ЛАЗЕРНАЯ ГИБКА ТОНКОЛИСТОВЫХ ДЕТАЛЕЙ ИМПУЛЬСНЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ
22 А. Д. Кочетов, А. А. Петров
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.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 2
Лазерная гибка тонколистовых деталей импульсным излучением
23
Описание работы. Рассмотрим кратко механизм возникновения деформаций (пласти-
ческого формообразования) под действием температурных напряжений. При локальном на-
гревании 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 остыва-
нии 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].
Поверхностная
Выгибание
Равномерная
усадка
усадка
Тo >> Tu
Тo ≈ Tu
Тo ≈ Tu
Распределение
температуры по
сечению детали
Деформация
Примеры использования
α
Регулировка
Гибка
Выдавливание
ux Перемещение
Рис. 2
В зависимости от глубины прогретого слоя деформирование материала протекает поразному. При локальном нагреве поверхностного слоя, когда температура поверхности детали много больше температуры обратной стороны, Тo >> 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 (Тo ≈ 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
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 2
24 А. Д. Кочетов, А. А. Петров
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........................................................................................ Длина волны, мкм................................................................................... Частота следования импульсов, Гц ....................................................... Максимальная средняя мощность, Вт................................................... Длительность импульса, мс ................................................................... Диаметр пятна на образце, мм...............................................................
Nd:YAG 1,064 1—50 200 0,2—7 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 Vск = 2,5 мм/с, f = 20 Гц, τ = 2 мс); на рис. 5 — зависимость угла изгиба титановой пластины от числа проходов (Vск = =2,5 мм/с, f = 20 Гц, τ = 3,5 мс).
α, …° α, …°
20
16 16
12 1
8
4
2
12 8 4
0 3 6 9 12 15 18 21 24 n
0 10 20 30 40 n
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 линей-
ным, что наиболее удобно при построении технологических процессов. В качестве материа-
лов 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 фиксиро-
вался, что связано с недостаточным температурным градиентом, возникающим при исследо-
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 2
Лазерная гибка тонколистовых деталей импульсным излучением
25
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.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
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.
Андрей Дмитриевич Кочетов Андрей Анатольевич Петров
Сведения об авторах — студент; Санкт-Петербургский государственный университет инфор-
мационных технологий, механики и оптики, кафедра лазерных технологий и экологического приборостроения; E-mail: user32-dll@mail.ru — канд. техн. наук, доцент; Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра лазерных технологий и экологического приборостроения; E-mail: petrovandrey79@inbox.ru
Рекомендована программным комитетом Конференции
Поступила в редакцию 08.09.10 г.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 2
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.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 2
Лазерная гибка тонколистовых деталей импульсным излучением
23
Описание работы. Рассмотрим кратко механизм возникновения деформаций (пласти-
ческого формообразования) под действием температурных напряжений. При локальном на-
гревании 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 остыва-
нии 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].
Поверхностная
Выгибание
Равномерная
усадка
усадка
Тo >> Tu
Тo ≈ Tu
Тo ≈ Tu
Распределение
температуры по
сечению детали
Деформация
Примеры использования
α
Регулировка
Гибка
Выдавливание
ux Перемещение
Рис. 2
В зависимости от глубины прогретого слоя деформирование материала протекает поразному. При локальном нагреве поверхностного слоя, когда температура поверхности детали много больше температуры обратной стороны, Тo >> 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 (Тo ≈ 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
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 2
24 А. Д. Кочетов, А. А. Петров
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........................................................................................ Длина волны, мкм................................................................................... Частота следования импульсов, Гц ....................................................... Максимальная средняя мощность, Вт................................................... Длительность импульса, мс ................................................................... Диаметр пятна на образце, мм...............................................................
Nd:YAG 1,064 1—50 200 0,2—7 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 Vск = 2,5 мм/с, f = 20 Гц, τ = 2 мс); на рис. 5 — зависимость угла изгиба титановой пластины от числа проходов (Vск = =2,5 мм/с, f = 20 Гц, τ = 3,5 мс).
α, …° α, …°
20
16 16
12 1
8
4
2
12 8 4
0 3 6 9 12 15 18 21 24 n
0 10 20 30 40 n
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 линей-
ным, что наиболее удобно при построении технологических процессов. В качестве материа-
лов 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 фиксиро-
вался, что связано с недостаточным температурным градиентом, возникающим при исследо-
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 2
Лазерная гибка тонколистовых деталей импульсным излучением
25
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.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
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.
Андрей Дмитриевич Кочетов Андрей Анатольевич Петров
Сведения об авторах — студент; Санкт-Петербургский государственный университет инфор-
мационных технологий, механики и оптики, кафедра лазерных технологий и экологического приборостроения; E-mail: user32-dll@mail.ru — канд. техн. наук, доцент; Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра лазерных технологий и экологического приборостроения; E-mail: petrovandrey79@inbox.ru
Рекомендована программным комитетом Конференции
Поступила в редакцию 08.09.10 г.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 2