Определение зависимости выходной энергии установки Е от напряжения накачки Uн

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ПРИБОРОСТРОЕНИЯ И ИНФОРМАТИКИ

КафедраТИ-3 ”Информационное обеспечение технологии соединения материалов”

(шифр и наименование кафедры)

Экз.№__

УТВЕРЖДАЮ

Заведующий кафедрой

_________ (Ямпольский В.М.)

«___»_________2012г.

Только для студентов по

специальностям подготовки

150202.65

(шифры специальностей)

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

НА ЛАБОРАТОРНУЮ РАБОТУ №1

по4337 «Лучевые технологии»

(шифр и наименование учебной дисциплины)

ТЕМА: «Лазерные технологии»

(наименование темы занятия)

Обсуждены на заседании кафедры

(предметно-методической секции)

«__»___________2012г.

Протокол №

МГУПИ – 2012г.

1. Тема лабораторной работы № 1: Оборудование и технология импульсной лазерной сварки (ИЛС)"

(наименование)

Время: 8 часа (360 мин.).

3. Место проведения:лабораториякафедры ТИ 3

(учебная аудитория, лаборатория)

СОДЕРЖАНИЕ

4.1. Перечень отрабатываемых учебных вопросов и действий :

- 1-й учебный вопрос Краткие пояснения к работе ___

(наименование учебного вопроса, действия

1.Цель работы: Изучение принципа работы и особенности устройства специализированной лазерной сварочной установки Квант 15, технологических основ импульсной лазерной сварки (ИЛС), экспериментальное определение основных технологиче­ских параметров режимов ИЛС, проведение экспериментов по сварке и оценка качества сварных соединений.

Задачи работы:

1.Изучить устройство, конструктивные особенности и технические характеристики установки "КВАНТ 15".

2.Экспериментально определить выходную энергию установки Е, составить графическую зависимость выходной энергии от напряжения накачки Uн и рассчитать удельную мощность q в пятне нагрева.

3.Экспериментально определить влияние основных параметров режима импуль­сной лазерной сварки (выходной энергии и дефокусировки) на геометрические разме­ры точечных сварных соединений.

2-й учебный вопрос: Методика проведения работы

К достоинствам лазерного излучения относятся: способность проникать через прозрачные среды, например, стекло, бесконтактность нагрева, широкие возможности регулирования световой энергии, минимальное тепловое воздействие на соединяемые детали и т.д.

1.Устройство и конструктивные особенности установки "КВАНТ 15".

Специализированная сварочная установка "Квант 15" пред­назначена для шовной, точечной импульсной лазерной сварки, термообработки, и резки различных материалов излучением ОКГ. Установка состоит из рабочего стола и модулятора. На рабочем столе размещается лазерная головка, а в столе блок охлаждения. Модулятор выполнен в виде отдельной стойки.

1.1. Принцип работы установки

Лазерная сварка основана на явлении нагрева сва­риваемых деталей под воздействием светового излучения, вырабатываемого оптическим квантовым генератором (ОКГ). Оптический кванто­вый генератор вырабатывает мощный световой импульс, который поступает в оптический блок. Оптическая система установки (рис.1.1.), состоящая из окуляра 7 для наблюдения за местом сварки и объектива 6 для фокусировки излучения, фокусирует излучение, в пят­но нагрева на поверхности деталей 3.

Плотность мощности из­лучения в пят­не нагрева q , достаточно высока, для того чтобы вызвать плавление и испарение любых материалов.

1 — зеркала резонатора; 2 — активный элемент;

3 - свариваемые детали; 4 — зеркальный осветитель;

5 —импульсная лампа накачки; 6 —объектив для фокусировки излучения на свариваемые летали ; 7 -окуляр для наблюдения

за местом сварки.

Рисунок 1. Оптическая схема лазерной сварочной установки

1.2. Конструктивные особенности оптической головки установки

«КВАНТ 15»

Лазерная головка вырабатывает мощный световой импульс в виде параллельного пучка лучей, который поступает в оптическую систему, фокусирующую излучение на поверхности свариваемых деталей в пятно

требуемого размера.

Конструкция лазерной головки установки «КВАНТ 15» представлена на рис.2.

Лазерная головка имеет основание 8, на котором установлены осветители 2 , стойки 1 с зеркалами резонатора, оптическая система 4 с окуляром и с устройством для наблюдения за процессом сварки. Стойки снабжены винтами для юсти­ровки и прижимными устройствами для крепления зеркал. Осветитель 2 представляет собой, герметичный корпус, закрытый крышками, в котором закреплены активный элемент, импульсная лампа и отража­тель. Охлаждение осветителя осуществляется дистиллированной водой, поступающей от устройства охлаждения в трубки 3.

Фокусирующий объектив 6 крепится в нижней плоскости оптичес­кой головки 4. Узел визуального наблюдения 5 расположен в верхней части корпуса лазерной головки. В визуальном канале предусмотрено устройство, предохраняющее оператора от светового излучения с поверх­ности обрабатываемой детали.

В нижней части корпуса лазерной головки расположены направляю­щие 7 для крепления механизма перемещения свариваемых деталей.

Рисунок 2. Конструкция лазерной головки установки «Квант 15»

На рис. 3. представлена схема оптической системы лазерной голов­ки. Резонатор лазера образован двумя сферическими зеркалами 1. Между зеркалами резонатору расположены два соосно установленных осветителя, состоящих из активного элемента 2, импульсной лампы накачки 3 и осветительной камеры 4 в виде стеклянного цилиндричес­кого блока. Излучение проходит через линзы (14, 13, 5, 12) телескопи­ческой системы, позволяющие изменить расходимость луча. Зеркалом 7 излучение направляется на объектив 8, который фокусирует его на по­верхность обрабатываемых деталей 10. Защитное стекло 9 предохраня­ет объектив от загрязнения продуктами взаимодействия излучений с ма­териалом свариваемых деталей. Наводка излучения И визуальный конт­роль места сварки осуществляется встроенной оптической системой 6. Для освещения свариваемых деталей служит осветитель 11.

Рисунок 3 - Оптическая схема лазерной головки установки «Квант 15»

1.3. Основные технические данные и характеристики уста­новки

"Квант 15":

- питание установки осуществляется от трехфазной четырех

проводной с нулевым проводом сети переменного тока

напря­жением частоты 50Гц 220/380 В;

- максимально потребляемая энергетическая мощность более 12кВт;

-время непрерывной работы установки при энергии излучения не

превышающей 8Дж не более 4ч;

- максимальный уровень звукового давления не более 75Дб;

- частота повторения импульсов излучения 0,1-10Гц;

- длительность импульсов излучения установки при

длительности, установлен­ной на модуляторе

МТ-42М 1,5;2;2,5; 4мс,соответственно 2; 3; 4; 5мс;

- суточная наработка на установке не должна превышать

(при времени непре­рывной работы 4ч и 1ч перерыва) 16ч;

- длина волны генерируемого света 1,06мкм;

- диаметр и длина активного элемента 6,3*100мм;

- источник оптической накачки 4НПЗ7180;

- диаметр фокального пятна 0,3-1,3мм;

- увеличение системы наблюдения, крат. при F=100 20;

- система охлаждения ОКГ принудительная дистиллированной водой;

- напряжение на накопителе 550 - 800 В;

- энергия импульса излучения при частоте 10Гц, ну менее 8Дж;

- скорость сварки сталей до 600мм/мин;

- габариты установки:

станок 100 960 1200мм;

модулятор 720 620 1900мм;

масса установки не более 815кг.

1.4.Описание работы установки

Сварка на установке "Квант 15" основана на явлении нагрева свариваемых деталей под воздействием свето­вого излучения большой интенсивности, вырабатываемого оптичес­ким квантовым генератором (ОКГ) в виде параллельного пучка света. Внешний вид установки представлен на рис.1.4. Оптическая система фокусирует излучение, вырабатываемое ОКГ, в пятно требуемого размера на поверхности деталей. Плотность мощности излучения, падающего на поверхность, дос­таточно высока, чтобы вызвать плавление материала деталей и их сварку.

1. Рабочий стол;

2. Лазерная головка (ОКГ);

3. Пульт управления;

4. Помпа;

5. Приспособление для перемещения;

6. Окуляр;

7. Объектив;

8. Оптический блок;

9. Механизм для перемещения;

10. Приспособление для сварки;

11. Блок питания (модулятор).

Рисунок 4. Лазерная установка "Квант 15"

Блок-схема установки представлена на рис.1.5. ОКГ вырабатывает мощный световой импульс в виде параллельного пучка лучей, который поступает в оптический блок, фокусирующий излучение на поверх­ности, обрабатываемой детали.

Рисунок 5 - Блок схема установки "КВАНТ 15"

Выпрямитель, источник тока и емкостной накопитель энергии служат для электропитания импульсной лампы оптической накачки ОКГ.

Для получения необходимой длительности импульса в разряд­ной цепи емкостного накопителя установлена катушка индуктив­ности. Блок поджига служит для подачи высоковольтного импульса, ионизирующего разряда емкостного накопителя через лампу накачки.

Блок охлаждения поддерживает нормальный тепловой режим ра­боты ОКГ.

Для измерения импульса ОКГ служит измеритель энергии. Свариваемые детали устанавливаются в специальное приспособление, позволяющее производить сварку.

Блок СУМ-4 служит для управления источником питания ОКГ.

Область применения установки "Квант-15"определенна: выход­ной энергией ОКГ и ее стабильностью; диаметр светового пучка в фокусе объектива и его дефокусировки и т.д.

Технологические процессы, выполняемые на лазерной установ­ке

"Квант-15" основаны на использовании теплового действия света на металл. При взаимодействии с металлами лазерное излу­чение частично отражается от поверхности, а частично поглощается им. Излучение в основном поглощается электронами проводи­мости, которые рассеивают поглощенную энергию на тепловых ко­лебаниях кристаллической решетки. Этот процесс протекает в слое толщиной 10^-6-10^{-5 мм. Поглощенная металлом энергия пере­ходит в тепло и начинается процесс повышения температуры.}

Процесс нагрева свариваемого металла излучением ОКГ глав­ным образом зависит от выходной энергии ОКГ - Е, величина кото­рой определяется энергией накопленной в емкостном накопители установки.

В лазерной установке "Квант-15" выходная энергия ОКГ зада­ется напряжением накачки Uн, устанавливаемой на СУМ.

Лазерная установка "Квант-15" оснащается двумя объектива­ми: короткофокусным с F=50мм; длиннофокусным с F=100мм.

Изменение диаметра пятна нагрева может также производиться за счет телескопической системы, что позволяет производить де­фокусировку не изменяя положения свариваемых деталей в прост­ранстве. В этом случае дефокусирование излучения ОКГ осущест­вляется изменением положения линз телескопической системы.

В общем случае основными технологическими параметрами режима ИЛС являются:

- выходная энергия Е, Дж , которая задаётся напряжением накачки батареи конденсаторов, Uн, В;

- дефокусировка излучения, ΔF, мм;

- диаметр сварной точки (пятно нагрева) dт, мм;

- перекрытие сварных точек, Р, %;

- фокусное расстояние объектива, F, мм;

- длительность импульса излучения, τ, с.

Параметры режима ИЛС: Е, ΔF, Р, выбирают по ре­зультатам исследований, а F и τ зависят от конструктивных особенностей лазерной установки.

3-й учебный вопрос: Практическое выполнение работы.

1.По описанию ознакомиться с устройством и техничес­кими данными установки для сварки лазерным лучом "Квант-15".

2.Изучить принцип работы установки и нарисовать оптическую схему
лазерной головки.

3. Экспериментально определить выходную энергию установки Е при различных напряжениях накачки U_н и составить графическую зависимость выходной энергии Е от напряжения накачки Uн, а также рассчитать удельную мощность q в пятне нагрева.

3-й учебный вопрос: Практическое выполнение работы.

Определение зависимости выходной энергии установки Е от напряжения накачки Uн.

Оборудование и приборы:

1.Установка . "КВАНТ 15"

2.Прибор для измерения выходной энергии ИКТ-1Н.