Процессы лазерной поверхностной обработки

Размещено на http://www.allbest.ru/

Основные параметры и факторы, определяющие процессы лазерной поверхностной обработки (ПО)

В зависимости от процессов которые протекают в поверхностном слое материалов, условий при которых они реализуются различают следующие виды ПО:

Размещено на http://www.allbest.ru/

* - перспективные технологии

Все процессы имеют термическую природу, т.е. сопровождаются быстрым нагревом и охлаждением. Принципиально они отличаются от традиционных методов обработки скоростями протекания. Скорости нагрева и охлаждения лежат в пределах 103 - 106 оС/с. Такие скорости обуславливают специфичность физико-химических процессов и как результат - физико-механических свойств облученных материалов.

Комплекс способов ПО, осуществляемых без оплавления поверхности, включает:

1. отжиг - нагрев поверхностного слоя на глубину 1-2 мм до температур аустэнизации, выше критической точки АС3 (доэфтектоидные стали) или АС1 (заэфтектоидные стали) и последующее медленное охлаждение с целью формирования равновесное структуры. Этот процесс не является характерным для лазерной обработки, потому что скорости охлаждения за счет теплоотвода в холодную основу всегда выше критических и ее необходимо подавлять за счет: дополнительного подогрева основы, например, электронным потоком; подбором толщины и размеров обрабатываемого изделия;

2. отпуск - нагрев поверхностного слоя предварительно закаленной стали до температур выше температур начала мартенситных превращений. При этих температурах наблюдается распад исходной мартенситной структуры и образование равновесной ферито-перлитной структуры. Степень распада определяется температурой нагрева и соответственно видом отпуска (низкий, средний, высокий);

3. закалка - нагрев поверхностных слоев до температур аустэнизации, выше точки АС3 (доэфтектоидные стали), выше точки АСm (заэфтектоидные стали). Учитывая высокие скорости нагрева для завершения диффузионных процессов при аустэнизации нагрев необходимо осуществлять на 60 - 100 градусов выше рекомендуемых для объемной закалки. После нагрева автоматически происходит охлаждение со скоростями намного превышающими критические (200 оС/с) необходимые для образования мартенситной структуры и поэтому называется она автозакалка;

4. термоциклирование - сравнительно новый процесс, заключающийся в том, что при скоростном циклическом нагреве-охлаждении создаются условия для миграции химических элементов. Например, при облучении покрытий можно получить между покрытием и основой металлургическую связь и повысить прочность сцепления в 5 - 10 раз (20 - 30 кг/мм² до 250 - 300 кг/мм²);

5. шоковое упрочнение - при импульсном облучении с плотностью мощности 109 - 1012 Вт/см² над поверхностью возникает оптический пробой сопровождающийся образованием плазмы. Плазма, экранируя облучаемую поверхность, начинает поглощать лазерное излучение, начинает быстро расширятся с ростом температуры и, реактивно действуя на подогретые поверхностные слои, генерирует импульс давления. Волна давления во фронте может достигать 100 - 200 кБар. При таком давлении сталь пластически деформируется, в результате чего имеет место упрочнение (наклеп), формирование сжимающих остаточных напряжений (повышается усталостная прочность);

6. закалка из жидкого состояния - высокоскоростной нагрев и последующее быстрое охлаждение сопровождается большими скоростями кристаллизации. При таких условиях различные примеси, в том числе и легкоплавкие (в чугуне графит, в силуминах кремний) равномерно распределяются, имеют малые размеры (1 и меньше мкм), что исключает образование пор, раковин и других дефектов, а также образование металлургических концентраторов напряжений;

7. аморфизация - при скоростях охлаждения свыше 103 ^оС/с для специальных бинарных сплавов (FeB, AlB, FeNiB и т.д.) и 107 - 108 ^оС/с для сталей возможно в процессе охлаждения "замораживание" разупорядоченного ближнего порядка атомов, т.е. исключение образования кристаллического строения. Так называемые металлические стекла обладают рядом уникальных свойств (не подвергаются карозии, имеют высокую твердость и при этом уникальную упругость). Проблема - для стали требуемые скорости охлаждения еще не получены;

8. поверхностное микролегирование - процесс сопровождается расплавлением поверхности основы и введением в образовавшийся расплав дополнительных легирующих элементов, которые в процессе кристаллизации и остывания равномерно распределяясь по объему зоны лазерного нагрева (ЗЛН) образуют твердые растворы, различные химические соединения (бориды, карбиды, нитриды и т.д.). Этот процесс относится к разряду металлургических - выплавка нового сплава на поверхности готовой детали. Данный процесс позволяет существенно снизить стоимость детали по статье "материалы" при этом повысить конкретные функциональные характеристики. Введение легирующих элементов может осуществляться различными способами:

а) из предварительно нанесенного слоя (обмазки, шликерные покрытия, газоплазменные, детонационные, электроискровые, гальванические покрытия);

б) из газовой фазы (обработка в среде азота, пропан-бутана и др.);

в) из жидкой фазы;

г) инжекцией порошковых материалов в расплав;

9. лазерная наплавка - сопровождается незначительным расплавлением матричного материала и оплавлением материала покрытия, который подается в виде порошка, ленты, проволоки непосредственно в ЗЛН. Расплавление основы должно быть минимальным, исключать перемешивание с материалом покрытия и обеспечивать металлургическую связь;

10. получение композиционных покрытий - процесс при котором в расплавленный лазерным излучением материал основы подаются различные дополнительные дисперсные тугоплавкие (по отношению к основе добавки, которые при кристаллизации основы образуют композицию, обладающую заданным комплексом физико-механических свойств.

Все названные процессы имеют термическую природу, а это значит - любая структура, любое состояние материала не зависимо от вида энергетического источника (лазера, печки, электронного луча, разряда и т.д.) определяется четырьмя основными характеристиками теплового состояния:

· температура нагрева ТН;

· скорость нагрева VН;

· время нагрева tН;

· скорость охлаждения VО.

Если рассматривать лазерную ПО как технологическую систему, то в ее центре следует разместить физико-химические процессы. Эти параметры физико-химических процессов находятся в прямой зависимости от следующих трех групп факторов:

1. характеристики лазерного луча как инструмента;

2. характеристики обрабатываемой детали;

3. условия взаимодействия лазерного излучения с материалом.

Р(х,у) - пространственная структура лазерного пучка.

К - теплопроводность

С - теплоемкость

Как видно из приведенной схемы процессы лазерной ПО являются многофакторными и многокритериальными. Управлять процессом, меняя все факторы невозможно. Поэтому из всех названных факторов нужно выделить основные, которые будут называться управляющими. К таким факторам следует отнести:

1. мощность ЛИ (энергия ЛИ, частота следования импульсов, длительность импульса, форма импульса);

2. время облучения (скорость обработки - непрерывное излучение, частота и длительность импульса - импульсное излучение);

3. диаметр пятна фокусирования;

Дополнительные факторы это:

4. распределение мощности по облучаемой поверхность. При использовании сканирующих систем появляются еще три управляющих параметра:

1) частота сканирования;

2) амплитуда сканирования;

3) закон сканирования;

5. поглощательная способность материала;

6. угол падения ЛИ на материал (можно, но не нужно).

Все остальные факторы необходимо учитывать при разработке конкретного технологического процесса. А для этого надо уметь их измерять, знать закономерности их изменения в различных условиях. Таким образом управление процессом ПО сводится к изменению трех основных технологических параметров V, P, d0, которые обеспечивают в совокупность с остальными требуемые характеристики теплового состояния поверхностного слоя. При этом возможны различные алгоритмы управления. В основе любого алгоритма находится математическая модель процесса. В качестве таких моделей могут применяться:

1. аналитическое решение уравнения теплопроводности;

2. дифференциальное уравнение теплопроводности с граничными и начальными условиями;

3. статистическая модель, устанавливающая с наперед заданной точностью связи между основными факторами и искомыми параметрами представленные в виде полинома.

Физические модели необходимы для определения закономерностей изменения различных факторов и параметров, а также определения факторного пространства для построения статистических моделей. Поскольку они позволяют получить точность 20 - 25%.

Алгоритм управления процессом ЛПО как самообучающейся технологической системы

Приведенный алгоритм представляет собой самообучающуюся технологическую систему. Основой этой системы управления являются математические модели (статистические), отражающие функциональные связи параметров лазерного нагрева с параметрами лазерного луча (А), параметрами условий обработки (В) и параметрами детали (С). На базе математических моделей, задаваясь значениями ограничивающих факторов (диапазон глубин упрочненного слоя, диапазон твердости, диапазон износостойкости, шероховатости поверхности и т.д.), осуществляется при необходимости корректировка параметров нагрева и производится расчет основных управляющих технологических параметров - мощности излучения, скорости обработки и диаметра пятна фокусирования.

К сожалению, в настоящее время отсутствуют быстродействующие устройства для измерения температур в реальном масштабе времени (постоянная времени ф равна 10-5 - 10-6 с), но если бы такие приборы были, то возможно построение адаптивной системы управления (с обратной связью). В соответствии с ней производится измерение текущих параметров нагрева, сравнение их значений с расчетными, при необходимости определение ошибки управляющего сигнала и его корректировка. При ПО не все параметры качества обработки можно быстро измерять (износостойкость ДU, теплостойкость, усталостная прочность у-1 и т.д.). Для корректировки режимов обработки с учетом оптимизации процесса по этим параметрам система предусматривает выборочный периодический контроль этих параметров, сопоставление с заданными среднестатистическими, при необходимости статистическая обработка накопленных данных и автоматическая разработка скорректированных математических моделей.

Энергетические параметры ЛПО

Основными энергетическими характеристиками ЛПО являются плотность мощности лазерного излучения WP=P/S [Вт/см2], плотность энергии WE=E/S [Дж/см2] и время воздействия лазерного излучения (длительность импульса).

В настоящее время для ПО используются твердотельные лазеры на алюмоиттриевом гранате со световой и светодиодной накачкой, работающие в импульсном, импульсно-периодическом и непрерывном режимах. Светодиодные лазеры, газовые лазеры преимущественно СО2, волоконные лазеры.

Технологические лазеры могут работать в импульсном, импульсно-периодическом и непрерывном режимах.

Тип лазера	л, мкм	Режим роботы	Рmax, кВт Emax, Дж	ф, с	f, Гц	к.п.д., %
СО2	10,6	непрерывный импульсный	0,1 - 15 0,5 - 5	10-2…10-6	103	8 - 15
YAG: Nd с диодной накачкой	1,06	непрерывный импульсный	0,1…5 0,5…10	10-3…10-2	40	40 - 50
светодиод	0,9	непрерывный	8			50
волоконный	1,07	непрерывный	15			40 - 60

Модель	YLR 1000	YLR 2000	YLR 4000	YLR 10000
Характеристики
л, мкм		1,07
и, мм·мрад	6	18	20	25
dволокна, мм	100 - 200	200 - 300	300 - 400	400
охлаждение у, мм2/час	0,6	1,2	3	5
Размеры	60Ч79Ч110	60Ч70Ч110	60Ч70Ч160	120Ч79Ч160
Вес, кг	150	300	450	1000

Как видно из приведенных данных лазерное оборудование по к.п.д. (40 - 60%), уровню мощности выходного излучения (15 - 25 кВт) и габаритным размерам (? 1 м3) становится полностью конкурентно способным с другими высококонцентрированными источниками энергии (электронный луч, плазма, электрическая дуга и др.).

Современные технологические комплексы обеспечивают получение лазерных пучков со стабильностью по мощности ± 3%. Для контроля мощности излучения лазеры оснащаются специальными приборами, встроенными в состав комплекса, и автономные предназначенные для проведения различных настроечных операций.

Схемы измерения мощности

Первая схема измерения называется тупиковая. При которой на пути лазерного излучения, выходящего из резонатора устанавливается непосредственно приемник лазерного излучения или дополнительное плоское зеркало, ответвляющее все лазерное излучение на приемник. Основной недостаток такой схемы - периодичность измерений во время технологических перерывов, поскольку оптический тракт перекрывается для проведения измерения. Такая съема проста, но не позволяет получать информацию о мощности излучения непосредственно в процессе обработки, а значит, и реализовать адаптивную схему управления.

Более предпочтительной является вторая схема, в соответствии с которой часть лазерного излучения (1 - 2%) ответвляется на приемник лазерного излучения с помощью специальных устройств - вращающийся зеркальный лепесток типа пропеллера, который ответвляет и собирает ответвленное излучение на приемнике. Можно в качестве ответвителя применить плоскопараллельную пластину с отражающим покрытием, пропускающую 98 - 99% основной мощности. Для излучения с длиной волны 10,6 мкм предпочтителен зеркальный лепесток поскольку плоскопараллельные пластины надо изготавливать из специальных оптических материалов - гигроскопических KCl, NaCl; дорогих GaAs, ZnSe, Ge.

Для излучения с л = 1,06 мкм, а также видимого диапазона целесообразно применять ответвители в виде плоскопараллельных пластин из кварца, оптического стекла со специальными диэлектрическими покрытиями, регулирующими коэффициент пропускания и отражения в том числе.

Наиболее проста и эффективна третья схема, которая реализуется для твердотельных лазеров достаточно просто, для газовых лазеров сложнее. В соответствии с этой схемой глухое зеркало резонатора выполняют частично (1 - 2%) пропускающим. Излучение, прошедшее через глухое зеркало, собирается на приемнике излучения.

Приемники ЛИ

В основе приемников ЛИ используются различные способы преобразования энергии (мощности) ЛИ в соответствующий измерительный сигнал (напряжение, давление, температура и др.). Различают следующие способы преобразования:

1. калориметрический;

2. болометрический;

3. термоэлектрический;

4. пироэлектрический.

Такие способы относятся к группе тепловых.

Фотоэлектрические способы базируются на применении приемников излучения, в которых поглощенное излучение преобразуется в электрический сигнал определенной амплитуды. Для мощных лазерных пучков наибольшее распространение получили тепловые способы. Самый простой и наиболее точный является калориметрический способ абсолютного измерения мощности ЛИ:

а) измерение мощности ЛИ, израсходованной на испарение жидкости (воды):

P - мощность ЛИ, Вт

t - время действия ЛИ

Дm = m1 - m2 - масса испарившейся воды

m2 - масса воды, оставшейся в калориметре после испарения;

Тк - температура кипения воды

Тн - начальная температура воды

Ткон - температура воды в калориметре после испарения

с - удельная теплоемкость воды (с = 4,19 Дж/(г·К))

q - удельная теплота парообразования (q = 2256 Дж/г)

Если пренебречь нагревом неиспарившейся воды и принять начальную температуру воды Тн = 22 оС, то при t = 4 мин 20 с, мощность излучения будет равна десяти массам испарившейся воды (Р ? 10·Дm). Погрешность измерения таким упрощенным способом не превышает 1%. Поэтому этот способ можно применять для тарирования, калибровки приборов, использующих относительный метод измерения.

Для практического использования этот метод громоздок и применяется крайне ограниченно.

б) измерение мощности излучения по разности температур в жидкости:

Р = ссGДT

c - теплоемкость охлаждающей жидкости

с - плотность охлаждающей жидкости

G - расход охлаждающей жидкости г/с

ДТ - разность температур охлаждающей жидкости на входе и на выходе калориметра

Такая схема лежит в основе промышленно-выпускаемых приборов ТИ-3 (Рmax = 150 Вт), ТИ-4 (Рmax = 5 Вт). Недостатком такого устройства является необходимость стабилизации расхода охлаждающей жидкости, что можно выполнить с помощью специальных расходомеров. Если измерять температуру нагрева конуса калориметра с помощью последовательно включенных термопар, то можно исключить влияние расхода охлаждающей жидкости, но такие приборы пригодны для измерения энергии импульсов или при кратковременном облучении мощности непрерывных пучков, но для последующего измерения требуется охлаждение. На этом принципе промышленно выпускаются приборы типа ИКТ-1М. Приборы типа ТИ-4 имеют следующую конструкцию.

Для увеличения поглощательной способности поверхность, на которую падает лазерное излучение покрывают специальным покрытием (для л = 10,6 мкм - Al2O3 - черное анодирование). Кроме этого на поверхности выполняют специальный микрорельеф, повышающий эффективность поглощения за счет многократного переотражения от поверхности углублений в виде кольцевых канавок. Для более эффективного измерения температуры охлаждающей жидкости на входе и выходе предусмотрены две системы последовательно включенных термопар.

В некоторых устройствах аналогичного типа для исключения влияния на показания прибора расхода охлаждающей жидкости измерение температуры проводят при помощи специального массивного медного цилиндра с жестко закрепленной без теплового сопротивления поглощающей поверхностью. Охлаждение в данном случае предназначено для снижения избыточной температуры. В качестве приемного элемента можно использовать устройства, работающие на измерение давления газов в закрытых объемах при нагреве лазерным излучением.

Основное достоинство устройства - автономность, т.е. не требуется источник энергии, компактность, высокая точность, высокая воспроизводимость результатов измерения. Основной недостаток - между двумя измерениями необходимо делать перерыв порядка 5 минут. Можно использовать охлаждающую жидкость, чтобы уменьшить это время.

Работает прибор следующим образом: лазерное излучение попадает на поверхность приемника. В результате нагрева через радиатор нагревается рабочая среда. При ее расширении в замкнутом объеме изменяется давление. Давление пропорционально поглощенной мощности лазерного излучения. Изменение давления фиксируется с помощью манометра.

Основное применение - настройка оборудования, проверка измерителей мощности другого типа.

Данные приемники работаю на принципе термопарного изменения температуры нагрева пластины поглощающей лазерное излучение и компенсирующей пластины, которая имеет температуру окружающей среды. Такие приемники применяются для измерения малых мощностей лазерного излучения порядка 100 - 200 Вт.

Болометры

Болометр выполнен в виде двух взаимно перпендикулярных сеток из специальных материалов (медь, золото, платина), толщиной 0,05 - 0,1 мм. Сетка является специальным переменным сопротивлением, включенным в одно из плеч измерительного моста, образованного R1 = R2 = R3 = R. Ток разбаланса моста пропорционален изменению сопротивления болометрического приемника ДR. ДR изменяется в зависимости от напряжения питания моста, от сопротивлений плеч моста и сопротивления регистрирующего прибора R0. Сетка такой формы позволяет исключить влияние на показания прибора поляризации. Шаг сетки и диаметр проволочек определяют количество ответвляемой мощности (? 1%).

Такие приборы применяются для измерения малых мощностей до 0,5 кВт. Имеют сравнительно не высокое быстродействие (0,1 с). В практике широкого распространения не нашли.

Измеритель мощности проходного типа, работающий на частичном поглощении лазерного излучения при прохождении через газовую среду

Измеритель может быть встроенным в резонатор или как самостоятельное устройство. Устройство работает следующим образом: с помощью форвакуумного насоса производится откачка воздуха из полости герметичного цилиндра закрытого с двух сторон плоскопараллельными пластинами или выходным зеркалом резонатора и плоскопараллельной пластиной. Давление в полости равно давлению в резонаторе (? 35 мм. рт. ст.). В корпусе полого цилиндра выполнены отверстия, через которые прокачивается охлаждающая жидкость. Температура охлаждающей жидкости поддерживается постоянной с помощью специального стабилизатора - термостата. С помощью игольчатых расходомеров формируется требуемая смесь газов СО2 и Аr. При отключении форвакуумного насоса в полость цилиндра запускается приготовленная смесь. Контроль производится с помощью датчика давления ДД6. При включении лазерного излучения луч проходит через полый цилиндр, частично (? 1%) поглощаясь газовой средой. Температура газа повышается - изменяется давление. На выходе датчика формируется электрический сигнал пропорциональный мощности поглощенного, а значит и прошедшего лазерного излучения. Быстродействие прибора составляет 10-2 с. Чувствительность регулируется составом газовой среды.

Приемники ЛИ фотоэлектрического типа

В качестве таки приемников применяют: фотоэлементы, фотодиоды, фототранзисторы, фотосопротивления, специальные термопары. В зависимости от вида полупроводниковых материалов и конструкции они работают в различных областях спектра электромагнитного излучения.

Кремневый фотодиод - одна из распространенных конструкций фотодиодов и фотоэлементов.

Основное достоинство таких приемников излучения является высокая чувствительность, сравнительно высокое быстродействие (постоянная времени 10-3 - 10-4 с).

Недостаток:

1. достаточно большой спектральный интервал, потому что возможна засветка излучениями от других источников. Требует применения фильтров. Для селекции хроматических, для уменьшения интенсивности нейтральных;

2. невозможность использования для изменения и управления пучками с л = 10,6 мкм.

Для контроля излучения с л = 10,6 мкм также как и излучений с меньшей длиной волны широко применяются пироэлектрические приемники излучения. Они представляют собой сегнетоэлектрическую керамику (LiTi, необат лития) на поверхности которой напыляется слой хрома или никеля.

Пироэлектрические приемники требуют модулирования ЛИ (внерезонаторные, внутрирезонаторные). При этом электрический сигнал с коэффициентом преобразования 0,1 мВ/Вт пропорционален скорости изменения температуры сегнетоэлектрика. В зависимости от сопротивления измерительной цепи постоянная времени таких датчиков составляет 10-3 - 10-6 с. Т.е. наиболее быстродействующие из существующих приемников при достаточно высоком уровне предельной плотности мощности падающего излучения.

Важное достоинство: возможность, применяя скрайбирование одного из электродов, получить матричный или в виде линейки многоканальный приемник излучения, позволяющий кроме мощности измерять пространственное распределение интенсивности как падающего, так и отраженного излучения.

Последнее время разработаны так называемые пленочные термопары представляющие собой медную пластину, на которую методом вакуумного наклонного напыления наносится пленка специального материала на основе висмута, обладающая эффектом электрической анизотропии (разные электрические свойства в разных направлениях). При подаче ЛИ на электродах возникает электрический сигнал пропорциональный температуре нагрева пленки.

Характеристика	АТП-1	АТП-Ш	АТП-К
л, мкм	0,3 - 20
Р, Вт	10-2 - 5	1 - 1000	1 - 500
Р, Вт (ф, 10-3 с)	1 - 104	1 - 106	-
Апертура S, мм2	8Ч8 18Ч18	Ш70 Ш100 Ш150	-
Постоянная времени ф, с	10-7	10-4	10-4
Коэффициент преобразования мВ/Вт	500	25	300
[WР] Вт/см2	5·104
Время непрерывной работы, часов	8

Наряду с высоким быстродействием данные датчики обладают еде одним достоинством - электрический сигнал пропорционален температуре нагрева, а это не требует модуляции (преобразования) ЛИ.

Проходные измерители типа РСИ

Есть измерители типа РСИ, выпускаются в промышленном варианте в различных модификациях: РСИ 60, РСИ 70, РСИ 105. Различаются апертурой (60, 70, 105 - размер лазерного пучка).

Такие устройства имеют постоянную времени 10-3 - 10-4 с. Позволяют измерять мощность до 10 кВт. Зеркало в виде лепестка со сферической поверхностью при вращении пересекает лазерный пучок и ответвляет часть излучения (1 - 2%) на приемник излучения. Для исключения засветки приемника блуждающим отраженным излучением перед приемником устанавливаются специальные светофильтры. При необходимости ответвитель можно выводить из лазерного пучка с помощью специального устройства. Для правильного считывания информации и исключения ошибок имеется устройство синхронизации частоты вращения зеркала. Другим упрощенным вариантом проходного измерителя мощности может быть устройство типа вращающееся колесо, имеющее несколько зеркальных спиц. Спицы обращенные к лазерному пучку. Отражают и собирают своей сферической поверхностью часть излучения на приемнике. В качестве приемника можно использовать пироэлектрики или пленочные термопары. В последнем случае в качестве показывающего прибора можно использовать любой тестер.

Геометрические характеристики лазерных пучков (ЛП)

К геометрическим характеристикам относятся: размер и форма поперечного сечения ЛП, выходящего из резонатора, а также распределение мощности по поперечному сечению, которое определяется модовым составом пучка.

Распределение мощности и размеры выходных пучков в значительной мере определяют геометрические характеристики ЛИ на поверхности обрабатываемого материала. Поэтому для проектирования фокусирующих систем, математического моделирования тепловых процессов, настройки технологического оборудования необходимо иметь информацию о геометрических характеристиках выходных пучков.

Модовый состав выходных лазерных пучков определяется количеством минимумов интенсивности:

а) при прямоугольной симметрии по оси х и у соответственно (эмита-Гауса);

б) при цилиндрической симметрии по радиусу r и азимуту в (лагера-Гауса).

Основная мода описывается законом нормального распределения.

r - текущий радиус

r0 - эффективный радиус, на котором максимальная интенсивность излучения снижается в е2 раз

Способы управления формой и размерами выходных пучков

Как видно из приведенных схем возможности изменения формы и распределения мощности в выходных пучках весьма ограничены. Наиболее распространенной является форма пучка в виде круга или кольца. Распределение интенсивности - Гаусово или многомодовое, многомодовое близко к прямоугольному. Для того чтобы получить требуемую форму пучка на поверхности обработки, а тем более получить различное распределение необходимо применять различные оптические системы. Но тем не менее информация о форме выходных пучков и распределении мощности по их поперечному сечению является важной для контроля настройки оборудования и проектирования фокусирующих систем.

Методы измерения формы и пространственного распределения выходных пучков

Наиболее простым способом контроля является применение различных мишеней из керамики, дерева, оргстекла. Часть применяют азбест, что делать категорический запрещено - канцероген. Предпочтительным материалом является огнеупорный кирпич. Этот способ позволяет, только качественно и весьма приблизительно оценить форму и распределение.

Применение оргстекла позволяет получить трехмерное распределение интенсивности в пучке, но также позволяет провести только качественную оценку.

Значительно более эффективными являются приборные способы измерения:

1. способ зеркального конуса.

Устройство представляет собой вращающееся колесо со спицами, образующими при вращении несколько конических концентрических поверхностей. Каждая поверхность образуется зеркальной спицей смещенной относительно друг друга параллельно вдоль оси вращения на определенный шаг. На оси вращения колеса расположены приемники отраженного от зеркальной поверхности спиц лазерного излучения их количество может быть три и более. При количестве спиц 8, датчиков 3 за один оборот колеса производится измерение интенсивности излучения в 24 точках лежащих на одном из диаметров поперечного сечения луча.

Недостаток - возможность контроля вдоль одной оси.

Другим вариантом устройства, не имеющего этого недостатка, является устройство типа вращающаяся зеркальная спица (Вильяма Стина).

Устройство представляет собой зеркальную спицу в поперечном сечении, имеющую круг или квадрат. Спица вращается в плоскости перпендикулярной оси лазерного пучка, непрерывно пересекая поперечное сечение луча. При этом в поперечном сечении луча можно найти в определенный момент времени две точки, которые лежат одновременно на поверхности спицы и принадлежат начальным точкам двух взаимно перпендикулярных диаметров поперечного сечения луча, по осям х-х и у-у. От зеркальных участков спицы принадлежащих этим точкам во все стороны отражается падающее лазерное излучение. Если выделить из всех отраженных лучей луч, распространяющийся по нормали к поверхности спицы, то можно заметить, что все лучи распространяющиеся по нормали от других участков поверхности спицы, как бы скользящих вдоль спицы по диаметру луча все пересекутся в одной точку пространства. Точно также все лучи, отраженные от зеркального участка спицы, принадлежащему второй точке другого диаметра скользящего снизу вверх, при вращении спицы, также все пересекутся, но в другой точке пространства. Если в этих точках разместить два приемника излучения с диафрагмами, то можно за один проход спицы на экране осциллографа одновременно наблюдать два диаметральных распределения интенсивности лазерного излучения. Если вращать спицу с частотой больше 20 Гц, то на экране осциллографа можно наблюдать квазинепрерывный сигнал, что позволяет подстраивать резонатор лазера, осуществлять контроль формы и пространственного распределения интенсивности.

Метод сканирования подвижной диафрагмой

Работа устройства: ЛИ после резонатора отклоняется плоским зеркалом - затвором на измеритель (или анализатор). Измеритель содержит неподвижную водоохлаждаемую диафрагму, имеющую систему взаимно перпендикулярных сквозных отверстий Ш0,1 - 1 мм, через которые проходит часть излучения. Остальное излучение поглощается поверхностью диафрагмы. Прошедшее через отверстие излучение имеет возможность концентрироваться на соответствующем пироэлектрическом датчике системы крестообразно расположенных датчиков. Прохождению излучения к датчикам препятствует подвижная металлическая бесконечная лента. В ленте выполнена система отверстий, расположенных с определенным шагом под углом 450 к направлению движения. При попадании этой системы отверстий в апертуру лазерного пучка последовательно открываются датчики лежащие на одной и второй диаметральных осях пучка. За один проход ленты сканируется одновременно распределение интенсивности по двум осям х-х и у-у. Количество датчиков, соответствующее количеству отверстий в неподвижной и подвижной диафрагмах определяют точность измерения распределений.

Способы управления размерами, формой и распределением интенсивности пучков на облучаемой поверхности

В настоящее время для этих целей применяют линзовые и зеркальные фокусные системы.

Линзовые системы. В качестве оптических элементов применяют сферические, цилиндрические фокусирующие линзы, изготовленные из различных материалов. Поскольку эти элементы работают на преломлении ЛИ, то из материал соответственно определяется длиной волны ЛИ.

Для излучения с л < 5 мкм: кварц, оптическое стекло Л8 и др.

с л > 5…10,6 мкм: NaCl, KCl; ZnSe; GaAs; Ge.

Среди последних материалов наиболее дешевыми являются монокристаллы NaCl, KCl. Однако они являются гигроскопичными - требуют специальной защиты от влаги воздуха, влаги содержащейся в технологических газах.

Меры защиты: оптические элементы хранятся в системе в среде азота под избыточным давлением.

Лучшимы материалами являются ZnSe - прост в эксплуатации. !!!___Работать только в перчатках___!!! - материал токсичен. ZnSe пропускает видимое излучение.

GaAs и Ge - меняют свои характеристики при приложении механических нагрузок, не пропускают видимое излучение. Поэтому в качестве фокусирующих линз их используют реже. В основном для изготовления выходных зеркал.

Форма линз существенно влияет на качество фокусирования.

Материал линзы	n	Форма	K1
KCl	1,46	плоско-выпуклая	23,3 · 10-2
ZnSe	2,40	мениск	3,12 · 10-2
GaAs	3,27	мениск	1,39 · 10-2

Сферические аберрации можно существенно снизить, применяя линзы оптимальной формы как в таблице. Кроме этого диаметр линзы должен быть в 1,5 - 2 раза больше диаметра падающего луча. Сферическая линза в фокусирующей системе должна быть установлена выпуклой поверхностью навстречу лазерному пучку.

Для уменьшения хроматической абберации необходимо применять специальные просветляющие покрытия. Для линз из GaAs и ZnSe специальные покрытия, снижающие отражение падающего излучения.

Цилиндрические линзы позволяют собирать ЛИ в линию, система скрещенных цилиндрических линз в совокупности со сферической линзой позволяем собирать в пятно прямоугольного, квадратного сечений.

Аксиконы - два конуса установленных вершинами друг к другу позволяют трансформировать падающий пучок круглого сплошного сечения в пучок кольцевого сечения.

Зеркальные фокусирующие системы

Наибольшее распространение для фокусирования лазерных пучков получили однозеркальные и многозеркальные фокусирующие системы.

В качестве фокусирующих зеркал применяют:

1. сферические зеркала

2. параболические зеркала

3. эллиптические зеркала

4. тороидальные зеркала

5. цилиндрические зеркала

а также специальные фокусирующие элементы:

6. интегральные зеркала

7. фокусаторы

Наиболее простыми являются фокусирующие системы на сферических зеркалах.

Основной недостаток сферы - это то, что фокус пучка параллельного радиусу сферы расположен на самом радиусе сферы. Поэтому для выводы точки фокуса необходимо лазерный пучок направлять на сферу под некоторым углом б. При этом на оси сфокусированного пучка образуются два фокуса смещенных относительно друг друга вдоль оси. Расстояние между фокусами тем больше чем больше угол б. При этом меняется не только положение фокусов, но и распределение интенсивности. Допустимым для технологии обработки угол б < 7.

Искажения, которые являются характерными для фокусирующих сферических зеркал можно эффективно использовать для управления распределением интенсивности в пятне фокусирования, т.е. очень просто получить пятно фокусирования с неравномерным распределением интенсивности. Такое распределение целесообразно для обработки деталей клиновидной формы. При наплавке исключается трещинообразование за счет планового подогрева излучение меньшей интенсивности полученных наплавленных слоев.

Наиболее эффективны параболические зеркала. Благодаря тому, что фокусы пучков параллельные к оси параболы всегда располагаются на ее оси. Искажения пятна фокусирования практически отсутствуют, т.е. такая фокусирующая система трансформирует лазерный пучок без искажений подобно линзе. Высокая стоимость таких зеркал продиктована несовершенством технологии изготовления. В институте сверхтвердых материалов НАН Украины разработано и работает оборудование для изготовления сферических и параболических зеркал методом алмазного точения и фрезерования. Метод намного эффективнее шлифования и полирования абразивными микропорошками. Предпочтительнее зеркала, полученные методом алмазного фрезерования.

При шлифовании мягкая медь шаржируется абразивными частицами. При действии ЛИ с л = 10,6 мкм эти частицы 100%-но поглощают излучение и разрушаются, образуя каверны.

Параболические зеркала позволяют конструировать высокоэффективные многокоординатные (5-ти координатные) фокусирующие головки.

Кроме названных систем в технологии поверхностной обработки используют специальные фокусирующие системы, формирующие пятно фокусирования специальной формы и размеров.

Интегрирующие зеркала позволяют получить пятно фокусирования практически любой формы и размеров, направленно изменять распределение интенсивности в нем.

Основной недостаток - чрезвычайно сложная конструкция, большие потери, высокая стоимость.

Более эффективными являются фокусаторы. Фокусатор представляет собой плоское зеркало, установленное под углом 45о к падающему пучку. Поверхность плоского зеркала представляет собой систему изолиний, т.е. линий в виде микронеровностей обеспечивающих определенный угол отражения. Получают эти микронеровности методом проектирования лучевого пакета и пакета лучей из точек заданного профиля пятна фокусирования на плоскую поверхность зеркала. Такие фокусаторы эффективны для массового производства. Поскольку один фокусатор - один знак. При обработке деталей типа тел вращения можно применять тороидальные зеркала, фокусирующие ЛИ в кольцо.

Обычно такие поверхности обрабатывают при вращательном движении детали и поступательном движении плоского зеркала.

Обработка тороидальными зеркалами исключает образование хон отпуска, поскольку кольцевое пятно фокусирования непрерывно перемещается вдоль оси детали на всю длину обработки. Такая обработка рекомендуется для деталей, работающих при знакопеременных циклических нагрузках (работающих на усталость). Недостаток - требуется большая мощность.

Наряду с однозеркальными фокусирующими системами получили распространение двухзеркальные и более системы. Представителями являются: центральный и внеосевой Коссегрен.

Для получения сфокусированных пучков специальной формы применяют специальные фокусирующие системы или фокусаторы.

Даная система фокусирования позволяет сфокусировать излучение в прямолинейный отрезок с приблизительно равномерным распределением интенсивности. Она может быть применена для упрочнения, наплавки, микролегирования, для повышения качества поверхности оптических элементов без использования сканирующих систем.

Фокусаторы представляют собой плоскость, на которой имеется определенная область, представляющая собой систему изолиний, имеющих различную пространственную конфигурацию и профили поперечного сечения.

Фокусаторы позволяют получать пятно фокусирования практически любой формы. Однако для каждого пятна фокусирования одно специальное зеркало.

Для многих технологических применений требуется получение различной траектории перемещения пучка в пространстве. Это обеспечивается с помощью специальных сканирующих систем.

Для поверхностной обработки материалов системы сканирования применяются с целью увеличения производительности обработки, за счет увеличения размеров облучаемой области без снижения качества обработки из-за возможной неравномерности распределения интенсивности. Так при использовании расфокусированых пучков с увеличением степени расфокусирования резко нарастает неравномерность распределения интенсивности в пятне фокусирования. Особенно это имеет место при использовании одномодовых (Гаусовых) пучков.

Для того чтобы процесс (плавление, нагрев до температуры аустенизации) не чувствовал импульсного характера действия лазерного излучения необходимо, чтобы время сканирования было не больше времени охлаждения материала до заданной температуры (Тпл или ТАс1). Это время и соответствует требуемой частоте сканирования. Обычно fск=100-200 Гц. Реальная амплитуда сканирования Аск=5-25 мм.

Устройства сканаторы

Основным недостатком такой конструкции является:

1. большая инерционности системы, масса зеркала ограничивает частотные возможности;

2. в крайних положениях будет иметь место нулевая скорость движения луча, что вызывает неравномерность распределения интенсивности и температур.

Последнее можно исключить, применяя в качестве отклоняющего зеркала плоское зеркало, вращающееся вокруг оси отличной от оси симметрии на угол б. В этом случае траектория движения луча имеет форму эллипса. Предельные случаи окружность и линия.

Недостаток: непроизводительные затраты энергии излучения на двойной нагрев при движении по эллипсу. Однако в некоторых случаях, например, при наплавке или микролегировании, для снижения термических напряжений и исключения образования трещин такой повторный нагрев целесообразен.

Сканаторы на базе гальванометров

Сканаторы такого типа наиболее эффективны поскольку позволяют реализовать однокоординатное, двухкоординатное и даже трехкоординатное перемещение ЛП практический на любую амплитуду и с достаточно большой частотой (до кГц). Основной недостаток - возможности сканаторов зависят от массы отражающих зеркал.

Сканаторы на базе гальванометров при ПО применяются для формирования пятна фокусирования различной формы и размеров с равномерным распределением интенсивности. Ограничение - сканирование мощных ЛП.

Сканатор типа вращающийся зеркальный лепестковый диск

Сканатор представляет собой вращающийся фланец, в кольцевой выточке которого размещены на радиальных осях n-секторных медных зеркал.

При этом каждое зеркало имеет возможность поворота вокруг радиальной оси на определенный угол Дц. Угол поворота определяет амплитуду сканирования. В зависимости от положения зеркал относительно плоскости фланца можно получить различные законы сканирования (зеркала повернуты в одну сторону - закон сканирования штрихи; соседние зеркала развернуты в противоположные стороны - закон сканирования пила).

Основное достоинство:

1. отсутствие колебательных движений, остановок;

2. большие частотные возможности, которые определяются частотой вращения диска и количеством секторных зеркал;

3. при относительном движении падающего луча и фланца с зеркалами в момент изменения траектории движения пучок делится на две части, по этому в крайних точках амплитуды плотность мощности не нарастает, а снижается, т.е. исключается характерное оплавление.

Расчет линзовых фокусирующих систем

Для фокусирования ЛП применяют плосковыпуклые и менисковые сферические фокусирующие линзы с различным фокусным расстоянием F = 50…400 мм и с различной апертурой D = 8…100 мм, изготовленные из KCl, NaCl, GaAs, ZnSe, Ge или для л = 1,06 мкм из оптического стекла К8, оптической керамики КО-2 или кварца.

При этом параметры сфокусированного пучка определяются конструкцией резонатора (диаметром перетяжки D и расстоянием от перетяжки до фокусирующей линзы L0), фокусным расстоянием фокусирующей линзы, угловой расходимостью (а значит длиной волны, модовым составом), характеристиками материала линзы ее формой, точностью изготовления (абберации).

а. Сферический

б. Конфокальный

r1= r2=r; R1=R2=R

в. плоско-сферический

Положение диаметра фокального пятна смещено по отношению к фокусному расстоянию F на величину Д, которую можно определить:

LR - длина Релея, которая определяется длиной волны ЛИ и параметрами резонатора

D - диаметр пучка падающего на линзу

- диаметр фокального пятна

и0 - угловая расходимость пучка, падающего на линзу

Эти зависимости справедливы для фокусирующих систем технологических лазеров поскольку всегда L0 >> F.

С учетом влияния длины волны излучения



Для поверхностной обработки сфокусированные пучки и пятно фокусирования равное фокальному применяется только в случае применения сканирующих систем. В остальных случаях используются расфокусированные пучки. При чем пятно фокусирования изменяется за счет изменения положения плоскости обработки относительно главной плоскости фокусирующей линзы. Поэтому при расчете необходимо определять каустику сфокусированного пучка di(Li)

где LRf - длина Релея, сфокусированного пучка

На практике фокусное расстояние линзы выбирается заранее исходя из технологических соображений:

1. длина фокуса обеспечивает фокусирование излучения в труднодоступных местах (например, обработка внутренней поверхности длинномерной гильзы);

2. при использовании длиннофокусных линз существенно увеличивается длина перетяжки в фокусе и уменьшается угол сходимости пучка, что позволяет вести обработку некоторых криволинейных поверхностей без слежения за фокусным расстоянием;

3. при использовании длиннофокусных линз диаметр пятна в фокусе может обеспечить обработку с распределением интенсивности более равномерным чем тоже самое при использовании линз с расфокусированием с меньшим фокусным расстоянием.

Рассчитав di(Li) сроится соответствующая каустика для F1, F2 и F3. По этим данным проводится экспериментальное уточнение и формируется необходимая для работы база данных.

Данная методика применяется для Гауссовых пучков. Для многомодовых пучков все данные необходимо скорректировать:

С учетом модовового состава пучка на коэффициент b:

- для пучков с цилиндрической симметрией

- для пучков с прямоугольной симметрией

р - количество минимумов по радиусу

l - количество минимумов поделенных на 2 по азимуту

s - количество минимумов по осям или х или у

Глубина фокуса может быть определена как:

б - коэффициент, представляющий собой отношение диаметра пучка в точке каустики к диаметру пятна в фокусе.

В реальных условиях диаметр пятна фокусирования увеличивается за счет аберраций вносимых фокусирующей линзой. С учетом аберраций:



k1 - коэффициент зависящий от материала (коэффициента преломления) и формы фокусирующей линзы.

На практике с целью уменьшения диаметра пятна фокусирования применяют устройства увеличивающие диаметр пучка падающего на линзу. Это достигается применением специальных телескопических систем (телескоп Галилея, телескоп Кеплера).

Способы измерения параметров сфокусированных лазерных пучков

Наиболее простым и широко распространенным, является способ наклонной пластины. Стальная пластинка с поглощающим покрытием (оксидирование Fe3O4, ZnO - белая гуашь, Pb2O5 - желтая гуашь толщиной 20-30 мкм, а Fe3O4 - 5 мкм) устанавливается под углом 45° -60° относительно поверхности стола и перемещается относительно лазерного пучка. При этом на поверхности пластины остается четкий след от действия луча. Если правильно выбрана скорость обработки, то погрешность, определяющая каустики сфокусированного пучка на оксидированной поверхности не превышает 5%. Увязываются измеренные характеристики с расстоянием Li и строятся соответствующие каустики.

Недостатки:

1. метод не дает представления о характере распределения интенсивности в пятне фокусирования;

2. сравнительно невысокая точность.

Метод сканирования поперечного сечения пучка наклонной зеркальной диафрагмой

В качестве диафрагмы применяется плоское зеркало расположенное под углом 60° к оси луча и имеет центральное коническое отверстие размер которого определяется размерами поперечного сечения исследуемого пучка и составляет 0,05-0,1 мм.

Целесообразно 10 точек измерений.

Поверхность диафрагмы, обращенная к лучу зеркальная, для отвода отраженной части падающего пучка на экран. Диафрагма водоохлаждаемая. На оси луча под диафрагмой последовательно размещен модулятор (вращающийся диск с радиальными пазами) и пироэлектрический приемник излучения. Стол вместе с диафрагмой, модулятором и приемником перемещается в плоскости ху по определенному закону, смещаясь каждый раз на шаг сканирования. При каждом проходе диафрагмы на экране осциллографа записывается распределение интенсивности излучения вдоль данного направления. Таким образом за 10 проходов диафрагмы записывается 10 распределений. Для каждого распределения определяется эффективный размер и проецируется на плоскость ху, образуя таким образом реальную форму и размер пятна фокусирования.

Обычно пользуясь этой методикой, используя статистическое моделирование, планирование эксперимента, получают статистическую модель, связывающую диаметр пятна фокусирования с фокусным расстоянием линзы, с расстоянием Li.

Статистические модели обеспечивают точность воспроизведения обусловленную выбранным уровнем значимости (р = 0,05-5%). Полученная модель является основой управления процессом обработки в автоматическом режиме.

Физические процессы, протекающие в материалах при действии ЛИ

При лазерном облучении при интенсивностях не вызывающих оптического пробоя имеет место поглощение ЛИ поверхностным слоем материала; последующий нагрев до различных температур.

При облучении в окислительной среде на поверхности материала образуется окисная пленка, которая изменяет процесс поглощения. Поскольку процесс нагрева кратковременный, то в облучаемом материале возникает волна термических напряжений, которая приводит к структурно-фазовым изменениям. В зависимости от плотности мощности в поверхностном слое могут развиваться процессы плавления/испарения и как следствие кристаллизация жидкой фазы и структурно-фазовые превращения на этапе остывания. Все эти процессы являются основой ряда способов поверхностной обработки. С разработкой мощных наносекундных/фентасекундных лазеров в точке фокусирования излучения возникает оптический разряд с образованием плазмы. Плазма, поглощая ЛИ, частично (1,06 мкм) или полностью (10,6 мкм) расширяясь, генерирует в материале механический импульс, который действует в совокупности с косвенным дополнительным нагревом облучаемой поверхности плазмы.

Поглощение ЛИ материалами

На процесс поглощения ЛИ оказывают влияние длина волны излучения, электрические свойства материала, его структура, строение, состояние поверхностного слоя. В металлах ЛИ взаимодействует с электронами проводимости скин слоя. Практически полностью поглощаясь в узком слое толщиной порядка д = 10-5…10-6 см. При этом интенсивность излучения спадает с глубиной по экспоненте и описывается законом Бугера.

б - коэффициент поглощения, величина которого обратно пропорциональна глубине ослабления д

б = 105…106 см-1 для металлов (хорошие поглотители).

С уменьшением электропроводности материалов ЛИ проникает на большую глубину - менее ослабляется. Глубина ослабления д для слабых проводников и диэлектриков может составлять д = 10-1…10-2 см. Соответственно коэффициент поглощения б для них будет меньше, а закон ослабления такой же.

Существенно отличается процесс поглощения в органических, в том числе и биологических, средах. Основное отличие заключается в том, что наряду с прямым поглощением в биосреде имеет место процесс рассеивания излучения в радиальном направлении относительно оптической оси. Процесс поглощения:

Процесс рассеивания:

Такой характер распределения излучения в биоткани влияет на формирование теплового источника. Знание закона его распределения обеспечивает высокую точность математического моделирования процесса их лазерного нагрева. Кроме этого для биологических тканей характерна оптическая анизотропия. В зависимости от строения. Такая особенность поглощения характерна для л = 1,06 мкм.

Поглощательная способность биосред равна:

Ослабление ЛИ по мере проникновения вглубь материала происходит в результате взаимодействия квантов энергии излучения с электронами проводимости поверхностного слоя. Температура электронного газа повышается, что приводит к электронно-фотонному взаимодействию. В результате чего повышается энергия ионов или атомов кристаллической решетки. Это проявляется в увеличении амплитуды и частоты колебаний вокруг центральной точки. Ионы кристаллической решетки при этом сталкиваются с ниже лежащими ионами, передавая им свою энергию - работает механизм теплопроводности.