Главная


Повышение эффективности лазерной обработки материалов




Листать книгу
Листать
Страницы: 1 ... 23 ... 24
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23


скачать книгу Повышение эффективности лазерной обработки материалов




Прогрессивная технология обработки конструкционных материалов и изделий (механические, электрофизические и другие методы обработки, сварка, защитные покрытия)
...
В «Основных направлениях экономического и социального раз­вития СССР на 1981 —1985 годы и на период до 1990 года» ука­зывается на необходимость широкого использования лазерных методов обработки материалов и изделий с целью существенною улучшения их свойств. Интенсификация процессов лазерной об­работки материалов — одна из важных задач в повышении эф­фективности использования лазеров в технологии.
...
Расширение сферы применения лазеров для обработки мате­риалов обусловлено созданием технологических установок, реа­лизующих основные преимущества лазерного излучения перед другими источниками нагрева. Малая расходимость излучения, широкий диапазон изменения плотности мощности и времени воз­действия на обрабатываемый объект позволяют осуществлять ла­зерную сварку металлов, получать отверстия в различных мате­риалах, выполнять скрайбирование и резку, лазерную маркиров­ку, обработку тонких пленок, упрочнение инструментальных ста­лей, отжиг полупроводников и другие операции.
...
Среди известных способов применения лазеров для обработки материалов широко распространена в настоящее время лазерная сварка металлов. Процессы лазерной сварки относительно просты в осуществлении, легко управляемы, а локальность воздействия излучения позволяет вести монтаж малогабаритных деталей и уз­лов, в том числе и вблизи термочувствительных элементов. При­мером использования лазерной технологии в производстве может служить лазерная импульсная сварка деталей и узлов миниатюр­ных реле [ 1 ].
...
Однако в ряде случаев эффективность лазерной обработки металлов невелика из-за низкого КПД лазеров, высокой отражаю­щей способности металлов, влияния неоднородности оптических свойств обрабатываемого материала на качество и воспроизводи­мость процесса. Относительно низкий КПД процесса лазерной сварки металлов, особенно металлов с высокой отражательной способностью, ограничивает ее применение при монтаже энерго­емких соединений и обусловливает значительные эксплуатацион­ные расходы на ее осуществление.
...
В «Основных направлениях экономического и социального раз­вития СССР на 1981 —1985 годы и на период до 1990 года» ука­зывается на необходимость широкого использования лазерных методов обработки материалов и изделий с целью существенною улучшения их свойств. Интенсификация процессов лазерной об­работки материалов — одна из важных задач в повышении эф­фективности использования лазеров в технологии.
...
Расширение сферы применения лазеров для обработки мате­риалов обусловлено созданием технологических установок, реа­лизующих основные преимущества лазерного излучения перед другими источниками нагрева. Малая расходимость излучения, широкий диапазон изменения плотности мощности и времени воз­действия на обрабатываемый объект позволяют осуществлять ла­зерную сварку металлов, получать отверстия в различных мате­риалах, выполнять скрайбирование и резку, лазерную маркиров­ку, обработку тонких пленок, упрочнение инструментальных ста­лей, отжиг полупроводников и другие операции.
...
Среди известных способов применения лазеров для обработки материалов широко распространена в настоящее время лазерная сварка металлов. Процессы лазерной сварки относительно просты в осуществлении, легко управляемы, а локальность воздействия излучения позволяет вести монтаж малогабаритных деталей и уз­лов, в том числе и вблизи термочувствительных элементов. При­мером использования лазерной технологии в производстве может служить лазерная импульсная сварка деталей и узлов миниатюр­ных реле [ 1 ].
...
Однако в ряде случаев эффективность лазерной обработки металлов невелика из-за низкого КПД лазеров, высокой отражаю­щей способности металлов, влияния неоднородности оптических свойств обрабатываемого материала на качество и воспроизводи­мость процесса. Относительно низкий КПД процесса лазерной сварки металлов, особенно металлов с высокой отражательной способностью, ограничивает ее применение при монтаже энерго­емких соединений и обусловливает значительные эксплуатацион­ные расходы на ее осуществление.
...
Разработаны и внедряются различные способы повышения эф­фективности лазерной металлообработки: легирование зоны свар­ки [2], комбинированные методы [3 — 5], предварительная меха­ническая обработка поверхности материала [6], а также способы, основанные на использовании термооптических и термохимических явлений [7].
...
Кроме того, был предложен способ обработки металлов, кото­рый основан на дополнительном использовании энергии лазер­ного излучения, отраженного от зоны воздействия пучка [8]. Спо­соб обработки с возвратом отраженного излучения, как будет по­казано ниже, может быть весьма эффективно использован в раз­личных процессах лазерной технологии, например в сварке, пай­ке, упрочнении поверхности и т. д.
...
Однако данный метод интенсификации лазерной металлообра­ботки пока широко не применяется в промышленности, что можно объяснить отсутствием необходимых сведений о характере отра­жения лазерного излучения от зоны обработки, а также отсутст­вием исследований, подтверждающих эффективность этого мето­да. Разработке этих вопросов и посвящена данная брошюра.
...
Отражение лазерного излучения от зоны обработки металла характеризуется коэффициентом отражения R,
...
Исследование характеристик отраженного лазерного излучения целесообразно проводить с использованием зеркальной полусфе­ры [10]. При расположении облучаемой мишени вблизи центра зеркальной высокоотражающей полусферы с отверстием для ввода лазерного излучения отраженное мишенью излучение будет пере­фокусировано в пятно, расположенное симметрично (относительно центра полусферы) пятну излучения, сфокусированному на ми­шень. Приемник, регистрирующий отраженное излучение, распола­гается так, что центр его приемной площадки (входного зрачка) совмещен с центром перефокусированного пятна излучения.
...
Зеркальная полусфера может иметь высокоотражающую, на­пример металлическую, поверхность или быть выполнена из ма­териала с большим значением коэффициента пропускания (стек­ло, кварц, германий и другие материалы в зависимости от длины волны излучения лазера). В этом случае одновре-
...
Разработаны и внедряются различные способы повышения эф­фективности лазерной металлообработки: легирование зоны свар­ки [2], комбинированные методы [3 — 5], предварительная меха­ническая обработка поверхности материала [6], а также способы, основанные на использовании термооптических и термохимических явлений [7].
...
Кроме того, был предложен способ обработки металлов, кото­рый основан на дополнительном использовании энергии лазер­ного излучения, отраженного от зоны воздействия пучка [8]. Спо­соб обработки с возвратом отраженного излучения, как будет по­казано ниже, может быть весьма эффективно использован в раз­личных процессах лазерной технологии, например в сварке, пай­ке, упрочнении поверхности и т. д.
...
ОТРАЖЕНИЕ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ПРИ ИМПУЛЬСНОМ НАГРЕВЕ И ПЛАВЛЕНИИ МЕТАЛЛОВ
...
Схема установки для исследования характера отражения ла­зерного излучения при импульсном нагреве и плавлении металлов представлена на рис. 1. Источником излучения / служит свароч­ный технологический лазер.
...
ричен относительно точки О центру зоны облучения мишени. Излучение, прошедшее ослаби­тель, регистрируется приемником 9,
...
мишень через отверстие в полусфере, имеющее диаметр 25 мм. Мишени устанавливаются таким образом, чтобы облучаемая по­верхность была расположена нормально к оси падающего пучка.
...
Эксперимент позволяет для каждого случая облучения мише­ни получить осциллограммы изменения мощности падающего пуч­ка и соответствующих изменений мощности зеркально и диффуз-но отраженного излучения. Зеркально отраженным излучением здесь названо излучение, поступающее в апертуру фокусирующего объектива, а диффузно отраженным — излучение, отраженное на поверхность полусферы. Значение измеряемых коэффициентов
...
Рис. 2. Осциллограммы изменения мощности падающего излучения Р„, зеркальной Ра и диффузной Рд составляю­щих отраженного излучения для МНЦ 15-20 и Си при различных режимах облучения (временные зависимости коэффициентов отражения R, R3,
...
отражения в каждый момент времени определяется как отноше­ние «мгновенных» интенсивностей отраженного и падающего из­лучений. Таким образом находятся диффузная RA(t)
...
Интегральный за время импульса коэффициент отражения оп­ределяется как отношение энергии импульса отраженного излуче­ния (находится путем графического интегрирования соответст-
...
Рис. 2. Осциллограммы изменения мощности падающего излучения Р„, зеркальной Ра и диффузной Рд составляю­щих отраженного излучения для МНЦ 15-20 и Си при различных режимах облучения (временные зависимости коэффициентов отражения
...
вующих осциллограмм) к энергии импульса излучения, падающего на мишень (измеряется калориметром и для калибровки осцилло­графа определяется интегрированием осциллограмм). Для калиб­ровки измерительной установки применяются мишени с известны­ми коэффициентами отражения (медные полированные пластин­ки, интерференционные зеркала), что обеспечивает измерение с погрешностью не хуже ±10%.
...
представлены вычисленные временные зависимости коэффициен­тов отражения R3(t),
...
По мере увеличения энергии импульса излучения, направляемо­го на обрабатываемую поверхность, наблюдаются изменения в ходе кривых P3{t),
...
Развитие процесса плавления приводит к тому, что коэффи­циент зеркального отражения достигает максимального значения, а затем начинает уменьшаться. При этом коэффициент диффузно­го отражения ведет себя противоположным образом. Такое пове­дение составляющих отражения хорошо объясняется изменением формы поверхности расплавленного металла с образованием лун­ки в процессе плавления.
...
Суммарное отражение при этом также уменьшается, что, види­мо, обусловлено увеличением поглощения излучения в лунке в ре­зультате актов повторного отражения и значительным перегревом поверхностного слоя расплавленного металла. В общем случае уменьшение суммарной доли отражения может быть вызвано так­же поглощением и рассеянием излучения факелом. Однако, как было отмечено выше, в рассматриваемых режимах обработки этот механизм несуществен.
...
Наличие при лазерной обработке металлов значительной доли отраженного излучения свидетельствует лишь о возможности по­вторного использования этого излучения при выполнении различ­ных процессов лазерной технологии. Однако для оценки эффектив­ности лазерной металлообработки с возвратом отраженного излу­чения необходимо рассмотреть ряд вопросов, связанных как с осо­бенностями его применения, так и с пространственно-временными характеристиками отражаемого и возвращаемого излучений.
...
При использовании многократного возврата отраженного из­лучения в зону обработки выражение для энергии, вводимой в
...
Рис. 4. Расчетные зависимости характеристик эффектив­ности лазерной металлообработки при возврате отра­женного излучения: а — КПД обработки т)„ от числа возвратов п; б — мак­симального КПД Птах и коэффициента ртах от коэф­фициента отражения R; в — коэффициента (5„ от числа возвратов п; г — эффективного числа возвратов п от параметра Rk. Кривые, обозначенные цифрами /, 2, 3, 4
...
При разработке конкретных схем возврата для обработки ма­териала с известными характеристиками отражения важно знать эффективное число возвратов, при котором обеспечивается ис­пользование определенной части первоначально отраженного излу-
...
Рис. 4. Расчетные зависимости характеристик эффектив­ности лазерной металлообработки при возврате отра­женного излучения: а — КПД обработки т)„ от числа возвратов п; б — мак­симального КПД Птах и коэффициента ртах от коэф­фициента отражения R; в — коэффициента (5„ от числа возвратов п; г — эффективного числа возвратов п от параметра Rk. Кривые, обозначенные цифрами /, 2, 3, 4
...
При разработке конкретных схем возврата для обработки ма­териала с известными характеристиками отражения важно знать эффективное число возвратов, при котором обеспечивается ис­пользование определенной части первоначально отраженного излу-
...
Рис. 4. Расчетные зависимости характеристик эффектив­ности лазерной металлообработки при возврате отра­женного излучения: а — КПД обработки т)„ от числа возвратов п; б — мак­симального КПД Птах и коэффициента ртах от коэф­фициента отражения R; в — коэффициента (5„ от числа возвратов п; г — эффективного числа возвратов п от параметра Rk. Кривые, обозначенные цифрами /, 2, 3,
...
На рис. 4 приведены расчетные зависимости характеристик эф­фективности возврата отраженного излучения в зону обработки. Анализ зависимостей показывает, что эффективный КПД лазер­ной сварки металлов с коэффициентами отражения R
...
Для реальных систем возврата время, за которое происходит пп (<20) возвратов, менее Ю-8 с. Следовательно, при обработке металлов импульсами излучения с длительностью импульсов тп^>10"8с можно пренебречь удлинением импульсов поглощенной и направляемой на металл энергий лазерного излучения. Приве­денное выше рассмотрение для энергии лазерного излучения остается в этом случае справедливым и для мощности.
...
На рис. 5 для практической иллюстрации эффективности воз­врата приведена фотография зон облучения на воздухе образцов из меди (/),
...
Рис. 5. Фотография зон облучения образцов из меди (£л=20 Дж), мельхиора (£л = 10 Дж) и никеля (£л-= 10 Дж)
...
возвращалась многократно (до затухания). Обработка велась им­пульсами лазерного излучения с одинаковой для каждого мате­риала энергией (Си —20 Дж; Л1Н19 и Ni — 10 Дж), как с при­менением системы возврата (а), так и без нее (б).
...
На фотографии видно, что без возврата отраженного излуче­ния медный образец не расплавлен (заметна лишь окисленная зона воздействия лазерного излучения), а на образцах из никеля и мельхиора наблюдается слабое (очаговое) плавление поверх­ностного слоя металла. Применение системы возврата обеспечива­ло нормальное (для условия сварки без выплеска) плавление ме­ди и мельхиора и сильное (с выплеском металла) плавление ни­келя. Аналогичные результаты по плавлению, но без использова­ния возврата отраженного излучения, могут быть достигнуты лишь при увеличении энергии импульса излучения для меди и мельхиора в 2,5 раза, а для никеля — в 2 раза. Приведенные циф­ры могут являться количественной характеристикой эффективно­сти сварки указанных металлов с возвратом отраженного излуче­ния с помощью зеркальной полусферы.
...
Невоспроизводимость результатов лазерной обработки метал­лов может быть вызвана изменением оптических свойств участков облучаемой поверхности. При обработке без возврата отраженно­го излучения результат обработки может сильно зависеть от изме­нения поглощательной способности металла как по поверхности обработки, так и в течение импульса воздействия.
...
Установлено, что результат воздействия лазерного излучения на металл в значительной мере определяется исходным состоя­нием поверхности. Так, например, по осциллограммам пзмененил Ря
...
Из практики также известно, что существенное различие в ре­зультатах обработки может наблюдаться при сварке стыковых соединений. Участки стыка металлов, имеющие небольшой зазор или сколы кромок, расплавляются на большую глубину и имеют сравнительно больший кратер, чем участки с хорошо пригнанны­ми кромками.
...
Основная причина нестабильной сварки многих соединений, даже при условии стабильных параметров лазерного излучения, заключается в нерегулируемом изменении энерговложения, вы­званном изменением оптических свойств зоны обработки. Эти свойства могут быть охарактеризованы коэффициентом отраже­ния R.
...
возвращалась многократно (до затухания). Обработка велась им­пульсами лазерного излучения с одинаковой для каждого мате­риала энергией (Си —20 Дж; Л1Н19 и Ni — 10 Дж), как с при­менением системы возврата (а), так и без нее (б).
...
На фотографии видно, что без возврата отраженного излуче­ния медный образец не расплавлен (заметна лишь окисленная зона воздействия лазерного излучения), а на образцах из никеля и мельхиора наблюдается слабое (очаговое) плавление поверх­ностного слоя металла. Применение системы возврата обеспечива­ло нормальное (для условия сварки без выплеска) плавление ме­ди и мельхиора и сильное (с выплеском металла) плавление ни­келя. Аналогичные результаты по плавлению, но без использова­ния возврата отраженного излучения, могут быть достигнуты лишь при увеличении энергии импульса излучения для меди и мельхиора в 2,5 раза, а для никеля — в 2 раза. Приведенные циф­ры могут являться количественной характеристикой эффективно­сти сварки указанных металлов с возвратом отраженного излуче­ния с помощью зеркальной полусферы.
...
Невоспроизводимость результатов лазерной обработки метал­лов может быть вызвана изменением оптических свойств участков облучаемой поверхности. При обработке без возврата отраженно­го излучения результат обработки может сильно зависеть от изме­нения поглощательной способности металла как по поверхности обработки, так и в течение импульса воздействия.
...
Максимальное значение коэффициента стабилизации дости­гается при многократном (до затухания) возврате отраженного излучения (п
...
Рис. 6. Расчетные зависимости параметров стабиль­ности энерговложения от R для значений коэффи­циента возврата k, равных 0; 0,8: 0,9; 0,95 (кривые
...
1, 2, 3 и 4 соответственно) а — минимальное значение коэффициента нестабиль­ности; б — максимальное значение коэффициента ста­бильности
...
Максимальное значение коэффициента стабилизации дости­гается при многократном (до затухания) возврате отраженного излучения (п
...
зультаты исследования подтверждают возможность компенсации изменений оптических свойств материалов в случае их обработки с возвратом отраженного излучения.
...
Качество различных процессов лазерной обработки в значи­тельной степени зависит и от формы импульса Р(1),
...
в зону обработки отраженного излучения путем использования, например, только зеркальной или только диффузной составляю­щих отраженного излучения.
...
На рис. 8 показаны кривые изменения мощности излучения, падающего на поверхность пластины из сплава МНЦ15-20 при об­работке без возврата (Pi)
...
Рис. 8. Кривые изменения мощности излуче­ния, падающего на поверхность пластины из сплава МНЦ 15-20, при обработке без воз­врата (Я| = Р')
...
Рис. 8. Кривые изменения мощности излуче­ния, падающего на поверхность пластины из сплава МНЦ 15-20, при обработке без воз­врата (Я| =
...
«ого пучка лазерного излучения. Такой возврат может осуществ­ляться простыми световозвращателями, устанавливаемыми на пу­ти отраженного пучка.
...
На рис. 9 приведена схема устройства, в котором обработка материала ведется пучком поляризованного излучения, падающе­го нормально к поверхности материала.
...
Эта схема была предложена для защиты оптики излучателя лазера от отраженно­го излучения [11]. Ее можно использо­вать для возврата зеркально отражен­ного излучения в зону обработки.
...
Для многократного возврата коротких импульсов четвертьволновая пластинка выполняется в виде модулятора поляри­зации.
...
фузно отраженного излучения может быть использована зеркальная полусфера. Схема устройства для лазерной обработ­ки с применением такой полусферы пред­
...
Рис. 9. Схема устройст­ва для лазерной обра­ботки с поляризационной развязкой лазерного из­лучения
...
Анализ эффективности применения зеркальной полусферы не­обходимо проводить с учетом диаграмм направленности отражен­ного излучения от конкретных объектов обработки и эффектов размытия светового пятна при перефокусировке.
...
Оценка расфокусирующего действия зеркальной полусферы ра­диуса р выполнялась ранее [12] путем расчета изменения границ первоначального радиуса пятна излучения г0 в зависимости от числа переотражений п
...
Для определения целесообразности применения зеркальной по­лусферы в качестве устройства возврата отраженного излучения при лазерной обработке различных объектов необходимо учиты­вать размытие пятна из-за смещения облучаемой поверхности от диаметральной плоскости полусферы.
...
На рис. 10 показан ход лучен, поясняющий размытие светово­го пятна. Лучи, выходящие под различными углами из точки пят­на, расположенной на расстоянии г{
...
Анализ эффективности применения зеркальной полусферы не­обходимо проводить с учетом диаграмм направленности отражен­ного излучения от конкретных объектов обработки и эффектов размытия светового пятна при перефокусировке.
...
Оценка расфокусирующего действия зеркальной полусферы ра­диуса р выполнялась ранее [12] путем расчета изменения границ первоначального радиуса пятна излучения г0 в зависимости от числа переотражений п
...
Рис. 10. Схема устройства для лазерной обра­ботки с применением зеркальной полусферы
...
Анализ этих зависимостей показывает, что при фиксированном значении смещения объекта обработки относительно диаметраль­ной плоскости полусферы размытие уменьшается с увеличением радиуса пятна первоначально сфокусированного излучения ла­зера.
...
Размытие пятна сильно зависит от угла 20 и от смещения об­лучаемой поверхности объекта относительно диаметральной пло­скости полусферы, что требует точной установки обрабатываемых деталей. Причем смещение объекта обработки внутрь полусферы приводит к несколько меньшему размытию, чем при обратном сме­щении.
...
Оценка размытия пятна при многократном возврате должна производиться с учетом изменения угла 26 и радиуса пятна гп
...
Характер пространственного распределения отраженного излу­чения в различные моменты времени импульса исследовали на установке, схема которой представлена на рис. 1. В эксперименте использовали частично прозрачную стеклянную полусферу.
...
Внутри полусферы устанавливали осесимметричные светопо-глощающие экраны, обеспечивающие перефокусировку излучения, отражаемого мишенью в телесные углы, которые соответствуют углам 20 на поверхность ослабителя * i0. Облучению нормально падающим пучком подвергались различные плоские мишени. Па­раметры излучения соответствовали режиму сварки этих мишеней. Для каждого экрана облучалось несколько однотипных (имею­щих одинаковое качество поверхности зоны обработки) мишеней.
...
В конструкциях многих деталей приборостроения применяются осесимметричные сварные соединения, которые обычно представ­ляют собой тонколистовые детали, закрепленные на тонких стерж­нях, например на выводах цоколя. Наиболее распространенной схемой крепления деталей осесимметричных соединений является одноимпульсная лазерная сварка сплошным световым пучком, на­правляемым вдоль оси стержня. Обычно сварка таких соединений на серийных установках характеризуется следующими особенно­стями:
...
ЛАЗЕРНАЯ СВАРКА С ВОЗВРАТОМ ОТРАЖЕННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В ИЗДЕЛИЯХ ПРИБОРОСТРОЕНИЯ
...
зерного излучения должна быть уменьшена в 2 раза по сравне­нию с энергией импульса при сварке без возврата при равном объеме расплавленного металла для сварки указанных конструк­ций. Кроме того, сварка с возвратом позволила избежать нежела­тельных выплесков металла, обеспечить стабильность энерговло­жения и повысить воспроизводимость обработки вследствие стаби­лизации энерговложения.
...
Достигнуто значительное уменьшение степени воздействия ла­зерного излучения на термочувствительные детали цоколя как за счет уменьшения энергии импульса излучения лазера, так и вследствие увеличения угла расходимости излучения, проходяще­го на термочувствительные элементы, расположенные за зоной сварки по ходу пучка.
...
Одним из важных направлений повышения эффективности ла­зерной металлообработки является повышение ее производитель­ности. Известно, что лазерные технологические установки имеют предельно допустимую среднюю мощность излучения, ограничи­вающую их производительность [13].
...
Использование возврата отраженного излучения позволяет уменьшить энергию импульсов лазерного излучения, увеличить частоту посылок импульсов в цп
...




Процессы цементации в цветной металлургии
Инструментальные стали и их термическая обработка
Основы технологического проектирования сборочно-сварочных цехов
Повышение эффективности лазерной обработки материалов
Сварка в защитных газах плавящимся электродом. Часть 1. Сварка в активных газах. Издание 2-е, переработанное
Производство электродов для дуговой сварки
Газовая сварка пластмасс