Лазерные способы обработки деталей реферат

Лазерная обработка материалов

Автор: Пользователь скрыл имя, 11 Марта 2013 в 18:27, курсовая работа

Описание работы

Целью курсовой работы является рассмотрение теоретических основ лазерной обработки материалов, а именно понятие и классификация лазеров, область их применения.
Изобретение лазеров стоит в одном ряду с наиболее выдающимися достижениями науки и техники XX века. Первый лазер появился в 1960 году, и с тех пор происходит бурное развитие лазерной техники. В короткое время были созданы разнообразные типы лазеров и лазерных устройств, предназначенных для решения конкретных научных и технических задач.

Работа содержит 1 файл

3.Пояснительная записка.doc

– высокой спектральной плотностью энергии;

– высокой временной и пространственной когерентностью;

– высокой стабильностью интенсивности лазерного излучения в стационарном режиме;

– возможностью генерации очень коротких световых импульсов.

Эти особые свойства лазерного излучения обеспечивают ему разнообразнейшие применения. Они определяются главным образом принципиально отличным от обычных источников света процессом генерации излучения за счет вынужденного излучения [8].

1.4 Классификация лазеров

В настоящее время имеется громадное разнообразие лазеров, отличающихся между собой активными средами, мощностями, режимами работы и другими характеристиками. Целесообразно использовать классификацию по активному элементу. Это наиболее распространенный вариант деления существующих лазеров, поэтому будем использовать именно его.

Газовые лазеры – лазеры, активной средой которых является смесь газов и паров. Отличаются высокой мощностью, монохроматичностью, а также узкой направленностью излучения. Работают в непрерывном и импульсном режимах (рисунок 1.4.1.). В зависимости от системы накачки газовые лазеры разделяют на газоразрядные лазеры, газовые лазеры с оптическим возбуждением и возбуждением заряженными частицами, газодинамические и химические лазеры. По типу лазерных переходов различают газовые лазеры на атомных переходах, ионные лазеры, молекулярные лазеры на электронных, колебательных и вращательных переходах молекул и эксимерные лазеры [9].

Рис. 1.4.1. Схема газового лазера

Из-за наименьшей расходимости луча CО2-лазеры являются самыми универсальными, так как позволяют располагать источник излучения вдали от зоны обработки без снижения качества лазерного луча. Эти лазеры используются в основном для резки и гравировки [3]. Активной средой в нем является углекислый газ. Добавлена система охлаждения, т.к. у этого лазера большая мощность излучения, что приводит к значительному нагреву (рисунок 1.4.2.).

Рис. 1.4.2. СО2-лазер

длина волны – 530 нм (10,6 мкм);

мощность – 100 Вт.

Помимо рассмотренных выше газовых смесей в качестве активных сред могут применяться следующие газы: чистый неон ,криптон, ксенон, аргон и др.

– Твердотельные лазеры в качестве активного элемента используют твердое тело (рисунок 1.4.3.). Первый такой лазер был выполнен на рубиновом стержне. Можно использовать также неодимовое стекло, алюмоиттриевый гранат и т.д. [7]. Накачка оптическая и от полупроводниковых лазеров, осуществляется по трех- или четырехуровневой схеме. Современные твердотельные лазеры способны работать в импульсном, непрерывном и квазинепрерывном режимах [10].

Рис. 1.4.3. Схема твердотельного лазера.

Твердотельные лазеры имеют большую расходимость луча и менее универсальны, чем газовые, но в импульсном режиме хорошо гравируют и режут металлы. Плохо обрабатывают неметаллические материалы, так как некоторые виды таких материалов являются либо полностью, либо частично прозрачными для лазерного излучения. Излучение более чувствительно к неровной поверхности материала, поэтому часто станки на основе твердотельного лазера комплектуются небольшими столами [3].

Для твердотельных лазеров существует два типа накачки: оптическая (при помощи высокоинтенсивных газоразрядных ламп); при помощи дополнительного лазера.

На практике широкое применение получил лазер на алюмоиттриевом гранате, активированным ионами неодима (рисунок 1.4.4.)

Рис.1.4.4. Лазер на алюмоиттриевом гранате

Характеристики лазера на алюмоиттриевом гранате:

мощность — 5 кВт (но используют 500 Вт);

длина волны — 1,06 мкм (или 530 нм на частоте второй гармоники).

Данный лазер обладает приемлемыми характеристиками, он давно выпускается, имеет хорошую мощность, поэтому нашел свое применение в промышленности для решения задач обработки металлов, резки и сварки.

– Полупроводниковые лазеры – представляет из себя твердотельную активную среду, полученную путем соединения двух разнородных проводников p и n — типа. Состоит из микрохолодильника, контактной пластины и полупроводникового кристалла. На нижнюю грань прикладывается «минус», а к верхней подводится «плюс» (рисунок 1.4.5.) [7].

Рис.1.4.5. Схема полупроводникового лазера

Излучающая область лазера исключительно мала – порядка 10-11 см. Наиболее распространенным материалом для этих лазеров служит арсенид галлия GaAs [3].

Полупроводниковые лазеры характеризуются очень высоким КПД преобразования электрической энергии в когерентное излучение (близким к 100%) и могут работать в непрерывном режиме; высокой эффективностью преобразования электрической энергии в энергию когерентного излучения (до 30 – 50%); малой инерционностью, обуславливающая широкую полосу частот прямой модуляции (более 109 Ггц); простотой конструкцией; возможностью перестройки длины волны излучения и наличие большого числа полупроводников, непрерывно перекрывающих интервал длин волн от 0,32 до 32 мкм [2].

Полупроводниковые лазеры применяются в быту, спектроскопии, в системах накачки других лазеров, а также в медицине. На сегодняшний день полупроводниковые лазеры являются самыми популярными и востребованными. Это связано с их малыми размерами и энергопотреблением (рисунок 1.4.6.)

Рис. 1.4.6. Полупроводниковые лазеры

– Жидкостные лазеры работают на растворах органических красителей и на неорганических жидкостях. Они способны перестраивать длину волны излучения в широких пределах и могут работать как в непрерывном, так и в импульсном режиме.

Конструкция жидкостного лазера состоит из активного элемента в виде колбы с жидким диэлектриком с примесными рабочими атомами. По характеристикам этот активный элемент очень похож на твердотельный. Жидкое вещество помещается в резонатор со сферическими зеркалами. Для накачки используется твердотельный лазер, расположенный рядом (рисунок 1.4.7.) [5].

Рис. 1.4.7. Схема жидкостного лазера

Жидкостные лазеры на неорганических жидкостях и органических красителях находятся в стадии экспериментальных исследований. По энергетическим характеристикам они близки к твердотельным. Эти лазеры обеспечивают узкий спектр излучения и легко перестраиваются по частоте. Вследствие высокой оптической однородности жидкой активной среды угловая расходимость излучения у них меньше, чем у твердотельных, КПД жидкостных лазеров от 20 до 70 % [11]. Для жидкостного лазера нет необходимости изготавливать стекла высокого качества или тщательно выращивать кристаллы; нет проблем осуществить охлаждение, т.к. жидкость просто перегоняется и тем самым охлаждается (рисунок 1.4.8.). На сегодняшний день жидкостные лазеры не получили широкого использования [7].

Рис 1.4.8. Жидкостный лазер на красителях. Справа – насос,

прокачивающий жидкость через холодильник

2. ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ЛАЗЕРОВ

Уникальные свойства лазерного луча, многообразие конструкций современных лазеров и устройств на их основе обуславливают широкое применение лазерных технологий в различных областях человеческой деятельности: промышленности, науке, технике, медицине и быту. Появление лазеров и внедрение их во многие отрасли промышленности и науки произвело в этих отраслях в буквальном смысле революцию. Благодаря этому стало возможным развитие новых более эффективных технологий, повышение производительности труда, точности измерений и качества обработки материалов. Рассмотрим здесь лишь наиболее важные области применения лазерной техники.

2.1 Применение лазеров в промышленности

Сразу же после появления лазеров и начала исследования взаимодействия лазерного луча с различными материалами стало ясно, что этот инструмент может найти широкое применение в разнообразных промышленных технологических процессах [12].

Лазеры используются для резки, сварки и пайки деталей из различных материалов. Высокая температура излучения позволяет сваривать материалы, которые невозможно сварить обычными способами (керамику и металл). Луч лазера может быть сфокусирован в точку диаметром порядка микрона, что позволяет использовать его в микроэлектронике (так называемое лазерное скрайбирование). Лазеры используются для получения поверхностных покрытий материалов (лазерное легирование, лазерная наплавка, вакуумно-лазерное напыление) с целью повышения их износостойкости. Широкое применение получила также лазерная маркировка промышленных образцов и гравировка изделий из различных материалов. При лазерной обработке материалов на них не оказывается механическое воздействие, поэтому возникают лишь незначительные деформации. Кроме того весь технологический процесс может быть полностью автоматизирован. Поэтому лазерная обработка характеризуется высокой точностью и производительностью.

2.2 Применение лазеров в медицине

С появлением промышленных лазеров наступила новая эра в хирургии. При этом пригодился опыт специалистов по лазерной обработке металла. Приваривание лазером отслоившейся сетчатки глаза – это точечная контактная сварка; лазерный скальпель – автогенная резка; сваривание костей – стыковая сварка плавлением; соединение мышечной ткани – тоже контактная сварка.

Для осуществления нового метода в хирургии профессор О. И. Скобелкин и его соавторы предложили при сварке тканей слегка их сдавливать, чтобы вытеснить кровь. Для этого способа был создан целый набор инструментов, который применяется сегодня в желудочно-кишечной хирургии, при операциях на желчных путях, селезенке, печени, легких.

Также широкое применение лазеры получили во многих областях медицины.

– Косметическая хирургия – лазерная эпиляция, лечение сосудистых и пигментных дефектов кожи, лазерный пилинг, удаление татуировок и пигментных пятен; Установка КОСМЕТИК-2 (рисунок 2.2.1.) представляет собой лазер на АИГ:Nd с модуляцией добротности и удвоением частоты излучения.

Рис. 2.2.1. Установка КОСМЕТИК-2

Характеристики АИГ:Nd лазера:

Длина волны: 1064, 532 нм;

Энергия импульса: 1064 нм – 0,8Дж;

Плотность энергии: 1064 нм – 8 Дж/cм2 при Ø 4.0 мм;

532 нм – 5 Дж/cм2 при Ø 3.0 мм;

Длительность импульса: 8 нс;

Частота повторения: 10 Гц;

Размер пятна: 1064 нм – 3,5,7 мм;

Охлаждение: замкнутый водянной контур со сбросом тепла в воздух;

Питание: 220/240В, 1 кВт одна фаза;

Оптическая система: призменная;

Установка контролируется микропроцессором.

– Стоматология – высокоэффективный современный метод лечения заболеваний слизистой оболочки рта и пародонта.

Особенности лазерной стоматологии. Лазер не затрагивает ткани зуба, а выпаривает воду, в них содержащуюся. При этом гибнут бактерии, уплотняется зубная эмаль. Лазер не действует на здоровые ткани, работает очень деликатно, не вибрирует и не шумит, не нагревается и не обжигает. После проведения лечебной процедуры пациенты не испытывают боли, неприятного онемения, которое появляется при применении анестетиков. Обычное состояние дискомфорта, которое возникает после проведения операции, им незнакомо. Лазер также способствует регенерациии тканей.

Лазерная стоматология универсальна и применяется при любых вмешательствах: болезней дёсен, отбеливании зубов, при протезировании и установке брекетов, а также при вживлении имплантатов.

Положительные стороны использования лазера в стоматологии:

1. стоматолог проводит операции с максимальной точностью;
2. нет необходимости применять наркоз или иную анестезию;
3. практически полностью отсутствует кровотечение;

1. нет неприятных ощущений, которые появляются при нагревании и шуме бормашины.

– Офтальмология (отслоение сетчатки; катаракта – заболевание, связанное с помутнением хрусталика глаза и вызывающее различные степени расстройства зрения; лазерная коррекция зрения – исправление нарушений рефракции глаз человека путем изменения кривизны наружной поверхности роговицы) (рис. 2.2.2.).

Рис. 2.2.2. Лазерный офтальмологический аппарат

Длина волны излучения: 1079 нм

Энергия импульса: 0,5. 10 мДж

Угол сходимости: 15°, 20°

Минимальный диаметр фокального пятна: 20 мкм

Длительность импульса: 5. 8 нс

Режим работы: Одиночные импульсы или пачки из двух импульсов

Лазерный офтальмологический аппарат представляет собой фотодеструктор, предназначенный для проведения микрохирургических операций на переднем отделе глаза и капсуле хрусталика сфокусированным лучом импульсного неодимого лазера, работающего в режиме модуляции добротности.

Источник

Лазерная обработка металлов

Теория лазерной обработки. Обработка материалов лазерным лучом. Лазерная сварка и резка. Физико-химические процессы, проходящие в металле. Потенциальная опасность лазеров. Классификация основных средств защиты. Интегральная оценка тяжести труда.

Рубрика	Производство и технологии
Вид	курсовая работа
Язык	русский
Дата добавления	15.01.2015
Размер файла	232,3 K

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Лазер является одним из наиболее интересных научно-технических достижений XX века. Создание лазеров привело ко второму рождению научной и технической оптики и развитию совершенно новых отраслей промышленности.

Лазеры находят разнообразное применение в технологии обработки материалов, становятся частью многих специализированных информационных систем, используются в научных исследованиях, медицине, военной технике. В обозримом будущем лазерные технология, связь, химия и энергетика должны привести к революционным преобразованиям в этих областях.

Обработка металлов лазером — самый технологичный и выгодный способ раскроя практически любого типа материала. В отличие от других технологий раскроя лазерная резка практически не наносит ущерба металлу, так что в большинстве случаев он не требует дальнейшей обработки.

По сравнению, с механической резкой, обработка металлов лазером позволяет значительно сэкономить на металле, уходящем в отвал. Специальные программы в составе программного обеспечения лазерного станка подскажут резчику наиболее экономичный способ изготовления продукции их заготовок.

Следует отметить, что обработка металла лазером применяется не только в машиностроении или станкостроении, строительстве и других сферах промышленности. Лазер используется и для изготовления декоративных элементов и хрупких деталей, использующихся для украшения зданий, сооружений и даже внутренних помещений.

В данной курсовой работе будет подробно рассмотрен такой технологический процесс, как лазерная обработка металлов, изучены его особенности и основные классификации, определены источники возможных опасных и вредных производственных факторов.

1. АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА. УСЛОВИЯ ОБРАЗОВАНИЯ ОПАСНЫХ И ВРЕДНЫХ ФАКТОРОВ

1.1 Теория лазерной обработки

Лазер — источник электромагнитного излучения, видимого инфракрасного и ультрафиолетового диапазонов, основанный на вынужденном излучении атомов и молекул. Слово «лазер» составлено из начальных букв слов английской фразы «Light amplification by stimylated Emission of Radiation» — что означает «усиление света в результате вынужденного излучения».

Вынужденное излучение происходит при столкновении кванта с электроном, находящимся на верхнем энергетическом уровне и отдающим квант энергии при переходе на нижний уровень. Усиление света получается за счет того, что первый квант, т. е. квант-возбудитель, после столкновения с атомом не исчезает, а сохраняется и дальше летит вместе с вновь рожденным квантом. Затем каждый из этих двух квантов сталкивается с одним атомом, а потом с восьмью, шестнадцатью и т. д., пока не кончится их путь в активном веществе. Так что, чем длиннее будет этот путь, тем более мощную лавину квантов, т. е. более мощный луч света, вызывает первый квант. А так как первоначальный импульс света заключает в себе не 1 квант, а множество, то и лавина квантов становится мощной. Поэтому в твердотельных лазерах активное вещество используется в виде узких длинных призм, цилиндров, т. е. в виде стержней, длина которых примерно в 10 раз больше толщины.

В генераторе имеется система зеркал. Зеркала представляют собой не что иное, как торцы стержня, покрытые серебром. Торцы шлифуются строго параллельно друг другу и перпендикулярно оси цилиндра. Причем один покрывается серебром плотно, так, чтобы свет полностью отражался от него, а другой серебрится тонким слоем с таким расчетом, чтобы он отражал 90 % квантов, а 10 % пропускал.

Зеркала необходимы для того, чтобы делать луч лазера направленным, а главным образом для многократного усиления первичной лавины квантов, летящих вдоль оси стержня активного вещества. Первичная лавина, пролетевшая стержень до конца, еще очень слаба для того, чтобы стать мощным потоком света. И ее отбрасывает назад зеркало на торце стержня. Зеркало со стопроцентным отражением света. Лавина квантов мчится обратно гигантскими скачками, набираясь новых сил. Нарастание мощности выходного пучка света происходит так быстро, что практически незаметно.

В качестве активного вещества в твердотельных лазерах используют кристаллические или аморфные диэлектрики, т. е. вещества, не пропускающие электрический ток. Наиболее распространенным материалом рабочих тел лазеров является синтетический рубин — кристаллическая окись алюминия, в которой часть атомов алюминия заменена на атомы хрома. Эти атомы хрома и являются рабочими телами, которые «накачиваются» энергией, а затем отдают ее, усиливая световой поток.

Во время мощных вспышек, а тем более во время непрерывной работы лазера, стержень активного вещества сильно нагревается и его приходится охлаждать. Для этого стержень заключают в кожух, через который циркулирует охлаждающая среда. Рубиновый лазер обычно охлаждается жидким азотом, температура которого равна — 196 °С.

Основным источником энергии, обеспечивающим процесс обработки, является оптический квантовый генератор (лазер). Лазерное излучение формируется оптической системой в пучок с определенными пространственными характеристиками и направляется на обрабатываемый объект. При помощи оптической системы могут осуществляться также визуальный контроль положения обрабатываемого объекта относительно луча, наблюдение за ходом процесса обработки и оценка его результата.

Рисунок 1. Типовая структурная схема лазерной установки с твердотельным лазером

1 — зарядное устройство; 2 — ёмкостный накопитель; 3 — система управления; 4 — блок поджига; 5 — лазерная головка; 6 — система охлаждения; 7 — система стабилизации энергии излучения; 8 — датчик энергии излучения; 9 — оптическая система; 10 — сфокусированный луч лазера; 11 — обрабатываемая заготовка; 12 — координатный стол; 13 — система программного управления.

Основным элементом оборудования является технологический лазер, отличающийся надежностью и простотой эксплуатации в жестких условиях производства, а также имеющий высокий ресурс работы и воспроизводимость параметров излучения.

1.2 Обработка материалов лазерным лучом

а — плавление металла под действием лазерного излучения; б — интенсивное испарение металла; в — образование плазмы

Рисунок 2. Воздействие лазерного излучения

Направим на поверхность какого-то материала, например металла, луч мощного лазера. Вообразим, что интенсивность излучения постепенно растет (за счет увеличения мощности лазера или за счет фокусирования излучения). Когда интенсивность излучения достигнет необходимого значения, начнется плавление металла. Вблизи поверхности, непосредственно под световым пятном, возникает область жидкого (расплавленного) металла. Поверхность, отграничивающая эту область от твердого металла (ее называют поверхностью расплава), постепенно перемещается в глубину материала по мере поглощения им световой энергии. При этом площадь поверхности расплава увеличивается и, следовательно, теплота начинает более интенсивно проникать в глубину материала за счет теплопроводности. В результате устанавливается поверхность расплава (рисунок 2, а). При повышении интенсивности лазерного излучения одновременно с плавлением будет происходить интенсивное испарение (кипение) материала. Часть вещества превратится в пар, вследствие чего на поверхности металла возникает лунка, начинается процесс формирования отверстия (рисунок 2, б).

Когда интенсивность излучения достигнет максимума, свет начнет сильно ионизовать пары вещества, превращая их в плазму. Возникнув, плазма преградит дальнейший доступ лазерного излучения к поверхности материала — ведь свет интенсивно поглощается плазмой (рисунок 2, в).

1.3 Лазерная резка

Разработка мощных и надежных лазеров на алюминий-иттриевом гранате и СО2, работающих в непрерывном и импульсном режимах, позволила осуществлять технологическую операцию лазерного разделения материалов, , которой присущи следующие особенности: обширный диапазон разделяемых материалов; возможность получения узких разрезов и безотходного разделения; малая зона термического влияния; минимальное механическое воздействие, оказываемое на разделяемый материал; возможность автоматизации процесса; возможность резки по заданному профилю; улучшение гигиены производства.

Оно может быть осуществлено либо при полном удалении материала по линии разреза, либо при частичном удалении материала, например, при образовании системы отверстий малого диаметра в разрезаемой пластине по линии разделения с последующим разломом. Последний метод разделения называется скрайбированием.

1.4 Лазерная сварка

Лазерная сварка может быть точечной и шовной. В большинстве случаев применяют импульсные лазеры, обеспечивающие наименьшую зону термического влияния. С помощью лазерной сварки можно получать высококачественные соединения деталей из коррозионно-стойкой стали, никеля, молибдена и др. Высокая мощность лазерного излучения позволяет сваривать материалы с высокой теплопроводностью (медь, серебро). Для материалов, плохо поддающихся сварке другими методами (вольфрам с алюминием, медь со сталью, бериллиевая бронза с другими сплавами), применяют лазерный метод. Плотность потока излучения на поверхности свариваемых деталей в зависимости от их материала может быть 0,1. 1 МВт/см2.

Наиболее эффективно применять лазеры для сварки конструкций в труднодоступных местах, при соединении легкодеформируемых деталей, в условиях интенсивного теплоотвода (например, для материалов с высокой теплопроводностью, при низких температурах и т. д.), а также в тех случаях, когда надо обеспечить минимальную зону термического влияния.

При применении лазерной сварки прочность сварных соединений (ширина шва составляет несколько миллиметров) достигает уровня прочности свариваемого материала. Осуществляется автоматическая лазерная сварка кузовов автомобилей, сварка листов титана и алюминия на судостроительных верфях, сварка газопроводов.

Лазерная сварка успешно конкурирует с хорошо известными способами сварки. Она обладает рядом преимуществ, которые делают ее во многих случаях предпочтительной или даже единственно возможной. При лазерной сварке нет контакта со свариваемым образцом, а поэтому нет опасности его загрязнения какими-либо примесями. В отличие от электронной сварки, для которой нужен вакуум, лазерная сварка производится в атмосфере. Лазерная сварка позволяет осуществлять быстро и с высокой точностью локальное проплавление в данной точке или вдоль заданной линии. Подвергающаяся тепловому воздействию зона имеет очень малые размеры, что важно, в частности, в тех случаях, когда сварка производится в непосредственной близости от чувствительных к нагреву элементов.

При направлении лазерного луча на поверхность металла тонкий поверхностный слой быстро нагревается. По мере перемещения луча на другие участки поверхности происходит быстрое остывание нагретого участка. Так производят закалку поверхностных слоев, приводящую к существенному повышению их прочности. Лазерная закалка позволяет избирательно увеличивать прочность именно тех участков поверхности, именно тех деталей, которые в наибольшей мере подвергаются износу. Так, лазерную закалку применяют в автомобильной промышленности для упрочнения головок цилиндров двигателей, направляющих клапанов, шестерен, распределительных валов и т. д.

Для повышения твердости поверхности применяют также лазерное легирование. Легирующие присадки в виде порошка предварительно наносят на обрабатываемую поверхность. При облучении лазером поверхности заготовки происходит плавление и взаимное перемешивание порошка и материала заготовки в пределах тонкого поверхностного слоя.

Термообработку обычно производят непрерывно генерирующим лазером на СО2.

Поверхностное упрочнение металлов производят ударными волнами при использовании лазеров, генерирующих последовательности импульсов. У поверхности металла образуется слой плазмы. Плазма распространяется навстречу лазерному лучу, в результате чего рождается ударная волна. Поскольку луч представляет собой последовательность импульсов, возникает последовательность ударных волн. Воздействие волн на металлическую деталь оказывает в данном случае такое влияние, как при холодной обработке металла давлением. Лазерная термообработка позволяет повысить твердость материала на 20—30 % по сравнению с традиционными методами упрочнения и в несколько раз износостойкость.

1.6 Классификация лазеров

Классификация лазеров производиться с учетом как типа активной среды, так и способа ее возбуждения (способа накачки). По способу накачки следует, прежде всего, выделить два способа — оптическую накачку и накачку с использованием самостоятельного электрического разряда. Оптическая накачка имеет универсальный характер. Она применяется для возбуждения самых различных активных сред — диэлектрических кристаллов, стекол, полупроводников, жидкостей, газовых смесей. Оптическое возбуждение может использоваться так же как составной элемент некоторых других способов накачки. Накачка с использованием самостоятельного электрического разряда применяется в разряженных газообразных активных средах — при давлении 1. 10 мм рт.ст.

Классификация лазеров по активной среде и области применения:

1) Твердотельные лазеры:

a) алюмо-иттриевые твердотельные лазеры с неодимовым легированием — инфракрасные лазеры большой мощности, используемые для точной резки, сварки и маркировки изделий из металлов и других материалов;

b) кристаллические лазеры с иттербиевым легированием или на основе иттербиевого стекловолокна; обычно работают в диапазоне 1020—1050 нм; потенциально самые высокоэффективные благодаря малому квантовому дефекту. Волоконные лазеры с иттербиевым легированием обладают рекордной непрерывной мощностью среди твердотельных лазеров (десятки киловатт);

c) алюмо-иттриевые с эрбиевым легированием, 1645 нм;

d) алюмо-иттриевые с тулиевым легированием, 2015 нм;

e) алюмо-иттриевые с гольмиевым легированием, 2096 нм, излучение поглощается влажными материалами толщиной менее 1 мм. Обычно работает в импульсном режиме и используется в медицине;

f) титан-сапфировые лазеры — хорошо перестраиваемый по длине волны инфракарасный лазер, используемый для генерации сверхкоротких импульсов и в спектроскопии;

g) лазеры на эрбиевом стекле, изготавливаются из специального оптоволокна и используются как усилители в оптических линиях связи;

h) микрочиповые лазеры — компактные интегрированные импульсные твердотельные лазеры, наиболее широко используются в сверхъярких лазерных указках.

2) Газовые лазеры:

a) гелий-неоновые лазеры (HeNe) (543 нм, 632,8 нм, 1,15 нм, 3,39 нм);

b) аргоновые лазеры (458 нм, 488 нм или 514,5 нм);

c) лазеры на углекислом газе (9,6 мкм и 10,6 мкм) используются в промышленности для резки и сварки материалов, имеют мощность до 100 кВт;

d) лазеры на монооксиде углерода. Требуют дополнительного охлаждения, однако имеют большую мощность — до 500 кВт;

e) эксимерные газовые лазеры, дающие ультрафиолетовое излучение. Используются при производстве микросхем(фотолитография) и в установках коррекции зрения.

3) Полупроводниковые лазерные диоды.

Самый распространенный тип лазеров: используются в лазерных указках, лазерных принтерах, телекоммуникациях и оптических носителях информации(CD/DVD). Мощные лазерные диоды используются для накачки современных твердотельных лазеров.

4) Лазеры с квантовым каскадом на спирте или этиленгликоле.

Позволяют осуществлять перестройку длины волны излучения в диапазоне от 350 нм до 850 нм (в зависимости от типа красителя). Применение — спектроскопия, медицина (в т.ч. фотодинамическая терапия), фотохимия высокоэнергетических импульсов.

1.7 Физико-химические процессы, проходящие в металле

Металл представляет собой трехмерную решетку из положительных ионов, которая погружена в газ электронов проводимости, связанных с ионной решеткой силами электростатического притяжения.

В видимом и инфракрасном диапазонах частот все излучение, которое не отражается от металла, поглощается им в весьма тонком поверхностном скин-слое (толщиной 10-5. 10-6 см) на электронах проводимости. Это позволяет упростить описание и рассматривать лишь два процесса: отражение и поглощение, пренебрегая процессом распространения излучения в металле.

Для жидких и твёрдых тел поведение электронов, определяющих оптические свойства атома, резко меняются под действием полей соседних атомов. Поглощение твёрдых тел характеризуется, как правило, очень широкими областями (сотни и тысячи нм); качественно это объясняется тем, что в конденсированных средах сильное взаимодействие между частицами приводит к быстрой передаче энергии, отданной светом одной из них всему коллективу частиц.

Поглощенная энергия распространяется в веществе за счет различных механизмов теплопроводности. Для металлов основной является электронная теплопроводность.

2. АНАЛИЗ РЕАЛИЗАЦИИ ИССЛЕДУЕМОЙ ТЕХНОЛОГИИ НА ВЫБРАННОМ ПРОИЗВОДСТВЕННОМ УЧАСТКЕ

2.1 Потенциальная опасность лазеров

Видимое, а также ближнее инфракрасное и ультрафиолетовое лазерное излучение представляет из себя существенную опасность для глаз, так как это излучение хорошо фокусируется хрусталиком на сетчатке глаза. В то же время бытовые лазерные приборы имеют малую ширину пучка (порядка 3-5 мм), что обеспечивает высокую поверхностную плотность энергии в поперечном сечении луча. Именно высокая плотность энергии и может вызвать ожоги и другие повреждения.

На значительном расстоянии лазерный луч также может представлять опасность, ввиду того, что расходимость сравнима с дифракционной расходимостью при заданной апертуре. Поэтому высокая плотность энергии сохраняется на значительном расстоянии.

Лабораторные лазерные установки могут иметь среднюю мощность, доходящую до десятков и сотен ватт. При работе с такими установками требуется строжайшее соблюдение техники безопасности и специальная подготовка персонала.

Лазеры, излучающие вне видимого диапазона, представляют особую опасность в связи с тем, что человеческий глаз неспособен определить местоположение луча. При попадании в глаз такой луч будет замечен лишь тогда, когда поражение глаза уже наступило. Однако лазеры с достаточно большой длиной волны излучения (1,5 мкм) не проходят через внешние оболочки глаза и при малой мощности опасности не представляют. В этом случае поражение глаз возможно только при мощности, достаточной для разрушения роговицы глаза. Также многие виды излучения свободно проходят препятствия из оптически непрозрачных материалов (излучение на частотах 1-50ТГц проходит через лавсановую пластинку, в то время как для оптического и ИК излучения она является непрозрачной).

Существует мнение, что лазеры терагерцового диапазона излучения способны разрушать спираль ДНК, что может приводить к мутациям клеток.

2.2 Классификация и средства защиты

Лазеры являются устройствами, представляющими повышенную опасность. Хотя существуют несколько факторов риска, связанных с лазерными установками, под лазерной безопасностью понимают способы защиты от факторов, связанных непосредственно с лазерным излучением.

Даже лазеры самой малой мощности (несколько милливатт) могут представлять опасность для зрения. При попадании в глаз луч лазера фокусируется в пятно очень малых размеров, что может за доли секунды привести к ожогам сетчатки глаза, частичной или полной необратимой потере зрения. Лазеры большей мощности способны вызывать поражения глаз даже рассеянным излучением. Прямое, а в некоторых случаях и рассеянное излучение такого лазера способно вызывать ожоги кожи (вплоть до полного разрушения) и представляет пожарную опасность.

По степени опасности генерируемого излучения для обслуживающего персонала лазеры подразделяются на четыре класса:

· Класс 1. Лазерные изделия безопасные при предполагаемых условиях эксплуатации (выходное излучение не опасно для глаз).

· Класс 2. Лазерные изделия, генерирующие видимое излучение в диапазоне длин волн от 400 до 700 нм. Защита глаз обеспечивается естественными реакциями, включая рефлекс мигания.

· Класс 3. Опасно для глаз прямое, зеркальное, а также диффузно отраженное излучение на расстоянии 10 см от отражающей поверхности и (или) для кожи прямое или зеркально отраженное излучение. Класс 3А. Лазерные изделия безопасные для наблюдения незащищенным глазом. Для лазерных изделий, генерирующих излучение в диапазоне длин волн от 400 до 700 нм, защита обеспечивается естественными реакциями, включая рефлекс мигания. Для других длин волн опасность для незащищенного глаза не больше чем для класса 1. Непосредственное наблюдение пучка, испускаемого лазерными изделиями класса 3А с помощью оптических инструментов (например, бинокль, телескоп, микроскоп), может быть опасным. Класс 3В. Непосредственно наблюдение таких лазерных изделий всегда опасно. Видимое рассеянное излучение обычно безопасно.

Примечание — Условия безопасного наблюдения диффузного отражения для лазерных изделий класса 3В в видимой области: минимальное расстояние для наблюдения между глазом и экраном — 13 см, максимальное время наблюдения — 10 с.

· Класс 4. Лазерные изделия, создающие опасное рассеянное излучение. Они могут вызвать поражение кожи, а также создать опасность пожара. При их использовании следует соблюдать особую осторожность.

Эта градация определена ГОСТ Р 50723-94 «Лазерная безопасность. Общие требования безопасности при разработке и эксплуатации лазерных изделий».

В качестве ведущих критериев при оценке степени опасности генерируемого лазерного излучения приняты величина мощности (энергии), длина волны, длительность импульса и экспозиция облучения.

Предельно допустимые уровни, требования к устройству, размещению и безопасной эксплуатации лазеров регламентированы «Санитарными нормами и правилами устройства и эксплуатации лазеров» № 2392-81, которые позволяют разрабатывать мероприятия по обеспечению безопасных условий труда при работе с лазерами. Санитарные нормы и правила позволяют определить величины ПДУ для каждого режима работы, участка оптического диапазона по специальным формулам и таблицам. Нормируется энергетическая экспозиция облучаемых тканей. Для лазерного излучения видимой области спектра для глаз учитывается также и угловой размер источника излучения.

Предельно допустимые уровни облучения дифференцированы с учетом режима работы лазеров:

Основными нормативными правовыми актами при оценке условий труда с оптическими квантовыми генераторами являются:

1. «Санитарные нормы и правила устройства и эксплуатации лазеров» № 2392-81;

2. Методические рекомендации «Гигиена труда при работе с лазерами», утвержденные МЗ РСФСР 27.04.81 г.;

3. ГОСТ 24713-81 «Методы измерений параметров лазерного излучения»;

4. Классификация: ГОСТ 24714-81 «Лазеры. Методы измерения параметров излучения»;

5. Общие положения: ГОСТ 12.1.040-83 «Лазерная безопасность. Общие положения»;

6. ГОСТ 12.1.031-81 «Лазеры. Методы дозиметрического контроля лазерного излучения».

Предупреждение поражений лазерным излучением включает систему мер инженерно-технического, планировочного, организационного, санитарно-гигиенического характера.

При использовании лазеров 2-3 классов в целях исключения облучения персонала необходимо либо ограждение лазерной зоны, либо экранирование пучка излучения. Экраны и ограждения должны изготавливаться из материалов с наименьшим коэффициентом отражения, быть огнестойкими и не выделять токсических веществ при воздействии на них лазерного излучения.

Лазеры 4 класса опасности размещаются в отдельных изолированных помещениях и обеспечиваются дистанционным управлением их работой.

При размещении в одном помещении нескольких лазеров следует исключить возможность взаимного облучения операторов, работающих на различных установках.

Не допускаются в помещения, где размещены лазеры, лица, не имеющие отношения к их эксплуатации. Запрещается визуальная юстировка лазеров без средств защиты.

Для удаления возможных токсических газов, паров и пыли оборудуется приточно-вытяжная вентиляция с механическим побуждением. Для защиты от шума принимаются соответствующие меры звукоизоляции установок, звукопоглощения и др.

К индивидуальным средствам защиты, обеспечивающим безопасные условия труда при работе с лазерами, относятся специальные очки, щитки, маски, обеспечивающие снижение облучения глаз до ПДУ. Средства индивидуальной защиты применяются только в том случае, когда коллективные средства защиты не позволяют обеспечить требования санитарных правил.

2.3 Интегральная оценка тяжести труда

Расчет интегральной оценки тяжести и напряженности труда производят по формуле:

T = [ Xmax + ((6-Xmax) ? 6•(N-1)) • ?Xi ]

T = [5 + ((6-5) ? 6•(14-1))•(1+3+5+1+2+2+4+4+1+1+2+1+1+2)] ? 5, 3

Где Хmax -наивысшая из полученных частных бальных оценок;

N — число факторов технологического процесса;

n — число учитываемых факторов, без одного Хmax ;

Хi — балльная оценка учитываемого i-го фактора;

Т — интегральная оценка тяжести труда.

Рисунок 1. Эскиз плана цеха

1 — 6 — рабочие зоны лазерных установок, находящиеся в одном помещении, но разделенные между собой; 7 — рабочие места операторов установок.

Интегральная оценка тяжести труда

Фактор рабочей среды и условий труда

Значения показателя фактора (Хi)

Фактическая продолжительность действия фактора, мин

Оценка тяжести рабочей среды

Средняя температура воздуха на рабочем месте, °С:

Источник