Резка толстых стальных листов излучением CO2-лазера

• Автор: Шулятьев, Виктор Борисович
• Шифр специальности: 01.02.05
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Новосибирск
• Количество страниц: 307 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение

Глава 1. Лазерные технологии и технологические ССЬ-лазеры

1 Л. Лазерные технологии обработки материалов

1.2. Проблема качества излучения технологических лазеров

1.3. Общее устройство технологических С02-лазеров

1.4. Лазеры типа «ЛОК», «Сибирь», разработанные

в ИТПМ СО РАН

Глава 2. Численное исследование СФР применительно

к использованию в мощном непрерывном С02-лазере

2Л. Самофильтрующий резонатор. Схема и основные свойства

2.2. Характеристики выходного пучка СФР
2.3. Область рабочих параметров СФР в условиях проточного С02-лазера и рекомендации по инженерному проектированию
2.4. Влияние наклона зеркал на характеристики пучка СФР
Глава 3. Технологические С02-лазеры с СФР
3.1. Средства и методы измерения характеристик излучения
3.2. Конструктивные схемы и характеристики излучения
лазеров непрерывного действия с СФР
3.3. Импульсно-периодический лазер с СФР для технологических и научных
1 1 О
применении
3.4. Максимальная мощность непрерывных С02-лазеров с СФР
Глава 4. Резка металлов излучением лазера с СФР
4.1. Лазерная резка. Обзор
4.2. Качество лазерного реза
4.3. Постановка задачи. Оборудование для резки
4.4. Лазерно-кислородная резка
і 7 а
4.5. Резка плавлением
4.6. Кислородная резка, поддерживаемая лазерным излучением

Глава 5. Оптимизация лазерно-кислородной резки толстых стальных листов
5.1. Постановка задачи. Выбор обобщённых переменных
5.2. Экспериментальный поиск оптимальных параметров резки
5.3. Баланс энергии при оптимальных параметрах резки
5.4. Результаты оптимизации и соотношения подобия
5.5. О механизмах образования неоднородностей поверхности реза
Заключение
Список литературы
Приложение 1. Смещение оси резонатора при наклоне зеркал
Приложение 2. Технологические комплексы для резки на основе С02-лазеров с СФР
ВВЕДЕНИЕ
Лазерные технологии являются сравнительно новым классом промышленных технологий обработки материалов. Большинство лазерных технологий относится к классу термических - материал нагревается мощным лазерным излучением до температуры, при которой происходят структурные превращения или фазовые переходы - рекристаллизация, плавление, испарение. Пространственная когерентность лазерного излучения обуславливает малую угловую расходимостью, что позволяет сфокусировать пучок в пятно малых размеров. При этом происходит быстрый локальный нагрев материала. Лазерные технологии характеризуются малой зоной термического воздействия и высокой скоростью обработки, в чем и состоит их особенность в сравнении с другими термическими технологиями, такими, как плазменные и газопламенные. Ряд лазерных технологий, как резка, сварка, гравировка, уже успешно применяются. Другие, например, ударное упрочнение, поверхностная аморфизация, находятся на стадии исследований и разработок [1].
Промышленное использование лазеров началось в середине шестидесятых годов XX в., приблизительно через пять лет после появления первого лазера. Первой технологической операцией была пробивка отверстий, для чего использовался импульсный рубиновый лазер [1]. Первый лазерный рез был сделан в Великобритании в 1967 г [2]. Стальная пластина толщиной 1 мм разрезалась при помощи луча ССБ-лазера мощностью 300 Вт в коаксиальной струе кислорода. Приблизительно в то же время газолазерная резка была продемонстрирована в Японии и Германии [1]. В последующие годы возрастало применение лазерной резки в различных отраслях, интенсивно исследовались физические механизмы образования лазерного реза. Основополагающие работы по развитию лазерных технологий, в том числе технологий лазерной резки выполнены

продольной прокачкой мощностью 30 кВт (разработка Института лазерной техники им. Фраунгофера, г. Аахен, и фирмы TRUMPF). При использовании в лазере [20] устойчивого резонатора длиной 11,8 м параметр К равен 0,13 при числе Френеля N=3,9. В настоящее время устойчивый резонатор используется в абсолютном большинстве технологических лазеров всех ведущих мировых производителей, таких, как Trumpf, Rofin Sinar, PRC Laser, Fanuc.
Оценочное соотношение для объема моды можно записать, используя число Френеля N резонатора, V ~ NLL2, N = A2/XL. А - радиус апертуры резонатора. Для генерации на моде ТЕМ0о число Френеля должно быть приблизительно равным 1. Существенно понизить расходимость и повысить качество пучка излучения по сравнению с многомодовым устойчивым резонатором при числе Френеля, значительно превышающем 1, позволило применение в мощных С0?-лазерах неустойчивого резонатора [3, 21]. В неустойчивом резонаторе луч, запущенный в резонатор под малым углом к оси, при последовательных отражениях выходит за пределы апертуры зеркал. Оба зеркала резонатора могут быть полностью отражающими, излучение выводится из резонатора по периферии одного из зеркал. На практике наибольшее распространение получил телескопический резонатор, составленный из выпуклого и вогнутого сферических зеркал с общей фокальной точкой. В неустойчивом резонаторе эффективно подавляются высшие моды, волновой фронт выходного пучка близок к плоскому или сферическому даже при больших числах Френеля. На лазерах с неустойчивым резонатором были показаны хорошие результаты по сварке [например, 22]. Однако, для резки качество пучка оказалось недостаточно высоким. Распределение интенсивности в поперечном сечении пучка внутри резонатора существенно отличается от гауссова, обладающего минимальной для данного диаметра расходимостью. Выходной пучок имеет в поперечном сечении форму кольца, и в дальней зоне (в фокальной плоскости линзы)