Lingvistická a translatologická analýza odborné terminologie z oblasti strojírenství laserová technologie

Obr. 3.2 Schéma činnosti aktivního prostředí v rezonátoru s rovinnými paralelními zrcadly:

1 ‒ zakalené zrcadlo 2 ‒ aktivní prostředí 3 ‒ polopropustné zrcadlo

o – nevybuzené atomy (základní stav) • ‒ vybuzené atomy

Этот процесс будет продолжаться до того времени (д), пока интенсивность излучения достигнет своего порогового значения, после чего появится направленный пучок лазерного излучения (4). Для получения усиления вышедшие из резонатора волны должны быть в одинаковой фазе, чтобы при их интерференции (сложении) результирующая амплитуда стала максимальной.

Tento proces bude probíhat do té doby (e), dokud intenzita záření nedosáhne své prahové hodnoty. Poté se objeví usměrněný svazek laserového záření (4). Za účelem získání zesíleného paprsku vycházejícího z rezonátoru je nutné, aby měly všechny vlny stejnou fázi, jelikož by jinak při jejich interferenci (skládání) nemohla být výsledná amplituda maximální.

Лазерное излучение по своей структуре представляет собой совокупность отдельных порций фотонов, время образования и выхода которых, также как и участки резонатора, где осуществляется этот выход, могут различаться.

Struktura laserového záření je tvořena souborem jednotlivých dávek fotonů, jejichž doba vzniku a výstupu se stejně jako u rezonátoru, kde dochází k výstupu, může lišit.

В настоящее время для различной обработки материалов при помощи лазерного излучения в основном применяются твердотельные и газовые лазеры.

V současné době se pro obrábění nejrůznějších druhů materiálů za pomoci laserového záření využívají především pevnolátkové a plynové lasery.

Лазеры, в которых в качестве активной среды используется твердое тело с ионами, играющими роль активных центров (например, стержень из стекла или алюмоиттриевого граната, активированный неодимом), называются твердотельными.

Lasery, v nichž se používá jako aktivní prostředí pevná látka s ionty, které vystupují v roli aktivních center (například skleněná tyčka nebo tyčka z aluminio-yttriového granátu aktivovaného neodymem), se nazývají pevnolátkové.

Лазеры, в которых в качестве активной среды используются газы или их смеси (например, аргон или смесь газов из углекислого газа, азота и гелия), называют газовыми.

Lasery, v nichž se jako aktivní prostředí používá plyn nebo směs plynů (například argon nebo směs plynů tvořená oxidem uhličitým, dusíkem a heliem), se nazývají plynové.

Те и другие лазеры конструктивно могут быть исполнены для работы в импульсном, импульсно-периодическом и непрерывном режимах излучения. Импульсный режим работы лазера характеризуется одиночными импульсами лазерного излучения, следующими друг за другом через заданный промежуток времени. Импульсно-периодический режим работы сопровождается непрерывными сериями импульсов с короткими временными промежутками между ними. При отсутствии промежутков между импульсами режим работы лазера называется непрерывным.

Рис. 3.3. Принципиальная схема твердотельного лазера:

1 ‒ активный элемент 2, 3 ‒ резонатор 4 ‒ отражатель 5 ‒ лампа накачки

6 ‒ источник питания

Obr. 3.3. Základní schéma pevnolátkového laseru:

1 ‒ aktivní médium 2, 3 ‒ rezonátor 4 – odrážecí zařízení 5 – zdroj buzení

6 – zdroj napájení

Из газовых лазеров для обработки материалов наиболее приемлемым оказались лазеры на углекислом газе, обладающие достаточными мощностями и работающие на различных режимах излучения на длине волны 10,6 мкм. В этих лазерах увеличение снимаемой мощности происходит за счет добавления к рабочему газу СО₂ молекулярного азота и гелия. Эта смесь газов подается в газоразрядную полость. При приложении электрического поля молекулы СО₂ и N₂ возбуждаются и создаются их вынужденные колебания. Молекулы N₂, сталкиваясь с молекулами СО₂, повышают их энергетический уровень за счет передачи своей энергии. После чего молекулы СО₂, переходя на более низкий энергетический уровень, испускают лазерное излучение. При этом молекулы He (благодаря высокой подвижности атомов) служат для охлаждения рабочей смеси, способствуют расселению нижнего энергетического уровня и стабилизируют разряд. Для поддержания работоспособности газовой смеси в процессе работы в конструкциях лазеров предусматривается подача свежих газов в газоразрядную полость излучателя.

Z plynových laserů se za účelem obrábění materiálů ukázaly jako nejvhodnější lasery oxidu uhličitého, které disponují velkým výkonem a mohou pracovat v různých režimech záření při vlnové délce 10,6 µm. V tomto typu laseru dochází ke zvýšení výstupního výkonu přidáním molekul dusíku a helia k pracovnímu plynu CO₂. Tato směs plynů je přiváděna do výbojové trubice. Pokud dojde k přiblížení elektrického pole k molekulám CO₂ a N₂, tak dochází k jejich vybuzení a vzniku vynuceného kmitání. Při střetu molekul N₂ s molekulami CO₂ se zvyšuje jejich energetická hladina prostřednictvím předávání energie. Když přecházejí molekuly CO₂ na nižší energetickou hladinu, začínají vyzařovat laserové záření. Při té příležitosti molekuly He (díky vysoké pohyblivosti atomů) ochlazují pracovní směs, napomáhají ustálení nižší energetické hladiny a stabilizují výboj. Optimální činnost laserových zařízení zásadním způsobem závisí na kvalitě směsi pracovních plynů, z tohoto důvodu je nezbytně nutné zajistit do výbojové trubice zářiče přívod pouze naprosto čistých plynů.

В процессе работы лазера происходит повышение температуры рабочей смеси газов, приводящее к снижению его выходной мощности. Для устранения этого явления возникает необходимость охлаждения этой смеси.

Během činnosti laseru dochází ke zvýšení teploty směsi pracovních plynů, která vede ke snížení výstupního výkonu. Aby k tomuto nežádoucímu jevu nedocházelo, je nutné provádět ochlazování směsi.

В СО₂ лазерах с медленной прокачкой газовой смеси отвод тепла из зоны разряда осуществляется охлаждающей жидкостью (водой) через стенки газоразрядной полости (диффузионное охлаждение). Газоразрядные лазеры с медленной прокачкой газовой смеси ‒ лазеры первого поколения.

V CO₂ laserech s pomalým prouděním plynové směsi dochází k odvádění tepla z oblasti výboje ochlazující kapalinou (vodou) přes stěnu výbojové trubice (difuzní chlazení). CO₂ lasery s pomalým prouděním plynové směsi jsou nejstarším typem laserů.

Требования производства привели к созданию более мощных технологических СО₂ лазеров (рис. 3.4). Их создание оказалось возможным за счет применения другого способа отвода тепла из зоны разряда. В этом случае отвод тепла происходит заменой нагретой части смеси за свежую газовую смесь (конвективное охлаждение).

Výrobní požadavky vedly k sestrojení technologicky výkonnějších CO₂ laserů (obr. 3.4). Jejich sestrojení se ukázalo jako možné pouze za podmínky využití jiného způsobu odvádění tepla z oblasti výboje. V tomto případě dochází k odvádění tepla výměnou části zahřáté směsi za chladnou směs plynů (chlazení konvekcí).

Ввиду того, что в этих лазерах прокачка смеси газов производится с большой скоростью, они называются газоразрядными лазерами с быстрой прокачкой.

Рис. 3.4 Принципиальная схема быстропроточных СО₂ лазеров

1 ‒ непрозрачное (глухое) зеркало резонатора 2 ‒ полупрозрачное зеркало резонатора

3 ‒ газоразрядная полость излучателя 4 ‒ теплообменник 5 ‒ электроды

6 ‒ направление потока газовой смеси 7 ‒ лазерное излучение 8 ‒ высокое напряжение

Obr. 3.4 Základní schéma CO₂ laserů s rychlým prouděním

1 - nepropustné (zakalené) zrcadlo rezonátoru 2 - polopropustné zrcadlo rezonátoru

3 - výbojová trubice zářiče 4 – tepelný výměník 5 - elektrody

6 - směr proudu směsi plynů 7 - laserové záření 8 - vysoké napětí

2.3 Основные свойства лазерного излучения

2.3 Základní vlastnosti laserového záření

Широкое использование лазеров для различных практических целей обусловлено некоторыми уникальными свойствами их излучения.

Plošné využívání laserů pro nejrůznější praktické účely zapříčinily především některé unikátní vlastnosti laserového záření.

Когерентность как свойство лазерного излучения представляет собой согласованное протекание во времени ряда волновых процессов.

Koherentnost je vlastnost laserového záření, která se vyznačuje soudružným průtokem několika vlnění v určitém čase.

Направленность обусловлена тем, что активная среда помещена между двумя плоскопараллельными зеркалами (открытый резонатор). В резонаторе же могут поддерживаться только те электромагнитные волны, которые распространяются в близком к оси направлении или вдоль его оси. Направленность характеризуется углом расходимости пучка лазерного излучения, который колеблется от нескольких угловых секунд до нескольких угловых минут.

Směrovosti neboli divergence je dosaženo tím, že aktivní prostředí je umístěno mezi dvěma rovinnými paralelními zrcadly (otevřený rezonátor). V rezonátoru mohou zůstat pouze takové elektromagnetické vlny, které se pohybují v podobném směru jako osa nebo přímo podél osy. Směrovost je charakterizována jako úhel rozbíhavosti svazku laserového záření, velikost tohoto úhlu se pohybuje v rozmezí několika úhlových sekund až úhlových minut.

Это свойство пучка лазерного излучения имеет большое практическое значение в связи, локации и в других областях техники.

Tato vlastnost svazku laserového záření má praktický význam především v oblasti telekomunikace, radiolokace a v dalších technických odvětvích.

Лазерное излучение имеет определенный интервал частоты, обычно очень узкий. Это свойство называют монохроматичностью излучения. Монохроматичность связана с определенностью квантового перехода и генерации и усиления излучения только на определенных частотах резонатора.

Laserové záření má přesně určenou frekvenci, která je obvykle velmi malá. Tato vlastnost se nazývá monochromatičnost záření. Monochromatičnost souvisí s přesností kvantového přechodu a generace a zesílením záření pouze v určitých frekvencích rezonátoru.

Яркость. Лазер даже небольшой мощности имеет яркость, которая на несколько порядков превосходит яркость обычных источников. Это свойство является следствием высокой направленности пучка лазерного излучения.

Ostrost. Dokonce i laser s malým výkonem dosahuje ostrosti, která je výrazně vyšší než u běžných zdrojů záření. Této vlastnosti je dosaženo vysokou směrovostí svazku laserového záření.

В импульсных лазерах излучение длится малые доли секунды, поэтому даже

Для реализации лазерной технологии созданы различные лазернотехнологические системы (ЛТС).

Za účelem využití unikátních vlastností laserového záření byly sestrojeny různé druhy technologií laserového paprsku (LBM - Laser Beam Machining).

ЛТС ‒ это комплекс, включающий лазер, формирующий рабочий инструмент, равно пригодный для обработки различных материалов и осуществления разнородных процессов и устройств для программного перемещения луча или заготовки.

LBM – soustava, jejíž součástí je laser, tvarující pracovní nástroj, je stejně dobře použitelná jak pro obrábění různých druhů materiálů, tak pro vykonávání mnoha dalších činností, a zařízení určené k naprogramování posunu paprsku nebo obrobku.

Структурная схема ЛТС показана на рисунке 3.5. ЛТС состоит из следующих основных узлов: лазера 1, энергетического канала 3 (оптическая система
для транспортировки и формирования лазерного излучения), рабочего стола 8, узла управления рабочими органами системы 9, источника энергетического питания 10.

Strukturní schéma LBM je znázorněno na obrázku 3.5. LBM se skládá z následujících základních montážních celků: laseru 1, energetického kanálu 3 (optické soustavy umožňující přemisťování a tvarování laserového záření), pracovního stolu 8, řídicí jednotky laseru 9, zdroje elektrického napájení 10.

Местоположение сфокусированного пятна лазерного излучения на поверхности заготовки в данный момент времени может быть задано:

Polohy stopy zaostřeného paprsku laserového záření na povrchu obrobku v daném okamžiku může být dosaženo:

• перемещением пятна при помощи зеркал

• posunem stopy paprsku laserového záření pomocí zrcadel

• перемещением пятна за счет относительного перемещения пятна и обрабатываемой заготовки

• posunem stopy paprsku laserového záření a systémem nepohyblivého obrobku

• за счет перемещения заготовки относительно неподвижного пятна

1 ‒ излучатель (генератор) 2 ‒ отключающее зеркало 3 ‒ энергетический канал 4 ‒ средства наблюдения 5 ‒ оптическая фокусирующая система

6 ‒ технологический газ 7 ‒ обрабатываемая деталь 8 ‒ предметный стол

9 ‒ узел управления 10 ‒ источник энергетического питания

Obr. 3.5. Strukturní schéma laserové technologie určené pro obrábění materiálů:

1 ‒ zářič (generátor) 2 ‒ odrazné zrcadlo 3 ‒ energetický kanál

4 ‒ čidla zajišťující dohled 5 ‒ zaostřená optická soustava

6 ‒ asistenční plyn 7 ‒ obrobek 8 ‒ pracovní stůl

9 ‒ řídicí jednotka 10 ‒ zdroj elektrického napájení

Последние два метода наиболее широко используются в ЛТС, предназначенных

Poslední dva výše uvedené způsoby se nejčastěji využívají v LBM, která jsou určena pro řezání materiálů.

ЛТС для работы в производственных условиях должна обладать:

LBM musí při provozu ve výrobních podmínkách disponovat:

• необходимой мощностью

• patřičným výkonem

• стабильным излучением в процессе работы и достаточно высоким КПД

• stabilním zářením při provozu a vysokou η

• простой и компактной конструкцией при хорошем дизайне

• jednoduchou a kompatní konstrukcí s patřičným designem

• высокой надежностью и большим сроком службы узлов и деталей

• vysokou spolehlivostí a dlouhou životností montážních celků a dílců

• простым и удобным управлением

• jednoduchým a pohodlným ovládáním

• небольшими эксплуатационными затратами и ремонтопригодностью

• nízkými provozními náklady a náklady na údržbu

• максимальным удобством в обслуживании и безопасными условиями работы

• maximálně snadnou údržbou a bezpečnými pracovními podmínkami

Следует отметить, что в ряде отраслей машиностроения лазерная резка применяется при производстве не только заготовок, но и как конечная операция изготовления деталей. Поэтому очень важно знать влияние последствий лазерной резки на структуру и свойства материалов, как при непосредственном их проявлении, так и опосредствованно после дополнительных обработок.

Je třeba poznamenat, že v řadě strojních odvětví se řezání laserem využívá nejenom při výrobě polotovarů, ale také jako dokončovací operace při zhotovování dílců. Proto je velmi důležité znát následky, které zanechává řezání laserem na struktuře materiálu, a vlastnosti materiálů, přičemž jsou důležité nejenom přímé projevy těchto následků, ale také nepřímé plynoucí z následného konečného opracování.

2.5.1 Физические процессы при лазерной резке металлов и сплавов

2.5.1 Fyzikální jevy vznikající při řezání kovů a slitin laserem

Различают три режима проведения лазерной резки:

Rozlišujeme tři způsoby řezání laserem:

1. Испарением

1. Sublimační

2. Плавлением

2. Tavný
3. Сгоранием

3. Pálením

При первом режиме интенсивность излучения должна быть такой высокой, чтобы потери тепла теплопроводностью были минимальными. Резка испарением осуществляется твердотельными лазерами в пульсирующем режиме и применяется достаточно редко. При резке плавлением материал в области шва расплавляется и удаляется с помощью технологического газа (N, Ar и др.).

V prvním případě musí být intenzita záření tak vysoká, aby tepelné ztráty způsobené tepelnou vodivostí byly minimální. Sublimační řezání se provádí pevnolátkovými lasery v impulsním režimu a využívá se poměrně zřídka. Při tavném řezání se materiál v oblasti řezu roztaví a k jeho odstranění dochází pomocí asistenčních plynů (N, Ar a další).

Наиболее часто применяется лазерная резка сгоранием, которая используется
при обработке металлов, предрасположенных к горению ниже точки плавления
и образующих жидкотекучие окислы (углеродистые стали, сплавы титана и др.). При резке сгоранием в качестве технологического газа применяют воздух или кислород. Таким образом, при резке происходит сложный процесс, включающий не только плавление металла и его удаление, но и интенсивное окисление. Последнее обеспечивает усиление поглощения лазерного излучения, повышает локальность реза и способствует более равномерному удалению продуктов резки. При этом могут быть два режима резки: управляемый и неуправляемый-автогенный режим. Управляемый режим резания возможен тогда, когда фронт горения самопроизвольно не распространяется на всю зону воздействия кислорода на поверхности разрезаемой заготовки и локализуется в зоне реза. Поэтому в этом случае ширина реза определяется диаметром сфокусированного пятна лазерного излучения и, получаются ровные кромки реза. Автогенный рез происходит тогда, когда металл горит за счет тепла реакции по всей зоне воздействия кислорода на поверхности и в итоге получается рваный и бесформенный рез. Перевод из автогенного режима резки в управляемый достаточно легко осуществляется за счет увеличения скорости перемещения детали относительно луча или наоборот.

Nejrozšířenějším způsobem je řezání pálením, které se využívá při obrábění kovů náchylných k hoření při teplotě nižší než je tavný bod a u kovů, které tvoří kapalné oxidy (uhlíkové oceli, slitiny titanu a další). Při řezání pálením se jako asistenční plyn využívá vzduch nebo kyslík. Při řezání dochází k složitému procesu, který zahrnuje nejenom tavení kovu a jeho odstranění, ale také intenzivní okysličení, které zajišťuje zvýšenou absorpci laserového záření, zvyšuje přesnost řezu a způsobuje rovnoměrnější odstranění taveniny. Rozlišujeme dva režimy řezání pálením: řízený a neřízený-autogenní režim. Řízený režim řezání je možné realizovat za podmínky, že se čelo paprsku samovolně nerozšiřuje po povrchu řezaného obrobku, na který mezitím působí kyslík, ale je lokalizováno pouze v oblasti řezu. Z tohoto důvodu je při řízeném režimu šířka řezu určována průměrem stopy zaostřeného laserového záření a řez se vyznačuje hladkými řeznými hranami. O autogenní řez se jedná tehdy, když dochází k hoření kovu vlivem reakčního tepla v celé oblasti okysličovaného povrchu a výsledkem je trhaný a beztvarý řez. Přechodu z autogenního režimu na řízený režim řezání je možné dosáhnout poměrně snadným způsobem - zvýšením rychlosti posunu dílce vzhledem k paprsku nebo naopak.

При резке плавлением материал не горит. Расплав из зоны реза уносится газовой струей. Такой механизм газолазерной резки имеют медь, алюминий и их сплавы за счет образования тугоплавких окислов при взаимодействии с кислородом. Лазерная резка таких металлов и их сплавов возможна только лазерами большой мощности.

Při řezání tavením materiál nehoří. Tavenina je z oblasti řezu odnášena proudem plynu. Tento způsob řezání s podporou vzduchu se využívá u mědi, hliníku a jejich slitin kvůli vzniku žáruvzdorných oxidů při reakci s kyslíkem. Řezání laserem takových kovů a jejich slitin je možné pouze vysoce výkonnými lasery.

1. Упрочненная поверхность. Прилегающие к резу участки претерпевают скоростной нагрев до оплавления (со скоростями до 10тыс. град./сек.) и столь же быстрое охлаждение. В результате в этих участках имеет место образование структур закалки, а в ряде случаев даже аморфизация поверхности.

1. Povrchové zpevnění. Plochy přiléhající k řezu prochází rychlým zahřátím až do natavení (o rychlosti až 10 tisíc stupňů/sekundu) a stejně tak dochází k jejich rychlému ochlazení. Výsledkem je, že se na těchto místech vytvoří zakalení a v mnoha případech dojde dokonce k amorfizaci povrchu.

2. Изменение химического состава участков металла около реза. Высокие температуры (плавление) и окисляющая среда способствуют проникновению в поверхностные слои металла окислителей и азота воздуха.

2. Změna chemického složení kovu v oblasti řezu. Vysoké teploty (tavení) a okysličené prostředí způsobují, že do povrchových vrstev kovu proniká okysličovadlo a dusík, který je součástí vzduchu.

3. Характерный рельеф шероховатости поверхности реза.

3. Charakteristická drsnost povrchu řezu.

4. Неоднородность распределения локальных напряжений, возможность возникновения трещин в результате больших термических напряжений.

4. Nerovnoměrné rozmístění lokálního napětí, možnost vzniku trhlin v důsledku vysokého tepelného napětí.

Следует отметить, что перечисленные особенности поверхности реза в разной степени влияют на различные свойства материала. В самом деле, трудно ожидать сколько-нибудь значительного изменения статических механических свойств у образцов, вырезанных лазером, так как глубина зоны термического влияния лазерного излучения весьма мала в сравнении с шириной образца, а шероховатость незначительно сказывается на статических механических свойствах.