Обработка лазерным лучом:детали, принцип работы, области применения и ограничения

В этой статье вы узнаете что такое обработка лазерным лучом. ?, Как это работает? объяснил его части , принцип работы с диаграммой . А также преимущества и недостатки обработки лазерным лучом.

Введение

Что такое лазерная обработка?

Лазерная обработка это нетрадиционный процесс обработки, при котором лазер направляется на заготовку для обработки. В этом процессе используется тепловая энергия для удаления металла с металлических или неметаллических поверхностей.

лазер является электромагнитное излучение. Он производит монохроматический свет в виде почти коллимированного луча, который можно оптически сфокусировать на очень маленькие пятна диаметром менее 0,002 мм.

«ЛАЗЕР Слово означает Усиление света за счет стимулированного излучения.

Принцип работы лазерной обработки

Будем считать, что атомы среды (например, стержень из кристалла рубина) находятся в основном состоянии. Когда квант энергии от источника света падает на эту среду, это вызывает поглощение излучения атомами среды.

В результате электрон атомов среды перескакивает на верхний энергетический уровень.

В этом случае говорят, что атомы на верхнем энергетическом уровне находятся в возбужденном состоянии. Атом в возбужденном состоянии сразу начинает самопроизвольно переходить в метастабильное (промежуточное) состояние.

Из метастабильного состояния атом испускает фотон случайным образом, прежде чем он упадет на исходный энергетический уровень. Это излучение фотонов известно как спонтанное излучение, которое происходит очень быстро.

Однако в присутствии света соответствующей частоты стимулированное излучение будет происходить на верхнем энергетическом уровне, когда атомы начнут излучать, и произойдет цепная реакция, заставляющая излучаться больше, и вся лавина рухнет вместе. Это называется лазерным действием.

Читайте также:Абразивно-струйная обработка:детали, работа, преимущества и многое другое

Части лазерной цепи

Ниже приведены основные части обработки лазерным лучом:

1. Пара зеркал
2. Источник энергии
3. Оптический усилитель.

Этот усилитель называется лазер . К этим основным частям необходимо добавить систему управления и систему охлаждения. Наиболее важной частью лазерного аппарата является лазерный кристалл. . Обычно используемый лазерный кристалл представляет собой искусственный рубин, состоящий из оксида алюминия, в который было введено 0,05% хрома.

Хрустальные стержни обычно круглые, а торцевые поверхности сделаны отражающими с помощью зеркал. Лазерному материалу нужен источник энергии, называемый насосом. . Это может быть лампа-вспышка, наполненная ксеноном, аргоном или криптоном. Лампу помещают рядом с усилителем или кристаллическим стержнем внутри цилиндра с высокой отражающей способностью, который направляет свет от лампы-вспышки на стержень, так что лазерный материал может поглотить как можно больше энергии.

Таким образом, атомы хрома в рубине возбуждаются до высоких энергетических уровней. Возбужденный атом излучает энергию (фотоны) после возвращения в нормальное состояние. Таким образом, в коротких импульсах получается очень высокая энергия. Рубиновый стержень становится менее эффективным при высоких температурах, поэтому его постоянно охлаждают водой, воздухом или жидким азотом.

Работа с лазерной обработкой

При работе обрабатываемая деталь помещается на алюминиевый рабочий стол (устойчивый к резке лазерным лучом).

Лазерная головка перемещается над заготовкой, и оператор визуально осматривает разрез, вручную настраивая панель управления.

Фактический профиль получается из связанного механизма, предназначенного для копирования эталонного чертежа или фактического профиля, размещенного на ближайшей скамье.

Лазер в коротких импульсах имеет выходную мощность около 10 квт на см поперечного сечения луча.

Сфокусировав лазерный луч на пятне размером 1/100 квадратного миллиметра, можно сконцентрировать луч в короткой вспышке до плотности мощности 100 000 кВт/см и энергии в несколько джоулей, длящейся доли секунды.

Для обработки короткими импульсами, скажем, требуется энергия в 100 Дж.

Таким образом, лазер может обеспечить достаточно тепла, чтобы расплавить и испарить любой из известных материалов.

Механизм, с помощью которого лазерный луч удаляет материал с обрабатываемой поверхности, включает в себя смесь процессов плавления и испарения.

Однако для некоторых материалов механизм представляет собой чистое испарение.

Скорость обработки

Лазер можно использовать как для резки, так и для сверления. Коэффициент съема материала в LBM сравнительно невелика и составляет порядка 4000 мм/час.

Разрез находится из следующего соотношения:

Где,

P =мощность лазера, падающего на поверхность, Вт

E =Энергия испарения материала, Вт/мм (мм²)

A =площадь лазерного луча в фокусе, (мм²)

t1 =Толщина материала, мм

k =постоянные характеристики материала и эффективность преобразования лазерной энергии в материал, мм/мин.

Приблизительная энергия E, необходимая для поднятия объема металла до точки его испарения, определяется по формуле:

Где,

Pg =плотность материала, кг/м 3

Vg =испаряемый объем, м 3

Cp =удельная теплоемкость, кал/кг·K

θm =температура плавления, K

θb =температура кипения, К

θ0 =температура окружающей среды, K

Lm =скрытая теплота плавления, кал/кг

Lv =скрытая теплота парообразования, кал/кг

np =Эффективность процесса

Точность

Какова точность этого процесса обработки?

• Лазер лучше всего использовать как для резки, так и для сверления.
• Для достижения наилучших результатов при сверлении необходимо, чтобы материал располагался в пределах допуска +0,2 мм от фокальной точки.
• Точность профильной резки с числовым программным управлением или фотоэлектрическим датчиком составляет около +0,1 мм.

Применение обработки лазерным лучом

• В настоящее время процесс лазерной обработки подходит только в исключительных случаях, таких как обработка очень маленьких отверстий и резка сложных профилей в тонких твердых материалах, таких как керамика.
• Он также используется для частичной резки или гравировки.
• Другие области применения включают обрезку стального металла, заглушку и обрезку резисторов.
• Хотя LBM не является процессом массового удаления материала, этот процесс можно использовать в массовом производстве микрообработки.

Преимущества лазерной обработки

Основные преимущества обработки лазерным лучом включают следующее:

1. Существует прямой контакт между инструментом и заготовкой.
2. Возможна обработка любого материала, включая неметалл.
3. Возможно сверление и резка труднодоступных мест.
4. Зона термического влияния мала из-за коллимированного луча.
5. Можно обрабатывать очень маленькие отверстия.
6. Нет износа инструмента.
7. Мягкие материалы, такие как резина и пластик, можно обрабатывать.

Недостатки лазерной обработки

Одним из основных ограничений лазера является то, что его нельзя использовать для резки металлов с высокой теплопроводностью или высоким коэффициентом отражения, например, Al, Cu и их сплавов. Кроме того, этот процесс имеет следующие недостатки:

1. Его общая эффективность крайне низкая (от 10 до 15%).
2. Этот процесс ограничен тонкими листами.
3. У него очень низкая скорость съема материала.
4. Обработанные отверстия не круглые и не прямые.
5. Лазерная система довольно неэффективна, так как срок службы лампы для ресниц короткий.
6. Высокая стоимость.

---

Вывод:

Лазерная обработка является одним из лучших традиционных согласований, любой твердый материал, который можно расплавить без разложения, можно разрезать лазерным лучом. Вот и все, мы обсудили все по этой теме, но все же, если у вас есть какие-либо сомнения или вопросы, вы можете задать их в комментариях.

Кроме того, вы можете присоединиться к нашему сообществу Facebook, чтобы получить дополнительные инженерные знания. Если вам понравилась эта статья, поделитесь ею с друзьями.

Подпишитесь на нашу рассылку, это бесплатно: