6.4 Лучевая обработка

Разновидностями лучевой обработки в машиностроении является электронно-лучевая или светолучевая обработка.

Электронно-лучевая обработка (ЭЛО) основана на тепловом воздействии потока движущихся электронов на обрабатываемый материал, который в месте обработки плавится и испаряется. Интенсивный нагрев вызывается тем, что кинетическая энергия движущихся электронов при ударении о поверхность обрабатываемой заготовки почти полностью переходит в тепловую, которая будучи сконцентрирована на площадке малых размером (не более 10 мкм) вызывает её разогревание до 6000ºС. При размерной обработке происходит локальное воздействие на обрабатываемый материал, что при ЭЛО обеспечивается импульсным режимом потока электронов с продолжительностью импульсов 10^-4…10^-6 с и частотой 50 … 5000 Гц. Высокая концентрация энергии при ЭЛО в сочетании с импульсным воздействием обеспечивают условия обработки, при которых поверхности заготовки, находящиеся на расстоянии 1 мкм от кромки электронного луча, разогреваются до 300ºС. Это позволяет использовать ЭЛО для резки заготовок, изготовления сеток из фольги, вырезания пазов и обработки отверстий диаметром 1 - 10 мкм в деталях из труднообрабатываемых материалов.

В качестве оборудования для проведения ЭЛО используют специальные электровакуумные устройства, называемые электронными пушками (рис.125). Они генерируют, ускоряют и фокусируют электронный луч. Электронная пушка состоит из вакуумной камеры 4, в которой установлен питаемый источником высокого напряжения 1 вольфрамовый катод 2, обеспечивающий эмиссию свободных электронов, которые разгоняются электрическим полем, созданным между катодом 2 и анодной диафрагмой 3. Далее электронный луч проходит через систему магнитных линз 9, 6, устройство электрической юстировки 5 и фокусируется на поверхности обрабатываемой заготовки 7, установленной на координатном столе 8. Импульсный режим работы электронной пушки обеспечивается системой состоящей из импульсного генератора 10 и трансформатора 11.

Метод светолучевой обработки (СЛО) основан на использовании теплового воздействия светового луча высокой энергии, излучаемого оптическим квантом генератором (лазером) на поверхность заготовки.

Размерная обработка с помощью лазеров заключается в образовании отверстий диаметром 0,5…10 мкм в труднообрабатываемых материалах, изготовлении сеток, вырезании из листа сложнопрофильных деталей и т.д.

6.5 Лазерная обработка

Технологические процессы лазерной обработки материалов

Лазерной обработкой удается реализовать широкий круг технологических процессов и методов обработки материалов - резка, сварка, микро-сверление, наплавка, маркировка, закалка, и др.

Применяются следующие виды обработки лазером: резание листового материала по сложному контуру, прошивание отверстий, сварка, разметка, маркировка, поверхностная термообработка (закалка, отпуск) и др. С помощью луча лазера наиболее часто обрабатывают тонколистовые труднообрабатываемые сплавы железа, титана, никеля, керамику, а также пластмассу, дерево, ткани, различные композиционные соединения.

При лазерной резке отсутствует механическое воздействие на обрабатываемый материал и возникают минимальные деформации, что позволяет осуществлять обработку с высокой точностью, в том числе нежестких заготовок. Благодаря большой плотности мощности лазерного излучения обеспечивается высокая производительность процесса обработки в сочетании и высоким качеством поверхностей. Легкое и сравнительно простое управление лазерным лучом позволяет осуществлять обработку по сложному контуру плоских и объемных заготовок с высокой степенью автоматизации процесса.

Лазерная резка металла основана на принципе концентрации лазерного луча на поверхности обрабатываемой детали. Луч лазера концентрируется на поверхности детали на площади, исчисляемой квадратными микронами, и создает область повышенной температуры. В результате воздействия луча поверхность детали разогревается, расплавляется и испаряется. Сфокусированное лазерное излучение позволяет резать практически любые металлы и сплавы, независимо от их теплофизических свойств. При лазерной резке отсутствует механическое воздействие на обрабатываемый материал и возникают незначительные деформации. Вследствие этого можно осуществлять лазерную резку с высокой точностью, в том числе и легкодеформируемых и нежестких деталей. Благодаря большой мощности лазерного излучения обеспечивается высокая производительность процесса реза. При этом достигается такое высокое качество реза, что в полученных отверстиях можно нарезать резьбу.

Лазерная резка металлов применяется для точной обработки фасонных деталей, деталей, которые невозможно обработать другим способом по причине их хрупкости, низкой жесткости, высокой твердости, либо слишком сложных для обработки другими способами. Этим способом целесообразно изготавливать штучные сложные детали - размер партии одновременно обрабатываемых деталей мало влияет на себестоимость единицы продукции.

Обрабатываемые материалы. Для лазерной резки доступны такие материалы как углеродистая, конструкционная, трансформаторная и нержавеющая стали; алюминиевые сплавы, титан, медь, керамика, графит, дерево, фанера, плотный картон, наждачная бумага, резина, стекло, различные виды пластиков (в том числе оргстекло), кожа и другие материалы.

Точность обработки. Одним из преимуществ лазерной резки над другими видами обработки листового материала является точность резки. Так, например, точность позиционирования при гидроабразивной резке составляет +/–0,2мм, точность резки +/–0,15мм. При лазерной резке точность позиционирования ± 0,03мм, а точность (повторяемость) резки ±0,005мм – что является определяющим фактором при необходимости выбора способа резки для технологической операции, после которой дополнительная обработка с целью «подгонки» размера экономически нецелесообразна. В дополнение к этому, качество поверхности кромки после порезки лазером достигает Ra <=3,2 – 12,5мкм (при толщине стального листа от 0,5 до 12мм) – при этом следует отметить прямоугольность кромок после порезки – что для конкурирующих способов обработки (гидроабразив, плазма) недоступно. При гидроабразивной резке качество поверхности составляет Rz 20-60мкм. В отличие от газоплазменной резки, механические свойства металла в зоне резания лазером практически не изменяются, а окалинообразование сведено к минимуму.

Производительность. Производительность лазерной резки определяется скоростью резки и степенью автоматизации оборудования. В общем случае скорость лазерной резки составляет 1-9 м/мин (при толщине обрабатываемого металла 26-0,5мм соответственно). Максимальная скорость резки и максимальная толщина разрезаемого материала, как правило, пропорциональны выходной мощности лазера.

Лазерная технология обеспечивает высокую производительность и точность. Лазерная резка в зависимости от интенсивности излучения в зоне реза, вида материала, состава и давления режущего газа разделяются на несколько видов:

- Лазерно - кислородная резка

- Кислородная резка с поддержкой лазерным лучом (LASOX)

- Лазерная резка в инертном газе

- Лазерное термораскалывание

- Лазерная испарительная (сублимационная) резка

Лазерно – кислородная резка. Режущим газом при осуществлении данной услуги (лазерная резка) является кислород. Такая лазерная технология предполагает взаимодействие кислорода с раскаленным металлом, приводящее к экзотермической реакции окисления. Так в случае железа, выделившегося тепла обычно в 3-5 раз больше, чем подводимой мощности лазера. Образующиеся окислы выдуваются этой же струей кислорода.

Эта лазерная технология имеет следующие характерные особенности:

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

-Ширина реза определяется диаметром сфокусированного луча и скоростью реза. Чем меньше толщина листа и чем выше скорость обработки, тем уже рез. Ширина реза может быть меньше 100 мкм

-Давление в струе от 3-4 атм при резке тонкого листа до 0.3 атм при резке листа, толщиной 30 мм, причем оно тем меньше, чем больше толщина разрезаемого металла

- такая технология лазерной резки осуществляется расширяющимся лучом, т.е. точка фокуса расположена выше поверхности металла

-Зазор между срезом сопла, формирующим струю, составляет от 0.5 мм для тонкого листа до 3 мм для листа толщиной 30мм

-Чем толще металл, тем меньше скорость реза. Минимальная скорость реза 0.5-0.6 м/мин. Именно этот факт определяет максимальную толщину разрезаемого стального листа. В настоящее время такая лазерная технология обеспечивает 30 мм при мощности лазера – 6 кВт.

-При скорости резания меньше, чем 0,5 м/мин лазерная резка качество оказываемой услуги (лазерной резки) значительно падает. На поверхности реза появляются характерные дефекты – вырывы, ширина реза возрастает, процесс переходит в автогенный.

Кислородная резка с поддержкой лазерным лучом. Для лазерной резки толстолистовой стали в последнее время все шире применяется следующая лазерная технология - лазерный луч лишь нагревает поверхность металла до температуры около 1000 градусов перед тем, как на эту поверхность попадает сверхзвуковая струя кислорода.

Данная лазерная технология стабилизирует процесс кислородной резки, несмотря на экспоненциальную зависимость скорости окисления металла от температуры. При этой лазерной технологии стенки реза гладкие. Глубина резания значительно возрастает по сравнению с использованием традиционной услуги – лазерной резки кислородом.

Характерные особенности лазерной резки кислородом с поддержкой лазерным лучом:

-Давление кислорода, необходимое для формирования сверхзвуковой струи большое (6-10 атм.);

-Диаметр пятна на поверхности металла существенно больше, чем диаметр струи;

-Ширина реза равна диаметру кислородной струи и, как правило, больше 3мм;

-Данная лазерная технология обеспечивает расстояние между срезом сопла и металлом 6-8 мм;

-Лазерная технология имеет преимущество - скорость реза около 0,2 м/мин, что существенно ниже скорости услуги – лазерной резки кислородом

-Толщина разрезаемого металла-до 50 мм при мощности лазерного луча 3 кВт и до 100 мм при мощности лазера 6 кВт.

Лазерная резка в инертном газе. Эта лазерная технология применяется в тех случаях, когда нежелательно окисление кромок металла, например при оказании услуги – лазерная резка нержавеющей стали, титана, алюминиевых сплавов. Эффективность лазерной резки в инертном газе ниже, чем при лазерно-кислородной резке за счет отсутствия дополнительного источника нагрева.

Характерные особенности:

- Данная лазерная технология предполагает использование азота (при резке титана-аргон) - наиболее распространенного инертного режущего газа;

- Давление режущего газа большое: до 10 атм и больше, поэтому такая лазерная технология требует фокусирующих линз повышенной толщины;

- Формируется сверхзвуковая струя режущего газа, выдувающая капли расплавленного металла из зоны реза;

- Излучение фокусируют на нижнюю поверхность листа;

- Эта лазерная технология обеспечивает минимальное расстояние между срезом сопла и поверхностью металла: 0.5-1мм;

- При лазерной резке толстого металла - диаметр сопла достаточно большой, доходит до 3 мм, поэтому расход инертного газа большой, он часто определяет стоимость резки.

- Скорость резки в инертном газе относительно низка.

Лазерное термораскалывание стекла. Такая лазерная технология осуществляется за счет неоднородного нагрева хрупкого материала, такого как стекло, лазерным лучом и его охлаждения струей инертного газа. В результате происходит формирование трещины. Перемещение источника нагрева по поверхности стекла позволяет управлять направлением распространения трещины и получать гладкую грань раздела.

Лазерная испарительная (сублимационная резка). Данная лазерная технология применяется при очень больших интенсивностях лазерного излучения, которое реализуется в режиме очень коротких лазерных импульсов наносекундной и пикосекундной длительности.

Характерные особенности:

- применяется в микротехнологии;

- минимальное термическое воздействие на материал подложки;

- данная лазерная технология имеет минимальный кпд;

- длина волны излучения лазера, как правило, короче 1 мкм (твердотельные и эксимерные лазеры, лазеры на парах металлов).

Существует четыре концепции резонатора: