книги из ГПНТБ / Рэди, Дж. Действие мощного лазерного излучения

■ специальных приложений он является перспективным прибором. Техническая возможность выполнения многих различных видов обработки материалов была доказана уже первыми демон­ страциями, но они проводились с лазерами на рубине или неоди­ мовом стекле, которые были сравнительно дороги в эксплуатации и обслуживании и имели низкую частоту рабочих циклов. Разра­ ботка усовершенствованных лазеров сделала их использование в производственных процессах экономически более заманчивым. Некоторые из этих разработок уже обсуждались в гл. 1, но мы упомянем о них и здесь, особо подчеркнув возможность их исполь­

зования в производстве.

Наиболее подходящими для производственных нужд являются С02-лазеры и лазеры на иттрий-алюминиевом гранате, активиро­ ванном неодимом. Оба эти лазера тщательно сконструированы и достаточно долговечны для производственного использования. Одна из трудностей применения С02-лазеров связана с их рабочей длиной волны (10,6 мкм) и высокой отражательной способностью металлов на этой длине волны. Лазеры непрерывного действия на С02 оказались недостаточно эффективными для плавления и испарения металла, поскольку значительная часть света отра­ жалась. Важным усовершенствованием является высоковольтная импульсная накачка С02-лазеров. Выходное излучение при этом имеет вид периодических импульсов с характерной энергией около 1 Дж и длительностью в пределах от 10 до 100 мкс. Частота повторения импульсов может достигать 100 имп/с при средней мощности 100 Вт. В этом периодическом импульсном режиме генерации лазер излучает высокие пиковые мощности, которые разрушают поверхность металла даже несмотря на то, что значи­

тельная часть энергии отражается. Как только поверхность начинает испаряться, дальнейшее поглощение энергии происходит более эффективно. В этом режиме генерации С02-лазеры способны обрабатывать металлы более эффективно, чем С02-лазеры непре­ рывного действия с такой же средней мощностью. Работа лазера на СО2 в импульсном периодическом режиме может быть доста­ точно экономичной. Затраты на подвод газа, электроэнергию и текущее обслуживание оценивается в один доллар в час (или даже меньше, если извлекать гелий из газовой смеси). За час можно обработать несколько сотен деталей, так что стоимость обработки одной детали составляет доли цента.

С02-лазеры непрерывного действия, работающие в режиме с быстрым протоком газа, могут генерировать излучение мощно­ стью 1 кВт при гораздо меньшем размере установки, чем первые киловаттные С02-лазеры. Такие лазеры непрерывного действия также имеют широкие возможности в металлообработке. Лазер на С02 развился из лабораторного прибора в промышленную установку.

Усовершенствование лазеров на иттрий-алюминиевом гранате, активированном неодимом, состояло в осуществлении режима работы с периодической модуляцией добротности при непрерыв­ ной накачке и режима непрерывной генерации с мощностью в несколько сотен ватт. Непрерывный режим с высокой мощностью удобен для плавления и испарения металлов, так как на длине волны неодимового лазера 1,06 мкм металлические поверхности отражают не слишком сильно. Однако при самых высоких уров­ нях мощности срок службы необходимых в этом случае крип­ тоновых ламп сравнительно невелик, так что рабочая стои­ мость лазера непрерывного действия на иттрий-алюминиевом гранате мощностью в несколько сотен ватт остается Высокой. Та­ кой лазер может стать экономичным при уровне мощности порядка 10 Вт.

При работе лазера на иттрий-алюминиевом гранате с неодимом в режиме периодической модуляции добротности источник накачки остается все время включенным, а акустооптический затвор перио­ дически открывает световой канал между стержнем и зеркалом. В момент, соответствующий началу лазерного импульса, звуко­ вые волны от преобразователя отклоняют световой луч таким образом, что он достигает зеркала, и начинается генерация. При такой модуляции добротности импульсы имеют длительность поряд­ ка нескольких сотен наносекунд, а частота повторения составляет несколько килогерц. Максимальные мощности могут достигать десятков киловатт. В таком режиме генерации лазер на иттрийалюминиевом гранате может быть довольно экономичным.

На современной стадии разработки С02-лазеры оказываются более экономичными, чем лазеры на иттрий-алюминиевом гранате

как по начальной стоимости, так и по эксплуатационным расходам. К преимуществам лазеров иа иттрий-алюминиевом гранате отно­ сится то, что они более компактны и имеют меньшую длину волны; это позволяет сфокусировать луч в пятно с меньшим дифрак­ ционным размером, чем в случае С02-лазера.

Длина волны генерации С02-лазера не служит большим пре­ пятствием для его использования. При имеющихся в настоящее время материалах для инфракрасной области спектра работа с излучением на длине волны 10,6 мкм не представляет особых трудностей. Доступными материалами для изготовления линз

в малое пятно. Это соображение обычно несущественно, так как за счет теплопроводности тепло распространяется в обрабаты­ ваемой детали по более обширной области, чем та, в которой оно выделяется. Ширина сварного шва или разреза часто оказы­

требуется иметь очень малый диаметр фокуса, отмеченный недо­ статок С02-лазера оказывается существенным.

Впроизводстве используются не только С02-лазеры и лазеры на иттрий-алюминиевом гранате, активированном неодимом. Руби­ новые лазеры также нашли себе применение в ряде существующих отраслей производства [1]. Они особенно удобны там, где жела­ тельно иметь большое количество энергии в одиночном импульсе.

Втабл. 8.1 перечислены выпускаемые промышленностью типы лазеров, которые можно рассматривать как пригодные для целей металлообработки, и приведены их основные характеристики. Для лазеров на С02 и иттрий-алюминиевом гранате указаны данные, соответствующие каждому из возможных режимов гене­ рации, поскольку от этого зависит область применения этих лазеров.

Физические принципы, лежащие в основе использования лазе­ ров для обработки металлов, были описаны в гл. 3. Там приведены данные по количеству расплавленного или испаренного вещества

взависимости от параметров лазера вместе с методами расчета этих величин для типичных ситуаций. Эти соображения позволяют получить оценку полной мощности, требуемой для получения сварного шва с заданными характеристиками, или оценить коли­ чество удаляемого материала и могут служить основанием для заключения о том, рационально ли использование лазера в дан­ ном конкретном случае.

Свойством лазера, позволяющим использовать его для обра­ ботки металлов, является, конечно, его способность подводить очень высокую мощность на единицу площади к малым участкам

обрабатываемой детали. Обычный тепловой источник, например сварочная горелка, выделяет гораздо меньшую мощность на еди­ ницу площади и не допускает столь же хорошей локализации. Только электронный луч в этом отношении сравним с лазером. Может показаться парадоксальным, но лазерные импульсы с самой высокой пиковой мощностью не подходят для целей металлообра­ ботки. Такие импульсы вызывают испарение лишь малого коли­ чества вещества, которое нагревается до высокой температуры (см. гл. 3). Импульсы лазера с модулированной добротностью удобны только в тех случаях, когда глубина прогрева должна быть минимальной, например для испарения пленки с поверх­ ности подложки без разрушения самой подложки. Для сварки обычно желательны достаточно длинные импульсы (миллисекунд­ ные при умеренной мощности), чтобы тепло успевало проникнуть на всю толщину обрабатываемой детали. Даже для целей удаления материала применение очень высоких пиковых мощностей явля­ ется нежелательным.

В области обработки металлов лазеры используются в таких процессах, как сварка, сверление отверстий, баланспрование и резка. Мы рассмотрим последовательно каждый из иих.

2. Сварка

На результаты сварки оказывают влияние как пара­ метры лазерного луча, так и свойства обрабатываемой детали. Важную роль играет температуропроводность материала детали. Большой коэффициент температуропроводности обеспечивает высо­ кую теплопередачу и, вообще говоря, позволяет производить более глубокую сварку. Высокая отражательная способность поверхности металла уменьшает энергию, поглощаемую поверх­ ностью. Как мы видели в гл. 3, отражательная способность поверх­ ности обычно резко падает в процессе взаимодействия с мощным лучом. При этом увеличивается эффективность поглощения, но может возникнуть проблема при сварке тонких металлических лент, где появляется необходимость в тщательном контроле, чтобы избежать испарения при уменьшении отражательной спо­ собности. Сварка сильно отражающих металлов требует в действи­ тельности большей энергии, чем сварка металлов с низким коэффи­ циентом отражения. Поверхность можно зачернить путем нанесения на нее покрытия, но это не всегда оказывается эффек­ тивным: покрытие может испариться, обнажив отражающий металл. На поглощение света и, следовательно, глубину проплав­ ления может влиять также обработка поверхности. При изучении глубины проплавления медного образца под действием импульса рубинового лазера было показано, что глубина уменьшалась

тостей были меньше 2 мкм [9]. Очень важны металлургическиесвойства свариваемых материалов; к этому вопросу мы вернемся позже, когда будем описывать процессы сварки разнородных металлов.

Основными параметрами лазерного излучения являются длина волны, мощность, длительность импульса и фокусировка. Как мы отмечали выше, для лазерной сварки материал должен быть расплавлен, причем прогреваться должна вся толщина образца. Следует избегать испарения, а длительность импульса следуетподобрать таким образом, чтобы обеспечить достаточную глубину прогрева. При надлежащем управлении лазерным импуль­ сом испарение можно свести к минимуму. Оптимизация про­ цесса сварки в большой мере определяется длительностью им­ пульса.

Для многих применений лазеров в импульсной сварке желатель­ но по возможности растянуть импульс во времени. В гл. 3 быловведено понятие тепловой постоянной времени для проникновения тепла через слой вещества. Длительность лазерного импульса должна находиться в соответствии с тепловой постоянной вре­ мени. Поэтому импульсы лазера с модулированной добротностьювообще не подходят для плавления, а для импульсов обычной длительности максимальная глубина сварки составляет примерно- 0,05 см.

Лазеры непрерывного действия в принципе должны быть пригодны для сварки более толстых образцов, так как время взаимодействия можно сделать произвольно большим. Первыелазеры непрерывного действия не обеспечивали мощности, доста­ точной для сварки; но имеющиеся сегодня непрерывные лазеры на СО2 и иттрий-алюмиииевом гранате с неодимом могут произво­ дить сварку при выходной мощности 100 Вт и более. В работе [101 лазер непрерывного действия на С02 использовался для сварки стальных листов толщиной до 3 мм, что невозможно осуществить с помощью импульсных лазеров.

При использовании лазеров пока не обнаружено явление «кинжального» проплавления, с которым связано глубокое про­ никновение при электроннолучевой сварке. Явление состоит в том, что расплавленный материал удаляется из области, в кото­ рую падает электронный пучок, что позволяет электронам глубоки проникать в обрабатываемую деталь. После окончания импульса электронного тока расплавленный металл стекает обратно и обра­ зует протяженный сварной шов. При лазерном воздействии такоеявление не было обнаружено, так что в этом случае проникно­ вение энергии в образец происходит путем теплопроводности. Причина этого неясна; по-видимому, различие обусловлено тем,, что давление, оказываемое световым лучом, меньше давления.

производимого электронным лучом. Во всяком случае, глубина ■сварки лазером меньше глубины сварки электронным лучом х).

При лазерной сварке важным параметром является мощность, подводимая к единице площади поверхности. Она определяется как выходной мощностью лазера, так и фокусировкой. Если обратиться к фиг. 3.13, то можно видеть, что, чем выше мощность на единицу площади, тем скорее начинается испарение поверх­ ности. Параметры лазера должны быть подобраны таким образом, чтобы достичь компромисса между быстрым распространением зоны плавления внутрь обрабатываемой детали и отсутствием чрезмерного испарения.

В качестве конкретного примера рассмотрим сварку латуни толщиной 0,06 см. Тепловая постоянная времени составляет примерно 2,5 мс (для коэффициента температуропроводности 0,34 см2/'с); длительность лазерного импульса должна быть около 2,5 мс. Из фиг. 3.13 следует, что если импульс длится 2,5 мс, то плотность поглощенного потока должна быть немного меньше 105 Вт/см2, чтобы избежать испарения поверхности. Плотность падающего лазерного потока можно варьировать, изменяя фоку­ сировку или выходную мощность лазера. Более подробно особен­ ности фокусировки лазерного луча будут обсуждаться ниже.

Рассмотрение, аналогичное изложенному выше, позволяет определить диапазон лазерных параметров, требуемых для кон­ кретных задач сварки. Разумеется, чтобы оценить возможность применения лазера в конкретном случае, надо исследовать процесс эмпирически. Априорных теоретических оценок недостаточно, чтобы гарантировать осуществимость процесса. Такие оценки могут исключить некоторые применения иа основании, например, того соображения, что энергия недостаточна, чтобы расплавить необходимое количество материала, или имеющийся импульс является слишком коротким, чтобы прогреть материал данной толщины. Однако, чтобы установить осуществимость данного

.процесса и определить оптимальные параметры, существенно исследовать этот процесс экспериментально. Например, в работе [4] были найдены условия сварки для нержавеющей стали и спе­ циальной стали с 18%-ным содержанием никеля в зависимости ■от выходной мощности лазера и условий фокусировки.

Для данного лазера длина волны фиксирована. Но все же учет длины волны (например, с точки зрения желаемого размера ■фокального пятна или отражательной способности поверхности) может повлиять на выбор типа лазера для конкретной задачи.

-■) Явление глубокого («кинжального») проплавления под действием лазер­ ного луча наблюдалось и подробно исследовано, см. [116, 117]. Вытесне­ ние расплавленного металла обусловлено, конечно, не давлением, которое производит сам луч, а импульсом отдачи испаряемого вещества.— Прим,

ред.