Министерство образования и науки Российской Федерации

Рязанский государственный радиотехнический университет

Кафедра ЛТ

Методические указания к лабораторной работе №2

«Лазерная технология резки лицевых панелей твердотельным лазером с квазинепрерывной ламповой накачкой»

Рязань - 2011

Цели работы:

1. Знакомство с технологической цепочкой производства деталей с помощью технологии лазерной резки на ЛТК «Гранит-300»

2. Освоение навыков автоматизированного проектирования сопряженного с лазерной технологией раскройки металлических листов

3. Экспериментальное изготовление учебных деталей

Приборы и принадлежности:

ЛТК «Гранит-300», ПК компьютер, ПО AutoCad, Компас – 3D и SurfCam, исходный чертеж детали на бумажном носителе, металлическая листовая заготовка, штангенциркуль.

1. Теоретическое введение

В промышленности используют ряд процессов резки металлов, основанных на электрохимическом, электрофизическом и физико-химическом воздействиях. Ацителено-кислородная резка, плазменная резка, и другие физико-химические методы разделения обеспечивают повышение производительности по сравнению с механическими методами, но не обеспечивают высокой точности и чистоты поверхностей реза и требуют в большинстве случаев последующей механической обработки. Электроэрозионная резка позволяет осуществлять процесс разделения материалов с малой шириной и высоким качеством реза, но с малой производительностью. Водоабразивная резка требует больших затрат на дорогостоящий расходный материал (абразивный порошок).

К числу перспективных процессов разделения материалов следует отнести лазерную резку металлов, основанную на процессах нагрева, плавления, испарения, химических реакциях горения и удаления расплава из зоны резки.

Благодаря созданию надежного и достаточно экономичного лазерного оборудования в 70-80-х гг. возникла новая промышленная технология - лазерная технология обработки материалов.

Лазерная резка стальных листов толщиной до 6 мм по сложному контуру является наиболее распространенным технологическим процессом лазерной обработки в промышленности. Ее применяют для вырезки таких деталей, как прокладки, кронштейны, панели, приборные щитки, двери, декоративные решетки, дисковые пилы. Весьма эффективным оказалось применение лазерной резки фигурных изделий на стадии освоения новой продукции, так как из-за высокой гибкости лазерного оборудования значительно сокращаются сроки освоения изделий. В этих условиях лазерная резка экономичнее резки водяной струей и эрозионной проволокой. В настоящее время высокими темпами развивается резка пространственных изделий, в том числе с использованием роботов-манипуляторов, при этом лазерное излучение к зоне обработки может передаваться по гибкому, оптоэлектронному световоду.

1. Теоретические основы лазерной резки

Физические явления, возникающие при взаимо­действии лазерного излучения с веществом, схематично пред­ставлены на рис. 1.

Лазерное излучение, падающее на по­верхность образца, поглощается в соответствии с экспоненци­альным законом Бугера - Ламберта

(1)

где I(х)-интенсивность лазерного излучения, проникшего на глубину х; I₀ - интенсивность падающего лазерного излучения (для простоты не учитывается доля отраженного излучения). В металлах коэффициент поглощения α по порядку величины равен 10⁵ см^-1. Следовательно, поглощенная энергия выделяет­ся в слое толщиной ~10^-5 см.

Рис. 1. Физические процессы, протекаю­щие при воздействии мощного лазерного пучка на поглощающую поверхность.

Выделившееся тепло проникает вглубь материала за счет теплопроводности (рис. 1, а). После того как температура поверх­ности достигнет точки плавления, начинается распространение границы жидкой фазы в глубь ма­териала (рис. 1, б). При дальнейшем облуче­нии начинается процесс испарения поверхности (рис. 1, в) и в мате­риале формируется отвер­стие. Если интенсивность излучения достаточно ве­лика, то после поглоще­ния в удаляемом с поверх­ности материале образу­ется высокотемператур­ная непрозрачная плазма. Образовавшаяся плазма может распространяться навстречу лазерному пуч­ку в форме индуцирован­ной лазерным излучением волны поглощения. Воз­никшая плазма поглощает падающее лазерное из­лучение и экранирует по­верхность (рис. 1, г).

Диапазоны изменения плотности мощности ла­зерного излучения, в ко­торых преобладает тот или иной механизм взаимодействия, приведены в табл. 1. Соответствующие зна­чения приводятся для спектральных участков: видимой и ближ­ней инфракрасной областей, а также для области генерации СО₂-лазера (~ 10 мкм). Приведенные в таблице данные следует рассматривать как приближенные. Их значения могут изменяться в зависимости от длительности импульса, характе­ристик облучаемой мишени и т. п. При относительно невысо­ких значениях плотности мощности излучения преобладает плавление. Повышение плотности мощности приводит к тому, что основную роль начинает играть испарение. Оно носит обычный характер и не сопряжено с заметным взаимодействием между падающим пучком и испарившимся материалом.

Таблица 1

Диапазоны плотности мощности лазерного излучения, в пределах которых преобладают те или иные процессы

Процесс	Плотность мощности, Вт/см2
	Видимая и ближняя ИК - области		СО2-лазер
Плавление	~105		~105
Испарение	106—1,5.108		106—2,5. 107
Индуцированная волна поглощения	>1,5.108		>2,5.107
Обратный тормозной эффект в плазме	<1012		?
Коллективные эффекты в плазме	≥1013		?

При дальнейшем повышении плотности мощности излучения возникают индуцированные волны поглощения, которые оказы­вают преобладающее влияние на физические процессы, в то время как роль испарения снижается. Для СО₂-лазеров порог возникновения волн поглощения примерно на порядок ниже, чем для твердотельных и волоконных лазеров, работающих в более коротковолновой части оптического спектра.

Приведенные в табл. 1 данные о поро­ге возникновения волн поглощения относятся к случаю воздей­ствия лазерного микросекундного импульса на титановую ми­шень. Величина порога зависит от условий облучения. Тем не менее, приведенные в табл. 1 значения можно использовать для оценки порога возникновения рассматриваемых процессов взаимодействия по порядку величины.

При очень высоких значениях плотности мощно­сти излучения начинают действовать дополнительные механиз­мы поглощения, к числу которых относится поглощение лазер­ного излучения в индуцированной им плазме в результате обратного тормозного эффекта или коллективных процессов, протекающих в плазме.

С точки зрения лазерных методов обработки материалов (сварка, резка, пробивка отверстий и т.п.) наибольший интерес представляет область, расположенная ниже порога возникновения волны поглощения. В этой области энергия лазерного излуче­ния тратится на изменение состояния облучаемого объекта, то­гда как в области выше порога энергия в основном идет на поддержание индуцированной волны поглощения и других плаз­менных явлений.

На рис. 2 показаны примерные области с различными режимами взаимодействия и отмечены их воз­можные применения.

Рис. 2. Диапазоны плотности мощности и длительности импульсов ла­зерного излучения, пригодные для различных процессов обработки мате­риалов.

2. Параметры лазерного излучения, определяющие эффективность удаления обрабатываемого материала при импульсном воздействии

Для лазерной сварки испарение поверхности материала нежела­тельно. Однако при резке металлических материа­лов или пробивании в них отверстий этот эффект оказывается полез­ным. Если плотность мощности лазерного излучения на поверх­ности металла достаточно высока, то температура его поверхности быстро достигает точки кипения материала и в результате ис­парения в материале образуется углубление или отверстие.

Влияние параметров материала. При воздействии на поверхность импульсов излучения лазе­ра, работающего в режиме свободной генерации (длительность, импульса ~1 мс), процесс удаления материала с поверхности включает в себя два основных процесса: плавление и испарение. Такая длительность импульса достаточно велика для того, чтобы испаренный материал успе­вал выноситься за пределы зоны взаимодействия. Испарение идет с постоянно подвергающейся облуче­нию поверхности. В наиболее типичных условиях температура достигает точки кипения за очень короткое время. Время, в те­чение которого температура достигает точки кипения t_B, опре­деляется следующим выражением:

(2)

где k, ρ и с - соответственно теплопроводность, плотность и удельная теплоемкость материала, Т_в- точка кипения, Т_о - температура окружающей среды и F - плотность мощности по­глощенного излучения.

В табл. 2 приведены значения t_B, полученные путем рас­чета по приведенной выше формуле при плотности мощности поглощенного излучения 10⁵, 10⁶ и 10⁷ Вт/см². Указанные пре­делы соответствуют плотности мощности, получаемой на по­верхности при использовании стандартных твердотельных лазеров с простейшей фокусирующей оптикой. Вследствие отражения излучения от поверхности плотность по­глощенной мощности может оказаться ниже плотности мощно­сти в падающем пучке. Приведенные в табл. 2 значения времени t_B могут быть очень малыми, так как при высоких значениях плотности поглощенной мощности испарение поверхности начи­нается очень быстро.

Таблица 2

	Время tв (мкс)1) при плотности мощности поглощенного излучения (Вт/см2)
Металл
	105	106			107
Свинец	118		1,18		12.10-3
Цинк	128		1,28		13.10-3
Магний	245		2,45		24,5.10-з
Титан	319		3,19		31,9.10-3
Хром	1,54.103		15,4		154.10-3
Никель	1,84.103		18,4		184.10-3
Железо	1,86.103		18,6		186.10-3
Алюминий	3,67.103		36,7		367.10-3
Молибден	5,56.103		55,6		556.10-3
Медь	8,26.103		82,6		826.10-3
Вольфрам	10,46.103		104,5		1046.10-3

1. Значения времени t_B вычислены в предполо­жении о равномерном распределении поглощенной мощности лазерного излучения на бесконечной плоскости.

На рис. 3 показано, как на эти результаты влияет конечное значение диа­метра лазерного пучка на поверхности. Приведенные кривые характеризуют плотность мощности лазерного излучения, кото­рая необходима для того, чтобы началось испарение поверхности.

Плотность мощности представлена как функция длитель­ности лазерного импульса и диаметра лазерного пучка на поверхности алюминиевого образца. При очень малых длитель­ностях импульса перенос тепла в поперечном направлении оказывается несущественным и полученный результат не зависит от размеров облучаемого пятна. В этих случаях результат хо­рошо описывается выражением (2). При увеличении дли­тельности импульса становится существенным перенос тепла в поперечном направлении и конечный результат зависит от размеров облучаемого пятна.

При малых размерах облучаемого пятна поперечные градиенты температуры становятся высокими, и тепловой поток очень быстро распространяется в сторону от фокальной области. Следовательно, испарение при небольшом диаметре облучаемого пятна, тре­бует более высокой плотности мощности. До того как начнется процесс кипения материала, поверх­ность должна хотя бы частично расплавиться. Из-за очень вы­сокой скорости развития процесса кипения не хватает времени для того, чтобы расплавить достаточно большое количество материала.

Рис. 3. Плотность мощности лазерного излучения, необходимая для нагре­вания поверхности массивного алюминиевого образца до точки кипения, в зависимости от длительности импульса и радиуса гауссова пучка а.

Таким образом, при высоких плотностях мощности лазерного излучения преобладает процесс испарения, а плавле­ние играет менее важную роль. Лазерная энергия, продолжаю­щая поступать к поверхности материала после того, как ее тем­пература достигнет точки кипения, идет на покрытие расхода на скрытую теплоту испарения. Удаляемый из образца мате­риал находится в паровой фазе. В результате в образце обра­зуется отверстие.

Время, которое необходимо для того, чтобы темпе­ратура поверхности достигала точки кипения, обычно составляет лишь небольшую часть длительности импульса. После этого устанав­ливается равновесие, и испарение поверхности идет с постоян­ной скоростью V_B, которая определяется следующим соотноше­нием:

V_B=F/{ρ[L+c(T_B -T_o)]}, (3)

где L — удельное значение скрытой теплоты испарения.

При разумном выборе условий работы, указанная скорость может сохраняться в течение почти всей длительности импульса лазера, работаю­щего в режиме свободной генерации. Для характерного импульса твердотельного лазера длительно­стью ~1 мс глубина испарившейся части типичного металла составляет ~1 мм.

Одним из важнейших факторов является скрытая теплота испарения. Металлы с низким значением скрытой теплоты испарения испа­ряются в значительно большем количестве по сравнению с ме­таллами, имеющими высокую скрытую теплоту испарения (на­пример, вольфрам). Количество испарившегося материала за­висит от условий облучения материала лазерным пучком, а глубина отверстия, которое может быть получено при помощи импульсного лазера, ограничена.

В общем случае резка осуществляется при более высо­ких значениях плотности мощности лазерного излучения, чем сварка. Поэтому для резки требуется более точная фокусировка лазерного пучка.

Если исходить из того, что весь удаляемый мате­риал испаряется, то количество материала, которое можно уда­лить с помощью лазера, будет ограничиваться величиной скры­той теплоты испарения. Максимальная глубина слоя испаряемого материала, очевидно, определяется следующим выражением:

D=E_o/Aρ[c(T_B-T_o)+L], (4)

где с - удельная теплоемкость, Т_в - температура кипения, Т_о - температура окружающей среды, L - скрытая теплота испаре­ния в расчете на единицу массы, ρ - плотность материала, Е_о - энергия лазерного импульса и А - площадь, облучаемая пуч­ком.

Приведенное соотношение является прямым следствием закона сохранения энергии. Оно основывается на предполо­жении о том, что вся энергия лазерного импульса затрачива­ется на нагрев удаляемого материала до температуры кипения и передачи ему скрытой теплоты испарения. С его помощью оценивается максимальное количество удаляемого материала. Для типичного металла (например, алюминия) перечисленные выше параметры имеют следующие значения: ρ=2,7г/см³, с=0,97Дж/г^.°С, T_B-T_o = 2447^оС, L = 10900 Дж/г. Если взять рубиновый лазер с выходной энергией 10 Дж, пучок которого фокусируется в пятно площадью 10^-3 см², то, согласно приве­денной выше формуле, максимальная глубина пробиваемого отверстия составит 0,28 см.

На практике глубина отверстия за­висит от целого ряда других факторов. К уменьшению разме­ра отверстия приводят потери энергии лазерного излучения в результате отражения пучка от поверхности и отвода тепла вглубь образца за счет теплопроводности. Расплескивание рас­плавленного материала, который не успевает полностью испа­риться, ведет к увеличению глубины отверстия. Верхний предел коли­чества удаляемого материала определяется формулой (4).

Влияние длины волны. Не менее важным фактором является зависимость коэффициентов отра­жения и поглощения материала от длины волны. На рис 3 показана относительная доля энергии излуче­ния, поглощаемая различными материалами, в зависимости от длины волны, а на рис. 4 зависимость коэффициента отражения различных металлов от длины волны.

Приведенные на рис. 4 кривые характеризуют количество поглощенной энергии, играющей наиболее важную роль. Потери энергии могут быть связаны с отражением, а в случае неметаллических материа­лов - с частичным прохождением излучения. Поэтому для не­металлических материалов указывается толщина образца. Доля поглощенной энергии зависит от многих факторов, в том числе от чистоты материала и характера обработки поверхности. Так, например, небольшой максимум, наблюдаемый на кривой поглощения кремния в окрестности 9,5 мкм, обусловлен при­месью кислорода в кремнии. Приведенные на рис. 3 данные следует рассматривать как наиболее типичные, а не как универсальные точные значения, пригодные во всех случаях.

Рис. 4. Зависимость коэффициента поглощения различных материалов от длины волны.

А - стекло пирекс толщиной 3.2 мм; В - глиноземная керамика AD-5 (массивный обра­зец);

С - кремний р-типа толщиной 1,68 мм; В - железо (массивный образец).

Рис. 5. Коэффициент отражения различ­ных металлов как функция длины волны.

А - полированное серебро; В - медь; С - алю­миний; D-никель; F-углеродистая сталь.

Рис. 3 помогает выбрать тип лазера, необходимый для резки выбранного материала. Например, стекло и плексиглас обладают высокой прозрач­ностью в видимой и ближней инфракрасной областях спект­ра, и поэтому в них поглощается лишь небольшая часть энер­гии лазера на АИГ с неодимом, но они сильно поглощают излучение на длине волны СО₂ лазера (10,6 мкм), который и следует использовать для резки этих материалов. Указанная особенность характерна для большинства органических мате­риалов (керамика, дерево, кожа и т.п.), которые обладают сильным поглощением в окрестности длине волны излучения СО₂ лазера. У кремния более высокий коэффициент поглощения в ближней инфракрасной области, и он эффективнее поглощает энергию лазера на АИГ с неодимом по сравнению с энергией излучения СО₂ лазера. Кривая для железа типична для всех металлов, имеющих высокий коэффициент отражения в даль­ней инфракрасной области (~10 мкм).

Коэффициент отражения металлов возрастает по мере смещения в дальнюю ИК-область спектра (рис. 5). Для длин волн, пре­вышающих 5 мкм, коэффициенты отражения практически всех металлов превышают 90%. В указанной области коэффициент отражения связан с электропроводностью материала. Металлы с высокой электропроводностью обладают максимальными зна­чениями коэффициента отражения в ИК - области спектра. Так, золото имеет более высокий коэффициент отражения, чем алю­миний, а алюминий в свою очередь имеет более высокий коэф­фициент отражения, чем сталь. В такой же последовательности эти материалы располагаются в зависимости от их электро­проводности.

Таким образом, большое практическое значение имеет правильный выбор длины волны лазера. В области более коротких волн значение величины 1-R существенно выше, чем на длине волны СО₂ лазера. В частно­сти, для стали при λ=1,06 мкм величина 1-R составляет ~0,35, что в семь раз выше, чем при λ,=10,6 мкм. Отсюда сле­дует, что если на поверхность стали падают пучки лазеров на АИГ с неодимом и СО₂ лазеров, имеющие одинаковую интен­сивность, то, в начальной стадии, из пучка лазера на АИГ с неодимом поглощается в семь раз больше энергии. Поэтому во многих случаях контурная резка вы­полняется легче более коротковолновым лазером.

Влияние поляризации лазерного излучения. При перемещении лазерного излучения относительно материала образуется рез, нормаль к поверхности которого составляет с падающим лучом угол . При наклонном падении отражение лазерного излучения зависит от поляризации. Способности поглощения лазерного излучения _ - составляющей, лежащей в плоскости падения луча, и _ - составляющей, перпендикулярной плоскости падения луча, в общем случае различны. Это означает, что способность поглощения поляризованного излучения зависит от ориентации электрического вектора напряженности относительно поверхности металла.

При ширине луча d и толщине разрезаемого материала h средний угол падения определяется выражением  = arctg (h/d).

Например, при резке материала толщиной 1,5 мм с диаметром пятна фокусировки 0,1 мм угол  = 80⁰ .

Используя зависимость _эф от угла падения луча на поверхность можно определить доли поглощенного лазерного излучения для параллельной и перпендикулярной составляющих поляризации и их отношение _ /_ = 20, при  = 80⁰.

Это означает, что при совпадении плоскостей резки и поляризации луча (при направлении резки, параллельной плоскости поляризации) поглощенная на лобовой поверхности реза мощность излучения в 20 раз больше, чем при перпендикулярном положении векторов скорости резки и поляризации.

Это характерный случай получения глубокого реза в материале, т.к. отношение h/d составляет примерно 5...6, и при рассмотрении необходимо учитывать влияние поляризации.

В случае поверхностной обработки или неглубокого проникновения излучения в материал, когда отношение h/d принимает небольшие значения, влиянием ориентации векторов скорости резки и поляризации можно пренебречь. Например, при резке металла на глубину 0,3 мм угол  составит 45⁰, а отношение поглощения параллельной к перпендикулярной составляющих поляризации равно 1,2.

Отражательная способность металлов существенно зависит от температуры, а отношение _ /_ уменьшается с уменьшением температуры. Так как поглощательная способность сильно зависит от угла падения, относительная разориентация векторов скорости резки и поляризации, линейно поляризованного излучения может привести к наклону реза.

При совпадении плоскостей реза и поляризации большая часть энергии излучения поглощается впереди реза, что обеспечивает максимальную скорость резки при минимальной ширине. Если плоскость поляризации перпендикулярна плоскости реза, то большая часть энергии излучения поглощается боковыми сторонами реза. При промежуточных углах между векторами поглощение несимметрично, что приводит к расширению реза и его искажению. С увеличением скорости резки углы скоса кромок увеличиваются.