По лабораторной работе № 5 (Лазер-1)

 

студентов (Ф.И.О., № группы) ________________________________________

__________________________________________________________________

__________________________________________________________________

 

1. Физика процесса лазерной обработки ______________________________

__________________________________________________________________

__________________________________________________________________

__________________________________________________________________

 

2. Схема уровней и переходов ИАГ _________________________________

__________________________________________________________________

__________________________________________________________________

__________________________________________________________________

 

 

3. Основные узлы лазерной установки _______________________________

__________________________________________________________________

__________________________________________________________________

__________________________________________________________________

 

4. Режим обработки и характеристика следа луча ______________________

__________________________________________________________________

 

Таблица 6.1

J, А	Характеристика следа

 

УСТАНОВКА ДЛЯ РЕЗКИ ЛИСТОВЫХ МАТЕРИАЛОВ ЛАЗЕРНЫМ ЛУЧЁМ

(краткое описание)

Назначение установки

Лазерная установка с твердотельным лазером непрерывного дей­ствия модели ЛТН-102А предназначена для резки металлических лис­тов толщиной до 0,4 - 0,5 мм.

Технические характеристики

1. Лазер ЛТН-102А - твердотельный непрерывного излучения.

2. Активный элемент -иттрий-алюминиевый гранат (ИАГ), активированный ионами неодима Nd³⁺.

3. Лампа накачки -дуговая, непрерывного горения c крип тоновым наполнением.

4. Длина волны лазерного излучения, мкм………………………………………………………1,06.

 

5. Максимальная мощность лазерного излучения, Вт ………………………………………….1,25.
6. Энергетическая расходимость лазерного излучения по уровню 0,5 мощности, мрад……….9.
7. Диаметр пучка лазерного излучения по уровню 0,5 мощности у выходного окна излучателя не более, мм……………………………………………………………………………………………...4.

8. Максимальная сила тока накачки, А……………………………………………………………34.

9. Питание лазера осуществляется от трехфазной сети

переменного тока напряжением, В……………………………………………………….380/220;

частотой, Гц………………………………………………………………………………………50.

10. Максимальная электрическая мощность, потребляемая лазером не более, кВт……………10.

11. Система охлаждения двухконтурная:

а) расход дистиллированной воды во внутреннем кон­туре не менее, л/мин…………….....20;

б) во внешний контур подается водопроводная вода при давлении не более, МПа……… 0,6;

в) расход циркуляционной (водопроводной) воды не менее, л/мин………………………...10;

г) температура циркуляционной воды не ниже, °С…………………………………………..10.

12. Устойчивая работа лазера осуществляется:

а) при температуре окружающей среды, °С ………………………………………..от 10 до 35;

б) при смене рабочих температур, °С……………………………………………….от 10 до 35;
в) при относительной влажности для 25°С, %.......................................................................до 80;

г) при атмосферном давлении, кПа (630 - 830 мм рт.ст)…………………………………..84-106.

13. Время готовности лазера не более, мин………………………………………………………..15.

14. Время непрерывной работы не более, ч…………………………………………………………8.

15. Перерыв после 8 ч работы не менее, мин………………………………………………………45.

16. Суточная наработка не более, ч…………………………………………………………………16.

Принцип работы лазера

В основе работы лазера лежит принцип индуцированного (вынуж­денного) излучения, возникающего в активной среде.

Излучатель лазера состоит из трех основных частей:

1) активного элемента - источника индуцированного излучения;

2) системы накачки - источника возбуждения активного вещест­ва;

3) резонатора.

Активный элемент - иттрий-алюминиевый гранат, активированный ионами неодима Nd³⁺ имеет четырехуровневую энергетическую рабо­чую схему, упрощенно изображенную на рис.6.7. При сообщении актив­ному веществу энергии ионы неодима переходят с основного уровня 1 на вспомогательные возбужденные уровни, лежащие в области 4. За­тем с уровней 4 происходят безизлучательные переходы на уровень 3. Избыток энергии передается кристаллической решетке ИАГ и превраща­ется в тепло.

 

Индуцированный переход осуществляется с уровня 3 на уровень 2. Далее ионы возвращаются в основное состояние 1, переход 2→1 также безизлучательный, энергия превращается в тепло. Рабочее вещест­во подобрано так, что вероятность перехода частиц между уровнями 3→2 на несколько порядков меньше вероят­ностей перехода между уровнями 4→3 и 2→1, Это означает, что время жизни возбужденных частиц на уровне 3 (~10^-3 c) на несколько порядков выше, чем на уровнях 4 и 2 (~10^-8 с).

Благодаря этому между уровнем 3, назы­ваемым "метастабильным", и уровнем 2 созда­ется инверсное распределение ионов (инверс­ная населенность уровней).

Для возбуждения ионов неодима до энер­гий, соответствующих уровням 4, в лазере ЛТН-102A используется энергия дуговой лампы непрерывного горения с криптоновым наполне­нием (оптическая накачка).

Для обеспечения устойчивой генерации электромагнитного излучения активный элемент устанавливается в резонатор, который осу­ществляет положительную обратную связь, направляя

часть генерируемой энергии обратно в активный элемент. В лазере ЛТН-102А резонатор состоит из двух зеркал, расположенных па­раллельно друг другу и торцам активного элемента.

Иттрий-алюминиевый гранат, активированный неодимом, генериру­ет волны, соответствующие инфракрасной области спектра электромагнитных волн. Наиболее интенсивная генерация происходит на длине волны 1,06 мкм.

Устройство лазерной установки

Лазерная установка (рис.6.8) состоит из следующих основных частей:

- излучателя 3;

- источника питания и охлаждения 1;

- узла фокусировки лазерного луча и подачи воздуха 10;

- стола крепления и подачи обрабатываемой заготовки 11;

- блока управления заслонкой и подачей детали 2;

- подставки для крепления излучателя, узла фокусировки луча и стола крепления и подачи обрабатываемой детали 12.

Основной составной частью лазера является излучатель 3. Внут­ри излучателя находятся активный элемент 5, лампа накачки 6, от­ражатель 7, зеркала резонатора 4 и 9, заслонка с электромехани­ческим приводом 8.

активный элемент выполнен в виде круглого стержня диаметром 6,3 мм и длиной 100 мм и изготовлен из монокристалла иттрий-алюминиевого граната, активированного трехвалентными ионами неодима.

Отражатель изготовлен из специального кварцевого стекла в фор­ме эллиптического цилиндра с полированной боковой поверхностью, покрытой слоем серебра. На рис.6.9 показаны поперечное сечение отражателя и схема фокуси­ровки излучения лампы накачки 1 на активный элемент 2 стенками отражателя 3. Активный эле­мент к лампа накачки расположены по фокальным осям эллиптического отражателя. Благодаря это­му, максимум плотности энергии, излученной лам­пой, приходится на центральную часть активно­го элемента. Кварцевое стекло отражателя поглощает вредные для активного элемента ультра-фиолетовые волны, излучаемые лампой.

Резонатор излучателя образован двумя зеркалами в виде шайб диаметром 40 мм толщиной 4 мм, изготовленных из специального стек­ла с многослойными диэлектрическими отражающими покрытиями. Глу­хое зеркало 4 (см.рис.6.8) крепится к задней части корпуса излуча­теля и имеет коэффициент пропускания излучения менее 0,2%. Выход­ное зеркало 9 крепится к передней части излучателя. Коэффициент пропускания этого зеркала составляет 10 ± 2%.

С помощью заслонки 8 перекрывается выход лазерного луча из излучателя без выключения лампы накачки при проведении подготовит­тельных и наладочных работ.

Источник питания и охлаждения 1 (рис.6.8) состоит из блока питания, блока охлаждения и блока зажигания.

Система охлаждения лазера - жидкостная двухконтурная с тепло-обменным устройством типа вода - вода. Охлаждающая жидкость (дистил­лированная вода) циркулирует по внутреннему

замкнутому контуру при помощи насоса 14. Насос подает жидкость из бака 13 по шлангам к излучателю, где она проходит вдоль лампы накачки, активного эле­мента и отражателя. Так как большая часть подводимой к лампе элек­трической энергии (до 5 кВт) выделяется в виде тепла, то дистилли­рованная вода Сильно нагревается. Из излучателя она возвращается в бак, в котором находится змеевик теплообменника.

 

 

 

Теплообменник с помощью шлангов подключается к внешней водопроводной магистрали. Вода из водопровода поступает в теплообменник, поглощает выделив­шееся при работе лазера тепло и направляется в слив. Включение лам­пы накачки при не включенной

или неисправной системе охлаждения приводит к выводу из строя активного элемента, лампы накачки и отра­жателя.

Узел фокусировки и подачи воздуха 10 состоит из линзы, фоку­сирующей лазерный луч на поверхность обрабатываемой детали, и уст­ройства для подачи воздуха в зону резки.

Стол крепления и подачи детали 11 служит для крепления и ав­томатического перемещения детали в вертикальном и горизонтальном направлениях в плоскости, перпендикулярной лазерному лучу. Переме­щение производится с помощью двух электродвигателей постоянного то­ка со востренным редуктором и реечными передачами.

На пульт управления ИПО-1 выведены измерительные приборы, ор­ганы управления и индикации лазера (рис.6.10);

Рис.6.10. Пульт управления лазером ЛТН-102А

1. Переключатель "Питание".

2. Переключатель "Сеть"- для включения и выключения источника ИПО-1 и подачи напряжения на электромотор насоса устройства охлаждения.

3.Три лампы индикации "Сеть". Лампы горят, если на ИПО-1 по­дано напряжение..

4.Лампа индикации "Авария". Дампа "Авария" горит, пока во внешнем контуре охлаждения расход воды менее 10 л/мин, а во внут­реннем - менее 20 л/мин. Лампа "Авария" гаснет, когда в системах охлаждения устанавливается необходимый расход воды.

5. Переключатель "Силовая" для включения и выключения блока зажигания и подачи рабочего напряжения на лампу накачки.

6.Амперметр А для измерения силы тока лампы накачки.

7. Потенциометр "Выходной ток" - для регулировки тока накач­ки.

8. Переключатель "Зажигание" - для проверки нормальной работы блока зажигания и лампы накачки. При нажатии клавши этого пе­реключателя стрелка амперметра должна отклониться до 25 - 30 А, а затем опуститься до 0.

9. Переключатель "Режим" - для перевода лазера в дежурный режим. При нажатии клавиши этого переключателя ток лампы накачки ус­танавливается около 10 А, лампа горит, а излучение лазера отсутст­вует.

10. Счетчик "Время наработки" (в часах).

11. Разъём "Выход" для подключения осциллографа.

12. Лампа индикации "Сеть им". Дампа горит при подаче напряже­ния на индикатор мощности.

 

13. Микроамперметр μА для измерения относительной мощности излучения лазера.

14. Переключатель и потенциометр "Уст.0" установка нуля мик­роамперметра производится с помощью потенциометра "Уст.0" при на­ жатой клавише переключателя "Уст.0".

15. Переключатель "Мощность % клавишами "x1", "x3" и "х10" -для переключения пределов измерения микроамперметра.

16. Потенциометр "Калибровка" для градуировки микроамперметра по измерителю средней мощности и энергии импульсов ИМО-2.

Управление электродвигателями подачи образца осуществляется с пульта (рис.6.11) блока управления подачей детали:

- тумблер 8 служит для включения (и выключения) блока управ­ления в электрическую сеть;

- тумблеры 1, 2, 3 служат для (установки скорости подачи де­тали в горизонтальном

направлении (табл.6.2);

- тумблера 4, 5,6 слу­жат для изменения скорос­ти детали по вертикали (см.табл.6.2);

- тумблеры 9 и 10 слу­жат для включения подачи заготовки и изменения на­ правления ее движения. При включении тумблера 9 заготовка движется вправо или влево. При вклю­чении тумблера 10 - вверх или вниз;

- с помощью тумблера 7 открывают и закрывают заслонку лазер­ного луча 8 (см.рис.6.8). При открытой заслонке на панели блока управления подачей детали загорается предупреждающая надпись "Из­ лучение".

Таблица 6.2

Горизонтальное движение	Вертикальное движение
Положение тумблеров вверх	Скорость, мм/с	Положение тумблеров вверх	Скорость, мм/с
	4,0		3,3
	4,5		3,4
	4,2		3,5
1,2	5,7	4,5	4,1
1,3	5,4	4,6	4,3
2,3	5,5	5,6	4,6
1,2,3	6,0	4,5,6	4,8

 

Порядок Работы на установке

1. Лазерный луч должен быть заранее сфокусирован на поверх­ность обрабатываемой заготовки.

2. Закрепить обрабатываемую заготовку на столе.

3. Тумблером 8 (см.рис.6.11) подать напряжение на блок управ­ления подачей заготовки.

4. На пульте блока управления додачей установить требуемую скорость подач детали.

5. Открыть кран водопроводной магистрали и убедиться в про­хождении водопроводной воды в систему слива.

6. Вставить ключ в замок переключателя "Питание"(см.рис.6.10)
и повернуть его по часовой стрелке до упора.

7. Нажать клавишу "Вкл." переключателя "Сеть", при этом долж­ны загореться три лампы индикации "Сеть", лампа "Сеть им." и лам­па "Авария", которая при установлений необходимого расхода жидкос­тей в контурах системы охлаждения гаснет. В случае, если лампа"Ава­рия" не гаснет, нажать клавишу "Выкл." переключателя "Сеть", по­ вернуть ключ замка переключателя "Питание" против часовой стрелки до упора. Проверить систему охлаждения лазера, при наличии неис­правностей устранить их.

8. Нажать клавишу переключателя "Зажигание" и убедиться, что в лампе накачки происходит пробой. В момент нажатия кнопки стрел­ка амперметра резко отклоняется до значения 25 - 30 А и затем сно­ва устанавливается на нуле.

9. Нажать клавишу "Вкл." переключателя "Силовая". При этом подается напряжение на лампу накачки и величина выходного тока устанавливается около 10 А.

10. Во избежание запотевания торцов активного элемента про­греть установку в течение 10 минут при токе накачки 10-14 А, не допуская появления генераций.

11. Потенциометром "Выходной ток" установить силу тока на лам­пе накачки 15 А.

12. Проверить с помощью визуализатора наличие на выходе излу­чателя лазерного луча. Визуализатор - это специальное устройство, излучающее видимый свет (зеленый) при попадании на него инфракрас­ного луча. Конструктивно визуализатор выполнен в виде керамичес­кой пластины белого цвета, закрепленной в пластмассовой оправе о ручкой, Для проверки наличия луча с помощью тумблера 7 на пульте блока управления додачей детали (см.рис.6.11) на короткое время отодвинуть заслонку и открыть лазерный луч. Визуализатор в зоне из­ лучения должен оставаться недолго для предотвращения прогорания его керамической пластины.

13. Установить силу тока лампы накачки не ниже 17 - 18 А. 14. Одновременно тумблером 7 открыть заслонку и тумблером 9 или 10 включить подачу. Заготовка режется лазерным лучом.

15. После окончания работы тумблером 7 закрыть заслонку и тумб­лером 9 или 10 отключить подачу образца.

16. Для отключения лампы накачки нажать клавишу "Выкл." переключателя "Силовая".

17. Для отключения лазера нажать клавишу "Выкл." переключате­ля "Сеть". При этом гаснут

18. три лампы индикации "Сеть", лампа "Сеть им." и загорается индикаторная лампа "Авария".

18. Повернуть ключ замка переключателя "Питание" против часо­вой стрелки до упора. При этом гаснет лампа "Авария". Ключ вынуть из замка.

19. Снять заготовку.