Передача випромінювання в зону обробки

КОНСТРУКТОРСЬКА ЧАСТИНА

Лазерний технологічний комплекс для наплавки рідких матеріалів.

Структура лазерного технологічного комплексу

У розроблювальному лазерному технологічному комплексі (ЛТК) використовується газовий лазер ТЛ-1.5, є основним блоком комплексу.Структура

ЛТК показана на рис. 1.

Лазерний пучок випромінювача 1 перетворюється фокусуючою системою 2і спрямовується на оброблювану заготовку 7. Встановлення і закріплення заготовки в робочому положенні та її переміщення здійснюються пристроєм 6. Блок числового програмного забезпечення 9 згідно із заданою програмою обробки подає електричні сигнали виконавчого механізму 5 для управління переміщенням рухомогоблоку 6, а також сигнали блоку електроживлення 12 для управління режимом роботи випромінювача. Як показано на структурній схемі, рухомим блоком може бути не тільки пристрій 6, але і випромінювач 1 і фокусуюча система 2.

З метою збільшення ефективності процесу використовується технологічний газ. Для підготовкитехнологічного газу і подачі його в зону обробки служить система 3. Щільність потужності випромінювання регулюється датчиком 8. Сигнал з датчика служить для контролю та управління режимом випромінювання. Продукти лазерноїерозії, що утворюються в процесі обробки, видаляються вентиляційною системою 4. Для приготування і циркуляції активної газової суміші використовується пристрій 14, а для створення необхідного розрядження - вакуумна система 15. Для підтримки оптимального і стабільного складу газової суміші служить система регенерації відкачуваного газу 13. Оптимальний тепловий режим випромінювача забезпечується блоком охолодження 11. Параметри лазерного випромінювання контролюються блоком 10.

 

Рис. 1.1.1. Структурна схема лазерного технологічного комплексу: 1 - випромінювач; 2 – фокусуюча система; 3 - система подачі технологічногогазу; 4 - вентиляційна система; 5 - виконавчий механізм; 6 - рухомийблок; 7 - заготовка; 8 - вимірювач потужності, 9 - числове програмне управління;10 - контролюючий блок; 11 - блок охолоджування; 12 - блок електроживлення; 13 - блок регенерації відкачуваного газу; 14 - блок приготування і циркуляції газової суміші;15 - вакуумна система.

Компонування ЛТК.

Основними особливостями лазерного обладнання є безконтактність формоутворення, відсутність зусиль обробки на базових деталях і направляючих, можливість передачі лазерного пучка на значні відстані від випромінювача. Останнє визначає принципову відмінність компоновок ЛТК від компоновок інших видівтехнологічного обладнання для обробки матеріалів.

Сукупність відносних рухів лазерного пучка ізаготовки, що обробляється, необхідні для утворення заданоїповерхні деталі, додаткових рухів і зв'язків між нимивизначають кінематичну структуру, яка є основоюкомпонування ЛТК. Установка має блочну структуру і складається з одногостаціонарного і декількох рухомих блоків, які з'єднані між собою послідовно або паралельно направляючими лінійними і круговими. Фокусуюча система і блок, який несе заготовку, у компонуванні завжди є крайніми блоками. Послідовне з'єднання рухомих блоків застосовується для створення відносногопереміщення лазерного пучка і заготовки по складних просторовихтраєкторіях, паралельне – для одночасної роботи декількохфокусуючих систем.

Поняття про блокову структуру і способи сполучення блоків дозволяє
позначити будь-яке компонування з допомогою структурних формул. Вісь Xпоєднана з віссю сфокусованого лазерного пучка, позитивний їїнапрямок - від заготовки до фокусуючої системи. Вісь У спрямованауздовж осі випромінювача, а вісь X-перпендикулярно до неї. Стаціонарний блокмає знак, чим підкреслюється відсутність руху. Блок фокусуванняпозначається буквою F, випромінювач лазера - літерою L. В структурній формуліпозначення записуються в порядку розташування блоків. Блок, що несе заготовку, у формулі записується крайнім зліва, а блок фокусування випромінювання крайнім праворуч. Від положення стаціонарного блоку залежить розподіл елементарних рухів між заготовкою її фокусуючим блоком.

В даний час для розрізання матеріалів найбільше поширенняотримали двокоординатні лазерні установки, які містятьпослідовно з'єднані два рухомих блоки і один стаціонарний.Для розроблюваного ЛТК обираємо компонувальну схемуз відповідною формулою OLXYFzv, тобто випромінювач встановлений нерухомона стаціонарному блоці, а фокусуюча система переміщається по осях X і У вздовж поверхні заготовки.

 

Технологічний лазер.

Обраний технологічний лазер ТЛ-1.5 (рис. 2) є швидкопроточнимгазовим лазером. Спосіб конвективного (швидкопроточного) охолодження робочої суміші дозволяє забезпечити питомий об'ємний энергозем до 1...10 Вт/см³, що на 2...3 порядки перевищує це значення для лазерів з дифузійним охолодженням.Дана модель лазера враховує особливості експлуатації технологічних лазерів в промисловості і призначена для лазерних технологічних операцій розрізання, зварювання та поверхневої обробки.

Важливою відмінністю цієї моделі є контрольована поляризація його випромінювання (лінійна або кругова), що досягається введенням в поляризаторів
оптичну схему резонатора.

Переваги та основні особливості цієї моделі:

· як засіб прокачування застосований діаметральний вентилятор, що значно поліпшило компонування лазерної головки;

· лазерна головка, блок живлення і система управління поєднані в одному
конструктивному модулі;

· застосовано замкнуте водяне охолодження джерела живлення з
використанням теплообмінника "вода-повітря";

· є система замкнутого охолодження електродів газорозрядної камеридеіонізованою водою;

· технологічний лазер забезпечений системою транспортування променя з повітряною продувкою систем фокусування і сканування;

· здійснюється безперервний контроль потужності лазерного випромінювання здопомогою швидкодіючого датчика, встановленого позаду частково пропускаючого (0,5 %) дзеркала заднього оптичногорезонатора;

· всі дверцята і кришки лазерної головки забезпечують швидкий оперативний доступ до будь-якого елементу лазера, мікропроцесорна система автоматичного управління технологічнимлазером дозволяє здійснити повний пуск з неробочого стану шляхом натиснення однієї кнопки;

· роздільно діагностуються 24 функції блокувань і діагностики;

· є вбудований мікропроцесорний програматор потужності випромінювання;

· вихідна потужність стабілізується по струму живлення розряду
через зворотний зв'язок від датчика потужності;

· всі індикатори блокування і діагностики розміщені наєдиній контрольній панелі оператора з сенсорними кнопками.

 

Рис 2. Загальний вид технологічного лазера ТЛ-1.5: 1 - технологічний лазер; 2 -модуль технологічного лазера; 3 - зовнішня оптична система; 4 - технологічний модуль; 5 – направляюча; 6 – вентиляційна система; 7 – пульт управління; 8 – газова станція.

Основні технічні параметри лазера ТЛ-1.5 наведено нижче:

-довжина хвилі випромінювання Х_г=10,6 мкм;

-номінальна потужність випромінювання Р=1,5 кВт,

-межа регулювання потужності 0,1.-1,7 кВт;

-нестабільність потужності випромінювання ±2%;

-апертура пучка d=24 мм;

-мода генерації ТЕМоо,

-кутова нестабільність осі пучка 0,15 мрад;

-кутова конусність 0=2.5 мрад;

-повний ККД 7%

 

Основні експлуатаційні характеристики:

-габарити 2100*1200* 1900 мм;

-склад робочої суміші CO₂:N₂:He 4:17:79;

-тиск робочої суміші30 торр;

-газоспоживання0,056 м³/год;

-водоспоживання2,3 м³/год;

-міжпрофілактичний ресурс 500 год.

Вакуумний корпус лазерної головки (рис.2) має литі кришкиалюмінієвого сплаву, до яких кріпиться лава оптичного резонатора,блок вентилятора, блок теплообмінників газ-вода, монтажні елементигазорозрядної камери і системи газоподачі. Оптична система (рис. 2)змонтована на базі труби з графітопласту з низьким коефіцієнтомтермічного розширення, що відіграє роль оптичної лави, що
забезпечує енергетичну і модову стабільність випромінювання;юстувальні вузли і підвіски виготовлені з інвара. Всі оптичні елементи, крім вихідного дзеркала та вікна, змонтовані на оптичній лаві резонатора. Охолодження оптичних елементів проводиться з тильного боку.

Електродна система газорозрядної камери складається (рис. 2) з водоохолоджуваного трубчастого катода і секціонування анода, який має вигляд мідних пластинок, витягнутих вздовж потоку, змонтованих на ізолюючої платі, яка охолоджується водою; баластні резистори – охолоджуються водою. У газорозрядної камері є система електронного захисту від дугового пробою. Джерело живлення камери складається з газорозрядноїкамери, трифазного контролера, підвищувального трансформатора (до 1600 В), випрямляча і фільтра.

Система газообміну (рис. 4) має три режими роботи: 1-заповнення через
вентиль 20 лазерної головки 13 до 0,1 МПа сумішшю газів N₂+10% без 0₂включення вентилятора; 2 - робочий режим

 

 

Рис. 3. Система газообміну лазера 1.5 ТЛ: 1 - балон з газом; 2-редуктор; 3 - роз'єм газової магістралі; 4, 6, 14, 15, 17 - клапани; 5-аерозольний фільтр; регулятор тиску; 8, 9, 10, 16, 19, 20 - обмежувачі витрати; 11 - електронний датчик тиску газу; 12 - мановакууметр; 13 -лазерна головка; 18-вакуумний насос.
безперервного підживлення (в кількості близько 1% від загальної витрати робочої
суміші у контурі); 3 - робота без СО₂, але з включеним розрядом.

Вихідне дзеркало технологічного лазера має ресурс роботи 2000 год;
поворотні і поляризучі дзеркала - 5000 год; вихідне вікно (ZnSe) -4000 ч.
Заміна патронів-деіонізаторів проводиться через 6 місяців; газових фільтрів - через 1 рік; періодичність чищення електродів - 400 ч.

Передача випромінювання в зону обробки.

Для передавання лазерного випромінювання в зону обробки використовуютьсярізні способи перетворення лазерного пучка з допомогою оптичнихта опто-механічних систем. Ці способи можна розділити на дві групи; з
постійною та змінною довжиною оптичного шляху від випромінювача до зони
обробки. В даному випадку довжина шляху мінлива, а випромінювання в зону
обробки передається за допомогою рухомої системи оптичних елементів.

Згідно обраної компоновочної схеми заготовка закріплюється на
нерухомому столі. Випромінювання від технологічного лазера 5 (рис. 4) через
систему узгоджувальних поворотних дзеркал 1 спрямовується на оптичну
систему. До складу оптичної системи входять два поворотних дзеркала (дзеркало поздовжнє 2 і дзеркало поперечне 3) іфокусуюча система 4.

Дзеркало поздовжнє 2 і дзеркало поперечне 3 закріплені на рухомих
каретках, встановлених на напрямних над робочим столом і забезпечують переміщення фокусуючої системи разом з іншими на неї лазерним пучком уздовж всієї поверхні.

 

Рис. 4. Оптична схема лазерного технологічного комплексу: 1 - поворотні дзеркала; 2 - поздовжнє дзеркало; 3 - поперечне дзеркало; 4 - фокусуюча система; 5 - технологічний лазер; 6 - заготовкаоброблюваної заготовки по двох координатах, відповідно, по осяхV і X. Фокусуюча система 4 має механізм переміщення вздовж осі 2,що забезпечує можливість змінювати розташування акустики лазерногопучка відносно поверхні оброблюваної заготовки в залежності відїї товщини і вимог технологічного процесу.