Разработка технологии лазерной сварки стали 08Ю, применяемой в автомобилестроении
|
Введение 6
Раздел 1. Патентный обзор 10
1.1 Способ лазерно-световой сварки стали(патент №2341361).... 10
1.2 Устройство стыкового соединения лазерной сваркой полос листового проката(патент №2436662) 12
1.3 Система для лазерной сварки и способ сварки с помощью лазерного луча (патент №2532686) 15
1.4 Способ лазерной сварки (патент №2547987) 17
Раздел 2. Информационный обзор 20
2.1 Классификация лазеров 20
2.2 Излучение твердотельных лазеров 41
2.3 Полупроводниковые лазеры 42
2.4 Электронные свойства твердых тел 42
2.5 Типы полупроводников 44
2.6 Процессы p-n - перехода 45
2.7 Конструкции полупроводниковых лазеров 47
2.8 Лазеры на красителях (жидкостные) 49
Раздел 3. Применение методов лазерной сварки 54
3.1 Применение методов лазерной сварки в современном
промышленном производстве 54
3.2 Достоинства лазерной сварки и ее сравнение с другими
методами 57
3.3 Современные технологии лазерной сварки металлов и
сплавов 58
Раздел 4. Безопасность жизнедеятельности 71
4.1 Требования к вентиляции 71
4.2 Требования к освещению 71
4.3 Защита от негативных факторов производственной среды.
Лазерное излучение 73
4.4 Пожарная опасность 83
4.5 Порядок выполнения спасательных работ при возникновении.85
Заключение 90
Список использованной литературы
Раздел 1. Патентный обзор 10
1.1 Способ лазерно-световой сварки стали(патент №2341361).... 10
1.2 Устройство стыкового соединения лазерной сваркой полос листового проката(патент №2436662) 12
1.3 Система для лазерной сварки и способ сварки с помощью лазерного луча (патент №2532686) 15
1.4 Способ лазерной сварки (патент №2547987) 17
Раздел 2. Информационный обзор 20
2.1 Классификация лазеров 20
2.2 Излучение твердотельных лазеров 41
2.3 Полупроводниковые лазеры 42
2.4 Электронные свойства твердых тел 42
2.5 Типы полупроводников 44
2.6 Процессы p-n - перехода 45
2.7 Конструкции полупроводниковых лазеров 47
2.8 Лазеры на красителях (жидкостные) 49
Раздел 3. Применение методов лазерной сварки 54
3.1 Применение методов лазерной сварки в современном
промышленном производстве 54
3.2 Достоинства лазерной сварки и ее сравнение с другими
методами 57
3.3 Современные технологии лазерной сварки металлов и
сплавов 58
Раздел 4. Безопасность жизнедеятельности 71
4.1 Требования к вентиляции 71
4.2 Требования к освещению 71
4.3 Защита от негативных факторов производственной среды.
Лазерное излучение 73
4.4 Пожарная опасность 83
4.5 Порядок выполнения спасательных работ при возникновении.85
Заключение 90
Список использованной литературы
По широте применения лазерная техника сопоставима только с компьютерной. Области эффективного использования лазерных технологий весьма разнообразны - обработка материалов, связь, информатика, медицина, военная техника и многие другие. Лазерная обработка материалов включает в себя резку и раскрой листа, сварку, закалку, наплавку, гравировку, маркировку и другие технологические операции.
Использование лазерной технологии обработки материалов обеспечивает высокую производительность и точность, экономит энергию и материалы, позволяет реализовать принципиально новые технологические решения и использовать труднообрабатываемые материалы, повышает экологическую безопасность предприятия.
По данным Лазерной ассоциации, отечественные предприятия выпускают практически все известные виды лазерной техники и в широком ассортименте, однако, по большому счету, мировому техническому уровню соответствуют не более 5-10% от всех имеющихся моделей, при этом многие из них остаются, по существу, опытными образцами.
В промышленности помимо механической используется резка, основанная на электрохимическом, электрофизическом и физико-химическом воздействиях. Это - ацетилен-кислородная резка и плазменная резка, обеспечивающие более высокую производительность по сравнению с механическими методами. Однако они не обеспечивают необходимой точности и чистоты поверхности реза и в большинстве случаев требуют последующей механической обработки. Электроэрозионная резка позволяет получить рез малой ширины с высоким качеством, однако характеризуется низкой производительностью.
Сфокусированное лазерное излучение позволяет резать практически любые металлы и сплавы, независимо от их теплофизических свойств. Прилазерной резке отсутствует механическое воздействие на обрабатываемый материал и возникают незначительные деформации. Вследствие этого можно осуществлять лазерную резку с высокой точностью, в том числе и легкодеформируемых и нежестких деталей. Благодаря большой мощности лазерного излучения обеспечивается высокая производительность процесса реза. При этом достигается такое высокое качество реза, что в полученных отверстиях можно нарезать резьбу.
Понятно, что основой любой лазерной установки является сам лазер. В настоящее время для промышленной резки используется несколько типов лазеров. Твердотельные лазеры на основе алюмоиттриевого граната. Накачка активного элемента производится высоковольтными разрядными лампами, непрерывными или импульсными. Длина волны излучения твердотельного лазера - 1 мкм. Режим генерации, соответственно, может быть непрерывным или импульсным, и еще есть режим так называемого гигантского импульса Q-switch.
Лазер c диодной накачкой . Это новый современный вариант лазеров, в которых вместо высоковольтной газоразрядной лампы накачка производится мощными светоизлучающими диодами. Пока они более дороги, но зато в системе нет высоких напряжений, ресурс диодных линеек существенно выше ресурса газоразрядной лампы, и лазеры лучше управляются от электронных систем.
CQ2-лазеры - газовые лазеры на основе смеси газов CQ2-He-N2. Возбуждение смеси выполняется разными видами электрического разряда в газах. Длина волны излучения CQ2-лазера - 10 мкм. В настоящее время самыми компактными и эффективными являются так называемые щелевые (slab) лазеры с накачкой высокочастотным разрядом. Импульсные лазеры режут с высоким качеством не только сталь и титан, но и алюминиевые сплавы. Возможна резка и сплавов на медной основе, но здесь эффективность очень сильно зависит от химического состава.
СО2-лазеры пригодны как для резки металлов, так и неметаллов, причем почти любых, не рекомендуется использовать лазерную резку только для ряда материалов со сложной структурой - ДСП, бакелитовые фанеры, граниты. Однако для резки металлов нужен достаточно большой уровень мощности (от 500 Вт), а для резки цветных металлов - 1000 и более Ватт.
Здесь особенно эффективны щелевые CО2-лазеры, которые обеспечивают так называемый суперимпульсный режим излучения в отличие от других CО2-систем. Это значит, что световой поток не непрерывен, а состоит из импульсов с частотой 10-20 кГц, так что при средней мощности, например, 500 Вт мощность в импульсе составляет 1000¬1500 Вт. При резке металлов это очень важно, так как уменьшается ширина реза, улучшается качество и снижается порог начала резки.
Твердотельные лазеры неметаллические материалы режут значительно хуже газовых, однако имеют преимущество при резке металлов - по той причине, что волна длиной 1 мкм отражается хуже, чем волна длиной 10 мкм. Медь и алюминий для волны длиной 10 мкм - почти идеально отражающая среда. Но, с другой стороны, сделать CО2-лазер проще и дешевле, чем твердотельный.
В настоящее время аналогичные по своим основным параметрам, набору опций и качеству машины стоят примерно одинаково. А поскольку новейшие системы лазерной резки, представляемые на российский рынок такими известными мировыми производителями, как Bystronic (Швейцария), Trumpf (Германия), Mazak (Япония), Prima Industrie (Италия), очень сходны, имеет смысл остановиться на общих свойствах и характеристиках, присущих всем этим системам. Иначе говоря, сформулировать общие тенденции в развитии технологии лазерной резки и основные признаки современного лазерного комплекса для резки материалов.
За 20 лет применения технология лазерной резки подверглась значительным усовершенствованиям в части увеличения толщины разрезаемого материала и скорости его разрезания. Современные крупные установки для лазерной резки оснащаются теперь CO2-лазерами мощностью до 6 кВт. Хотя у типовых установок мощность лазеров не превышает 4 кВт, тем не менее они позволяют стабильно резать стальные листы толщиной до 19 мм, а в отдельных случаях - до 25 мм. Для лазерной резки пластин толщиной до 12 мм из коррозионно-стойкой стали применяют закачиваемый под высоким давлением азот.
Описание и сравнение конструктивных и технологических достоинств лазерных комплексов можно было бы продолжить в разных аспектах - это и возможность использования линейных двигателей в приводах, программирование и управление, степень автоматизации основных и вспомогательных операций, и наконец, вопросы экологии. Но вряд ли это имеет смысл. Дело в том, что сделать могут так, как вы захотите. Предусмотрено практически все. Главное же, на мой взгляд, заключается в том, что современные мощные системы для лазерного резания являются значительным вложением средств и быстрый возврат капиталовложений может быть обеспечен только при условии предварительного тщательного анализа тех задач, которые предстоит решать. Сколько у нас в стране покупалось, да и до сих пор покупается оборудования, которое потом месяцами, а то и годами (а иногда и вообще никогда) не используется или используется не по назначению.
Использование лазерной технологии обработки материалов обеспечивает высокую производительность и точность, экономит энергию и материалы, позволяет реализовать принципиально новые технологические решения и использовать труднообрабатываемые материалы, повышает экологическую безопасность предприятия.
По данным Лазерной ассоциации, отечественные предприятия выпускают практически все известные виды лазерной техники и в широком ассортименте, однако, по большому счету, мировому техническому уровню соответствуют не более 5-10% от всех имеющихся моделей, при этом многие из них остаются, по существу, опытными образцами.
В промышленности помимо механической используется резка, основанная на электрохимическом, электрофизическом и физико-химическом воздействиях. Это - ацетилен-кислородная резка и плазменная резка, обеспечивающие более высокую производительность по сравнению с механическими методами. Однако они не обеспечивают необходимой точности и чистоты поверхности реза и в большинстве случаев требуют последующей механической обработки. Электроэрозионная резка позволяет получить рез малой ширины с высоким качеством, однако характеризуется низкой производительностью.
Сфокусированное лазерное излучение позволяет резать практически любые металлы и сплавы, независимо от их теплофизических свойств. Прилазерной резке отсутствует механическое воздействие на обрабатываемый материал и возникают незначительные деформации. Вследствие этого можно осуществлять лазерную резку с высокой точностью, в том числе и легкодеформируемых и нежестких деталей. Благодаря большой мощности лазерного излучения обеспечивается высокая производительность процесса реза. При этом достигается такое высокое качество реза, что в полученных отверстиях можно нарезать резьбу.
Понятно, что основой любой лазерной установки является сам лазер. В настоящее время для промышленной резки используется несколько типов лазеров. Твердотельные лазеры на основе алюмоиттриевого граната. Накачка активного элемента производится высоковольтными разрядными лампами, непрерывными или импульсными. Длина волны излучения твердотельного лазера - 1 мкм. Режим генерации, соответственно, может быть непрерывным или импульсным, и еще есть режим так называемого гигантского импульса Q-switch.
Лазер c диодной накачкой . Это новый современный вариант лазеров, в которых вместо высоковольтной газоразрядной лампы накачка производится мощными светоизлучающими диодами. Пока они более дороги, но зато в системе нет высоких напряжений, ресурс диодных линеек существенно выше ресурса газоразрядной лампы, и лазеры лучше управляются от электронных систем.
CQ2-лазеры - газовые лазеры на основе смеси газов CQ2-He-N2. Возбуждение смеси выполняется разными видами электрического разряда в газах. Длина волны излучения CQ2-лазера - 10 мкм. В настоящее время самыми компактными и эффективными являются так называемые щелевые (slab) лазеры с накачкой высокочастотным разрядом. Импульсные лазеры режут с высоким качеством не только сталь и титан, но и алюминиевые сплавы. Возможна резка и сплавов на медной основе, но здесь эффективность очень сильно зависит от химического состава.
СО2-лазеры пригодны как для резки металлов, так и неметаллов, причем почти любых, не рекомендуется использовать лазерную резку только для ряда материалов со сложной структурой - ДСП, бакелитовые фанеры, граниты. Однако для резки металлов нужен достаточно большой уровень мощности (от 500 Вт), а для резки цветных металлов - 1000 и более Ватт.
Здесь особенно эффективны щелевые CО2-лазеры, которые обеспечивают так называемый суперимпульсный режим излучения в отличие от других CО2-систем. Это значит, что световой поток не непрерывен, а состоит из импульсов с частотой 10-20 кГц, так что при средней мощности, например, 500 Вт мощность в импульсе составляет 1000¬1500 Вт. При резке металлов это очень важно, так как уменьшается ширина реза, улучшается качество и снижается порог начала резки.
Твердотельные лазеры неметаллические материалы режут значительно хуже газовых, однако имеют преимущество при резке металлов - по той причине, что волна длиной 1 мкм отражается хуже, чем волна длиной 10 мкм. Медь и алюминий для волны длиной 10 мкм - почти идеально отражающая среда. Но, с другой стороны, сделать CО2-лазер проще и дешевле, чем твердотельный.
В настоящее время аналогичные по своим основным параметрам, набору опций и качеству машины стоят примерно одинаково. А поскольку новейшие системы лазерной резки, представляемые на российский рынок такими известными мировыми производителями, как Bystronic (Швейцария), Trumpf (Германия), Mazak (Япония), Prima Industrie (Италия), очень сходны, имеет смысл остановиться на общих свойствах и характеристиках, присущих всем этим системам. Иначе говоря, сформулировать общие тенденции в развитии технологии лазерной резки и основные признаки современного лазерного комплекса для резки материалов.
За 20 лет применения технология лазерной резки подверглась значительным усовершенствованиям в части увеличения толщины разрезаемого материала и скорости его разрезания. Современные крупные установки для лазерной резки оснащаются теперь CO2-лазерами мощностью до 6 кВт. Хотя у типовых установок мощность лазеров не превышает 4 кВт, тем не менее они позволяют стабильно резать стальные листы толщиной до 19 мм, а в отдельных случаях - до 25 мм. Для лазерной резки пластин толщиной до 12 мм из коррозионно-стойкой стали применяют закачиваемый под высоким давлением азот.
Описание и сравнение конструктивных и технологических достоинств лазерных комплексов можно было бы продолжить в разных аспектах - это и возможность использования линейных двигателей в приводах, программирование и управление, степень автоматизации основных и вспомогательных операций, и наконец, вопросы экологии. Но вряд ли это имеет смысл. Дело в том, что сделать могут так, как вы захотите. Предусмотрено практически все. Главное же, на мой взгляд, заключается в том, что современные мощные системы для лазерного резания являются значительным вложением средств и быстрый возврат капиталовложений может быть обеспечен только при условии предварительного тщательного анализа тех задач, которые предстоит решать. Сколько у нас в стране покупалось, да и до сих пор покупается оборудования, которое потом месяцами, а то и годами (а иногда и вообще никогда) не используется или используется не по назначению.
Лазерная сварка может заменить разнообразные типовые процессы, имеющие независимую и довольно узкую технологическую нишу, будучи универсальным сварочным подходом, эффективным и экономичным во многих приложениях. Универсальность и гибкость лазерного оборудования позволяет использовать практически тот же самый комплект и в других, совершенно отличных процессах, например, при резке, сверлении отверстий, скрайбировании и др.
Сущность лазерного процесса сварки состоит в следующем: лазерное излучение направляется в фокусирующую систему, где фокусируется в пучок меньшего сечения и попадает на свариваемые детали, где частично отражается, частично проникает внутрь материала, где поглощается, нагревает и расплавляет металл, формируя сварной шов.
Лазерную сварку производят сквозным и частичным проплавлением в любом пространственном положении. Сварка проводится непрерывным или импульсным излучением. При сварке изделий малых толщин от 0,05 до 1,0 мм сварка проходит с расфокусировкой лазерного луча.
При импульсном лазерном излучении сварной шов образуется сварными точками, их перекрытием на 30 - 90%. Современные сварочные установки с твердотельными лазерами проводят шовную сварку со скоростью до 5 мм/с с частотой импульсов около 20 Гц. Сварку проводят с использованием при-садочных материалов (проволока диаметром около 1,5 мм, лента или поро-шок). Присадка увеличивает сечение сварного шва.
Лазерная сварка разделяется на три вида: микросварка (толщина или глубина проплавления до 100 мкм), мини-сварка (глубина проплавления от 0,1 до 1 мм), макросварка (глубина проплавления более 1 мм).
Сущность лазерного процесса сварки состоит в следующем: лазерное излучение направляется в фокусирующую систему, где фокусируется в пучок меньшего сечения и попадает на свариваемые детали, где частично отражается, частично проникает внутрь материала, где поглощается, нагревает и расплавляет металл, формируя сварной шов.
Лазерную сварку производят сквозным и частичным проплавлением в любом пространственном положении. Сварка проводится непрерывным или импульсным излучением. При сварке изделий малых толщин от 0,05 до 1,0 мм сварка проходит с расфокусировкой лазерного луча.
При импульсном лазерном излучении сварной шов образуется сварными точками, их перекрытием на 30 - 90%. Современные сварочные установки с твердотельными лазерами проводят шовную сварку со скоростью до 5 мм/с с частотой импульсов около 20 Гц. Сварку проводят с использованием при-садочных материалов (проволока диаметром около 1,5 мм, лента или поро-шок). Присадка увеличивает сечение сварного шва.
Лазерная сварка разделяется на три вида: микросварка (толщина или глубина проплавления до 100 мкм), мини-сварка (глубина проплавления от 0,1 до 1 мм), макросварка (глубина проплавления более 1 мм).
Подобные работы
- РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ЛАЗЕРНОЙ СВАРКИ 08Ю
Магистерская диссертация, материаловедение . Язык работы: Русский. Цена: 5730 р. Год сдачи: 2017