Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Прошивка титана лазером

Содержание

Введение 4

1 Процесс прошивки титана 5

1.1 Физические и механические свойства титана 5

1.2 Лазерная прошивка отверстий 11

2 Лазерная установка для прошивки титана 17

2.1 Выбор оптимальной лазерной установки 17

2.2 Описание лазерной установки 19

2.3 Позиционер FMark 24

Заключение 27

Список литературы 29

Введение

Промышленная обработка материалов стала одной из областей наиболее широкого использования лазеров. До появления лазеров основными тепловыми источниками для технологической обработки являлись газовая горелка, электродуговой разряд, плазменная дуга и электронный поток. С появлением лазеров, излучающих большую энергию, оказалось возможным создавать на обрабатываемой поверхности высокие плотности светового потока. Роль лазеров как световых источников, работающих в непрерывном, импульсном режимах или в режиме гигантских импульсов, состоит в обеспечении на поверхности обрабатываемого материала плотности мощности, достаточной для его нагревания, плавления или испарения, которые лежат в основе лазерной технологии.

В настоящее время лазер успешно выполняет целый ряд технологических операций и, прежде всего таких, как резка, сварка, сверление отверстий, термическая обработка поверхности, скрайбирование, маркировка, гравировка и т. п., а в ряде случаев обеспечивает преимущества по сравнению с другими видами обработки. Так, сверление отверстий в материале может быть выполнено быстрее, а скрайбирование разнородных материалов является более совершенным. Кроме того, некоторые виды операций, которые раньше выполнить было невозможно из-за трудной доступности, выполняются с большим успехом. Например, сварка материалов и сверление отверстий могут выполняться через стекло в вакууме или атмосфере различных газов.

Прошивка отверстий лазером – известный технологический процесс, но обычно он выполняется излучением импульсных лазеров с высокой энергией в импульсе. Основной механизм процесса – испарительный; обрабатываемый материал просто испаряется без образования жидкой фазы. Эта технология используется в основном для решения специальных задач, например, формирования микроканалов охлаждения в лопатках турбин. Для более массовых применений производительность и стоимость такого процесса оказывается неудовлетворительной.

Цель курсового проекта – рассчитать оптимальный режим прошивки пятидесяти отверстий в тонкостенной гильзе из титана, в соответствии с расчетами выбрать установку КПЭ и спроектировать специализированную оснастку.

Пояснительная записка курсового проекта состоит из двух глав. В первой главе работы дана характеристика титана и раскрывается понятие лазерной прошивки отверстия. Во второй главе приводится подробный теоретический расчет параметров оптимальной лазерной установки для прошивки титана, описывается устройство и принцип действия выбранной установки и необходимой оснастки.

1 Процесс прошивки титана

1.1 Физические и механические свойства титана

Титан и его сплавы обладают прочностью до 140 кг/мм². В этом отношении они стоят в одном ряду с большинством марок легированных сталей. Удельный вес титана составляет 56% удельного веса стали, а по коррозионной стойкости он не уступает платине. По распространенности в земной коре титан занимает среди всех элементов девятое место.

Объемно-центрированная кубическая решетка представляет собой куб, в каждом углу и центре которого находится по одному атому. Для титана сторона элементарной ячейки равна 3,3065 А.

Температура плавления. Температура плавления титана равна 1668 °С. Она превышает температуру плавления стали приблизительно на 200 °С и температуру плавления алюминия на 1100 °С.

Удельная теплоемкость. Удельная теплоемкость титана равна 0,142 кал/г град (значения удельной теплоемкости для нержавеющей стали и алюминия соответственно равны 0,11 и 0,214 кал/г град).

У титана два электрона находятся на третьей оболочке и два на четвертой. Если в металлах электроны начинают размещаться на внешних оболочках еще до окончательного заполнения внутренних оболочек, то такие металлы называют переходными. Необычные физические свойства титана объясняются подобным расположением электронов. Из других переходных металлов можно назвать хром, марганец, железо, кобальт и никель.

Атомный вес титана равен 47,88, тогда как для алюминия он составляет 26,97, а для железа — 55,84.

Структура кристаллической решетки. Кристаллическую структуру можно представить себе как физически однородное тело, в котором атомы располагаются в периодическом порядке. Подобное расположение атомов определяет физические свойства металлов. Металлы кристаллизуются по большей части в кубической объемно-центрированной или гранецентрированной и в гексагональной плотно упакованной решетках.

Рентгеновское исследование титана показало, что до температуры около 882° С титан имеет плотно упакованную гексагональную структуру, известную под названием а-модификации.

Коэффициент линейного расширения. Титан имеет незначительный коэффициент линейного расширения, равный 9 * 10 -6 (для нержавеющей стали, меди и алюминия значения этого коэффициента соответственно равны 14; 29,7 и 25,2 * 10 -6).

Теплота сгорания. При сжигании или окислении металлов происходит выделение тепла. Количество теплоты, выделяемое при полном окислении единицы массы металла, называется его теплотворной способностью. Для титана эта характеристика составляет 218 ккал/моль.

Электропроводность и удельное электросопротивление. Движение электронов в металле, вызываемое разностью потенциалов, известно под названием электропроводности. На эту электрическую характеристику большое влияние оказывает атомная структура металла. Титан — плохой проводник электричества. Если электропроводность меди считать равной 100%, то электропроводность титана составит 3,1%. Отсюда следует, что титан нельзя применять в тех случаях, когда проводимость является фактором первостепенной важности. В целях сопоставления можно указать, например, что электропроводность нержавеющей стали составляет 3,5% (электропроводности меди), а алюминиевого сплава 75ST 30%.

Электрическое сопротивление материала есть сопротивление потоку электронов. Поскольку титан принадлежит к числу плохих проводников, он должен обладать высоким электрическим сопротивлением. Удельное электросопротивление титана при 20 °С равно 42 * 10 -6 Ом см (для нержавеющей стали и алюминия соответствующие значения составляют 49,5 и 3,96 * 10 -6 Ом см).

Магнитные свойства. Если металл поместить в магнитное поле, то на него будет действовать сила. Степень намагничения можно определить путем измерения действующей силы и деления ее на величину магнитного поля, зависящую от магнитной восприимчивости, которая является характеристикой металла. По величине магнитной восприимчивости, изменяющейся в широких пределах, все металлы можно разделить на три категории: 1) диамагнитные вещества, для которых К имеет малое отрицательное значение, так что в магнитном поле они подвержены слабому отталкиванию (медь, серебро, золото и висмут); 2) парамагнитные вещества, для которых К имеет малое положительное значение, так что они слабо притягиваются магнитным полем (щелочные и щелочноземельные металлы, а также неферромагнитные переходные металлы, в том числе и титан); 3) ферромагнитные вещества с большой положительной величиной магнитной восприимчивости К (железо, кобальт, никель и галлий). Важной особенностью металлов третьей группы, не считая сильного притяжения в магнитном поле, является то, что эти металлы остаются намагниченными и после их удаления из магнитного поля.

Прочность титана при растяжении. Нелегированный титан может обладать прочностью при растяжении от 24,5 кг/мм2 для металла высокой степени чистоты, получаемого методами термического разложения иодида титана, до 70 кг/мм2 для металла повышенной твердости, получаемого из губки. Фирма Рем-Крю выпускает технически чистый металл двух марок (RC-A-55 и RC-A-70) с номинальным пределом текучести 38,5 и 49 кг/мм2.

Фирма «Рипаблик Стил» подобным же образом производит титан марок RS 40, RS 55 и RS 70, а «Тайтениум Металз» — Ti 75A и Ti 100A с номинальным пределом прочности при растяжении 56 и 70 кг/мм2. Фирма «Мэллори-Шарон» выпускает нелегированный переплавленный в дуговых печах титан 3-го сорта с номинальным пределом прочности 52,5 кг/мм2 и пределом текучести 35 кг/мм2. Нелегированный титан этой фирмы, переплавленный в индукционных печах (4-го сорта), имеет предел прочности при растяжении 70 кг/мм2 и предел текучести 60 кг/мм2.

Пластичность. Пластичность можно определить, как способность материала деформироваться без разрушения. Пластичный материал легко поддается таким видам холодной обработки, как гибка, глубокая вытяжка и выдавка.

Технически чистый титан, переплавленный в дуговых печах, обладает в зависимости от содержания примесей следующими показателями пластичности: относительным удлинением 20—40% и поперечным сужением 45—65%. Иодидный титан обладает относительным удлинением до 55% и сужением поперечного сечения до 80%.

Как и в случае стали, титан в целях упрочнения легируют другими металлами. Добавки алюминия, ванадия, хрома, железа, марганца и олова вводятся отдельно и в сочетании друг с другом.

Однако в этом случае повышение прочности достигается за счет снижения пластичности. О легировании титана подробнее говорится далее, здесь же достаточно ограничиться указанием на то, что созданы титановые сплавы с пределом прочности свыше 140 кг/мм2, обладающие удовлетворительной пластичностью (относительное удлинение до 15%).

Прочность промышленных сплавов титана колеблется от 70 до 105 кг/мм2. Эти сплавы выплавляются в дуговых печах и обладают удовлетворительной пластичностью (10—20%). Сплавы, выплавленные в индукционных печах, обладают гораздо более высокой прочностью, но их пониженная пластичность делает их пригодными для использования только в ограниченных целях.

Твердость. Титан значительно тверже алюминия и по твердости приближается к некоторым термически обработанным легированным сталям. Иодидный титан имеет твердость 90, тогда как твердость нелегированного технического титана составляет около 160 единиц, а для сплавов после термообработки 250—500 единиц по Hv. Типичный промышленный сплав с пределом текучести около 90 кг/мм2 может иметь твердость до 320 единиц по Hv.

Сопротивление удару. Для многих случаев применения металлов мало знать только их прочность и пластичность. Часто бывают нужны сведения и об их вязкости. Титан принадлежит к числу немногих металлов, которые наряду с высокой прочностью и пластичностью обладают еще хорошей вязкостью. Здесь под вязкостью понимается способность материала противостоять ударным нагрузкам.

Наиболее распространенными методами определения ударной вязкости является испытание надрезанных стандартных образцов Шарпи и Изода с их разрушением при изгибе. Работа разрушения образцов Шарпи из иодидного титана высокой степени чистоты может достигать 14 кгм, составляя около 4 кгм для образцов из нелегированного титана и всего 0,15—0,30 кгм для образцов из некоторых высокопрочных, но хрупких сплавов титана. Сейчас в промышленных масштабах выпускаются сплавы с пределом текучести 91 кг/мм2 и ударной вязкостью по Шарпи до 3,5 кгм.

В результате проводимой экспериментальной работы, видимо, скоро начнется производство еще более вязких и прочных технических сплавов титана.

Предел выносливости. Данных о пределе выносливости титана опубликовано мало, да к тому же они в значительной степени противоречивы. Однако можно утверждать, что титан обладает отличной выносливостью. Испытания показывают, что предел выносливости составляет 60% предела прочности, но для образцов из нелегированного титана с острым надрезом эта цифра снижается до 32%. У сплавов титана предел выносливости достигает 47% предела прочности (у стали он равен 50%).

Ползучесть. Если материал подвергнуть действию постоянной нагрузки, то он с течением времени пластически деформируется. Удлинение материала под постоянной нагрузкой называется ползучестью, причем предел ползучести определяется как прочность, необходимая для того, чтобы получить определенное удлинение за установленное время.

Отсутствие достаточных данных о ползучести титана пока не позволяет вынести окончательное суждение об этой его характеристике. Первые исследования показали, что нелегированный титан обладает плохим сопротивлением ползучести, хотя сплавы титана в этом отношении имеют лучшие характеристики; некоторое улучшение их ползучести достигается путем наклепа.

Влияние температуры и наклепа на механические свойства. С повышением температуры уменьшается не только предел ползучести, но и пределы прочности, текучести, усталости, а также твердость. Повышение температуры мало сказывается на величине модуля упругости, но сопровождается улучшением вязкости и пластичности.

Наклеп титановых сплавов сопровождается их упрочнением. С повышением температуры прочность алюминия быстро снижается, тогда как температурное разупрочнение титана происходит медленнее, так что при температурах выше 200 °С величина отношения прочность: удельный вес получается для титана больше, чем для алюминия.

Однако это превосходство титана сохраняется приблизительно до 425 °С, после чего определяющим фактором становится чрезвычайная активность титана, о чем уже говорилось выше.

Достоинства титана:

малая плотность (4500 кг/м³) способствует уменьшению массы используемого материала;
высокая механическая прочность. Стоит отметить, что при повышенных температурах (250-500 °С) титановые сплавы по прочности превосходят высокопрочные сплавы алюминия и магния;
необычайно высокая коррозионная стойкость, обусловленная способностью титана образовывать на поверхности тонкие (5-15 мкм) сплошные пленки оксида ТiO₂, прочно связанные с массой металла;
удельная прочность (отношение прочности и плотности) лучших титановых сплавов достигает 30-35 и более, что почти вдвое превышает удельную прочность легированных сталей.

Недостатки титана:

высокая стоимость производства, титан значительно дороже железа, алюминия, меди, магния;
активное взаимодействие при высоких температурах, особенно в жидком состоянии, со всеми газами, составляющими атмосферу, в результате чего титан и его сплавы можно плавить лишь в вакууме или в среде инертных газов;
трудности вовлечения в производство титановых отходов;
плохие антифрикционные свойства, обусловленные налипанием титана на многие материалы, титан в паре с титаном не может работать на трение;
высокая склонность титана и многих его сплавов к водородной хрупкости и солевой коррозии;
плохая обрабатываемость резанием, аналогичная обрабатываемости нержавеющих сталей аустенитного класса;
большая химическая активность, склонность к росту зерна при высокой температуре и фазовые превращения при сварочном цикле вызывают трудности при сварке титана.

1.2 Лазерная прошивка отверстий

Выполнение отверстий диаметром до 1 ... 3 мм традиционным сверлением связано с определенными трудностями вследствие частой замены инструмента, дефицитностью сверл малого диаметра, сложностью их заточки. Особенно усложняется эта задача при выполнении отверстий в труднообрабатываемых материалах.

Для изготовления отверстий малых диаметров значительный интерес представляют электроэрозионная, электрохимическая, ультразвуковая и электронно-лучевая обработка, но эти методы не обеспечивают высокой производительности процесса.

Лазерная обработка отверстий является более производительным процессом, хотя по удельному расходу энергии она превышает механические и электрофизические методы.

При воздействии лазерного излучения в виде отдельного импульса образование отверстия происходит за счет плавления и испарения материала.

Большое значение в формировании отверстий при обработке плавящихся материалов единичным импульсом имеет перераспределение жидкой фазы до момента затвердевания.

В результате этого форма отверстия может значительно отличаться от той, которая в момент окончания импульса определялась геометрией луча, кинетикой испарения и гидродинамикой выброса части материала в жидкой фазе.

Образование большого объема жидкой фазы и ее неполное удаление из отверстия являются, как правило, неблагоприятными и трудноуправляемыми факторами, существенно снижающими эффективность и точность сверления единичным импульсом лазерного излучения.

С этой точки зрения высокое качество отверстий обеспечивается при сверлении испаряющихся (сублимирующихся, возгоняющихся) неметаллов, при разрушении которых под действием лазерного излучения жидкая фаза практически отсутствует. Основным методом повышения точности и качества лазерной размерной обработки является многоимпульсная обработка материалов (МИО).

Сущность МИО заключается в том, что отверстия формируются за серию импульсов излучения лазера определенной энергии и длительности, последовательно доводящих размеры отверстий до необходимых.

При многоимпульсной обработке отверстие растет в глубину постепенно за счет послойного испарения материала каждым импульсом. Окончательная глубина отверстия в этом случае определяется суммарной энергией серии импульсов, а его диаметр — усредненными параметрами отдельного импульса излучения в серии. Кроме того, диаметр отверстия зависит от размера светового пятна в зоне обработки и формы каустики.

Толщина снимаемого каждым импульсом слоя может быть достаточно малой, поэтому при обработке сравнительно глубоких отверстий (h > 1 мм) процессы истечения и перераспределения жидкой фазы в меньшей степени влияют на форму отверстий, чем в случае получения отверстий одним импульсом.

Многоимпульсная обработка позволяет получать отверстия серией коротких импульсов, период следования которых значительно больше времени остывания материала. В этом случае характерный размер зоны термического влияния определяется длительностью отдельного короткого импульса.

Осуществляя импульс с высокой плотностью энергии излучения, можно добиться резкого снижения доли расплава в продуктах разрушения. Использование для МИО импульсов малой длительности позволяет получать отверстия в хрупких материалах без их растрескивания, что обусловлено более равномерным (по отношению к одноимпульсной обработке) распределением остаточных напряжений по толщине материала, а также ростом динамической прочности при уменьшении продолжительности термического удара.

МИО используется для решения двух различных технологических задач: получения отверстий с h > 2 мм без особо жестких требований к их точности и получения высокоточных отверстий.

МИО в этих случаях различаются в основном режимами обработки. Если первому из них соответствует получение в каждом импульсе максимального приращения глубины к диаметру (h/d > 1), то во втором случае наиболее благоприятным режимом является такой, когда приращение глубины лунки за импульс меньше диаметра (h/d < 1).

В результате, в первом случае обработка проводится при сравнительно большом удельном выносе, причем диаметр отверстия формируется уже в первом импульсе, а последующие импульсы лишь углубляют отверстие, незначительно изменяя диаметр.

Во втором случае обработка проводится при небольшом удельном выносе в режиме нестационарного испарения вещества, когда количество образующегося на стенках расплава можно сделать минимальным, устранив или уменьшив действие многих неблагоприятных факторов: теплоотвода в стенке, расфокусировки пучка, чрезмерной длительности импульса.

Если обработка ведется в цилиндрической световой трубке, в которую вырождается световой конус, то дополнительно исключается оплавление стенок за счет непосредственного поглощения ими лазерного излучения.

В итоге продукты разрушения будут в минимальной степени участвовать в формировании отверстия. Тем самым создаются все предпосылки для получения точных отверстий, размеры которых определяются и регулируются параметрами оптической системы и излучения. При получении глубоких отверстий в режиме, многоимпульсной обработки основными факторами, влияющими на соотношение глубины и диаметра отверстия, являются величина, характеризующая ход каустики после фокальной плоскости оптической системы, и количество импульсов в серии п, необходимое для получения заданных размеров отверстия.

Для определения предельной глубины сверления лазерным излучением можно в первом приближении воспользоваться формулой испарения материала; а - температуропроводность материала.

При уменьшении длительности импульса, но при постоянной энергии, растет быстрее, поэтому максимальное значение глубины отверстия увеличивается. Если уменьшать одновременно энергию и длительность импульса так, что мощность в импульсе остается постоянной, то в этом случае не изменяется, а растет и, следовательно, падает.

На практике для повышения производительности процесса импульсы излучения необходимо повторять с достаточно высокой частотой. В случае если средняя мощность излучения, вводимая в материал, оказывается достаточно высокой, взаимное влияние импульса будет велико.

Прежде всего, это приведет к повышению температуры образца вблизи возникающего отверстия. При большой частоте повторения поверхность лунки во время паузы не успевает остыть, поэтому нагрев стенок отверстия в каждом импульсе происходит от температуры, большей, чем при нормальных условиях. Очевидно, что при любом механизме разрушения повышение температуры должно приводить к росту глубины отверстия с увеличением частоты при одинаковой полной энергии.

С ростом частоты эффект взаимного влияния импульсов проявляется прежде всего вблизи дна, где тепловыделение максимально. На стенках же такое влияние оказывается слабее. Вследствие этого материал, удаляемый со дна лунки, частично задерживается на боковых стенках и объем удаляемого материала с увеличением частоты растет медленнее, чем глубина отверстия.

Несколько иной подход к выбору параметров режима лазерной обработки при получении прецизионных отверстий. Оптимальный режим при высокоточной обработке материала должен обеспечивать минимальное оплавление стенок и дна отверстия в процессе его получения.

Это возможно при выполнении следующих двух условий, которые определяют область допустимых режимов обработки. Первое условие означает, что в течение импульса мал боковой теплоотвод, т. е. значительно уменьшено оплавление стенок за счет теплопроводности.

Второе условие накладывает ограничение на действие остальных факторов, способствующих образованию жидкой фазы.

Плотность мощности импульса лазерного излучения, необходимая для реализации прецизионного режима многоимпульсной обработки. Значительное влияние на геометрию отверстия, а также на характер разрушения материала оказывают условия фокусировки излучения.

В сходящемся световом пучке характерным является конический профиль отверстия, а в расходящемся - цилиндрический. За счет неравномерности распределения излучения по сечению светового пятна и во времени в течение импульса, а также вследствие теплопроводности и гидродинамических явлений, профиль отверстия, задаваемый ходом лучей, искажается.

В частности, появляется характерная воронка на входе и плавный переход от дна к стенкам, а при больших расфокусировках профиль отверстия становится параболическим. Степень фокусировки, соответствующая наибольшей глубине и наименьшему диаметру, различна.

Наибольшая глубина отверстий достигается при фокусировке лазерного луча на некоторое расстояние вглубь от поверхности материала. Наименьший диаметр обеспечивается при размещении фокальной плоскости на поверхности обрабатываемого материала.

Если бы механизмом разрушения было испарение вещества, то условия получения отверстия максимальной глубины hax за один импульс с энергией и длительностью Х и соответствовали бы фокусировке излучения на поверхность обрабатываемой детали, обеспечивая минимальный диаметр лунки.

Наличие оплавления стенок в расходящемся пучке изменяет условия оптимальной фокусировки излучения таким образом, что для получения максимальной глубины требуется сфокусировать лазерный пучок на некотором расстоянии от поверхности вблизи материала. Смещение фокуса зависит не только от параметров фокусирующей системы, но и от диаметра лазерного пучка на выходном зеркале лазера d, его расходимости и расстояния от выходного зеркала.

При удалении линзы от лазера (или уменьшении выходной апертуры пучка) глубина отверстия может значительно увеличиться при оптимальном смещении фокуса линзы по сравнению с глубиной, обеспечиваемой при фокусировке на поверхность материала.

При использовании многоимпульсного метода обработки за счет того, что импульсы в серии разделены временными интервалами, реализуется возможность изменения взаимного расположения обрабатываемой детали и фокусирующей оптической системы в процессе получения одного отверстия.

При относительном смещении оптической системы и образца перед очередным импульсом на величину, равную толщине слоя, испаренного за предыдущий импульс, плотность мощности лазерного излучения на движущейся границе испарения по всей глубине отверстия сохраняется практически постоянной. Такое смещение можно проводить и непрерывно, согласуя скорость движения с частотой следования импульсов.