра, получение высоких плотностей энергии как в непрерывном, так и в импульсном режиме предопределили широкое применение лазеров.

Большой вклад в изучение физических процессов и технологических особенностей лазерной обработки внесли А.Г. Григорьянц, Р.В. Арутюнян, В.С. Коваленко, И.Н. Шиганов, Н.Н. Рыкалин, А.А. Углов, В.Н. Анисимов, В. С. Жигалов и др.

Лазерная обработка приводит к повышению эксплуатационных характеристик материалов: износостойкости, теплостойкости, твердости и т.д. При этом получается широкий спектр структурных состояний материала: ультрамикрокристаллические структуры, пересыщенные твёрдые растворы, структуры с повышенной гомогенностью, тонкие дендритные структуры, тонкие эвтектические композиции.

В зависимости от плотности мощности излучения (энергии воздействия лазерного луча на материал) и времени воздействия излучения на материал выделяют четыре зоны [1]:

1) образования плазмы (выше кривой 1, показанной на рис. 5.1);

2) удаления материала – область, ограниченная кривыми 1 и 2 (см. рис.5.1); ниже кривой 2 испарения материала не происходит;

3) плавления – область, ограниченная кривыми 2 и 3 (см. рис.5.1); ниже кривой 3 плавление материала отсутствует;

4) поверхностного нагрева – лежит ниже кривой 3.

При >10⁸ Вт/см² и <10^-3 возникает лазерная плазма, поглощающая излучение и тем самым затрудняющая проведение технологических операций.

Различным разновидностям методов лазерной обработки приближенно соответствуют следующие диапазоны плотности мощности излучения и времени воздействия излучения на обрабатываемый материал [1]:

1) лазерная пробивка отверстий, резка в режиме испарения, скрайбирование хрупких материалов, маркировка и другие операции лазерной обработки, связанные с удалением материала в виде паров или под действием сил реакции паров энергии производятся при =10⁶…10⁸ Вт/см² и =10^-5…10^-4 с;

2) лазерная точечная и шовная сварка, сварка легко деформируемых материалов, сварка в труднодоступных местах, наплавка, поверхностное легирование и нанесение покрытий, резка производятся при = 10⁵…10⁶ Вт/см² и ≥ 10^-3 с;

3) нагрев металлов без изменения агрегатного состояния вещества и термическая обработка – лазерная закалка, отжиг, разделение хрупких материалов за счет разрушающих (раскалывающих) напряжений проводятся при плотности мощности излучения = 10⁴…10⁵ Вт/см² и =10^-4 …10^-3 с. При дальнейшем сокращении времени действия излучения на поверхность до =10^-6 с и одновременном увеличении плотности мощности лазерного излучения на поверхности металлов образуются бескристаллические структуры (аморфные пленки).

Рис. 5.1. Классификация методов лазерной обработки по энергетическому признаку

( – плотность мощности лазерного излучения, - время воздействия излучения):

I – методы удаления материала за счет испарения (резка в режиме испарения и др.);

II- пробивка отверстий; III- лазерная резка;

IV- лазерное легирование и нанесение покрытий;