Калейніков Г. Є. Методические указания к практическим работам из курса Технология лазерной обработки (на укр. языке)
Подождите немного. Документ загружается.
Міністерство освіти і науки України
Черкаський державний технологічний університет
МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ
до практичних робіт з курсу
“ТЕХНОЛОГІЯ ЛАЗЕРНОЇ ОБРОБКИ”
для студентів спеціальності 7.090208
“Обробка матеріалів за спецтехнологіями”
Черкаси, ЧДТУ, 2005
2
Міністерство освіти і науки України
Черкаський державний технологічний університет
МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ
до практичних робіт з курсу
“ТЕХНОЛОГІЯ ЛАЗЕРНОЇ ОБРОБКИ”
для студентів спеціальності 7.090208
“Обробка матеріалів за спецтехнологіями”
Черкаси, ЧДТУ, 2005
Затверджено на засіданні кафедри КТВОМ
Протокол № 2 від 03.03 2005 р.
3
Методичні вказівки до практичних робіт з курсу “Технологія лазерної обробки”
для студентів спеціальності 7.090208 “Обробка матеріалів за спецтехнологіями” всіх
форм навчання / Укл. Г.Є. Калейніков. - Черкаси: ЧДТУ, 2005р, 30ст.
Укладач:
Калейніков Г.Є., к.т.н., доц.
Рецензент: Осипенко В.І., к.т.н., доц.
4
ВСТУП
Курс "Технологія лазерної обробки" є однією з базових професійно-орієнтованих
дисциплін підготовки інженерів за спеціальністю „Обробка матеріалів за спец
технологіями”. Метою вивчення даного курсу є набуття студентами знань, навичок та
умінь щодо методів дослідження характеристик лазерного випромінювання, налагодження
установок технологічних лазерів, вивчення властивостей матеріалів після обробки
лазером, підбору технологічних параметрів лазерної обробки. Практичні роботи є
невід'ємною частиною курсу. При їх виконанні студенти закріплюють знання, отримані
при вивченні теоретичного матеріалу, набувають навичок практичного розрахунку
лазерних технологічних систем.
У цей час технічний прогрес і програмне забезпечення для персональних
комп'ютерів досягли такого рівня, коли кожен грамотний фахівець повинен вміти
самостійно будувати моделі різних процесів й явищ. Математичні розрахунки із
застосуванням систем високого рівня (MathCAD, MatLAB, Mathematica й ін.) не
вимагають знань системного програмування. Ці системи дозволяють у формалізованому
виді будувати математичні моделі фізичних процесів й явищ. В даних практичних
заняттях всі роботи виконані в математичній системі MathCAD. Для їхнього виконання
досить володіти загальними навичками роботи на персональному комп'ютері. У роботах
процес обчислень автоматизований не повністю, тому при виконанні робіт студенту
прийдеться неодноразово проводити деякі обчислення для досягнення оптимуму. Робота
вважається виконаною, якщо отриманий оптимальний результат задовольняє вимогам
завдання.
Журнал звітів практичних робіт повинен бути оформлений згідно ГОСТ 2.105-95.
Звіт кожної роботи повинен містити назву роботи, теоретичні відомості, таблиці або
графіки з результатами виконання роботи та висновок.
Звіт оформлюється на бланках для текстових матеріалів за формою 5. Текстова
частина має бути написана від руки або у вигляді машинописного тексту чи
комп'ютерного набору через 1,5 інтервалу.
Кожне завдання виконуються студентами індивідуально й розраховано на дві
години. При захисті роботи від студента потрібні знання в обсязі теоретичної частини
опису роботи й наявність звіту із чисельним і графічним результатом, що задовольняють
вимогам поставленого завдання. Захищені лабораторні роботи є допуском до складання
іспиту або заліку з даного курсу.
5
ЗМІСТ
Практична робота №1
Розрахунок енергетичних параметрів твердотілих лазерів
6
Практична робота №2
Розрахунок голографічного запам'ятовуючого пристрою
8
Практична робота №3
Розрахунок економічного ефекту від використання процесу лазерної різки
труб
11
Практична робота №4
Розрахунок оптичних фокусуючих систем для процесів лазерної обробки
13
Практична робота №5
Проектування режимів лазерної розмірної обробки
15
Практична робота №6
Імпульсна лазерна обробка нерухомим точковим джерелом
22
Практична робота №7
Лазерна обробка Гаусовим точковим джерелом
24
Практична робота №8
Обробка об'ємним лазерним точковим джерелом
25
Практична робота №9
Лазерна обробка потужним джерелом, що швидко рухається
25
Практична робота №10
Лазерна обробка Гаусовим розподіленим джерелом
26
Практична робота №11
Лазерне зварювання точковим імпульсним лазерним джерелом
26
6
Практична робота № 1
Розрахунок енергетичних параметрів твердотілих лазерів
Теоретичні відомості
Ефективність і технічну досконалість лазерів прийнято оцінювати значеннями
вихідної енергії, потужності, коефіцієнта корисної дії і квантової ефективності.
Для попередньої оцінки енергетичних характеристик проєктуємих твердотілих
лазерів можна використовувати методику розрахунку потужності лазерів, що працюють у
режимі вільної генерації при температурі 300К с усередненням значень потужності по
окремих пічках спектра випромінювання. Енергія імпульсу індукованого випромінювання
з тривалістю імпульсу t
и
для лазера, що має активну речовину обсягом V = S
.
L, дорівнює
E
вих
= Р
вих
.
V
.
t
и
.
Для оцінки вихідної енергії твердотілих імпульсних лазерів використовують:
1
Е
E
2
N
E
o
н
н
г0
вих
, (1.1)
де N
0
- загальне число квантових часток у 1 см
3
активної речовини; hv
г
- енергія
кванта індукованого випромінювання генератора, Дж; hv
н
- енергія кванта
випромінювання накачування, Дж; Е
н
- енергія накачування, Дж; Е
о
- гранична енергія
накачування, Дж.
Потужність генерації чотирьох- або трирівневого лазера Р
вых
можна розрахувати за
допомогою залежності:
дис
p0
o
н
л0е
н
г
вих
t
t
mЕ1
Е
E
bP
(1.2)
де
е
- квантова ефективність; b - коефіцієнт перетворення електричної енергії в
променисту (к. п. д. лампи накачування - світловіддача імпульсних ламп);
0
- параметр,
що характеризує частку світла, що падає з відбивача на поверхню кристала (к. п. д.
оптичної відбивної системи лазера);
л
- коефіцієнт використання випромінювання лампи
накачування, поглиненої кристалом; m
р
- коефіцієнт, що враховує радіаційні
шуми;
21
rr
1
ln
L2
1
t
- коефіцієнт втрат на дзеркалах резонатора; L - довжина кристала
активної речовини, см; r
1
,r
2
– радіуси кривизни дзеркал резонатора, см;
дис
- коефіцієнт
внутрішніх втрат в активному середовищі.
Максимальний коефіцієнт підсилення при накопиченні квантових часток на рівні
Е
2
активної речовини:
/)t(G
дисmax
(1.3)
де - коефіцієнт втрат.
Втрати перетвореної в лазері енергії розділяють на втрати, які можна зменшити,
змінюючи конструкцію лазера, і принципово непереборні втрати, зв'язані з фізичною
сутністю явища генерації. Тому доцільно розглядати залежність к.к.д. квантового
генератора від цілого ряду факторів, намічаючи можливі шляхи його збільшення.
Коефіцієнт корисної дії твердотілого лазера можна представити як відношення
енергії Е
вих
індукованого випромінювання одиночного імпульсу до електричної енергії
Е
вх
, що надходить від мережі на вхід системи накачування. З огляду на залежність від
ефективності використання елементів конструкції к.к.д. дорівнює:
e0лнл
b (1.4)
де
н
- к.к.д. блоку живлення (електричної схеми накачування);
Квантова ефективність - відношення числа випроменених фотонів з
метастабільного рівня активної речовини до числа квантових часток, що беруть участь у
7
порушенні його. Ця величина як би є своєрідним квантовим к.к.д. робочого рівня.
Квантова ефективність у діапазоні температур від 77 до 300 К дорівнює постійній
величині 0.55, далі при підвищенні температури до 513 К вона падає приблизно по
лінійному закону:
)()(
01
TTkT
ee
, (1.5)
де k
1
= 2,3
.
10
-3
К - коефіцієнт пропорційності; Т
0
= 313 К - початкова температура
активної речовини в нормальних умовах.
Порядок розрахунку:
1. Згідно варіанту (табл.1.1) розрахувати за формулами (1.1) - (1.4) основні
енергетичні характеристики твердотілих лазерів.
2. За формулою (1.5) побудувати залежність квантової ефективності при зміні
температури від 300 К до 520 К з кроком 40 К.
3. Проаналізувати отримані дані. Навести параметри від яких найбільше залежать
технічні показники. Навести шляхи вдосконалення цих показників.
Таблиця 1.1 - Варіанти завдань
Варіант N
0
,
см
-3
v
г
/v
н
Е
н
,
Дж
Е
о
,
Дж
е
b
0
л
m
р
L,
см
r
1
,
см
r
2
,
см
дис
н
1 6,38
.
10
21
0,6 1700 700 0,5 0,6 0,6 0,19
0,85
8,0 10 10 0,05
0,2
0,53
2 1,62
.
10
19
0,7 1800 600 0,5 0,4 0,7 0,12
0,9 6,6 11 11 0,06
0,3
0,45
3 6,38
.
10
21
0,7 1800 600 0,5 0,5 0,7 0,13
0,9 7,3 11 11 0,04
0,4
0,45
4 7,42
.
10
20
0,6 2000 600 0,3 0,6 0,8 0,2 0,8 7,8 11 11 0,05
0,5
0,45
5 1,62
.
10
19
0,6 1900 800 0,5 0,4 0,4 0,1 0,8 6,2 13 13 0,01
0,3
0,53
6 6,38
.
10
21
0,8 1900 800 0,7 0,6 0,7 0,2 0,95
8,0 13 13 0,08
0,7
0,45
7 7,42
.
10
20
0,8 1700 800 0,5 0,4 0,5 0,11
0,85
6,6 13 13 0,02
0,4
0,53
8 1,62
.
10
19
0,7 2100 650 0,5 0,5 0,6 0,12
0,8 7,3 16 16 0,03
0,5
0,45
9 6,38
.
10
21
0,7 2000 650 0,3 0,6 0,7 0,13
0,95
7,8 16 16 0,04
0,6
0,53
10 7,42
.
10
20
0,6 1850 800 0,5 0,4 0,6 0,14
0,85
6,2 16 16 0,05
0,7
0,45
11 1,62
.
10
19
0,6 1950 800 0,7 0,6 0,5 0,15
0,95
8,0 11 11 0,06
0,6
0,53
12 6,38
.
10
21
0,8 1750 800 0,5 0,5 0,4 0,16
0,85
7,3 11 11 0,07
0,5
0,45
1 7,42
.
10
20
0,8 1800 700 0,7 0,6 0,4 0,17
0,8 7,8 13 13 0,08
0,4
0,53
8
Практична робота № 2
Розрахунок голографічного запам'ятовуючого пристрою
Теоретичні відомості
Запис голограми в відповідну позицію матриці накопичувача відповідно до
приведеної принципової схеми (рис.2.1) проводиться таким чином. Лазерний промінь,
відхилений дефлектором 2, розділяється дільник світла 3 на дві частини. Частина пучка
лінзами Л
1
Л
2
, дзеркалом 6, об'єктивом О
1
’ і голографічною дифракційною ґраткою 5
направляється у виді опорного променя А
о
е
jо
у необхідну позицію накопичувальної
матриці голограм Н. Лінзи Л
1
і Л
2
розраховані так, що дають загальне збільшення, рівне
одиниці. Інша частина пучка колиматором О
1
вводиться в один з осередків лінзового
растра 4. Фокальна площина об'єктива О
1
збігається з вихідною площиною дефлектора 2.
Лінзовий растр збільшує кутову расходимість предметного пучка А
п
е
jФп
, дозволяючи
висвітлювати всю апертуру об'єктива О
3
, що служить для формування інформаційного
оптичного сигналу. Об'єктив О
2
направляє промінь на матрицю вхідних даних — пристрій
набору сторінок (транспорант) Т. Інформація вноситься в предметний пучок шляхом
просторової модуляції при просвічуванні матриці вхідних даних. Після експонування
матриці-накопичувача і фіксації знову записаної голограми здійснюють або запис нової
голограми, або зчитують інформацію з будь-якої іншої голограми.
1
2
3
O1
O2
4
T
H
L
Д
5
L2
O1
6
L1
O3
Рисунок 2.1 - Принципова схема голографічного запам'ятовуючого пристрою з використанням
об'ємних голограм:
1 - лазер; 2 - дефлектор; 3 – дільник світла; 4 - лінзовий растр; 5 - голографічна дифракційна
ґратка; 6 — дзеркало; О
1
,О
2
, О
3
– лінзовий растр, Т — пристрій набору сторінок; Н — матриця
голограм; Д — матриця фотодіодів
Розрахунок параметрів пристрою проводиться в наступній послідовності:
1. Визначається необхідна довжина когерентності:
2
0
кг
125,0L , (2.1)
де
0
– довжина хвилі випромінювання, = 2
.
10
-7
мкм - спектральна ширина
випромінювання.
9
2. Необхідна потужність випромінювання на елементі матриці голограми:
гн
оптвих
г1
N
tР
P
, (2.2)
де P
вих
– вихідна потужність лазера, t
опт
=0,1 – коефіцієнт пропущення оптичної схеми,
Г
= 0,01– к.к.д. вибіленої голограми, N
н
– кількість елементів у матриці голограм.
3. Гранична інформаційна швидкість визначається з умови:
2
г
2
3n
2
г
2
вх
2
г
2
вх21
al/НTkkC , (2.3)
де k
1
= 0,96, k
2
= 0,97 – коефіцієнти, Т
вх
– розмір сторони матриці вхідних даних, Н
г
-
розмір сторони матриці голограм,
вх
= 0,6 – коефіцієнт заповнення матриці вхідних
даних,
г
= 1,5 – коефіцієнт заповнення матриці голограм, l
n3
– розмір елемента
транспоранта, а
г
– розмір голограми.
4. Щільність запису інформації:
2
н2
2
1
NkMkc (2.4)
де M – число елементів у матриці вхідних даних.
5. Розмір сторони матриці голограми визначається за формулою:
нг
2
г2г
NаkH . (2.5)
6. Відстань між центрами голограм:
ггг
а (2.6)
7.Фокусна відстань об'єктива:
0л
г2
2
н
об
tО
HkN
f , (2.7)
де О
л
=0,5 – відносний отвір об'єктива, t
о
- коефіцієнт пропущення об'єктива.
8. Світловий діаметр об'єктива дорівнює:
1
2
2
kНD
гсв
(2.8)
9. Найменший розмір матриці вхідних даних:
Т
вн
=Нг. (2.9)
10. Розмір елемента зображення матриці вхідних даних:
об0
г
из
f3
а
2
L . (2.10)
11. Відстань між сусідніми елементами матриці вхідних даних:
/6LL
извх
. (2.11)
12. Діаметр фотодіода вибирається відповідно до діаметра плями відновленого
зображення:
изФ
L/6d (2.12)
13. Відстані між двома сусідніми плямами проектованого на фотодіоди зображення:
ф
dФ 8,1 (2.13)
14. Кількість фотодіодів повинна відповідати кількості осередків у матриці вхідних даних:
извх
вх
ф
LL
Т
n
(2.14)
15. Чутливість фотошару голограми:
евих
tP5,0
1
L , (2.15)
де t
е
= 50 мс – час експонування.
16. Необхідна хвиля для одержання якісних і оптимальних по габаритам голограм:
10
об
изг
0
f2
La
(2.16)
17. Діюча апертура голограми (ефективний діаметр):
3/Da
свгд
(2.17)
18. Параметр Клейна приналежності голограм до визначеного класу (Q
г
< 10 – для
плоских, Q
г
>10 – для об'ємних):
2
ж
ж0
г
n
2
Q
, (2.18)
де
ж
= 15 мкм – товщина шару фотоемульсії, n
ж
= 1,52 – показник заломлення
фотоемульсії, = 1 мкм - період інтерференційної картини.
Таблиця 2.1 - Варіанти завдань
Вар
0
,
мкм
P
вих
,
Вт
N
н
Т
вх
,
мм
Н
г
,
мм
l
n3
,
мкм
а
г
,
мм
M t
о
1 0,51 0,1 1000 135 136 30 80 1000 0,9
2 0,55 0,2 500 100 120 40 90 500 0,95
3 0,69 0,1 600 110 115 50 85 600 0,85
4 0,59 0,2 700 120 125 40 95 700 0,9
5 0,63 0,1 800 130 135 30 80 800 0,9
6 1,06 0,2 900 140 135 30 90 900 0,95
7 0,51 0,1 800 100 105 40 80 800 0,85
8 0,55 0,2 700 110 115 50 90 700 0,9
9 0,69 0,1 600 120 115 40 85 600 0,9
10 0,59 0,2 500 130 125 30 95 500 0,95
11 0,64 0,1 600 140 135 50 80 600 0,85
12 0,67 0,2 700 130 125 40 90 700 0,9