Главная страница Случайная страница
КАТЕГОРИИ:
АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника
С о д е р ж а н и е
|
|
| Содержание занятия (указания и рекомендации по методике проведения) | Время (в мин.) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Вступительная часть: а) организация занятия: - проверить наличие студентов по докладу старосты; - проверить порядок в аудитории, убедиться в наличии конспектов, учебной литературы, наглядных пособий, ТСО, приборов и т.д. - проверить наличие журнала группы, правильность записи темы занятия, отметить отсутствующих, поставить свою подпись; - проверить качество отработки задания, данного студентам на самостоятельную работу; б) - показать актуальность темы и раскрыть основную идею ЛР; - довести целевую установку через основные положения ЛР, показать связь с предыдущими темами и теоретическими занятиями по теме; - описать обстановку, которой разрабатывалась теоретическая проблема и шла ее практическая реализация; - - вскрыть особенности практической работы студентов на ЛР. | До 10 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Основная часть - рассмотрение учебных вопросов:
1-й учебный вопрос: Краткие пояснения к работе
К достоинствам лазерного излучения относятся: способность проникать через прозрачные среды, например, стекло, бесконтактность нагрева, широкие возможности регулирования световой энергии, минимальное тепловое воздействие на соединяемые детали и т.д.
1.Устройство и конструктивные особенности установки " КВАНТ 15".
Специализированная сварочная установка " Квант 15" предназначена для шовной, точечной импульсной лазерной сварки, термообработки, и резки различных материалов излучением ОКГ. Установка состоит из рабочего стола и модулятора. На рабочем столе размещается лазерная головка, а в столе блок охлаждения. Модулятор выполнен в виде отдельной стойки.
1.1. Принцип работы установки
Лазерная сварка основана на явлении нагрева свариваемых деталей под воздействием светового излучения, вырабатываемого оптическим квантовым генератором (ОКГ). Оптический квантовый генератор вырабатывает мощный световой импульс, который поступает в оптический блок. Оптическая система установки (рис.1.1.), состоящая из окуляра 7 для наблюдения за местом сварки и объектива 6 для фокусировки излучения, фокусирует излучение, в пятно нагрева на поверхности деталей 3.
Плотность мощности излучения в пятне нагрева q, достаточно высока, для того чтобы вызвать плавление и испарение любых материалов.
1 — зеркала резонатора; 2 — активный элемент;
3 - свариваемые детали; 4 — зеркальный осветитель;
5 —импульсная лампа накачки; 6 —объектив для фокусировки излучения на свариваемые летали; 7 -окуляр для наблюдения
за местом сварки.
Рисунок 1. Оптическая схема лазерной сварочной установки
1.2. Конструктивные особенности оптической головки установки
«КВАНТ 15»
Лазерная головка вырабатывает мощный световой импульс в виде параллельного пучка лучей, который поступает в оптическую систему, фокусирующую излучение на поверхности свариваемых деталей в пятно
требуемого размера.
Конструкция лазерной головки установки «КВАНТ 15» представлена на рис.2.
Лазерная головка имеет основание 8, на котором установлены осветители 2, стойки 1 с зеркалами резонатора, оптическая система 4 с окуляром и с устройством для наблюдения за процессом сварки. Стойки снабжены винтами для юстировки и прижимными устройствами для крепления зеркал. Осветитель 2 представляет собой, герметичный корпус, закрытый крышками, в котором закреплены активный элемент, импульсная лампа и отражатель. Охлаждение осветителя осуществляется дистиллированной водой, поступающей от устройства охлаждения в трубки 3.
Фокусирующий объектив 6 крепится в нижней плоскости оптической головки 4. Узел визуального наблюдения 5 расположен в верхней части корпуса лазерной головки. В визуальном канале предусмотрено устройство, предохраняющее оператора от светового излучения с поверхности обрабатываемой детали.
В нижней части корпуса лазерной головки расположены направляющие 7 для крепления механизма перемещения свариваемых деталей.
Рисунок 2. Конструкция лазерной головки установки «Квант 15»
На рис. 3. представлена схема оптической системы лазерной головки. Резонатор лазера образован двумя сферическими зеркалами 1. Между зеркалами резонатору расположены два соосно установленных осветителя, состоящих из активного элемента 2, импульсной лампы накачки 3 и осветительной камеры 4 в виде стеклянного цилиндрического блока. Излучение проходит через линзы (14, 13, 5, 12) телескопической системы, позволяющие изменить расходимость луча. Зеркалом 7 излучение направляется на объектив 8, который фокусирует его на поверхность обрабатываемых деталей 10. Защитное стекло 9 предохраняет объектив от загрязнения продуктами взаимодействия излучений с материалом свариваемых деталей. Наводка излучения И визуальный контроль места сварки осуществляется встроенной оптической системой 6. Для освещения свариваемых деталей служит осветитель 11.
Рисунок 3 - Оптическая схема лазерной головки установки «Квант 15»
1.3. Основные технические данные и характеристики установки
" Квант 15":
- питание установки осуществляется от трехфазной четырех
проводной с нулевым проводом сети переменного тока
напряжением частоты 50Гц 220/380 В;
- максимально потребляемая энергетическая мощность более 12кВт;
-время непрерывной работы установки при энергии излучения не
превышающей 8Дж не более 4ч;
- максимальный уровень звукового давления не более 75Дб;
- частота повторения импульсов излучения 0, 1-10Гц;
- длительность импульсов излучения установки при
длительности, установленной на модуляторе
МТ-42М 1, 5; 2; 2, 5; 4мс, соответственно 2; 3; 4; 5мс;
- суточная наработка на установке не должна превышать
(при времени непрерывной работы 4ч и 1ч перерыва) 16ч;
- длина волны генерируемого света 1, 06мкм;
- диаметр и длина активного элемента 6, 3*100мм;
- источник оптической накачки 4НПЗ7180;
- диаметр фокального пятна 0, 3-1, 3мм;
- увеличение системы наблюдения, крат. при F=100 20;
- система охлаждения ОКГ принудительная дистиллированной водой;
- напряжение на накопителе 550 - 800 В;
- энергия импульса излучения при частоте 10Гц, ну менее 8Дж;
- скорость сварки сталей до 600мм/мин;
- габариты установки:
станок 100 960 1200мм;
модулятор 720 620 1900мм;
масса установки не более 815кг.
1.4.Описание работы установки
Сварка на установке " Квант 15" основана на явлении нагрева свариваемых деталей под воздействием светового излучения большой интенсивности, вырабатываемого оптическим квантовым генератором (ОКГ) в виде параллельного пучка света. Внешний вид установки представлен на рис.1.4. Оптическая система фокусирует излучение, вырабатываемое ОКГ, в пятно требуемого размера на поверхности деталей. Плотность мощности излучения, падающего на поверхность, достаточно высока, чтобы вызвать плавление материала деталей и их сварку.
1. Рабочий стол;
2. Лазерная головка (ОКГ);
3. Пульт управления;
4. Помпа;
5. Приспособление для перемещения;
6. Окуляр;
7. Объектив;
8. Оптический блок;
9. Механизм для перемещения;
10. Приспособление для сварки;
11. Блок питания (модулятор).
Рисунок 4. Лазерная установка " Квант 15"
Блок-схема установки представлена на рис.1.5. ОКГ вырабатывает мощный световой импульс в виде параллельного пучка лучей, который поступает в оптический блок, фокусирующий излучение на поверхности, обрабатываемой детали.
Рисунок 5 - Блок схема установки " КВАНТ 15"
Выпрямитель, источник тока и емкостной накопитель энергии служат для электропитания импульсной лампы оптической накачки ОКГ.
Для получения необходимой длительности импульса в разрядной цепи емкостного накопителя установлена катушка индуктивности. Блок поджига служит для подачи высоковольтного импульса, ионизирующего разряда емкостного накопителя через лампу накачки.
Блок охлаждения поддерживает нормальный тепловой режим работы ОКГ.
Для измерения импульса ОКГ служит измеритель энергии. Свариваемые детали устанавливаются в специальное приспособление, позволяющее производить сварку.
Блок СУМ-4 служит для управления источником питания ОКГ.
Область применения установки " Квант-15" определенна: выходной энергией ОКГ и ее стабильностью; диаметр светового пучка в фокусе объектива и его дефокусировки и т.д.
Технологические процессы, выполняемые на лазерной установке
" Квант-15" основаны на использовании теплового действия света на металл. При взаимодействии с металлами лазерное излучение частично отражается от поверхности, а частично поглощается им. Излучение в основном поглощается электронами проводимости, которые рассеивают поглощенную энергию на тепловых колебаниях кристаллической решетки. Этот процесс протекает в слое толщиной 10-6-10-5 мм. Поглощенная металлом энергия переходит в тепло и начинается процесс повышения температуры.
Процесс нагрева свариваемого металла излучением ОКГ главным образом зависит от выходной энергии ОКГ - Е, величина которой определяется энергией накопленной в емкостном накопители установки.
В лазерной установке " Квант-15" выходная энергия ОКГ задается напряжением накачки Uн, устанавливаемой на СУМ.
Лазерная установка " Квант-15" оснащается двумя объективами: короткофокусным с F=50мм; длиннофокусным с F=100мм.
Изменение диаметра пятна нагрева может также производиться за счет телескопической системы, что позволяет производить дефокусировку не изменяя положения свариваемых деталей в пространстве. В этом случае дефокусирование излучения ОКГ осуществляется изменением положения линз телескопической системы.
В общем случае основными технологическими параметрами режима ИЛС являются:
- выходная энергия Е, Дж, которая задаётся напряжением накачки батареи конденсаторов, Uн, В;
- дефокусировка излучения, Δ F, мм;
- диаметр сварной точки (пятно нагрева) dт, мм;
- перекрытие сварных точек, Р, %;
- фокусное расстояние объектива, F, мм;
- длительность импульса излучения, τ, с.
Параметры режима ИЛС: Е, Δ F, Р, выбирают по результатам исследований, а F и τ зависят от конструктивных особенностей лазерной установки.
3-й учебный вопрос: Практическое выполнение работы.
1.По описанию ознакомиться с устройством и техническими данными установки для сварки лазерным лучом " Квант-15".
2.Изучить принцип работы установки и нарисовать оптическую схему лазерной головки.
3. Экспериментально определить выходную энергию установки Е при различных напряжениях накачки Uн и составить графическую зависимость выходной энергии Е от напряжения накачки Uн, а также рассчитать удельную мощность q в пятне нагрева.
3 учебный вопрос
3.1.Определение зависимости выходной энергии установки Е от напряжения накачки Uн.
Оборудование и приборы:
1.Установка. " КВАНТ 15"
2.Прибор для измерения выходной энергии ИКТ-1Н.
Величина энергии изучения ОКГ зависит от типа лазера и его
конструктивных особенностей. В установке «Квант-15» энергии изучения в основном определяется напряжением заряда конденсаторной батареи –Uн.
В процессе эксплуатации лазерной установки происходит естественное старение электрических деталей и элементов оптической части (активного элемента, оптических зеркал, линз, и т.д.), а так же осаждение загрязненней на поверхности объектива, что может увеличивать потери энергии лазерного излучения. Поэтому систематически при проведении исследований необходимо производить измерения энергии излучении ОКГ в импульсе, с целью определения зависимости энергии излучения от напряжения накачки.
Измерение энергии в импульсе производить прибором ИКТ-1Н (измеритель калориметрический твердотельный). Величина погрешности измерения составляет не более 1%. Напряжение накачки измерять вольтметром, установленным на системе управления модулятором (СУМ), а его величину напряжения изменять лимбом на блоке управления. Произвести измерения энергии в импульсе Е для напряжений накачки
Uн = 500В, 550В, 600В, 650В, 700В и 750В.
Результаты исследований представить в виде графика (см. рис. 6.).
Рисунок 6 - Зависимость энергии излучения ОКГ – Е, от напряжения накачки Uн.
3.2. Определить удельную мощность q в пятне нагрева
Зная энергию излучения в импульсе Е подсчитать удельную мощность q в пятне нагрева Вт/см2 для объектива с фокусным расстоянием F = 60 мм. Расчеты производить для энергии в импульсе Е = 2, 4, 6 и 8 Дж.
Удельная мощность q в пятне нагрева рассчитывается по формуле
q = E/ τ . Sт Вт/см2, (1)
 где: Е - энергия излучения в импульсе, Дж;
τ - длительность импульса, с.; (при сварке τ = 0, 004с.)
Sт - площадь светового пятна в см2.
Площадь светового пятна Sт определить экспериментально.
Для этого пластины из нержавеющей стали размером 20х20х3мм. сварить единичными точками встык, направляя излучение по центру стыка (рис.1.7). Сварку производить на режиме:
- энергия излучения в импульсе Е = 2, 4, 6 и 8 Дж.;
- дефокусировка излучения, Δ F = 0;
- длительность импульса τ = 0, 004с.
Рисунок 7 - Схема сварки образцов
Исследовать под микроскопом МБС-9 качество сварных соединений и определить геометрические размеры расплавленной зоны - диаметры сварных точек – d т.
Результаты измерений занести в таблицу 1. и использовать для вычисления Sт - площади светового пятна, учитывая, что диаметр светового пятна приблизительно равен диаметру сварных точек.
Используя полученные данные произвести расчет удельной мощности q в пятне нагрева. Результаты расчета удельной мощности q также занести в таблицу 1.
Таблица 1 -Результаты расчета удельной мощности q в пятне нагрева
4.4.Экспериментально определить влияние основных параметров режима импульсной лазерной сварки (выходной энергии - Е и дефокусировки - Δ F) на геометрические размеры точечных сварных соединений (диаметр сварных точек - d т и глубину проплавления hт). Для этого пластины из нержавеющей стали размером 20х20х3мм. сварить единичными точками встык, направляя излучение по центру стыка (рис.7). Сварку производить на режиме: - энергия излучения в импульсе Е = 2, 5 и 8 Дж.; - дефокусировка излучения, Δ F = 0; 2; 3: 4мм; - длительность импульса τ = 0, 004с. Исследовать под микроскопом МБС-9 сварные соединения и Результаты измерений занести в таблицу 2.
Таблица 2 - Результаты экспериментального определения геометрических размеров точечных сварных соединений
Обобщить полученные результаты и сделать выводы. 4-й учебный вопрос: Составление отчета.
В отчёте необходимо привести следующие данные. 4.1. Цель и задачи работы. 4.2. Краткое описание принципа работы, конструкции и технических характеристик оборудования. 4.3. Описание методики проведения работы, 4.4. Результаты измерений, оформленные в виде таблиц и графиков. 4.5. Выводы по работе.
Заключительная часть: - подведение итогов занятия; - сформулировать степень достижения поставленных целей и задач; - оценить учебную деятельность студентов; - поставить задачи для самостоятельной работы (например, отчет по лабораторной работе) и разъяснить ее методику; - ответить на вопросы студентов. | До 340 До 10 |