Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. ТЕХНОЛОГИИ РАЗМЕРНОЙ ЛАЗЕРНОЙ ОБРАБОТКИ

лазерный деталь прокладка

1.1 Физические основы лазерной обработки

Актуальность применения лазерных технологий

Наука о лазерах и лазерной технологии является бурно развивающейся областью знаний. В последние годы сделаны открытия принципиально новых типов лазеров, обладающих высоким коэффициентом полезного действия, простых и удобных в эксплуатации, обеспечивающих высокую надежность и, таким образом, весьма пригодных для применения в различных отраслях промышленности. В результате этого существенно расширился диапазон выполняемых функций лазерной техники. Наряду с увеличением производительности и качества традиционных лазерных технологических процессов обработки были разработаны новые процессы, обеспечивающие общий прогресс развития теории и практики в технологии приборостроения.

Развитие современного производства обуславливает все возрастающее внедрение наукоемких технологий, в частности, лазерной обработки материалов. Такая обработка является одной из технологий, которые определяют современный уровень производства в промышленно-развитых странах. Использование лазерной обработки материалов позволяет обеспечить высокое качество получаемых изделий, заданную производительность процессов, экологическую чистоту, а также экономию людских и материальных ресурсов.

В настоящее время применение лазерных технологий в приборостроительном производстве чрезвычайно разнообразно. К числу таких технологий относятся сварка, термоупрочнение, легирование, наплавка, резка, размерная обработка, маркировка, гравировка, прецезионная микросварка и многие другие. В некоторых случаях лучевые технологии находятся вне конкуренции, так как с помощью лазеров можно получить технические и экономические результаты, которых нельзя достичь другими техническими средствами.

В рамках данной работы рассматривается применение лазеров для резки тонколистового металла.

Схема технологической лазерной установки

Спектр оборудования, используемого для лазерной обработки материалов, чрезвычайно широк. Большинство производителей поставляют на рынок не отдельные технологические лазеры, а лазерные технологические комплексы. В них имеются устройства внешней оптики, управляемые столы, манипуляторы, роботы для перемещения изделия во время обработки, а также программное обеспечение, необходимое для реализации конкретной технологии. На рис. 1.1 представлена общая схема лазерной технологической установки (некорректно, много всяких схем, обобщить в одну их можно, но это не схема на рис 1.1).

Рис. 1.1. Общая схема лазерной технологической установки.

1 - лазер; 2 - блок питания; 3 - излучение; 4 - оптическая головка; 5 - обрабатываемая деталь; 6 - координатный стол; 7 - система визуального контроля; 8 - система контроля параметров лазера; 9 - система контроля технологического процесса; 10 - микропроцессор.

Фокусирующая оптическая система выполняет следующие функции. Она служит для фокусировки лазерного пучка на поверхности обрабатываемого объекта в световое пятно такого размера, что позволяет обеспечить уровень плотности мощности, достаточный для выполнения требуемой технологической операции. Кроме того, для более эффективной работы лазера она должна обеспечить максимально возможное использование энергии лазерного излучения с учетом потерь на всех оптических элементах лазерной установки (возникающих из-за френелевского отражения, остаточного поглощения и т. д.). Также в ее задачу входит формирование изображения зоны обработки заданной и строго пространственно-очерченной формы (включая формирование изображения зоны воздействия с минимальными неровностями края).

Электромеханический координатный стол предназначен для высокоточного перемещения обрабатываемой детали относительно области фокусировки лазерного пучка. В простейшем случае это может быть двухкоординатный транслятор, но бывают и более сложные конструкции - трехкоординатные (с

перемещением вдоль оси падающего лазерного пучка), а также столы с осевым вращением и пятикоординатные роботизированные трансляторы, в которых фокусирующая насадка, соединенная с волоконно-оптическим кабелем, перемещается в пространстве в «руке» робота.

Кроме того, для перемещения лазерного пучка относительно поверхности обрабатываемых деталей используется и так называемая летающая оптика - фокусирующая головка небольшого размера, которая с высокой скоростью перемещается по двум осям с помощью специальной системы электромеханического сканирования. В другом варианте используется система из двух скоростных гальванометрических зеркал, каждое из которых осуществляет наклон лазерного пучка по одной из координат. В результате этого лазерный пучок движется по обрабатываемой поверхности по двум координатам по заданной траектории. Такое техническое решение широко используется, например, в системах лазерной маркировки и гравировки с целью нанесения сложных контурных и растровых изображений. Это позволяет встраивать лазер в состав поточных технологических линий, предназначенных для работы в автоматическом режиме.

Все компоненты лазерной технологической установки способны, в конечном итоге, оказывать воздействие на точность лазерной обработки материалов. Используемый тип лазера и его параметры определяет сферу применения установки. Размеры стола ограничивают габариты обрабатываемой детали. Оптическая система во многом определяет качество обработки поверхности.

Физические основы работы лазера. Волоконные лазеры

Изучение проблемы лазерной резки металлов необходимо начать с рассмотрения физических основ работы лазера. Поскольку далее в работе все исследования точности лазерной резки тонколистовых материалов будут проводиться на лазерном комплексе, использующем иттербиевый волоконный лазер, рассмотрим устройство волоконных лазеров.

Лазер - устройство, преобразующее энергию накачки (световую, электрическую, тепловую, химическую и др.) в энергию когерентного, монохроматического, поляризованного и узконаправленного потока излучения.

Волоконные лазеры были разработаны сравнительно недавно, в 1980-х годах. В настоящее время известны модели волоконных технологических лазеров мощностью до 20 кВт. Их спектральный состав находится в пределах от 1 до 2 мкм. Использование таких лазеров позволяет обеспечить различные временные характеристики излучения.

В последнее время волоконные лазеры активно вытесняют традиционные лазеры из таких областей применения лазерной техники, как, например, лазерная резка и сварка металлов, маркировка и обработка поверхностей, полиграфия и скоростная лазерная печать. Их используют в лазерных дальномера и трехмерных локаторах, аппаратуре для телекоммуникаций, в медицинских установках и т.д.

Основными типами волоконных лазеров являются непрерывные одномодовые лазеры, в том числе однополяризационные и одночастотные; импульсные волоконные лазеры, работающие в режиме модуляции добротности, синхронизации мод, а также в произвольном режиме модуляции; перенастраиваемые волоконные лазеры; сверхлюминисцентные волоконные лазеры; мощные непрерывные многомодовые волоконные лазеры.

Принцип работы лазера основан на пропускании света фотодиода по волокну большой протяженности. Волоконный лазер состоит из модуля накачки (как правило, широкополосные светодиоды или лазерные диоды), световода, в котором происходит генерация, и резонатора. Световод содержит активное вещество (легированнное оптическое волокно -- сердцевина без оболочки, в отличие от обычных оптических волноводов) и волноводы накачки.

Конструкция резонатора обычно определяется техническим заданием, но можно выделить наиболее распространенные классы: резонаторы типа Фабри -- Перо и кольцевые резонаторы. В промышленных установках для повышения выходной мощности иногда объединяют несколько лазеров в одной установке. На рис. 1.2 показана упрощенная схема устройства волоконного лазера.

Рис. 1.2. Типичная схема волоконного лазера.

1 -- активное волокно; 2 -- брэгговские зеркала; 3 -- блок накачки.

Основной материал для активного оптического волокна - кварц. Высокая прозрачность кварца обеспечивается насыщенными состояниями энергетических уровней атомов. Примеси, вносимые легированием, превращают кварц в поглощающую среду. Подобрав мощность излучения накачки, в такой среде можно создать инверсное состояние заселённостей энергетических уровней (то есть, высокоэнергетические уровни будут заполнены больше, чем основной). Исходя из требований на резонансную частоту (инфракрасный диапазон для телекоммуникаций) и малую пороговую мощность накачки, как правило, легирование выполняют редкоземельными элементами группы лантаноидов. Одним из распространённых типов волокон является эрбиевое, используемое в лазерных и усилительных системах, рабочий диапазон которых лежит в интервале длин волн 1530--1565 нм. Вследствие различной вероятности переходов на основной уровень с подуровней метастабильного уровня, эффективность генерации или усиления отличается для различных длин волн в рабочем диапазоне. Степень легирования редкоземельными ионами обычно зависит от длины изготовляемого активного волокна. В пределах до нескольких десятков метров она может составлять от десятков до тысяч ppm, а в случае километровых длин -- 1 ppm и менее.

Брэгговские зеркала - распределённый брэгговский отражатель -- это слоистая структура, в которой коэффициент преломления материала периодически изменяется в одном пространственном направлении (перпендикулярно слоям).

Существуют различные конструкции накачки оптических волноводов, из которых наиболее употребительными являются чисто волоконные конструкции. Одним из вариантов является размещение активного волокна внутри нескольких оболочек, из которых внешняя является защитной (так называемое волокно с двойным покрытием). Первая оболочка изготовляется из чистого кварца диаметром в несколько сотен микрометров, а вторая -- из полимерного материала, показатель преломления которого подбирается существенно меньшим, чем у кварца. Таким образом, первая и вторая оболочки создают многомодовый волновод с большим поперечным сечением и числовой апертурой, в который запускается излучение накачки. На рис. 1.3 показана схема накачки лазера, основанного на волокне с двойным покрытием.

Рис. 1.3. Схема накачки лазера, основанного на волокне с двойным покрытием.

К преимуществам волоконных лазеров традиционно относят значительное отношение площади резонатора к его объёму, что обеспечивает качественное охлаждение, термостойкость кремния и небольшие размеры приборов в подобных классах требований по мощности и качеству. Лазерный луч, как правило, необходимо завести в оптическое волокно для последующего использования в технике. Для лазеров иной конструкции это требует специальных оптических систем коллимации и делает устройства чувствительными к вибрациям. В волоконных лазерах генерация излучения происходит непосредственно в волокне, и оно имеет высокое оптическое качество. Недостатками данного типа лазеров являются опасность возникновения нелинейных эффектов из-за высокой плотности излучения в волокне и сравнительно небольшая выходная энергия в импульсе, обусловленная малым объёмом активного вещества.

Волоконные лазеры проигрывают твердотельным в сферах применения, где требуется высокая стабильность поляризации, а использование сохраняющего поляризацию волокна затруднено по различным причинам. Твердотельные лазеры не могут быть заменены волоконными в спектральном диапазоне 0,7-1,0 мкм. Они также имеют больший потенциал для наращивания выходной мощности импульса по сравнению с волоконными. Однако волоконные лазеры показывают хорошие результаты на длинах волн, где не существует достаточно хороших активных сред или зеркал для лазеров иных конструкций, и позволяют с меньшими сложностями реализовывать некоторые лазерные схемы наподобие up-конверсии.

Физическая модель лазерной обработки

Лазерная обработка материалов основана на том, что использование лазерного излучения позволяет создавать на малом участке поверхности высокие плотности теплового потока, необходимые для интенсивного нагрева или расплавления практически любого материала.

При воздействии на поверхность обрабатываемых металлов и сплавов часть потока лазерного излучения отражается от нее, а остальная часть проникает на малую глубину. Процессы распространения теплоты зависят от интенсивности теплового воздействия и в значительной степени - от теплофизических свойств материала: его теплопроводности и теплоемкости. Комплексной характеристикой теплофизических свойств материала является коэффициент температуропроводности, характеризующий скорость выравнивания температуры при нестационарной теплопроводности. Он определяет, с какой скоростью в материале происходит передача тепловой энергии.

Таким образом, вне зависимости от применяемого типа лазера, в обрабатываемом лазерным методом материале наблюдаются некоторые физические процессы, связанные с передачей тепловой энергии: изменение фазового состояния и структуры, химические реакции, физические переходы - плавление, испарение и др.

Рассмотрим общую схему физических процессов при лазерной обработке.

1. Поглощение лазерного излучения по закону при глубине проникновения света .
2. Нагрев материала до точки плавления Тпл. Плавление после поглощения удельной теплоты плавления Lпл.
3. Нагрев до точки испарения (кипения) . 4. Испарение после поглощения удельной теплоты парообразования Lисп. 5. Движение испаряемой поверхности вглубь материала со скоростью V0.
6. Образование плазмы.

Существенное значение имеет расплавление материала и появление так называемой жидкой фазы, так как ее количество и распределение (удаление за счет испарения со стенок) оказывают непосредственное влияние на точность обработки.

Стоит также заметить, что физические процессы при импульсной периодической резке, являющейся предметом изучения в данной работе, во многом совпадают с таковыми при сверлении отверстий, так как рез образуется как совокупность отдельных отверстий.

Физические явления, ограничивающие качество лазерной обработки

Практически в любом реальном процессе формирования отверстий и резки существенная доля жидкой фазы остается на стенках после окончания лазерного импульса.

Формирование большого количества жидкой фазы и ее неполное удаление из отверстия - это наиболее неблагоприятный и трудноуправляемый фактор, который ведет к значительному уменьшению эффективности и ухудшению качества сверления отверстий.

Перераспределение жидкой фазы до кристаллизации оказывает решающее влияния на окончательную форму отверстия. В результате ее перераспределения, форма отверстия в момент отвердевания может существенно отличаться от формы, определенной геометрией луча, кинетикой испарения и гидродинамикой выброса жидкой фазы в конце лазерного импульса.

Основные причины увеличения количества жидкой фазы:

- Уменьшение плотности светового потока из-за постепенной расфокусировки луча с ростом глубины отверстия.

- Медленный спад мощности в конце импульса, что способствует увеличению объема остатка жидкой фазы в отверстии после окончания импульса.

- Длительность действия.

Чем дольше время воздействия, тем больше объем жидкой фазы и, поэтому, больше разброс размеров отверстия и реза.

Кроме того, большое время воздействия вызывает увеличение глубины зоны теплового влияния (прогретого слоя), где происходят окисление и структурные изменения, и появление дефектов на поверхности отверстия.

Другими источники погрешности в лазерном формировании отверстия являются:

- Неоднородность распределения по сечению интенсивности луча из-за модового характера лазерного излучения.

- Размывание светового пятна при обработке в фокальной плоскости из-за отсутствия его резких границ.

Помимо этого, причиной снижения геометрической точности лазерной обработки являются тепловые эффекты в материале, а именно термодеформационные процессы в металле. При резке тонколистовых металлов они могут привести к искажениям вырезаемого контура и прогибам детали, выходящим за пределы допуска.

Таким образом, при рассмотрении вопросов точности и качества лазерной обработки и, в особенности, прецизионной резки металлов, следует обратить внимание на следующие аспекты:

1) параметры лазерного луча как инструмента формообразования:

a) временные и энергетические характеристики, зависящие от параметров лазера.

b) пространственно-геометрические характеристики, зависящие от оптических параметров системы.

2) процессы взаимодействия лазерного излучения с материалами, в частности, нагревание, испарение, появление жидкой фазы, реактивное давление паров и т.д.

3) дополнительные и сопутствующие факторы, влияющие на результат лазерной обработки: поддув газа и жидкости, пред- и постобработка, и т.д.

1.2 Методы повышения качества лазерной обработки

Параметры технологических лазеров и лазерного излучения.

Наиболее важными параметрами лазеров являются:

- Вид воздействия - непрерывный или импульсный;

- Мощность излучения, P;

- Длина волны, л;

- Длительность импульса, ф;

- Частота следования импульсов, f;

- Пространственные характеристики модовой структуры излучения;

- Расходимость пучка, б.

Сперва рассмотрим, какой вид воздействия является более предпочтительным для лазерной микрообработки с энергетической точки зрения и с точки зрения качества.

С использованием формул для вычисления пороговой плотности мощности испарения в зависимости от тепловых параметров обрабатываемого материала и параметров лазерного луча можно показать, что средняя мощность лазерного излучения в импульсном режиме значительно выше, чем в непрерывном.

Для анализа влияния вида воздействия на качество обработки необходимо сделать вывод о его воздействии на поведение жидкой фазы.

Количество жидкой фазы пропорционально . Соответственно, минимальное количество жидкой фазы образуется при минимальной длительности импульса.

Количество жидкой фазы, удаляемой из зоны обработки (зоны реза) в ходе процесса за счет давления паров, должно быть максимальным, следовательно должно быть максимальным давление паров. Давление пара отдачи пропорционально , то есть обратно пропорционально длительности импульса.

Очевидно, что для достижения наивысшего качества обработки следует минимизировать время воздействия - продолжительности импульса.

Мощность излучения при обработке должна быть достаточной для расплавления обрабатываемого материала, то есть зависит от параметров обрабатываемого материала. Типичная необходимая мощность лазерного облучения составляет порядка 1кВт.

Длина волны должна лежать в области большой поглотительной способности материала, зависящей от оптических характеристик обрабатываемого материала. Для металлов - это длины волн видимой части спектра.

Длительность импульса, как было сказано выше, непосредственно влияет на качество лазерной обработки. От нее зависят следующие характеристики процесса лазерной обработки:

- Глубина проплавленного слоя,

- Величина давления отдачи паров,

- Величина термомеханических напряжений,

- Эффект экранирования падающего излучения парами

- Стабильность размеров облучаемой площадки

- Стабильность пороговой плотности мощности.

По всем этим причинам чем меньше длительность импульса, тем выше качество обработки (в пределах справедливости тепловой модели, до ).

Частота следования импульсов f влияет на температуру материала, которая меняется после окончания каждого импульса, и средняя температура может понижаться, но если частота следования больше

,

то изменения Т не будет наблюдаться, и, таким образом, результат воздействия будет зависеть только от мощности и энергии отдельных импульсов.

Также от f может зависеть экранирующий эффект падающего излучения, если

.

Таким образом, наиболее важная роль частоты следования импульсов f состоит в ее прямом влиянии на производительность микробработки, выбор типичных технологических операций и экранирование зоны воздействия (при многоимпульсных или высокочастотных процессах).

К лазерам и лазерному излучению также предъявляются следующие требования:

1) Высокая однородность и стабильность параметров излучения,

2) Эффективность (кпд),

3) Высокие эксплуатационные характеристики: достаточный ресурс и надежность, минимальный размер и вес, простая конструкция.

4) Экономическая эффективность.

Влияние длительности и формы импульсов на качество лазерной обработки

Как было определено в предыдущем параграфе, длительность импульса ф является важным параметром, существенно влияющим на качество обработки. Рассмотрим, как выбирается оптимальная продолжительность импульса при лазерной обработке.

Микрообработка лазерным импульсом налагает противоречивые требования на длительность импульса. Формирование глубоких отверстий и разрезов требует увеличения длительности воздействия, т.к. другой способ повышения плотности потока выше Вт/см² нецелесообразно из-за поглощения излучения в факеле. Однако, получение глубоких отверстий посредством только увеличения длительности воздействия неизбежно ведет к образованию большого количества жидкой фазы, что недопустимо в прецизионной микрообработке.

Решение состоит в выборе коротких импульсов и высокой частоты их следования и плотности потока достаточно большой, чтобы обеспечить минимальное количество жидкой фазы и в то же время достаточно малой, чтобы избежать сильного поглощения света в факеле. Тогда требуемая глубина обработки достигается за несколько сотен импульсов.

Возможно также управление формой импульса, а именно изменение длины переднего и заднего фронтов, огибающей формы импульса в целом.

Увеличение длины переднего фронта ведет к росту диаметра входного конуса

Увеличение длины заднего фронта, в свою очередь, ведет к понижению температуры в конце импульса и образованию большого количества жидкой фазы, а также к снижению давления отдачи паров P_п, которого недостаточно для удаления расплава из отверстия (разреза).

Изучение влияния формы импульса на процесс удаления материала показывает, что не только крутизна переднего и заднего фронта импульса, но также огибающая в целом, очень важны при точной микрообработке. Крутизна переднего края воздействует главным образом на время t_и нагрева материала до температуры испарения. Чем меньше крутизна, тем больше и t_и и размер зоны теплового воздействия и, поэтому, больше диаметр входного конуса. Полезно чтобы передний край импульса t₁ был не длиннее, чем .

Требования к заднему фронту импульса для точной обработки определяются необходимостью резко прервать процесс испарения при достижении желаемой глубины и формы. Это уменьшит до минимума формирование и перераспределение расплава и снизит вероятность плавления стенок. Поэтому, длительность заднего фронта импульса не должна превышать длительности переднего фронта. Лазерные импульсы с требуемыми параметрами могут быть получены разными путями: выбором соответствующих лазеров, использованием модуляции излучения или с помощью источников накачки с профилированным электрическим (и световым) импульсами накачки.

Внутренняя структура импульса существенна при лазерной обработке в режиме пичковой генерации твердотельных лазеров (при общей длительности импульсов ~ 1 мс).

Пичковый режим генерации благоприятен для микрообработки. Его эффективность реализуется при использовании для удаления материала энергией каждого пичка при их высокой мощности и малой длительности (? 1 мкс), что заметно снижает потери на теплопроводность, нагрев и плавление.

Высокая точность обработки легко достигается в случае регулярного пичкового режима, т.е. когда все пички имеют одинаковую форму, длительность ф₀ и энергию, следуют с постоянными интервалами ф_i, и обладают однородным пространственным распределением интенсивности. В результате, обработка осуществляется импульсами (пичками) с параметрами (ф₀, ф_i, q) которые выбираются так, чтобы каждый импульс испарял материал с минимальным количеством расплава. Это может быть выполнено, если режим одномерного испарения устанавливается в течение действия каждого импульса. Если, кроме того, в течении интервала между пичками ф_i испаряемая поверхность остынет

до точки кристаллизации, то минимальное количество жидкости будет удалено со дна кратера. Время ф_i должно быть достаточным для вылета паров из отверстия, что зависит от текущей глубины h_i отверстия и от скорости паров W. При W ~ 1 км/с и h_i ? мм, должно выполняться условие:

.

Влияние оптической системы на качество и длительность лазерной обработки

Любая оптическая система для лазерной микрообработки должна обеспечить три основные группы требований:

1) Энергетические:

- плотность мощности излучения, достаточную для выполнения заданного типа поверхностной обработки,

- максимальное использование энергии лазера, с учетом потерь на диафрагмах (виньетирование) и на оптических компонентах (Френелевское отражение и остаточное поглощение)

2) Точностные:

- необходимость формирования зоны обработки заданной и строго очерченной формы,

- необходимость формирования изображения зоны воздействия с минимальной неровностью края

3) Требования к ОС в части рабочего поля:

- как перекрыть полную рабочую зону посредством сканирующих оптико-механических и систем или проекционных оптических систем с приемлемой точностью, производительностью и самым простым путем.

Рассмотрим влияние различных типов оптических систем на качество обработки.

Фокусирующая сканирующая техника с расположением рабочей поверхности в фокальной плоскости (тип A)

Для высокого качества обработки требования точности имеют наибольшую важность, такие как ограничения неровности края, обеспечение однородного облучения зоны и т.д. В этом случае резка сфокусированным лазерным пучком не выгодна по следующим причинам: 1) распределение энергии в пятне неоднородно, так что строго определенных размеров зоны воздействия нет, и 2) получение разреза с гладким краем путем наложения отверстий требует высокой степени перекрытия, что снижает производительность метода (см. рис. 1.4).

Рис. 1.4. Схематическая диаграмма лазерной резки пучком с круглым и прямоугольным поперечным сечением.

Используя луч с прямоугольным поперечным сечением можно уменьшить неровность края и увеличить скорость резки. При заданном r₀ и перемещении пятна (f -- частота следования импульсов), неровность д растет с увеличением u₀ и уменьшением r₀:

Таким образом, ограниченно данным д. В то же время для прямоугольного пучка не зависит от д.

Однако, фокусирующая техника приемлема при высокой частоте следования импульсов (f = 10 100 ? кГц), особенно отмечается простота оптической установки.

Проекционно-сканирующий метод

Этот метод состоит, по существу, в формировании изображения в результате последовательного освещения образца по заданному контуру световым лучом со специальной перекрестной секцией, представляющей микропроекцию простого элемента (такого как квадрата).

Наиболее важные достоинства метода: 1) высокое оптическое качество обработанного зонального образца, обеспеченного квадратной формой изображения (образа), формирующего элемент и возможностью создания однородного распределения энергии (в отличие от обработки в фокусе оптической системы, где распределение энергии Гауссово), и 2) достаточно малые потери энергии на маске.

Контурно-проекционный метод имеет значительные преимущества для вырезки квадратной формой луча перед обработкой в фокальной плоскости оптической системы. Фокусирующие системы должны работать с колоколообразным поперечным распределением интенсивности луча. Плотность мощности на периферии светового пятна недостаточна для испарения и поэтому большая доля энергии импульса тратится на расплавление. Расплавленный материал удаляется из центра отверстия под действием давления отдачи пара в центре освещаемой зоны и, впоследствии, отверстие приобретает коническую форму, особенно на передней поверхности.

Напротив, диафрагма (маска) предотвращает облучение периферийной частью светового пучка, где плотность мощности недостаточна для испарения. В результате, освещенная зона становится точно определенной, и размер конуса на входе отверстия (реза) резко уменьшается, особенно при малой длительности импульса ф .

Теплофизическая задача для Гауссова и однородного распределений интенсивности импульса в обрабатываемой плоскости дает отношения между тепловой зоной воздействия и как функцию (двумерный случай).:

На рис. 1.5 представлена графическая интерпретация данного соотношения.

Рис.1.5. Соотношение прогретых зон для Гауссова распределения (фокусирующий метод) и однородного распределения (проекционный метод) в поперечном сечении пучка в зависимости от длительности импульса.

Обработка в цилиндрической световой трубе (ЦСТ)

Геометрия светового пучка в значительной степени влияет на качество и точность микрообработки. Получение точных форм как следствие регулярной временной структуры требует определенного позиционирования относительно каустики оптической системы, с тем, чтобы сформированный световой пучок в зоне обработки был наиболее однородным в поперечном и продольном сечении. Каустика имеет две характерные плоскости, куда обычно помещается обрабатываемая поверхность, называемые фокальной плоскостью и плоскостью изображения (излучающей поверхности или ограничивающей диафрагмы). При определенном взаимном расположении лазера и оптической системы, когда размер светового пятна равен в обеих плоскостях, между ними образуется цилиндрическая световая трубка. Длина l' трубы и диаметр d' определяются соотношениями

и .

Использование ЦСТ при обработке материалов позволяет существенно понизить (и в некоторых случаях избежать в целом) прямого поглощения падающего света (который в случае обработки фокусным пятном формирует конус) стенками отверстия. Кроме того, использование ЦСТ устраняет уменьшение плотности светового потока вследствие расфокусировки луча с увеличением глубины отверстия.

Эксперименты, выполненные с оборудованием, позволяющим формирование ЦСТ демонстрируют возможность получения отверстий с формой, отклоняющейся от цилиндрической не больше, чем 1/200 при отношении глубина к диаметру 15.

Многоимпульсная обработка

Эта техника формирует отверстие (или разрез) посредством применения последовательности идентичных лазерных импульсов заданной энергии и длительности. Обработка последовательностью импульсов приводит к увеличению глубины отверстия (шва) постепенно, вследствие испарения слоя за слоем с каждым импульсом. Конечная глубина отверстия (шва) определяется полной энергией серии импульсов, в то время как диаметр шва зависит от средних параметров отдельного импульса, так же как диаметр светового пучка и каустика в зоне воздействия.

Метод МИО обычно используется для решения двух различных технологических задач: 1) получение отверстия максимальной глубины без строгих требований точности, 2) получение точных форм.

Оптимальному режиму МИО соответствует получение максимального отношения приращения глубины к диаметру () в каждом отдельном импульсе. Экспериментальное изучение режима, охарактеризованного как показало, что диаметр отверстия изменяется незначительно после первого импульса и определяется величиной энергии , усредненной по полной серии импульсов, в то время как глубина зависит от полной энергии n импульсов.

Главным фактором, воздействующим на отношение глубины к диаметру является tgг , характеризующий кривизну каустики после фокальной плоскости оптической системы, и количества n импульсов в последовательности, необходимых для получения требуемых d и h.

При использовании многоимпульсной обработки могут быть использованы различные схемы подачи излучения. Кроме облучения неподвижным пучком можно обходить лучом наружный диаметр отверстия или придавать ему движение развертки по спирали от центра к краям.

Оптимальный высокоточный режим МИО должен обеспечивать минимальное оплавление стенок и дна отверстия. Это становится возможным, если удовлетворены следующие два условия, определяющие приемлемые режимы работы:

 ,

Первое условие означает малые потери тепла на стенках в течении импульса, таким образом, минимум плавления стенок вследствие теплопроводности. Второе ограничивает факторы образования жидкой фазы.

Улучшение качества путем использования струи газа и струи воды

Качество и точность могут быть улучшены с помощью других технологических методов, предусматривающих увеличение количества удаленной жидкой фазы, и таким образом уменьшение эффекта неконтролируемого перераспределения расплава (после импульса).

Резка металлов обычно проводится с помощью поддува газа (воздуха или кислорода). По существу, эта техника (называемая газолазерная резка -- ГЛР) состоит в фокусировке лазерного луча на поверхность обрабатываемого материала, куда одновременно подается вместе с лучом газ. Поток газа выполняет следующие задачи:

1) поддержание горения металла с использованием теплоты реакции,

2) удаление жидкой фазы и очистка боковой поверхности потоком газа,

3) эффективное охлаждение материала в зоне резки.

Наличие струи кислорода при резке металлов позволяет существенно увеличить глубину и скорость обработки и получить качественные кромки. ГЛР металлов обычно осуществляется мощным CO2-лазером.

При использовании газа следует избегать сильного окисления краев.

Иногда, с целью улучшения эффективности охлаждения потоком газа распыляется вода, в то время как в других случаях обрабатываемая поверхность непосредственно охлаждается водой.

В данном подразделе были рассмотрены факторы, влияющие на качество лазерной обработки вне зависимости от конкретного вида обработки. Следующий подраздел будет анализировать возможности улучшения качества лазерной резки путем оптимизации указанных параметров применительно к резке тонколистового металла.

1.3 Лазерная резка металлов

Особенности и преимущества лазерной резки

Развитие надежных и мощных лазеров, работающих в непрерывном и импульсном режиме, прежде всего Nd:YAG и CO2 лазеров‚ позволило осуществить широкий диапазон технологических операций, вовлекающий управляемое лазером разделение материалов.

Применение лазеров для этих целей имеет многочисленные преимущества перед традиционными методами, а именно:

- возможность разделения лазером обширного класса материалов независимо от их твердости;

- возможность получения узких разрезов с минимальной зоной термического влияния в результате острой фокусировки, обеспечивающей локальность нагрева;

- практически полное отсутствие механического воздействия на обрабатываемый материал (возможна обработка легкодеформируемых и нежестких материалов), в связи с чем отпадает необходимость в закреплении образца (можно ограничиться лишь фиксацией);

- обеспечение высокой производительности процесса вследствие достижения высокой плотности мощности при фокусировке луча на поверхность обработки;

- возможность контроля и строгой регламентации пребывания материала при высоких температурах в случае применения лазеров импульсно-периодического действия;

- возможность автоматизации процесса на высоком уровне, использование соответствующих координатных устройств позволяет проводить лазерную резку по сложному контуру в двух и даже трех измерениях, начав процесс с произвольно выбранного места;

- осуществление многопозиционной обработки.

В то же время применение лазерного излучения для разделения материалов нельзя считать универсальным средством, с помощью которого можно решить все проблемы, связанные с проведением того или иного процесса В частности, необходимость фокусировки излучения для достижения высоких значений плотности мощности потока предполагает расхождение пучка за плоскостью фокусировки, т.е. резкое снижение плотности мощности. Несмотря на то, что в ряде случаев в полученном материале под действием излучения в канале могут проявляться его волноводные свойства, значительно увеличивающие глубину проникновения излучения в вещество, глубина обработки имеет ограничение, связанное как с естественной расфокусировкой пучка, так и с поглощением чисти излучения на стенках канала.

К основным недостаткам лазерных методов обработки также относят высокую стоимость оборудования и низкий КПД лазерных установок. Однако эти недостатки являются временными.

Резка может происходить путем испарения или удаления расплава из зоны взаимодействия с лазерным пучком, а также посредством создания термомеханических напряжений с последующим расколом по сформированной трещине. Лазеры чаще всего используются для резки металлов и некоторых диэлектриков, при этом грат обычно удаляется направленной струей газа, химически активного или инертного. Термораскалывание применяется при разделении хрупких материалов, таких как стекло, керамика и т.п.

Характеристики качества лазерной резки

В общем случае качество лазерной резки может быть определено следующими главными параметрами (рис. 1.6):

- ширина реза на передней b_п и на задней b_з сторонах и Дb,

- неровность краев R_z,

- ширина зоны теплового воздействия Дr_h,

- радиус плавления передней стороны R,

- количество отходов (грата) m,

- микрогеометрия внутренней поверхности реза (бороздки) S ,

- лаг реза (отставание реза на задней поверхности относительно передней) j .

Рис.1.6. Характеристики качества лазерной резки: m - отходы, S - бороздки, Дr_h - размер зоны теплового воздействия, R - радиус плавления, R_z - неровность края реза, b_п и b_з - ширина резки на передней (b_п) и на задней (b_з) стороне, в - угол задержки реза и отклонения бороздок (разрез (а) и полный (б) вид).

Как должно быть ясно, некоторые дефекты, такие как m и S , непосредственно зависят от количества жидкой фазы, которая остается на краях и стенках реза. Другие, такие как Дb, Дr_h, R, зависят больше от времени облучения. Неровность реза на поверхности зависит от формы светового пятна, перекрытия пятен и (или) частоты повторения f.

В общем случае, чтобы уменьшить бороздки необходимо: 1) увеличить перекрытие отверстий (увеличением частоты повторения импульсов f или сокращением скорости движения u₀ и т. д.) и, 2) ограничить количество жидкой фазы (уменьшением длительности импульса ф, и т. д.).

Временно-энергетические характеристики типичного импульса и их влияние на качество лазерной резки металлов

Уменьшение мощности к концу импульса и исчезновение больших пичков ведет к образованию жидкой фазы металла (которая не может более быть испарена) и не способствует созданию достаточного дополнительного давления, чтобы удалить ее -- и это главная причина ухудшения качества резки.

Главная причина образования грата - это большое количество жидкой фазы, которое является следствием спада мощности к концу импульса, большой постоянной составляющей и различной импульсной мощности в пиках. Жидкая фаза и сложные многоимпульсные механизмы ее удаления - также главные причины образования бороздчатости.

Уменьшение зоны теплового воздействия (ЗТВ) , включая плавление, окисление и нагревание, зависит прежде всего от длительности импульса ф, чрезмерная длительность импульса так же важная причина плавления передней поверхности вырезки (см. радиус R на рис.1.6).

Чтобы увеличивать возможность резки, необходимо увеличивать частоту следования импульсов f (что означает увеличить среднюю мощность ), и скорость перемещения u₀ соответственно. То же самое качество тогда будет обеспечиваться в той же самой плотности мощности q_i и том же самом пере-крытии p.

Влияние оптической системы на лазерную резку

Фокусирующая оптическая система может вызвать следующие недостатки:

- оплавление передней поверхности вокруг реза и, соответственно, коническая форма реза

- неровность края реза на поверхности

- образование дополнительного количества жидкой фазы из-за конической продольной формы сечения пучка

Проекционная оптическая система с цилиндрической световой трубой лишена этих недостатков.

Обеспечение режима лазерной резки металлов с высоким качеством и разрешением

Рассмотрим характеристики лазерных импульсов, лазерного пучка, оптических систем и оснастки, изменение которых позволяет управлять качеством резки металлов.

Временно-энергетические характеристики лазерных импульсов:

- плотность мощности q_i - чем больше, тем лучше (уменьшение жидкой фазы), но меньше, чем порог поглощения в эрозионном факеле.

- длительность импульса ф_i -- чем меньше, тем лучше (уменьшение жидкой фазы), в диапазоне от микросекунд до нано- (и даже) пико-, и фемтосекунд. Сокращение ф_i ведет к уменьшению глубины испарения.

- P_i определено требованиями плотности мощности q_i и размера оптического пятна в фокальной плоскости d₀, чем больше, тем лучше, чтобы обеспечить необходимые q и f.

- крутизна фронтов импульса, ф_кр: ф_кр < ф_i

- постоянная составляющая мощности, P_п: P_п = 0

- отдельные импульсы (или пички) должны быть равными по мощности и длительности,

- частота повторения импульсов, чем больше, тем лучше, но должна позволять удалять продукты эрозии из реза: (W_п - скорость разлета паров)

Пространственные характеристики лазерного пучка и оптической системы:

- выбор размера светового пятна d₀ зависит от ширины реза d ; чем меньше d , тем меньше должно быть d₀, в любом случае и



- фокусное расстояние линзы, F , или лучше сказать, числовая апертура 2F/D₀ определяет продольную структуру пучка и глубину фокуса, в особенности; лучше всего - структура световой цилиндрической трубы, которая реализуется при условии , где I - расстояние между выходным зеркалом лазера и задней фокальной плоскостью фокусирующей линзы, б - угол расходимости лазерного луча;

- распределение энергии в световом пятне должно быть однородным.

Оснастка и параметры системы управления:

- оснастка должна быть обеспечена струей газа и воды (внутри трубки-заготовки) - вспомогательные системы для удаления продуктов эрозии,

- перекрытие отверстий: чем больше, тем лучше для минимизации бороздчатости при данной скорости перемещения u₀, диаметра вырезки d и частоте повторения импульсов f :

- система управления должна обеспечивать одинаковую плотность мощности в криволинейных частях траектории, особенно на крутых поворотах, при смене направлений (реверсе) и т. д., что необходимо для стабилизации качества резки: .

Таким образом, в данной главе были рассмотрены теоретические физические основы лазерной обработки в общем и, в частности, лазерной резки, определены характеристики лазерного излучения и установки, оказывающие непосредственное влияние на качество лазерной обработки металлов. Теперь можно рассмотреть вопросы оптимизации режимов лазерной обработки в связи с геометрическими параметрами изделий, такими как толщина материала, насыщенность внутренними элементами и т.д. При выполнении экспериментальных работ на лазерном комплексе FMark-20RL у оператора не будет возможности влиять на такие параметры установки, как тип лазера, тип оптической системы, форма и тип импульсов, однако их понимание важно для оценки влияния на качество резки других, управляемых параметров. Стоит отметить еще одну важную особенность используемого лазерного комплекса - отсутствие систем подачи газа для удаления расплавленного и испаренного материала из зоны обработки. Это определяет особенности процесса резания тонколистовых металлов на данной установке, которые будут подробно рассмотрены в главе 2.

2. ДЕФОРМАЦИЯ ТОНКОЛИСТОВЫХ ДЕТАЛЕЙ В ПРОЦЕССЕ ЛАЗЕРНОЙ РЕЗКИ

2.1 Термодеформационные процессы при лазерной резке тонколистовых деталей

Неравномерный нагрев - причина возникновения напряжений

При лазерной обработке в металлах происходят термодеформационные и физико-химические процессы. Под термодеформационными процессами следует понимать упругопластическое деформирование металла вследствие неравномерного нагрева при лазерной обработке и возникновение при этом временных и остаточных напряжений. Физико-химические процессы при лазерной обработке происходят в твердом и расплавленном металле и характеризуются фазовыми и структурными превращениями, растворением и выделением веществ из раствора, диффузией и т.д.

Термодеформационные процессы и превращения в металлах при лазерной обработке определяют технологическую прочность металла в различных зонах воздействия, т.е. стойкость против образования локальных разрушений при сварке, наплавке, резке, термообработке и других видах лазерной обработки.

Кроме того, термодеформационные процессы в значительной степени определяют эксплуатационные свойства деталей и конструкций, обработанных лазерным излучением, т.е степень соответствия механических и химических свойств условиям и требованиям эксплуатации. И, наконец, вопросы точности деталей и конструкций после лазерной обработки основаны на знании закономерностей образования деформаций и напряжений.

Механизм образования временных и остаточных деформаций и напряжений.

Если осуществлять равномерный нагрев материала, то его свободное расширение будет происходить без возникновения напряжений. При неравномерном нагреве тела связи между нагретыми и не нагретыми участками препятствуют свободному расширению тела. Вследствие этого в нем возникают собственные температурные напряжения, действующие при отсутствии внешних сил.

Температурные напряжения, возникающие и действующие в процессе тепловой обработки, принято называть временными. Таким образом, при лазерной обработке на стадиях нагрева, выравнивания температур и охлаждения имеют место временные напряжения.

Наряду с температурными деформациями и напряжениями в теле также могут возникать деформации и напряжения, обусловленные фазовыми или структурными превращениями, происходящими с увеличением или уменьшением объема.

Неравномерный нагрев и изменение объема тела вследствие температурного расширения, а также фазовых или структурных превращений приводят к возникновению упругих и пластических деформаций. Пластические деформации в теле после его полного охлаждения являются причиной действия собственных напряжений, называемых остаточными.

2.2 Используемое оборудование - комплекс лазерный FMark-20 RL

Внешний вид и структура комплекса

Все работы производились на лазерном маркирующем комплексе FMark-20RL, фотография которого приведена на рисунке 2.1. Данный комплекс предназначен для выполнения работ по маркировке и гравировке изделий из металлов, пластмасс, резины, окрашенных металлических поверхностей.[ http://www.ltc.ru/instrument/fmark20-rl.shtml]

Комплекс работает под управлением специализированного программного обеспечения M-Script, описание которого можно узнать на официальном сайте и из «Пояснительная записка к подготовке данных для лазерных маркирующих и гравирующих комплексов DMark-06RL, FMark-10RL, FMark-20RL, BetaMark-RL».

Рисунок 2.1 Лазерный маркирующий комплекс FMark-20RL.

В состав комплекса входят: персональный компьютер, лазер, управляющая система, рабочий стол, штатив с червячным механизмом (для ручного перемещения сканатора по вертикальной оси), на который закреплена сканаторная система с коллиматором лазера. Так же имеется набор приспособлений для установки и закрепления деталей и настройки фокуса.

Сканаторная система комплекса

Сканаторная система состоит из двухосной системы дефлекции лазерного луча и объектива. Принцип работы сканирующей системы приведен на рисунке 2.2.



Рисунок 2.2. Работа сканирующей системы

Лазерный луч исходит из коллиматора и падает на зеркала оптической системы(Galvanometer Scanner “Y direction”, “X direction”). Зеркала позиционируют луч по двум координатам. Далее луч проходит через фокусирующий объектив (F-Theta Objective) и падет на плоскость объекта, расположенную в фокальной плоскости.

Данная система позволяет весьма точно позиционировать луч в фокальной плоскости, и производить его перемещение с большой скоростью (от 4 до 5000 мм/с).

Изображение объектива сканаторной системы представлено на рисунке 2.3. На рисунке изображено прохождение луча через оптическую систему. Луч выходит из сканаторной системы под углом, это необходимо для того, чтобы отраженное излучение не возвращалось в резонатор лазера.

Рисунок 2.3. Объектив сканаторной системы.

Настройка комплекса для работы

Работу на комплексе можно описать следующим образом. Деталь устанавливается в приспособление на рабочем столе. Далее, с помощью щупа, подвешиваемого на сканатор, и по средствам ручного перемещения сканатора по вертикальной оси, фокальная плоскость совмещается с плоскостью маркировки. Затем по габаритам контейнера (красный настроечный луч) деталь перемещается до достижения требуемого положения зоны маркировки. После чего осуществляется маркировка.

Данным методом можно обеспечить высокую точность расположения и высокую размерную точность, но это приведет к большой сложности в настройке. Во-первых, существуют отклонения положения технологических баз относительно осей поля маркировки. Это выражается как в неизвестности положения нулевой точки относительно баз, так и в расположении баз относительно осей под некоторым углом. Данный недостаток можно компенсировать настройкой, но это потребует сложных измерений и дополнения конструкции приспособления. Во-вторых, поскольку луч выходит из объектива под некоторым углом, при отклонениях фокальной плоскости от плоскости маркировки будет проявляться масштабирование маркируемого изображения. В-третьих, если оптическая ось системы не является строго перпендикулярной столу, возможны искажения формы изображения.

2.3 Математическая модель и методика проведения измерений

Математическая модель получения изображения

В ходе эксплуатации комплекса FMark-20RL на производстве возникла необходимость в новых методах обеспечения точности лазерной обработки плоских деталей, основанных на анализе математической модели получения изображения.

Рассмотрим маркирование окружности произвольного радиуса на плоской листовой заготовке. Точное положение изображения на заготовке не имеет значения. При построении модели будем считать, что неплоскостность и непараллельность заготовки близки к нулю и оптическая ось объектива строго перпендикулярна плоскости маркировки. Также примем, что отклонения движения луча близки к нулю.