Введение к работе
з
Актуальность темы диссертации
Лазерные методы в последние четыре десятилетия заняли достойное место среди современных технологий обработки материалов. Успешное использование лазеров в 60-х годах для прошивки отверстий в часовых камнях постепенно развилось до их применения в различных отраслях промышленности для разделения и сварки различных материалов, маркировки, гравировки, термообработки и других процессов.
Диапазон применения лазерных технологий в мировой практике постоянно расширяется. При этом каждая новая технология выдвигает специфические требования к параметрам лазерного излучения в области его взаимодействия с обрабатываемым материалом.
Лазерное излучение можно представить в виде распространяющейся в пространстве световой волны. В результате преобразования в оптических средах и устройствах в такой световой волне меняется амплитуда (интенсивность), фаза (оптический путь), частота (длина волны) и состояние поляризации. Одним из факторов, обуславливающих применение лазерного излучения для обработки материалов, является возможность его фазовой коррекции, т.е. изменения пространственных параметров до требуемых значений. В мировой практике фазовую коррекцию излучения принято называть его формированием. Формирование излучение, как известно, осуществляется с помощью оптических систем (ОС).
Как правило, ОС для лазерных технологических установок (ЛТУ) проектируются в соответствии с требованиями отдельных процессов обработки, что не позволяет осуществлять быструю переналадку установки для выполнении других технологических операций. В настоящее время, в связи с расширением спектра задач лазерной обработки, а также повышением требований к гибкости производства, актуально применение в ЛТУ универсальных ОС.
В последнее десятилетне, в связи со значительным усовершенствованием твердотельных, в частности, АИГ:Ш-лазеров, появилась реальная возможность создания ОС, позволяющих в широких пределах изменять параметры формируемого лазерного излучения и, тем самым, осуществлять различные процессы обработки с помощью одной ЛТУ, а также ОС для реализации процессов обработки материалов значительных толщин, реализуемых ранее с помощью мощных СОг-лазеров.
Между тем, разработка таких ОС сдерживается тем, что требования к формированию лазерного излучения со стороны различных технологических процессов
4 различны и часто формулируются по разным критериям, в зависимости от вида обработки и используемой модели лазерного излучения. Например, для резки материалов малых толщин основное требование - минимальный диаметр формируемой перетяжки; для сварки или закалки - формирование перетяжки заданного размера; сварка с глубоким проплавлением - либо формирование цилиндрической световой трубки, либо заданный угол сходимости излучения. Это затрудняет однозначный выбор исходного варианта такой системы.
Вопросы построения оптических схем ЛТУ в систематизированном виде в отечественной литературе до сих пор не излагались, между тем, оптическая схема имеет решающее значение для достижения требуемого качества обработки материалов лазерным излучением. Поэтому композиция и расчет лазерных оптических систем (ЛОС) вызывает значительный интерес со стороны специалистов, занимающихся разработкой и эксплуатацией лазерного технологического оборудования.
В связи с вышесказанным, актуальны разработка обобщенной методики расчета ЛОС, формирующих излучение твердотельных технологических лазеров для осуществления различных процессов обработки материалов (в том числе, и комбинацию таких процессов), а также составление рекомендаций по рациональным конструкциям таких систем.
Цель диссертационной работы состояла в исследовании особенностей формирования излучения технологических лазеров и разработке обобщенной методики расчета соответствующих ОС, исходя из решаемых ими задач.
Задачи исследования:
обоснование рационального метода описания лазерного излучения для его
использования в технологических целях;
. формулирование совокупности параметров, с одной стороны, однозначно определяющих характер взаимодействия лазерного излучения определенной мощности с веществом, а с другой стороны, являющихся исходными для расчета формирующих ОС;
разработка методики габаритного расчета ОС ЛТУ;
разработка математических моделей различных конструкций панкратических ЛОС, исследование этих моделей, составление рекомендаций по применению таких систем;
5 определение области практического использования разработанной методики расчета ЛОС.
Методы и материалы исследования:
При решении поставленных задач был проведен аналитический обзор литературных и патентных источников по следующим направлениям: методы формулирования требований к формируемому лазерному излучению; методы описания лазерного излучения; конструкции ОС ЛТУ; методы расчета ОС ЛТУ; системы переменного увеличения, используемые в ЛТУ.
При разработке методики габаритного расчета ОС ЛТУ были использованы основные соотношения волновых методов расчета преобразования лазерных пучков в ОС, а также существующие методики расчета оптико-электронных приборов с лазерами. Полученные выражения представлены в обозначениях метода вариансов.
Экспериментальные исследования распределения энергии лазерного излучения осуществлялись фотоэлектрическим методом, путем сканирования поперечного сечения лазерного пучка непрозрачной шторкой. При проведении экспериментов были использованы He-Ne-лазер ЛГН-207 и одноквантронный АИПШ-лазер с плоским резонатором серии ЛТН.
При обработке экспериментальных результатов были использованы методы математической статистики.
Для осуществления теоретического описания экспериментов был разработан и использован косвенный эмпирический метод определения расстояния от главной плоскости формирующего компонента до плоскости исходной мнимой перетяжки.
Символьные преобразования, расчетные вычисления, математическое моделирование и статистическая обработка результатов измерений проводились с использованием пакета MCAD Plus5.0.
Научная новизна работы, но мнению автора, заключается в следующем:
-
Проведена классификация ОС ЛТУ в зависимости от выполняемых ими задач.
-
Предложена совокупность параметров, определяющих характер взаимодействия лазерного излучения определенной мощности с веществом и являющихся исходными для расчета формирующих ОС.
-
Предложен новый метод формирования квазицилиндрических световых трубок.
-
Разработана методика габаритного расчета ОС ЛТУ и представлены в общем виде решения разных задач проектирования соответствующих систем.
-
Получены новые инженерные формулы для габаритного расчета двухкомпонентных формирующих ОС.
-
Разработаны математические модели двух- и трехкомпонентных ЛОС.
-
Установлено, что создание универсальных ОС ЛТУ с твердотельными лазерами мощностью одномодового (ТЕМоо) излучения 200...300 Вт для реализации процессов резки и сварки металлов малых и средних толщин возможно на базе трехкомпонентных панкратических ЛОС с механической компенсацией.
Практическая ценность работы:
-
Результаты данной работы позволяют выбрать рациональную конструкцию ОС, требуемой для осуществления конкретных технологических задач, и определить ее основные параметры.
-
Предложенный метод формирования излучения позволит существенно уменьшить потери энергии лазерного излучения, по сравнению с традиционными методами формирования цилиндрических световых трубок (ЦСТ).
-
Отработана достаточно простая и легко осуществимая на практике методика измерения распределения энергии мощного лазерного излучения.
-
Результаты исследования моделей панкратических ЛОС могут служить основой для разработки универсальных ОС ЛТУ.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались в МИИГАиК на 53-й и 55-й научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых в апреле 1998 и 2000 г.г. и на международной научно-технической конференции "220 лет геодезическому образованию в России" в мае 1999 г.
Публикации. По материалам исследований опубликовано 7 печатных работ и тезисы 3-х докладов.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников, приложений и изложена на 160 страницах. Работа содержит 121 страницу машинописного текста, 44 рисунка, 8 таблиц, 131 наименование использованных источников и 2 приложения.
7 Основные результаты, выносимые на защиту:
-
Совокупность параметров, предназначенная для формулирования требований к формированию лазерного излучения для достаточно широкого круга технологических задач (резка, сварка, прошивка отверстий, локальная термообработка и т.п.).
-
Способ формирования лазерного излучения в виде квазицилиндрической световой трубки.
-
Обобщенная методика определения основных параметров рациональных конструкций ЛОС для решения различных технологических задач.
-
Инженерные формулы для расчета фокусного расстояния одного из компонентов двухкомпонентной ОС, согласующей исходные и требуемые параметры лазерного излучения, при заданном значении фокусного расстояния другого компонента.
-
Результаты теоретических исследований панкратических ЛОС.
-
Результаты экспериментальных исследований.
