РЕЗКА НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

Теоретическое введение

1.1. Теоретические основы лазерной резки

РЕЗКА НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

Для резки органических материалов за счет испарения наи­более перспективно использование непрерывных СО2-лазеров. Практически все органические материалы имеют высокий ко­эффициент поглощения на длине волны 10,6 мкм, но многие из них достаточно прозрачны для излучения лазера на АИГ с неодимом.

Во многих случаях для операции резки достаточно непрерывного СО₂-лазера мощностью 100 Вт. Осуществлена лазерная резка самых разнообразных материалов, в том числе бумаги, резины, пластмасс, керамики, стекла, тканей и дерева. Так, например, была продемонстрирована возможность резки акрилового полотна толщиной 1,6 мм при помощи СО₂-лазера со скоростью 25,6 м/мин, в результате которой получен рез с гладкими слегка оплавленными краями, а также осуществлена резка листов бумаги со скоростью свыше 5 м/с, при которой качество получаемого среза сравнимо с качеством механиче­ского среза.

Для того чтобы при лазерной резке горючих материалов, получался гладкий необожженный край среза, может возник­нуть необходимость в обдувке края среза струей инертного газа.

К преимуществам лазерной резки относятся: отсутствие износа режущего инструмента, снижение потерь материала в процессе резки, а в ряде случаев, также и улучшение качества среза. В отдельных случаях эко­номические показатели лазерной резки тканей, ковровых изде­лий и бумаги могут сравниваться с аналогичными показателя­ми механической резки.

На рис. 5 приведены данные о резке различных пласти­ков с помощью СО₂-лазера мощностью 375 Вт. В ряде случаев скорость резки оказывается достаточно высокой для практиче­ских применений. В качестве дополнительных примеров в табл. 3 приведены экспериментально измеренные значения скоростей резки различных неметаллических материалов с помощью СО₂-лазера. Эти значения получены при различающих­ся условиях и поэтому не обязательно являются оптимальными .

Рис. 5. Зависимость скорости резки различных пластиков при помощго СО2-лазера мощностью 375 Вт от их толщины.

1 - целлюлоза; 2 - акриловая эпоксидная смола; 3 - пластик ABS; 4 - винил; 5 - поликарбонат; 6 - полиэтилен.

Рассмотрим одну из областей, в которых лазерная резка достигла уровня промышленного применения. Соответствую­щая система предназначена для лазерной резки ткани, нало­женной в один слой. Она состоит из двух непрерывных СО₂-лазеров мощностью до 350 Вт каждый, оптической системы для фокусировки и перемещения лазерного пучка, системы переме­щения ткани по координатам X и Y, мини-ЭВМ с запоминаю­щим устройством на магнитной ленте, а также ячеистой алюминиевой поверхности с системой вакуумного удержания, перемещения и автоматического натяжения ткани. Система ла­зерной резки ткани является полностью автоматической и рабо­тает под контролем ЭВМ. Разрезаемый материал натягивается' на ячеистую поверхность, затем перемещается в требуемое по­ложение относительно лазерной головки и после этого отреза­ется с помощью сфокусированного лазерного пучка. Сам лазер неподвижен, и его пучок перемещается по заданному контуру с помощью линз и зеркал. В процессе резки ткани лазерный пучок перемещается по контуру отрезаемого куска под контро­лем ЭВМ. Диаметр фокального пятна на поверхности ткани составляет ~0,25 мм. После отрезки партии заготовок запу­скается конвейер, и заготовленные детали поступают в прием­ное устройство, а новая партия материала поступает на разрезной стол. Система допускает резку со скоро­стью до 1 м/с, но средняя скорость резки обычно ниже. Если исходить из того, что для раскройки мужского костюма необ­ходимо сделать разрезы общей длиной примерно 5 м, то лазер­ная система с двумя режущими головками сможет обеспечить раскройку материала примерно для 40-50 костюмов в 1 ч.

Таблица 3.

Резка неметаллических материалов излучением СO₂-лазера

Одновременно разрезается только один слой ткани. Досто­инство лазерной системы заключается в высокой скорости .резки, которая создает возможность одновременно разрезать только один слой ткани. Этим обеспечивается более точная раскройка, чем в случае раскроя нескольких слоев ткани, на­ложенных один на другой. Высокая точность раскроя исклю­чает необходимость припуска на краях раскраиваемой детали. В итоге обеспечивается лучшее использование раскраиваемого материала и существенно экономится его расход. Высокая ско­рость резки гарантирует также возможность быстрого измене­ния фасона. Изготовитель может выпускать небольшие партии продукции без заметного увеличения стоимости раскроя. Благо­даря этому возможно значительное сокращение запаса заготов­ленных деталей. Лазерная резка обеспечивает хорошее качество края раз­резаемых кусков. Прекрасно заделываются края разреза ткани с высоким содержанием синтетического волокна. Край такого разреза имеет существенно меньшую тенденцию к распуска­нию, чем край разреза, выполненного обычным методом. Согласно оценкам, стоимость раскроя костюма составляет 1,09 долл. Такая стоимость сравнима со стоимостью раскроя обычными методами и, кроме того, предоставляет изготовите­лю возможность быстро изменять фасон и уменьшать запасы заготовленных деталей. Было проведено сравнение лазерного метода резки ткани с различными обычными методами резки (резка обычными ножницами, гильотиной, дисковыми ножами, а также плазменная и ультразвуковая резка). Методы лазер­ной резки позволяют применять современные автоматизирован­ные технологические процессы в тех областях промышленности, в которых в обычных условиях трудовые затраты велики.

Лазерную резку можно также применять при производстве штанцевальных штампов. При помощи лазера можно прорезать в деревянной планке щели, в которых затем крепятся стальные высечки, используемые для отрезания или фальцовки заготовок для картонных коробок. Обычно основой штампа служит кле­новый брусок толщиной 19 мм. Применение лазерной резки позволяет полностью автоматизировать процесс изготовления сложной системы щелей для крепления стальных высечек. По­лучаемые с помощью лазера щели имеют лучшую прямолиней­ность и однородность по сравнению со щелями, изготовленными с помощью механического лобзика. Описанный метод обеспе­чивает возможность создания новых автоматических устройств для изготовления картонных коробок, широко используемых в пищевой промышленности.

Общая характеристика СО₂-лазеров

 Из всех существующих лазеров (“Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation”) длительного действия наиболее мощными, продвинутыми в практическом отношении и приспособленными для резки материалов, сварки металлов, термического упрочнения поверхностей деталей и ряда других операций являются электроразрядные СО₂-лазеры. Большой интерес к СО₂-лазерам объясняется также и тем, что у этого лазера эффективность преобразования электрической энергии в энергию лазерного излучения в сочетании с максимально достижимой мощностью или энергии импульса значительно превосходит аналогичные параметры других типов лазеров. С помощью их излучения производят необычные химические реакции, разделяют изотопы. Имеются проекты передачи энергии с помощью СО₂-лазеров с Земли в космос или из космоса на Землю, обсуждаются вопросы создания реактивного двигателя, использующего излучение лазера. За 33 года, прошедших со времени создания первого образца (С. Пател, 1964г.) их мощность в непрерывном режиме возросла от милливатта до многих киловатт. Сейчас выпускаются СО₂-лазеры с мощностью до 10 кВт, в том числе более 50 типов СО₂-лазеров с ВЧ-накачкой в диапазоне мощностей от 3 Вт до 5 кВт. При этом газовые лазеры с ВЧ-возбуждением обладают целым рядом преимуществ по сравнению с лазерами, в которых для накачки рабочей среды применяется самостоятельный тлеющий разряд постоянного тока. В частности, их конструкция и технология изготовления проще, а надёжность, ресурс работы, удель ные характеристики существенно выше чем у лазеров с накачкой постоянным током. Это позволяет уменьшить габариты и массу технологических СО₂-лазеров мощностью ~1 кВт настолько, что становится возможным размещение такого лазера на подвижном манипуляторе промышленного робота.

Сегодня известно большое количество различных конструкций газовых лазеров с ВЧ-возбуждением. Но в основе всего многообразия конструктивных решений лежит специфика пространственной структуры ВЧЕР, которая в большинстве случаев удачно совпадает с требованиями, предъявляемыми к активной среде лазера.

Квантовое описание лазера

       Возбуждённая частица может перейти в менее энергетическое состояние самопроизвольно в результате спонтанного излучения, или, как его ещё называют, радиационного распада (рис. 1). Спонтанное излучение имеет чисто квантовую природу. Согласно квантовой механике атом или молекула не могут находиться в возбуждённом состоянии бесконечно долго. Возбуждённое состояние распадается с конечной скоростью, определяемой вероятностью этого перехода в единицу времени , испуская при этом квант света с энергией hn₀=e₂-e₁ А(2)®А(1)+ hn₀ ( - коэффициент Эйнштейна для спонтанных переходов). Изменение концентрации частиц N₂на верхнем уровне в результате спонтанных переходов описывается выражением . Кванты света, родившиеся в результате спонтанных переходов обладают одинаковой энергией но никоим образом не связаны между собой. Направления распространения этих квантов в пространстве равновероятны. Так как рождение кванта может с равной вероятностью произойти в любой момент времени, электромагнитные волны, соответствующие этим квантам, не связаны между собой по фазе и имеют произвольную поляризацию.

       В отличие от спонтанных переходов, способных происходить в изолированной частице, безизлучательные переходы возможны только при наличии взаимодействия частицы А с другой частицей или системой частиц В. В результате такого взаимодействия частица переходит из состояния 1 в состояние 2 или наоборот без излучения кванта света и без его участия. Процесс столкновительного возбуждения (рис.2) требует затраты кинетической энергии и протекает по схеме А(1)+В®А(2)+В. Процесс столкновительной релаксации на (рис.3) наоборот сопровождается переходом энергии в поступательную энергию взаимодействующих частиц либо тратится на возбуждение частицы В. Этот переход происходит по схеме A(2)+B®A(1)+B+ . Индуцированные, или, как их иногда называют, вынужденные переходы в соответствии с гипотезой А. Эйнштейна могут происходить только при взаимодействии частицы А с резонансными квантами, удовлетворяющими условию hn₀=e₂-e₁ т.е вероятность индуцированных переходов отлична от нуля лишь во внешнем электромагнитном поле с резонансной частотой n₀. А. Эйнштейн предположил, что при наличии поля резонансной частоты помимо переходов квантовой системы из состояния 1 в состояние 2, что соответствует резонансному поглощению квантов, протекающему по схеме А(1)+hn₀®A(2) (рис.4) возможны переходы по схеме А(2)+hn₀®А(1)+2hn₀ (рис.5). Данный процесс индуцирования или вынужденного излучения и служит основой квантовой электроники.

       Однако энергия возбуждённых состояний не является фиксированной величиной даже в случае изолированной частицы. Согласно принципу неопределённости Гейзенберга неточность в определении энергии системы и времени её существования должна удовлетворять соотношению: . Поскольку ~t₀ то неопределённость энергии возбуждённого состояния составляет . Такое энергетическое размытие уровней приводит к неопределённости частоты излучаемого кванта . Данное уширение частоты излучения называется естественная ширина линии и является минимально возможной. Естественная ширина линии резко растёт с ростом n (~n³) и становится заметной в коротковолновой части спектра. Для основного перехода молекулы СО₂ лазера t₀»5 сек и ширина n₀»3*10^-2 Гц. Однако обычно ширина линии излучения определяется не спонтанным излучением а релаксационными безизлучательными переходами, происходящими при взаимодействии возбуждённой частицы с другими частицами. Любой релаксационный процесс приводит к сокращению времени жизни частицы в возбуждённом состоянии, а следовательно, к уширению соответствующей этому состоянию линии излучения. Релаксационное уширение происходит за счёт безизлучательных процессом при столкновении частиц и этот процесс называют столкновительное уширение. По аналогии с естественный шириной линии, принимая t_cт - время жизни частицы в возбуждённом состоянии столкновительное уширенение определяется как . Время жизни частицы определяется через сечение этих процессов t_ст Как правило возбуждённая частица взаимодействует с различными частицами и в общем случае t_{ст ,} где суммирование проводится по всем видам взаимодействующих частиц. Столкновительное и естественное уширение вызвано одной той же причиной – конечным временем жизни частицы в возбуждённом состоянии. Форма линии уширения в обоих случаях определяется особенностью вероятностных процессов и поэтому одинакова. Она имеет так называемый лоренцев контур, описываемый форм-фактором . Выражение нормировано на единицу: . Уширение линии, связанное с конечностью времени жизни возбуждённого состояния, принято называть однородным. В случае однородного уширения каждая возбуждённая частица при переходе излучает линию с полной шириной , спектральной формой и поглощает кванты с частотой, лежащей в пределах контура . При однородном уширении форма линии описывает спектральные характеристики каждой частицы и всех частиц в целом. Но конечное время жизни частиц не является единственной причиной уширения линий. Излучающие частицы находятся, как правило, в тепловом движении. В соответствии с эффектом Доплера частота, испускаемая движущимся источником колебаний, претерпевает смещение, пропорциональное скорости движения излучателя V. Смещение частоты зависит также от угла j между направлением движения и линией, соединяющей излучатель с приёмником и составляет . Так как излучающие частицы движутся с различными скоростями и в различных направлениях, то частотные сдвиги излучаемых ими линий различны. Поэтому даже в случае отсутствия столкновений неподвижный спектральный прибор будет регистрировать множество естественно уширенных линий, различно смещённых относительно частоты n₀. Суперпозиция этих смещённых линий и даёт наблюдаемый профиль уширённой линии. Это так называемое доплеровское уширение линии является неоднородным. Каждая частица в описанной ситуации может излучать линию лишь в узком, определяемом естественным уширением, спектральном диапазоне, сдвинутом относительно n₀ на конкретную величину, однозначно связанную со скоростью и направлением движения этой частицы. Естественно, что и поглощать излучение с фиксированной частотой смогут только те частицы, доплеровский сдвиг которых соответствует этой частоте. При максвелловском распределении излучающих частиц по скоростям где - средняя тепловая скорость; m - масса частицы. При этом линия излучения имеет гауссов профиль, описываемый форм-фактором . Аналогично с выражение нормировано на единицу .

В общем случае полная ширина линии излучения определяется всеми механизмами уширения. Однако в реальной ситуации чаще всего преобладающим является один. Это вызвано различным характером зависимости и от внешних условий. Так, например, в случае газовой излучающей среды линейно растёт с концентрацией частиц, а зависит только от температуры. Поэтому при малых давлениях уширение будет определяться доплеровским эффектом, а при больших - столкновениями. Спектральное распределение излучаемой линии имеет вид симметричной резонансной кривой (рис.6) с максимумом на частоте n=n₀, спадающей до уровня половины максимальной интенсивности при частотах