K005209 Дипломная работа Изучение влияния состояния поляризации лазерного луча

Содержание

Аннотация                   5

 Введение             6

Требования по охране труда и технике безопасности при работе

 на лазерном оборудовании                7

Глава 1. Теоретическая часть

Устройство и принцип работыСО2 лазера                        9

Основные принципы лазерной резки            12

Разновидности лазерной резки             15

1.4 Измерение шероховатости поверхности            17

Глава 2. Описание экспериментальной установки

2.1  АЛТК «СИБИРЬ 1» на базе СО2-лазера            19

2.2 Конфокальный микроскоп Olympus LEXT OLS3000          21

Глава 3. Описание эксперимента

3.1 Влияние состояния поляризации лазерного луча на поверхность реза       23

3.2 Ход работы и результаты эксперимента        27

3.3 Выводы                29

Заключение                30

Экономические показатели              31

Список литературы              32

Аннотация

Важным критерием при газолазерной резке листов низкоуглеродистой стали является качество поверхности реза. Известно, что характеристики лазерной резки зависят от состояния поляризации лазерного луча. В данной работе представлены экспериментальные исследования влияния состояния поляризации лазерного луча, не только на скорость резания, но и на шероховатость поверхности при лазерной резке.  С помощью СО2 лазера разрезались листы стали с толщиной 3,5,10 мм. Измерения шероховатости поверхности и максимальной скорости резания проводились в случаях плоской поляризации и круговой при различных углах между плоскостью поляризации и направлением скорости реза. В результате анализа данных получено, что для любой из толщин, шероховатость минимальна, когда направление скорости резания перпендикулярно к плоскости поляризации.

An important criterion for gas-laser cutting of mild steel sheets is the quality of the cut surface. It is known that laser cutting characteristics depend on the polarization state of the laser beam. This paper presents the experimental study of the effect of the polarization state of the laser beam, not only on the cutting speed, but also on the surface roughness of laser cutting. With the help of CO2 laser cut sheet steel with a thickness of 3,5,10 mm. Measurements of surface roughness and maximum cutting speed were carried out in cases of a flat circular polarization and at different angles between the plane of polarization and the direction of the cutting speed. As a result of analysis of the data found that for any of the thickness, roughness is minimal when the direction perpendicular to the cutting speed of the plane of polarization.

Введение

Лазеры с момента своего создания являются одними из самых значимых научно-технических достижений двадцатого века [6]. Область их применения с каждым годом расширяется. Лазеры находят свое применение в автомобильной, промышленной, военной и в других видах деятельности. Наибольшее применение в промышленной деятельности нашла технология обработки различных  металлических и неметаллических материалов. Одним из способов обработки, является лазерная резка.

  Первой технологической операцией была пробивка отверстий с использованием импульсного рубинового лазера [13].  В Великобритании в 1967 г. была осуществлена лазерная резка, с кислородом в качестве вспомогательного газа,  листа низкоуглеродистой стали толщиной 1мм [14].

Лазерная резка – процесс раскроя листовых материалов сфокусированным лазерным лучом с использованием вспомогательного газа. Использование лазерной резки для раскроя материалов позволяет достичь высокой точности и скорости работы и большой производительности, так же есть возможность обработки материала с различной толщиной.

 Постепенно с увеличением мощности лазеров, росла толщина разрезаемых материалов. Хорошее качество и точность реза, являются показателями того, что для раскроя металла данный процесс наиболее удобен. Готовый образец сразу готов к использованию, что исключает необходимость в дополнительной обработке.

Несмотря на множество достижений в данной области, имеется ряд нерешенных проблем. Качество поверхности реза важный критерий при газолазерной резки  листов низкоуглеродистой стали.  Показателями качества реза являются величина грата, шероховатость поверхности реза, ширина зоны термического влияния, параллельность стенок реза. Главной проблемой является сведение шероховатости поверхности к минимальным показателям. Не до конца понятны механизмы, определяющие образование полос шероховатости на боковых поверхностях. Это связано, прежде всего, с многообразием и сложным взаимодействием протекающих при лазерной резке физических процессов.

Цель работы: исследовать влияние состояния поляризации  лазерного луча на качество разрезаемой поверхности при лазерной резке низкоуглеродистой стали.

Требования по охране труда и технике безопасности при работе на лазерном оборудовании

 Под лазерной безопасностью понимается свод технических, санитарно-гигиенических и организационных правил, обеспечивающих безопасность на предприятии и безопасность труда персонала работающего с использованием лазерных установок.  Учитываются основные требования соответствующие:

• ГОСТ 12.1.040-83 ССБТ. Лазерная безопасность. Общие положения;

• СанПиН 5804-91. Санитарные нормы и правила устройства и эксплуатации лазеров.

Меры лазерной безопасности зависят от класса лазеров, устанавливаемого предприятием-изготовителем. Все лазеры должны быть отмечены знаком лазерной опасности с надписью: «Осторожно! Лазерное излучение!». Лазерная установка размещается в специально отведенных помещениях. Определенные требования накладываются на само помещение, стены и потолок должны обладать матовой поверхностью, лазерное оборудование должно размещаться достаточно свободно. В соответствии с «ГОСТ 12.1.031-81 ССБТ. Лазеры».

К обслуживанию лазеров допускаются лица не моложе 18 лет, прошедшие медицинский осмотр и не имеющие медицинских противопоказаний для работы.

Лазерное оборудование требует организации заземления и стабилизатора напряжения 2кВт 12А.

К самостоятельной работе на лазерном оборудовании допускаются только те лица, которые прошли специальное обучение, инструктаж по технике безопасности, пожарной безопасности, проверку знаний требований охраны труда.

Запрещено:

Хранить легковоспламеняющиеся вещества вблизи оборудования.

Работать с отражающими металлами и металлами чувствительными к высокой  температуре и выделяющими токсичные вещества, опасные для здоровья.

Открывать заднюю крышку оборудования, если оно подключено к электросети. Высокое напряжение, используемое для питания лазера, может вызвать поражение электрическим током.

Оставлять работающий прибор без присмотра.

 Требования безопасности перед началом работы:

Необходимо проветрить помещение

Рядом с установкой не должно находиться легковоспламеняющихся веществ.

Рабочая зона должна быть очищена от различных загрязнений и посторонних предметов.

Убедиться в исправности систем охлаждения и вентиляции.

В ходе работы должна быть соблюдена вентиляция помещения. Не допускается самостоятельный ремонт оборудования.

В целях повышения срока службы оборудования и сохранения заявленных параметров и характеристик необходимо следовать графику регламентных работ.

Глава 1. Теоретическая часть

 Устройство и принцип работы СО2-лазера

СО2-лазеры – лазеры в качестве активной среды, которых используются газовые смеси. Углекислотные лазеры используют смесь CO2,  He, N2, в некоторых случаях водорода или ксенона. Сферы применения газовых лазеров достаточно обширны, они находят свое применение в обработке материалов (резки, сварки, маркировки и т.д.). Длина волны излучения таких лазеров 10.6 мкм.

Подобно любым другим лазерам, СО2 лазер состоит из активной среды с четырёхуровневой инверсией населенностей, находящейся между двумя зеркалами. Зеркала образуют устойчивый или неустойчивый резонатор, и между ними происходит генерация излучения. Инверсия населённостей означает, что число атомов на одном из верхних уровней больше, чем на нижнем. Верхние и нижние состояния заселяются при электрическом разряде в газовой смеси, содержащей СО2 [17]. В СО2 лазере используется переход между двумя колебательно-вращательными уровнями основного электронного состояния молекулы. Длина волны излучения λ = 10,6 мкм принадлежит инфракрасной области. Молекула СО2 может совершать колебания трех типов: симметричные, несимметричные и деформационные колебания. Определение полной энергии молекулы происходит за счет суммирования электронной, колебательной и вращательной энергий. Для описания состояний молекулы используются квантовые числа, которые определяют число квантов в каждой колебательной моде: ν1 соответствует симметричной валентной моде, ν2 – деформационной, ν3 – несимметричной (рис.1). Нужный уровень записывается в последовательности n1 n2 n3, что соответствует  квантовым числам. Лазерный квант излучается при переходе из состояния 001 в 100.

Рис. 1. Колебательное движение в молекуле СО2

Энергия лазерного кванта составляет 41% энергии верхнего уровня 001. Это теоретический предел для КПД лазера. Если бы вся энергия при накачке шла исключительно на возбуждение уровня 001 СО2 и каждое возбуждение сопровождалось радиационным переходом 001→ 100, энергия лазерного излучения составляла бы 41% затрат[16]. Реальный КПД всегда значительно ниже.

В СО2-лазерах применяется тлеющий разряд, смысл его использования для накачки лазера состоит в том, что большая часть выделяющейся энергии тока затрачивается на возбуждение молекулярных колебаний. Электрическое поле, поддерживающее плазму, сообщает энергию электронам, а те в свою очередь возбуждают колебания. Для повышения эффективности работы лазера, добавляются в рабочую смесь молекулы азота N2. При наличии СО2 колебательная энергия N2 может быть передана молекулам СО2, так как существует близкий резонанс между колебаниями N2 и модой ν3 колебаний СО2. Поскольку энергия первого колебательного уровня молекулы N2 очень близка к энергии уровня 001, становится возможным резонансная передача кванта с заселением верхнего

 лазерного уровня

Схема процесса резонансной передачи:

Рис. 2 Схема энергетических уровней СО2 и N2

На рис. 2 представлена схема энергетических уровней СО2 и N2. Для азота схема колебательных уровней имеет достаточно простой вид: уровень V=1является метастабильным, т.е. переход запрещен согласно правилу отбора. Так как время жизни частиц атома достаточно мало примерно несколько секунд, то часть молекул N2 находится на данном уровне.

Сильной инверсии способствует интенсивное заселение верхнего уровня 001, происходящей за счет прямого электронного удара и процесса резонансной передачи возмущения, а также распределение нижнего уровня 100, на который все время поступают молекулы, которые испустили лазерный квант. В результате заселенность уровня 100 оказывается не очень далекой от равновесной, соответствующей поступательной температуре газа Т. Из этого следует, что для эффективной лазерной генерации температура газа должна быть достаточно низкой. Практически недопустим нагрев газа более чем на 200°С [16-17]. Кроме уровня 001, может происходить возбуждение состояний 002 и 003 и выше. Возбужденные молекулы находящиеся в этих состояниях в результате неупругих столкновений с молекулами находящимися в основном состоянии 000, уменьшают собственную  энергию возбуждения  ровно на одну ступень, при этом происходит соответствующее возбуждение молекул в основном состоянии на уровень выше.

Система переходов молекул:

Таким образом, подавляющее число возбужденных молекул СО2 оказывается на уровне 001, участвует в процессе создания инверсии и лазерной генерации.

Основные принципы лазерной резки

Воздействие лазерного излучения на металл при резании характеризуется общими показателями, связанными с поглощением и отражением излучения, распространением поглощенной энергии по объему материала за счет теплопроводности и других параметров, а также рядом специфических особенностей.

В процессе резки, под воздействием лазерного луча поверхность обрабатываемого материала плавится, испаряется и выдувается струей газа. На рис. 3 представлена схема лазерной резки. Лазерное излучение с помощью линзы фокусируется на поверхности разрезаемого металла.  Поглощенное излучение разогревает металл до температуры плавления, образуя на поверхности образца тонкую пленку расплава. Струя газа, подающаяся соосно с лазерным лучом, проходит через канал реза, удаляя продукты разрушения и одновременно охлаждая стенки канала.

Рис.3  Схема лазерной резки.

Благодаря большой мощности лазерного излучения обеспечивается производительность процесса в сочетании с высоким качеством поверхностей реза. Важной характеристикой данного вида обработки является качество поверхности реза.

 Под качеством понимаем такие показатели как:

Шероховатость поверхности

Наличие грата

Зона термического влияния

Вертикальность стенок

Наиболее важным на практике показателем качества является шероховатость поверхности. Это совокупность неровностей с относительно малыми шагами, образующих рельеф поверхности. Нестационарное движение пленки расплава является одной из причин появления шероховатости[5].

Рис.4 поверхность реза при лазерно-кислородной резке листов низкоуглеродистой стали толщиной 10 мм.

Наиболее важными факторами, влияющими на размерные характеристики резов, являются энергетические параметры процесса, к которым относятся мощность и её плотность[8]. Критерием показателя качества реза является  лазерный пучок, так как невысокое качество лазерного луча не позволяет в полной мере реализовать преимущества высокой мощности и снижает  его технические возможности[4]. Мощность лазера должна быть согласована со способом резки, видом и толщиной материала. Максимально возможная разрезаемая толщина зависит от вида материала. Увеличение толщины обрабатываемого материала происходит за счет повышения производительности лазера. Основной проблемой для лазерной резки считается удаление грата. Трудность залючается в том, что при высокой мощности излучения технически сложно пропорционально увеличивать динамические параметры вспомогательного газа[10]. Возможны несколько видов грата: от комковатых остатков шлака, до острых металлических наплывов, которые плотно спеклись с нижней кромкой реза.

С помощью CO2 лазеров возможна обработка различных неметаллических объектов   фанеры, дерева, пластика, кожи, асбеста, картона и т.п. Сложным является разрезание материалов, склонных к растрескиванию, например, керамики или стекла.

Разновидности лазерной резки

Лазерное излучение имеет ряд свойств, что отличает его от излучения обычных источников света. Особенностями является монохроматичность, это означает, что излучение содержит волны практически одинаковой частоты. Также к свойствам относятся высокая интенсивность излучения 〖10〗^14-〖10〗^16Вт/〖см〗^2, поляризованность и когерентность. На рисунке приведено схематическое сравнение ширины линии лазерного луча и луча обычного света.

 Излучение является высококогерентным, что обусловлено свойствами вынужденного излучения. Существует временная и пространственная  когерентность: разность фаз в двух точках плоскости, перпендикулярной направлению распространения, сохраняется постоянной. Когерентные излучение нескольких источников способно вызывать резонанс, усиливающий мощность излучения. Благодаря выше перечисленным особенностям  лазерный луч может быть сфокусирован на поверхность материала незначительной площади. При таких условиях плотность энергии, созданная на элементе поверхности, будет достаточной для нагревания материала до температуры плавления.

Рис.5  Условное отображение когерентности, поляризованности и монохроматичности

Воздействие лазерного излучения на металл при лазерной резке характеризуется общими свойствами, связанными с поглощением и отражением излучения, распространением поглощенной энергии по объему материала за счет теплопроводности. С дальнейшим поглощением излучения происходит расплавление металла. В то же время энергетическое воздействие лазерного луча приводит к дальнейшему увеличению температуры, которое  достигает температуры кипения, при которой металл начинает активно испаряться. Исходя из этого,  возможны два основных механизма лазерной резки – плавлением и испарением. Последний механизм требует высоких энергозатрат и осуществим лишь для достаточно тонкого металла. Поэтому на практике резку выполняют плавлением.

Важной задачей является выбор физических параметров процесса, обеспечивающих должное качество резки при определенной скорости и характеристиках излучения, которые зависят от разрезаемого материала, состава и давления режущего газа.

 В качестве вспомогательного газа чаще всего используется кислород, химически инертный газ.

Лазерная резка с кислородом характеризуется тем, что при взаимодействии кислорода с разогретым металлом происходит экзотермическая реакция окисления, которая сопровождается выделением тепла. Количество выделившегося тепла с единицы поверхности в единицу времени оказывается больше, чем подводимая мощность лазера (в случае железа кол-во тепла оказывается больше в 2-3 раза)[2].

Особенности  данного процесса:

 −Диаметр сфокусированного луча меньше, чем диаметр кислородной струи. Диаметр струи обычно составляет 1-2 мм.

 −Ширина реза определяется диаметром сфокусированного луча и скоростью реза. Чем меньше толщина листа и чем выше скорость обработки, тем уже рез.

−Давление кислорода в струе составляет от 3-4 атм. при резке тонкого листа и до 0,3 атм. при резке листа, толщиной 30 мм, причем давление уменьшается с увеличением толщины разрезаемого металла.

−С уменьшением толщины листа металла, уменьшается и скорость реза.

Лазерная резка с нейтральным газом

Данный вид резки применяется в тех случаях, когда окисление кромок металла нежелательно, например, при резке нержавеющей стали, алюминиевых сплавов, титана. Эффективность резки с нейтральным газом ниже, чем при лазерной резке с кислородом, где присутствуют дополнительные источники нагрева за счет химических реакций окисления[4].

Особенности данного процесса:

- Наиболее распространенный газ – азот.

- Давление режущего газа, высокое до 10 атм. и выше.

- Формируется сверхзвуковая струя газа, которая выдувает расплавленный металл из зоны реза.

 Лазерная обработка алюминия, сплавов меди, латуни требует значительных мощностей входного излучения, что обусловлено[2]:

низкой поглощательной способностью этих металлов по отношению к излучению CO2 с длиной волны 10,6 мкм, используются твердотельные лазеры;

высокой теплопроводностью цветных металлов.

1.4 Измерение шероховатости

Шероховатость является важным критерием качества реза. Согласно ГОСТ 2789-73, параметры шероховатости определены такими показателями как:

Ra – это средне арифметическое значение отклонения профиля.

Rz – это высока неровностей профиля, снятая в 10 точках.

S – это средний шаг местных выступов профиля;

Sm – это среднее арифметическое значение шага неровности;

Rmax – это максимальная высота профиля;

tp – это относительная длина профиля, р – это уровень сечения профиля.

При задании шероховатости предпочтительным параметром является  Ra.

При помощи Ra можно определить, являются ли отклонения вершинами или впадинами. На значение Ra отдельные отклонения не оказывают существенного влияния, это значит, что существует возможность пропуска крупных вершин. Наиболее распространенными значения Ra для металлических поверхностей лежат в диапазоне 0,08 – 3,5 мкм. Чем меньше значение Ra, тем ровнее поверхность. Ra является среднее арифметическим абсолютных значений отклонений профиля в пределах базовой длины l.

R_a=1/n ∑_(i=1)^n▒|y|

 Где у - расстояние между точкой реального профиля и средней линией профиля; n – число выбранных точек на базовой длине

Чтобы оценить непосредственно шероховатость поверхности, используется высотный критерий Rz. Измерение неровности поверхности, представляет сумму средних арифметических абсолютных отклонений пяти точек (наибольшие минимумы) и пяти наибольших максимумов профиля в пределах базовой длины.

R_z=1/5(∑_(i=1)^5▒〖|y_pmi |+∑_(i=1)^5▒〖|y_vmi |)〗〗

где y_pmi – отклонение пяти наибольших максимумов профиля; y_vmi – отклонение пяти наибольших минимумов профиля.