Аналіз методів керування просторовими характеристиками випромінювання при лазерній обробці. Отримання моделей процесу фокусування лазерного випромінювання сферичним дзеркалом. Обробка деталей з обмеженими умовами тепловідводу, зварювання матеріалів.
Аннотация к работе
Одними з основних факторів, які суттєво впливають на тепловий стан матеріалу під час обробки лазерним променем, є розподіл потужності пучка на опромінюваній поверхні, розміри та форма його перерізу. Вдалий вибір цих характеристик дозволяє більш ефективно використовувати енергію випромінювання та значно розширити технологічні можливості лазерної обробки. Приймаючи до уваги існуючу зараз тенденцію до інтеграції обладнання, а саме, використання лазерних центрів, які могли б виконувати всі необхідні операції обробки матеріалів на базі одного випромінювача, виникає необхідність застосування універсальної системи для керування просторовими характеристиками променя як доцільного додатку до цих центрів. Звязок роботи з науковими програмами університету: дослідження проводилися у рамках державних проектів “Розробка дослідного зразка лазерної установки для нанесення на деталі технічної інформації” (номер державної реєстрації 0196V009805 від 1997 року) та “Розробка наукових основ лазерного багатовимірного формоутворення різноманітних виробів та розробка промислового варіанту лазерного устаткування для машинобудування, медицини” (номер державної реєстрації 197V009828 від 1999 року). Мета роботи: підвищити ефективність лазерної обробки матеріалів шляхом керування просторово-часовими характеристиками випромінювання використовуючи аберрації, які виникають при фокусуванні лазерного пучка сферичним дзеркалом, завдяки застосуванню спеціально розроблених фокусуючої системи та алгоритму для розрахунку її оптичних параметрів.Перший розділ містить аналіз доцільності оптимізації просторової структури випромінювання при лазерній обробці, обговорюються способи керування просторовими характеристиками пучка, розглядаються різні види лазерного технологічного обладнання, системи фокусування та методи розрахунку їх параметрів. Оскільки існуюче технологічне обладнання принципово не дозволяє змінювати форму перерізу та розподіл потужності вихідного з резонатора пучка, а також, зважуючи на існуючу тенденцію до виконання всіх операцій обробки на базі одного випромінювача, зроблено висновок про необхідність розробки зручної в експлуатації, дешевої системи для керування просторовою структурою променя, яка могла б бути доцільним додатком до лазерного комплексу. Фактори, які впливають на просторову структуру сфокусованого сферичним дзеркалом лазерного пучка, можна поділити на три групи: характеристики променя, характеристики дзеркала та умови взаємоположення. До першої групи відносяться: первинний розподіл потужності у пучку випромінювання W(x,z) (приймався довільний розподіл, який можна отримати на установках - Гаусовий, рівномірний, кільцевий); форма й розміри перерізу променя (коло з діаметром D, кільце з відношенням зовнішнього та внутрішнього діаметрів D/d, прямокутник з розмірами сторін а?b); довжина хвилі випромінювання та вид поляризації. До третьої групи відносяться кут падіння лазерного променя на дзеркало a та відстань між дзеркалом та площиною фокусування Р.Базуючись на багатофакторних, однофакторних та чисельних експериментах визначені закономірності зміни просторової структури випромінювання внаслідок його формування сферою та доведено, що вони можуть змінюватися у широкому діапазоні.Для оптимального використання лазерних пучків з різноманітними просторово-часовими структурами при обробці матеріалів доцільно визначити їх вплив на тепловий стан деталі, що опромінюється. Його поверхні знаходяться у процессі теплообміну з навколишнім середовищем, температури Тс. На верхню поверхню деталі (поверхню обробки) діє лазерний промінь, що рухається зі швидкістю V та має довільний розподіл потужності по перерізу. Характер розподілу температур всередині тіла описується диференційним рівнянням: , (6) де с - тепломісткість, g - густина матеріалу заготовки. Для розвязку задачі, базуючись на методі кінцевих різниць, розроблено відповідну методику, яка дозволяє розраховувати температурні поля, що виникають внаслідок дії променя з будь-якими просторовими характеристиками за умовами температурної залежності властивостей матеріалу, часової залежності потужності променя та при поширенні випромінювання всередину тіла.Розроблено спосіб керування просторовими характеристиками пучка, який базується на аберраціях сферичних дзеркал і дозволяє шляхом оптимізації просторової структури лазерного променя значно підвищити ефективність обробки: розширити її технологічні можливості-обробка деталей з обмеженими умовами тепловідводу; підвищити її якість - отримання більш гомогенного зміцненого, легованого та наплавлюваного шару, уникнення утворення тріщин та зменшення термонапружень; підвищити швидкість обробки. Визначені фактори (розміри та форма перерізу первинного пучка, розподіл інтенсивності по ньому, радіус кривини сфери, кут падіння випромінювання на неї та відстань від сфери до площини фокусування), які впливають на викривлення лазерного променя під час його фокусування сферичним дзеркалом. Запропоновані параметри (площа перерізу й розміри променя, еліптичніс