Файл: Рэди, Дж. Действие мощного лазерного излучения.pdf

отверстий одиночными импульсами рубинового лазера без диафраг­ мирования. Если же использовать описанные выше методы, то оказывается, что лазер может производить в тонких образцах меньшие отверстия, чем электронный луч.

Ф и г. 8.9,

Влияние размера диафрагмы на диаметр отверстия, образующегося в кера­ мике под действием импульсов рубинового лазера с энергией 1,53 Дж и дли­ тельностью 0,5 мс [1].

В другом крайнем случае — при сверлении больших отвер­ стий — лазеры оказываются непрактичными. Одиночный импульс рубинового лазера с энергией 75 Дж пробивает отверстие диа­ метром около 0,5 мм в латуни толщиной 2,4 мм [1]. Подсчеты требуемой энергии и оценка эффективности процесса показывают, что использование лазера для получения отверстий диаметром существенно -.больше 0,5 мм методом испарения экономически нецелесообразно. Разумеется, отверстие большого диаметра можно вырезать лучом импульсного периодического С02-лазера, повора­ чивая4 деталь таким образом, чтобы фокальная точка опи­ сывала круг.

4. Балансирование

Лазер является перспективным инструментом для осу­ ществления динамического балансирования. При балансировании приходится производить большое число операций, включая опре­ деление более тяжелой области в быстро вращающейся детали, извлечение1 детали из зажимного устройства в испытательном

•стенде, удаление сверлением или каким-либо другим механиче­ ским способом части материала из более тяжелой области, повтор­ ное закрепление детали в зажимах испытательного стенда, повтор­ ное ее раскручивание и новое определение положения более тяжелой области. Часто такой процесс является дорогостоящим и связан с большим количеством проб л ошибок. Импульс лазера действует достаточно быстро, поэтому вещество из более тяжелой области можно удалять в то время, когда балансируемая деталь вращается в зажимах испытательного устройства. Это сильно упро­ щает процесс динамического балансирования и несколько снижает его стоимость. Поджиг лазера легко можно синхронизировать с моментом регистрации избыточной массы во вращающейся детали, так чтобы лазерный луч ударял в тяжелую область. Разбалансирование обнаруживается обычными методами: сигналы о нарушении баланса поступают в управляющую цепь лазера, так что каждый импульс попадает на разбалансированную область.

С помощью обыкновенного рубинового лазера можно удалить за один импульс около 1 мг металла. Этого количества достаточно для проведения многих операций балансирования. Импульс должен иметь малую длительность. При высокой скорости враще­ ния импульс миллисекундной длительности будет выделять энер­ гию на дуге сектора с достаточно большим углом. Поэтому желательно иметь длительности в несколько десятков микросекунд. При таких длительностях импульса роторы можно балансировать на скоростях вращения до 24 000 об/мин. Поскольку энергия вкладывается на дуге определенной длины, количество испарен­ ного вещества снижается по сравнению с количеством вещества, выброшенного из неподвижной мишени. Но даже при этом условии лазер, излучающий около 10 Дж в импульсе, пригоден для дина­ мического балансирования при условии, что частота повторения импульсов не слишком мала.

5. Резка с поддувом кислорода

Резка металлов лазерным лучом сильно облегчается при использовании кислородной струи [16—18]. Основная часть энергии получается за счет экзотермической химической реакции между металлом и кислородом. Лазер служит для нагревания металла до точки воспламенения. Таким способом при помощи лазерного луча с мощностью в несколько сотен ватт можно быстро резать листы металла значительной толщины. Такая же резка лазером без кислородного поддува требовала бы мощности порядка киловатт. Резка с кислородным поддувом больше всего подходит для металлов, хорошо реагирующих с кислородом. Желательны также низкие теплопроводность и отражательная способность.

Во всех работах, о которых в настоящее время имеются сообще­ ния, попользовались мощные непрерывные С02-лазеры.

При этом способе получаются разрезы с узкими зонами тепло­ вого воздействпя и меньшей шириной, чем при обычных способах резки. Лазерная резка в присутствии кислорода дает значительную экономию при обработке некоторых металлов, поскольку сни­ жаются потери материала и упрощается чистовая механическая обработка области разреза.

В типичной установке сопло, формирующее кислородную струю, расположено коаксиально с лучом лазера. Луч С02-лазера фокусируется через сопло иа обрабатываемую деталь линзой из германия пли щелочно-галоидной соли. Обычно используется коническое сопло диаметром 1—3 мм, через которое подается кислород под давлением от 1 до 2 атм.

Толщпны разрезаемого материала и скорости резания доста­ точно велики. В табл. 8.3, составленной по опубликованным

ТАБЛИЦА 8.3

Типичные результаты по резке металлов с помощью С02-лазера в присутствии кпслорода [17—19]

данным, приведены типичные параметры процесса резки лазерным лучом в присутствии кислорода. Указанные величины не обяза­ тельно являются оптимальными, они лишь отражают результаты лабораторных исследований 1).

4)Обзор работ по газолазерпой резке дан в работе [124]; вопросы резки топких листов рассмотрены в работах [125, 132].— Прим. ред.

ности довольно высока. В некоторых случаях лазер, даже если он имеет технические преимущества, оказывается неконкурентоспо­ собным с экономической точки зрения.

Рассмотрим, из чего складывается стоимость эксплуатации лазера. Основные расходы по эксплуатации и обслуживанию лазеров на рубине и неодимовом стекле связаны с заменой ламп накачки. Если эти лазеры работают вблизи своих максимальных уровней мощности, то количество вспышек между заменами ламп накачки может составлять около 104. С этим может быть связана значительная трудность: например, при режиме одного импульса в секунду лампы накачки пришлось бы менять дважды за смену. Если лазеры работают значительно ниже своих номинальных уровней мощности, долговечность ламп можно увеличить при­ мерно до 105 вспышек. Это означает, однако, что оборудование используется не с максимальной эффективностью, и неблагоприят­ ным следствием этого является более высокая его начальная стоимость. Стоимость эксплуатации лазеров можно; однако, сни­ зить настолько, чтобы они находили сбыт. Согласно оценкам, для мощных лазеров на рубине и неодимовом стекле эксплуата­ ционные расходы составляют примерно два цента за вспышку. Эта стопмость слишком высока для многих производственных применений. При малых энергиях в импульсе эксплуатационные расходы могут составлять менее одного цента за вспышку.

Для операций, которые требуют низких удельных затрат, можно предложить использовать импульсные периодические лазеры на С02 или иттрий-алюминиевом гранате с неодимом. Как уже отмечалось выше, стоимость эксплуатации импульсных перио­ дических С02-лазеров в области металлообработки составляет около 1 долл/час, так что стоимость обработки одной детали будет невысокой. Очень низкой может быть стоимость эксплуата­ ции лазеров на иттрий-алюминиевом гранате с неодимом, если они используются в режиме с периодической модуляцией добротности или в непрерывном режиме при мощностях порядка 10 Вт. С уве­ личением мощности до нескольких сотен ватт стоимость эксплуа­ тации лазера непрерывного действия на иттрий-алюминиевом гранате значительно возрастает.

При оценке стоимости необходимо принять в расчет амортиза­ цию лазерного оборудования, эксплуатационные расходы и замену деталей лазера, а также учесть стоимость электроэнергии, охла­ ждения и потребляемого газа. Чтобы быть уверенным в эконо­ мической целесообразности лазерной обработки, необходимо тщательно определить стоимость одного изделия. Подробный эко­ номический анализ для конкретных случаев применения лазеров содержится в работе [20].

в. Выбор типа лазера

Выбор лазера для дайной операции заключается в под­

импульсный периодический, режим с периодической модуляцией добротности и т. д.). Это связано с тем, что взаимодействие лазер­ ного излучения с металлами существенно меняется с изменением длительности импульса. Список имеющихся типов лазеров с ука­ занием всех режимов работы, в которых они используются, при­ веден в табл. 8.1.

Стоимость единицы продукции для каждого типа лазеров можно оценить в соответствии с критериями, описанными в пре­

Одним из факторов при выборе лазера является длина волны генерации. Если нужно проделать очень маленькие отверстия, то лазеру на С02 следует предпочесть лазер на иттрий-алюминие- вом гранате, поскольку он имеет меньшую длину волны. В дру­ гих же отношениях, как мы уже отмечали раньше, большая длина волны С02-лазера не является препятствием для его применения в обработке металлов, особенно если лазер используется в импульс­ ном режиме.

Периодические импульсные С02-лазеры усовершенствованы уже до такой степени, что можно всерьез говорить об их исполь­ зовании в производстве. Для многих видов обработки металлов именно этот тип лазера оказывается наиболее практичным. Если сравнить такой лазер с электронным пучком (который является самой близкой конкурирующей системой в области специальных применений), то оказывается, что С02-лазер может сваривать тонкие листы металла (~0,5 мм) при сравнимых со случаем элек­ тронного луча характеристиках шва и скорости, но имеет преиму­ щество в более низкой начальной стоимости и возможности работы в обычной атмосфере. При сварке более толстых листов (~2,5 мм) С02-лазер ввиду ограниченной глубины проникновения тепла не может полностью конкурировать с электронным лучом.

Укажем конкретные типы лазеров, которые можно было бы использовать для решения определенных задач обработки метал­ лов.

а. При сварке тонких металлических листов наибольшую скорость и экономичность дают лазеры на С02 в режиме периодических импульсов и лазеры на иттрий-алюминие- вом гранате, активированном неодимом, в непрерывном режиме.

б. Для получения единичных больших отверстий и точечных сварных соединений наиболее перспективными являются