Лучевые методы обработки

К лучевым методам обработки относят электронно-лучевую обработка, светолучевую (лазерную), плазменную и др. Сущность их будет рассмотрена в курсе сварки. Ниже рассмотрим только лазерную обработку. Светолучевая (лазерная) обработка основана на том, что мощный световой луч, проходит через специальное оптическое устройство, фокусируется на обрабатываемой поверхности на площади диаметром менее 0,01 мм. Применяют лазерную обработку для прошивания сквозных и глухих отверстий, разрезания заготовок на части и т.п. Лазерами обрабатываются любые материалы. Источник светового излучения – лазер-оптический квантовый генератор (ОКГ). Впервые возможность создания ОКГ была обоснована в работах Н.Г.Басова и А.М.Прохорова. В зависимости от активного вещества созданы твердотельные, газовые и полупроводниковые ОКГ.

Для механической обработки используются твердотельные ОКГ, работающие в импульсном режиме; рабочий элемент в них – рубиновый стержень (Al₂O₃ + 0,05 % Cr). К.п.д. твердотельных лазеров невелик и составляет примерно 0,1…1 %. Принципиальная схема твердотельного ОКГ показана на рис.5.7. Рубиновый стержень 6 установлен в корпусе 3. Полированные торцы рубинового стержня строго параллельны друг другу. Левый покрыт непрозрачным слоем серебра, а правый торец сделан полупрозрачным с коэффициентом пропускания света около 8 %. При включении ксеноновой лампы 4 происходит “накачка” рубинового стержня энергией. Лампа питается от батареи конденсаторов 2, а источником тока служит элемент 1. Лампа включается пусковым устройством 5. Через 0,5 мс более половины атомов хрома переходит в возбужденное состояние – система становится неустойчивой. Перейти в нормальное состояние атомы хрома могут лишь, излучив фотоны длиной волны 0,69 мкм. От взаимодействия фотонов с возбужденными атомами образуется лавинообразные потоки фотонов (цепная реакция). Наличие зеркальных торцевых поверхностей приводит к тому, что при многократном отражении усиливаются свободные колебания атомов только в направлении оси стержня. Вся запасенная энергия в стержне одновременно высвобождается, и кристалл испускает ослепительно яркий красный свет с высокой направленностью лучей. Система оптических линз 7 фокусирует свет на поверхности заготовки 8.

Рис.5.7. Схема твердотельного лазера.

Энергия светового импульса составляет всего 100…200 Дж, но она выделяется за время 10^-6 с и сосредоточена в луче диаметром 0,01 мм, что обеспечивает температуру около 6000…8000 ºС, поэтому, материал поверхностного слоя детали, на который падет луч, мгновенно нагревается и испаряется.

Лекция № 15