4.4. Обработка излучением лазера
Создание лазера — одно из главных научных открытий двадцатого столетия. В настоящее время лазерная техника получила широкое применение в различных областях производства, в частности для резки, получения отверстий, сварки, направки, маркирования и поверхностного упрочнения материалов.
Такое разнообразие областей применения определяется следующими основными преимуществами лазера:
• бесконтактностью воздействия на материал при высокой удельной мощности потока лазерного излучения и возможности его регулирования в широком диапазоне значений;
• возможностью компьютерного управления мощностью, фокусировкой и перемещением луча;
• возможностью обработки разных материалов (от дерева и пластмасс до металлов).
Лазерное излучение представляет собой набор пучков практически параллельных лучей с небольшим углом расходимости 0. Это обусловливает возможность фокусировки лазерного луча на малую площадку диаметром 10... 100 мкм с высокой плотностью потока энергии. Диаметр df светового пятна в фокальной и носкости определяется выражением
где F — фокусное расстояние объектива.
Лазерное излучение мощностью Р, сфокусированное оптической системой в пятно диаметром df, дает на поверхности обрабатываемого материала плотность потока мощности q:
Плотность потока мощности лазерного излучения, поглощаемая поверхностью qn, определяется выражением
где АЭф — эффективный коэффициент поглощения, определяющий долю энергии, идущую на нагрев поверхностного слоя. Часть энергии луча рассеивается в результате отражения.
Принято различать две группы условий лазерной обработки, разграниченных некоторой критической плотностью потока qK. При уровне плотности потока (q < qK) лазеры применяют для всех видов термической обработки, которая без изменения геометрической формы заготовки улучшает или изменяет свойства поверхности материала. Высокий уровень плотности потока (q > qK) используется для размерной обработки (получения отверстий, резки), при которой материал плавится и испаряется, и других процессов, в частности сварки, наплавки, глазурирования, легирования и модифицирования поверхности. Значения плотности потока мощности лазерного излучения q и необходимого времени воздействия х для ряда типовых процессов обработки материалов приведены на рис. 4.76.
В настоящее время в промышленности в основном используют газовые СО2-лазеры и твердотельные Nd: YAG-лазеры (алюмоиттриевый гранат с неодимом), работающие в инфракрасном и близких к инфракрасному диапазонах спектра. Однако мощные диодные лазеры и Nd: YAG-лазеры с диодной накачкой становятся все более эффективными вытесняют в некоторых областях СО2-лазеры и Nd: YAG-лазеры и, что более важно, расширяют возможности промышленного применения лазеров.
В СО2-лазерах рабочая среда состоит из смеси углекислого газа, азота и гелия. Наиболее распространенное соотношение газов в смеси: СО2 — 2...5 %, N2 —10%, остальное — гелий. Принцип работы всех СО2-лазеров один, однако есть различия в конструкции, зависящие от методов возбуждения и охлаждения газовой смеси в резонаторе. Активной средой служит углекислый газ. Азот способствует повышению мощности лазера, передавая энергию молекулам СО2 и позволяя им остаться на верхнем уровне излучения, гелий ускоряет отвод теплоты от газовой смеси. СО2-лазеры имеют мощность от десятков ватт до 45 кВт при КПД приблизительно 10 %. Эти лазеры наиболее широко используют для резки, сварки и поверхностной обработки.
Рис. 4.76. Области видов лазерной обработки:
1 — ударное упрочнение; 2 — лазерное легирование; 3 — сверление; 4 — сварка и резка; 5 — плакирование и глазурирование; 6 — термообработка
СО2-лазеры могут быть с продольной или поперечной прокачкой и отпаянные. В лазерах с медленной продольной прокачкой газ движется соосно с лазерным лучом в стеклянной трубке (обычно диаметром от 10 до 14 мм), которая окружена другой стеклянной трубкой, расположенной коаксиально. В зазор между трубками подается вода или масло для охлаждения. С одного метра лазерной разрядной трубки (типичная длина трубки 1 м) может быть получена мощность от 50 до 70 Вт. Преимущества этого типа СО2-лазера заключаются в хорошей фокусировке луча, относительной простоте конструкции и дешевизне. Основной недостаток — значительное увеличение габаритов лазера при необходимости получения большой мощности. Максимальная мощность таких лазеров составляет 2 кВт и может быть получена примерно от 20 лазерных разрядных трубок, помещенных последовательно.
В CO2-лазерах с быстрой продольной прокачкой высоких параметров достигают за счет скорости прокачки газа через разрядную трубку. Для этой цели обычно используют центробежный компрессор. Газ движется со скоростью, близкой к скорости звука, перед повторным использованием в лазерной трубке сто охлаждают в теплообменнике. Длина лазерной разрядной трубки в этом случае может быть значительно уменьшена. Кроме компактности, СО2-лазеры этого типа обладают высокой выходной мощностью (до 20 кВт) и соответственно Полыней погонной энергией. Их широко применяют для сварки. Главным недостатком является необходимость использования центробежных компрессоров или других устройств прокачки газа.
В СО2-лазерах с поперечной прокачкой поток газа с высокой скоростью подастся поперек оптической оси и через теплообменник многократно используется снова. В сравнении с предыдущими двумя конструкциями в лазерах с поперечной прокачкой газ находится в активной области меньшее время и не перегревается. Это позволяет получить относительно высокие выходные мощности мри компактной конструкции. Сегодня промышленные лазеры этого типа имеют мощность до 45 кВт и применяются для сварки, наплавки и упрочнения поверхностей.
В отпаянном СО2-лазере основным элементом конструкции является стеклянная трубка, по торцам которой расположены зеркала резонатора и блок питания. Трубку заполняют активной газовой средой и запаивают. Трубка имеет определенный срок службы, после чего должна быть заменена новой.
Разработан тип СО2-лазера (слэб-лазер) с диффузионным охлаждением. В конструкции этого лазера используют две плоские медные пластины, помещенные на близком расстоянии друг от друга. Они выполняют роль электродов и радиаторов охлаждения. Отсутствие системы прокачки газа обеспечивает компактность конструкции. Эти лазеры имеют мощность от 1 до 3,5 кВт.
В качестве активного элемента твердотельного Nd:YAG-na3epa используют алюмоиттриевый гранат с неодимом. Активный элемент имеет форму цилиндра с отполированными плоскими параллельными торцами. Эти лазеры работают в импульсном и непрерывном режимах при КПД от 3 до 5 %. Высокая эффективность, надежность и относительно низкая стоимость по сравнению с другими твердотельными лазерами способствуют их широкому применению в промышленности. Стержни Nd:YAG-лазеров обычно имеют диаметр 6 и длину 100 мм, иногда используют стержни диаметром 10 и длиной 200 мм. Небольшие размеры активного стержня делают Nd:YAG-fla3epbi намного более компактными, чем СО2-лазеры. Лазерное излучение получают, возбуждая активный элемент лампами накачки, помещенными в непосредственной близости от него. Чтобы получить максимальную мощность лазера, активный стержень и лампу помещают н специальный резонатор. Максимальная мощность единичного Nd:YAG-лазера составляет 500...600 Вт. Для увеличения мощности необходимо использовать несколько активных элементов, расположенных последовательно. Предложены Nd:YAG-лазеры с восемью активными элементами, мощностью до 5 кВт.
Nd:YAG-лазеры с диодной накачкой более компактны, проще в обслуживании, имеют намного лучшие энергетические характеристики и значительно больший ресурс по сравнению с Nd:YAG-лазерами, использующими ламповую накачку. Nd:YAG-лазеры с диодной накачкой выходной мощностью более 4 кВт и гарантированным сроком службы 15000 ч эффективны для сварки, наплавки, нанесения покрытий и поверхностного упрочнения.
В диодных лазерах единичный излучающий элемент (лазерный диод) имеет мощность излучения около 5 кВт. Для получения большой мощности излучения набирают пакет из лазерных диодов. К числу преимуществ диодных лазеров следует о шести высокую эффективность (до 50 %), соответственно более низкие эксплуатационные расходы; а небольшие размеры позволяют легко встраивать их в существующие системы производства. Главный недостаток — высокая стоимость, которая приблизительно составляет 150...200 долл. США на 1 Вт диодной мощности. Тем не менее применение этих лазеров в производстве весьма перспективно, а цена будет снижаться по мере совершенствования технологии изготовления.
Параметрами, характеризующими свойства лазерного луча, являются длина полны излучения X, поляризация, плотность потока излучения, его распределение в пределах фокального пятна, частота лазерных импульсов и изменение плотности потока мощности во времени.
Отражательная способность металлов снижается с уменьшением длины волны, а для неметаллов, напротив, увеличивается. Таким образом, эффективность нагрева металлов растет при использовании лазера с меньшей длиной волны. При обработке металлов отражательная способность является функцией множества переменных, включая шероховатость поверхности и степень ее окисленности. Грубо обработанные или окисленные поверхности имеют более низкую отражательную способность и, следовательно, способствуют поглощению энергии. Чистота поверхности может изменять отражательную способность поверхности на 50 %.
Отражательная способность металлических поверхностей уменьшается с увеличением температуры, что способствует поглощению энергии обрабатываемой поверхностью. Вследствие высокой отражательной способности металлических материалов для их эффективной обработки требуются лазеры с выходной мощностью в несколько сотен ватт (обычно используют лазеры с выходной мощностью более киловатта). Напротив, для обработки большинства неметаллов можно применять лазеры меньшей мощности.
Воздействие излучения на металлы при лазерной обработке характеризуется поглощением и отражением излучения, распространением поглощенной энергии но объему материала за счет теплопроводности, а также специфическими процессами.
Свойствами материала детали, определяющими эффективность лазерной обработки, являются коэффициент поглощения энергии А, теплофизические свойства (температуры плавления и испарения, теплопроводность, теплоемкое м,), а также пороговые температуры и соотнесенные с ними энергии фазовых превращений и химических реакций, присущие конкретным видам обработки.
Общую картину взаимодействия лазерного луча с поверхностью обрабатываемого материала можно упрощенно представить следующим образом. При достаточной плотности потока излучения q через определенное время tM на поверхности достигается температура плавления материала Тм:
где X — теплопроводность материала; а — температуропроводность материала.
Рис. 4.77. Влияние плотности потока на скорость обработки
Глубина распространения образовавшегося фронта плавления может быть приближенно оценена из соотношения
где I - время от начала воздействия луча; hM — глубина проплавления.
С увеличением продолжительности воздействия лазерного луча растет и температура на поверхности. Образуется ванна расплава с контактивным перемешиванием жидкого металла, что дополнительно увеличивает скорость плавления. При высокой плотности потока энергии развивается интенсивное испарение металла, возникают газо- и гидродинамические потоки, способные деформировать поверхность расплава, вызвать выброс жидкого металла и его вскипание. Эти процессы происходят в считанные доли секунды.
На рис. 4.77 показано типичное влияние плотности потока лазерного излучения на скорость удаления материала Q. На этой зависимости можно выявить четыре характерных области (режимы).
I — пороговый режим. Обработка материала начинается при значении плотности потока, характерном для данного материала. В данной области поглощенная лазерная энергия компенсируется потерями на теплопроводность. Пороговое значение у различных материалов по мере возрастания теплопроводности и удельной теплоты парообразования смещается к более высоким плотностям потока. Пороговый режим характеризуется испарением с поверхности и скоростью обработки Q, увеличивающейся пропорционально росту плотности потока. Угол наклона кривой определяется в основном теплопроводностью обрабатываемого материала.
II— режим выталкивания жидкой фазы. Характеризуется тем, что из-за увеличения плотности энергии лазерного излучения в зоне расплава глубиной h материал взрывообразно удаляется в виде парожидкостной смеси. Так как частицам жидкой фазы энергия для испарения не требуется, скорость обработки продолжает возрастать.
III— режим аномального поглощения. Этот режим характеризуется внезапным возрастанием поглощения и соответственно скорости испарения. В этой области значение расплава минимально, выталкивание жидкой фазы исчезает, а скорость обработки достигает своего теоретического верхнего предела.
IV— режим экранирования. С дальнейшим ростом плотности потока лазерного излучения над обрабатываемой поверхностью образуется облако плазмы, поглощающей лазерное излучение. Материал нагревается косвенно за счет излучения плазмы. Геометрия рабочей зоны определяется не диаметром лазерного луча, а размерами облака плазмы, которые могут существенно превышать фокусное пятно.
Рис. 4.78. Структурная схема лазерной технологической установки
Из сказанного можно сделать следующие выводы:
• низкий оптический коэффициент поглощения у большинства материалов не становится определяющим фактором процесса обработки;
• основными независимыми переменными процесса лазерной обработки являются плотность потока мощности q и время обработки t;
• диаметр фокусного пятна df оказывает сильное влияние на потери за счет теплопроводности и диффузии, что необходимо учитывать при выборе режимов обработки.
Независимо от типа применяемого лазера и назначения технологические установки имеют общую структурную схему и состоят из похожих функциональных блоков (рис. 4.78). Источником концентрированного потока энергии, обеспечивающим технологическое воздействие (направленное разрушение или нагрев материала) на объект обработки, является оптический квантовый генератор — лазер 1. Лазерное излучение 2 формируется оптической системой 3 в световой пучок с определенными пространственными характеристиками и направляется на обрабатываемый объект 4, установленный на столе станка 5. Управляющее устройство 6 обеспечивает заданные характеристики излучения и требуемый закон перемещения обрабатываемого объекта относительно лазерного луча. Контроль параметров излучения осуществляется датчиком 7, а параметров технологического процесса — системой датчиков 8. Для подачи при необходимости в зону обработки той либо иной рабочей среды, например газа, предусмотрено устройство 9. Дополнительный источник и преобразователь энергии 10 может использоваться, когда наряду с лазерным необходимо осуществить некоторое иное воздействие на объект обработки, т. е. при комбинированной лазерной обработке.
Главный недостаток лазерных технологий — высокая стоимость. Новые технологические решения и увеличение объемов производства устойчиво снижают стоимость единицы мощности лазера, однако для многих областей лазер, в сравнении с альтернативными технологиями, остается все еще слишком дорогим, даже в том случае, когда его использование может обеспечить лучшее качество. Учитывая высокую стоимость лазеров, их выгодно применять при невозможности использования обычных технологий.