CC BY
29
УДК 621
А. Д. Кочетов, А. А. Петров
ЛАЗЕРНАЯ ГИБКА ТОНКОЛИСТОВЫХ ДЕТАЛЕЙ ИМПУЛЬСНЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ
Проанализирован процесс лазерной гибки тонколистовых изделий. Экспериментально показано, что угол изгиба может быть изменен в широких пределах в зависимости от режима лазерной обработки.
Ключевые слова: лазерное формообразование, твердотельный лазер.
Настоящая работа посвящена экспериментальному изучению процесса лазерной гибки тонколистовых изделий под действием излучения твердотельного лазера. В работе использовался импульсный твердотельный Nd:YAG-лазер (средняя мощность до 200 Вт, длительность импульса 0,1—10 мс). Для формирования траектории облучения был использован программируемый шестикоординатный робот Motoman SSF-2000 (рис. 1). В качестве образцов были использованы стальные пластины толщиной от 0,3 до 1,1 мм.
Рис. 1
Актуальность работы. Бесконтактное изменение формы детали, вызванное лазерным воздействием, может быть использовано для решения различных задач приборо- и машиностроения. В частности, при формовке деталей различной формы лазерные технологии позволяют в некоторых случаях заменить процесс штамповки и получать необходимую форму детали непосредственно с помощью лазерного облучения [1]. При разработке юстировочных узлов для регулировки положения микрооптических, волокнонных, микромеханических и других деталей использование лазера может существенно упростить конструкцию и автоматизировать процесс юстировки [2]. Управляемое деформирование под действием лазерного излучения может быть использовано также при создании микродвигателей для микромеханических систем и решении ряда других задач [1]. Основными достоинствами лазерного формообразования являются бесконтактность, локальность и возможность автоматизации процесса.
Описание работы. Рассмотрим кратко механизм возникновения деформаций (пластического формообразования) под действием температурных напряжений. При локальном нагревании некоторой области материала в результате неравномерного теплового расширения в нем возникают термоупругие напряжения. Если напряжения достигают предела текучести, то они приводят к появлению пластических деформаций. По окончании импульса, при остывании среды, деформированная область не принимает исходных размеров и остается в сжатом (по сравнению с исходным) состоянии.
На рис. 2 представлены основные виды деформации вызванные локальным лазерным прогреванием [3].
Распределение температуры по сечению детали
Поверхностная усадка
Т >> T
Lo 1 u
Выгибание
Т и T
■L О ~ -L U
Равномерная усадка
Т и T
■L О U
U\ n't
Деформация
сСп
Примеры использования
Регулировка
а
Выдавливание Перемещение
Гибка Рис. 2
В зависимости от глубины прогретого слоя деформирование материала протекает по-разному. При локальном нагреве поверхностного слоя, когда температура поверхности детали много больше температуры обратной стороны, ТО >> Tu, тепловое поле приводит к неравномерному тепловому расширению и деформированию преимущественно поверхностных слоев. Этот механизм изгиба получил название поверхностной усадки (near-surface upsetting) [4].
Если во время действия лазерного излучения деталь прогревается равномерно по толщине (ТО ~ Tu), тепловое расширение и последующая деформация происходят по всему поперечному сечению детали. В этом случае результатом лазерного воздействия является уменьшение линейных размеров (см. рис. 2), или равномерная усадка (uniform upsetting) [4]. При аналогичном распределении температуры деформирование более тонких пластин происходит иначе, хотя также с уменьшением линейных размеров, по механизму выгибания (buckling) [3].
Технология лазерного формообразования достаточно хорошо известна в мире и активно разрабатывается [1, 5, 6], в России первые публикации по этой теме появились в начале 2000-х гг. [7]. В данной работе исследовался механизм деформирования на основе поверхностной усадки, который приводил к изгибу детали. Угол изгиба измерялся методом оптического рычага. Для регистрации малых перемещений образца в результате деформации под действием лазерного излучения использовалось излучение зондирующего полупроводникового лазера. Измерения проводились следующим образом: на образце закреплялось легкое зеркало или использовалась полированная поверхность образца. Луч полупроводникового лазера, отражаясь от зеркала, падал на экран со шкалой, по измеренному отклонению луча на экране вычислялся угол наклона пластины.
В рамках настоящей работы перемещение лазерного луча по поверхности проводилось как по прямолинейным, так и по сложным траекториям, которые реализовывались с помощью роботизированного комплекса. Лазер работал в импульсном режиме. Движения робота
u
x
задавались таким образом, чтобы лазерный луч проходил на 2—3 см за край детали, чтобы избежать перегрева пластины в фазах разгона и торможения.
Активная среда................................................................................................................................................................................№:УАв
Длина волны, мкм......................................................................................................................................................................1,064
Частота следования импульсов, Гц..............................................................................................................1—50
Максимальная средняя мощность, Вт......................................................................................................200
Длительность импульса, мс......................................................................................................................................0,2—7
Диаметр пятна на образце, мм..............................................................................................................................1
На рис. 3 приведена стальная пластинка с изгибом по дуге.
Рис. 3
Одна из основных задач настоящей работы — выявление закономерностей изгиба при изменении условий эксперимента. В результате серии экспериментов были получены зависимости углов изгиба от числа проходов и длительности импульса и определены режимы лазерной гибки, которые могут быть использованы в последующих исследованиях, направленных на получение упругих деформаций. Были выбраны критерии оптимального режима лазерного формообразования: отсутствие повреждений и следов плавления поверхности, а также линейная зависимость результирующего угла от числа проходов.
На рис. 4 приведена зависимость угла изгиба стальной пластины от числа проходов п (1 — толщина пластины 0,3, 2 — 1,1 мм; скорость сканирования Гск = 2,5 мм/с, / = 20 Гц, т = 2 мс); на рис. 5 — зависимость угла изгиба титановой пластины от числа проходов (Гск = =2,5 мм/с,/= 20 Гц, т = 3,5 мс).
16 12 8 4
0
2С 16 12 8 4
12 15 18 21 24 п 0 10 20 30 40 п
Рис. 4 Рис. 5
Погрешность измерения угла составила около 0,5 градуса. Из представленных графиков видно, что при оптимальных режимах лазерного воздействия зависимости близки к линейным, что наиболее удобно при построении технологических процессов. В качестве материалов в работе были использованы сталь марки 12X17, титан ВТ1-00, латунь Л70. Наилучшие результаты были получены на стали 12X17, на латунных образцах угол изгиба не фиксировался, что связано с недостаточным температурным градиентом, возникающим при исследо-
10
20
о
а
о
а
ванных режимах обработки. Увеличение мощности падающего излучения приводило к абляции и повреждению поверхности.
Заключение. В работе представлены результаты лазерной гибки тонколистовых деталей из различных материалов при разных режимах облучения. Результаты сравнивались с ранее полученными [2], можно сделать следующие выводы:
— для тонких пластин (глубина прогретого слоя порядка толщины пластины) нелинейность изменения угла изгиба значительно сильнее проявляется, чем для толстых (глубина прогретого слоя много меньше толщины пластины). Это связано с меньшим различием значений температуры на поверхности и обратной стороне детали. Нелинейность может быть уменьшена путем уменьшения длительности импульса;
— возможен изгиб детали по криволинейной траектории (по дуге), причем при изменении траектории основные зависимости сохраняются;
— толщина пластины является важным параметром при изгибе, так как ограничивает плотность мощности порогом испарения (плавления), что приводит к повреждению поверхности.
Авторы выражают благодарность сотрудникам кафедры ЛТиЭП. Особую благодарность авторы выражают В. П. Вейко за обсуждение результатов, интерес к работе.
Работа поддержана грантом РФФИ № 10-02-00208-а.
1. Paunoiu V., Squeo E. A., Quadrini F., Gheorghies C., Nicoara D. Laser Bending of Stainless Steel Sheet Metals // Intern. J. Mat. Forming. 2008. Vol. 1, Suppl. 1. Р. 1371—1374.
2. Laser Forming of Thin Metal Components for 2D and 3D Applications Using a High Beam Quality, Low Power Nd:YAG Laser and Rapid Scanning Optics // Intern. Workshop on Thermal Forming. Bremen, 2005.
3. Muller B. Virtual Engineering helps to get laser adjustment industrially accepted // 1st Intern. Symp. on Laser Precision Microfabrication. Proc. SPIE. 2000. Vol. 4088. P. 164—167.
4. Hoving W. Laser adjustment, a novel technique to obtain fast, sub-micron accuracy in mass production // Second Intern. Symp. on Laser Precision Microfabrication. Proc. SPIE. 2002. Vol. 4426.
5. Vollertsen F., Geiger M. Laserstrahljustieren mechatronischer Komponenten. Laser - Von der Wissenschaft zur Anwendung // Strahltechnik. Bremen: BIAS Verlag, 1997. Bd 10. S. 309—320.
6. Vollertsen F. An analytical model for laser bending // Lasers in Engineering. 1994. Vol. 2. P. 261—276.
7. Петров А. А., Вейко В. П. Пространственное позиционирование микродеталей с помощью лазерного излучения // Микросистемная техника. 2002. № 7. С. 23—27.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Андрей Анатольевич Петров
Андрей Дмитриевич Кочетов
Сведения об авторах студент; Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра лазерных технологий и экологического приборостроения; E-mail: [email protected]
канд. техн. наук, доцент; Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра лазерных технологий и экологического приборостроения; E-mail: [email protected]
Рекомендована
программным комитетом Конференции
Поступила в редакцию 08.09.10 г.
