Металлургические машины и оборудование расчет основных параметров лазерного технологического оборудования. Учебное пособие

матрицу. Причем их объем составлял 0,53...0,73 %, соответствуя 53...69 % кремния. При твердости этих частиц 9800 МПа присутствие их в области расплава доводит твердость этой зоны до 4000 МПа, в то время как средняя твердость подложки из алюминиевого сплава была 1250 МПа.

4. Покрытие из плотной матрицы с частицами карбида вольфрама. Матрица из смеси частиц карбида вольфрама (размер частиц ~ 0,5 мм) и порошка железа (размер ~ 44 мкм) наносилась на поверх- ность малоуглеродистой стали без связки, причем во время лазерной обработки карбид вольфрама не плавится. Уменьшение возможности разложения WC достигалось «погружением» частиц карбида в мел- кий порошок железа. После лазерной обработки твердость (средняя) частиц карбида вольфрама составляла 11 000 МПа, в то время как в окружающей матрице 8700 МПа. Металлографический анализ пока- зал, что на частице WC присутствует область взаимодействия карби- да с железом порошка во время обработки.

5. Покрытие окисью алюминия. С помощью лазерной обработки было проведено плакирование окисью алюминия (температура плав- ления 2063 °С) алюминиевого сплава. Твердость полученного по- крытия составляет 20 000...23 500 МПа.

Модификация поверхностных слоев осуществляется за счет структурной перестройки кристаллической решетки при лазерном воздействии.

Ударное упрочнение

Излучение лазера, работающего в режиме модулированной доб- ротности, является моноимпульсным с длительностью 20…70 нс и обладает значительной пиковой мощностью, позволяющей получать в фокусе оптических систем плотности потока излучения q более 109…1012 Вт/см2 при длительности переднего фронта импульса излу- чения менее 10 нс. Характер воздействия излучения с такими пара- метрами на металлы существенно отличается от действия импульсов излучения в режиме свободной генерации. К особенностям воздейст- вия такого излучения на материалы следует отнести локальную за- калку сталей, местный наклеп, обусловленный возникающими им- пульсами давления в зоне обработки, травление поверхности газо- выми и ионными струями, вылетающими из зоны обработки, и др.

51

3.5. Лазерная сварка металлов

Классификацию лазерной сварки целесообразно привести в виде табл. 3.2 и 3.3

52

3.6. Лазерная пробивка отверстий

Лазерное сверление отверстий в материале можно условно разде- лить на два способа:

1)пробивка отверстия единичным мощным импульсом излучения;

2)последовательное сверление серией микроимпульсов, так назы- ваемый способ многоимпульсной обработки (МИО).

Основными параметрами пробивки отверстия одним импульсом лазерного излучения являются: энергия импульса, длительность им- пульса, параметры фокусировки.

Характеристиками отверстия являются глубина h и диаметр d. Энергия импульса – наиболее важный параметр моноимпульсной

пробивки отверстий. При одной и той же длительности импульса из- менения характеристик отверстия добиваются различными способа- ми регулирования энергии в импульсе. Основные способы такого регулирования: изменение электрической энергии накачки; примене- ние светофильтров, диафрагмирование луча.

В общем случае с увеличением энергии импульса глубина и диа- метр отверстия увеличиваются.

При одинаковых значениях энергии импульса диаметры получен- ных отверстий для случая, когда энергия изменяется накачкой или диафрагмированием луча, меньше, чем диаметры отверстий, полу- ченные при изменении энергии светофильтрами. Это различие со- ставляет значительную величину, особенно в области меньших зна- чений энергии импульса. Так, при энергии в несколько джоулей диа- метры отверстий различаются в 2 – 2,5 раза. Таблицы 3.4 – 3.5 де- монстрируют зависимость параметров отверстий от параметров ла- зерных импульсов.

53

Размеры отверстия существенно зависят от длительности импуль- са. Длительность импульса определяет скорости нагрева и испарения материала из лунки. При коротких импульсах удаление материала из лунки носит взрывной характер и происходит путем выноса пара. В этом случае размеры отверстия небольшие, так как материал не ус- певает прогреться на достаточную глубину. При увеличении дли- тельности импульса зона прогрева материала увеличивается, и воз- растает доля жидкой фазы в выбрасываемом из лунки материале. Размеры отверстия увеличиваются. При дальнейшем увеличении длительности импульса поглощаемая энергия лазерного излучения успевает рассеяться в результате теплопроводности, зона расплав- ленного материала резко уменьшается, что приводит к уменьшению размеров отверстия, т.е. энергия импульса излучения преимущест- венно идет на нагрев материала.

Как уже описывалось выше, на форму и параметры отверстия зна- чительно влияют условия фокусировки излучения (рис. 3.7). Фокуси- ровка характеризуется расположением фокальной плоскости, форми- руемой оптической системой, относительно поверхности материала: над поверхностью, на поверхности, или же под поверхностью. При изменении положения фокуса форма отверстия изменяется только в результате изменения хода лучей в районе области воздействия из- лучения на материал. В сходящемся пучке излучения отверстия при- обретают коническую форму, а в расходящемся – цилиндрическую. Однако из-за неравномерности распределения излучения по пятну нагрева и в течение импульса профиль отверстия, задаваемый ходом лучей, искажается.

Различный ход лучей при различных видах условий фокусировки предопределяет различный характер процесса разрушения материа- ла. При сходящемся потоке излучение практически не падает на

54

При расходящемся пучке наблюдается интенсивное плавление стенок отверстий в результате непосредственного поглощения ими лазерного излучения. Возрастает доля удаления материала в жидкой фазе, но при этом уменьшается глубина отверстия вследствие сни- жения плотности мощности излучения на дне лунки из-за расфоку- сировки пучка.

Оптимальным условием фокусировки пучка лазерного излучения для обеспечения максимальной глубины и минимального диаметра отверстия является некоторое заглубление под поверхность материала.

Формообразование глухих отверстий

Процесс формообразования глухих отверстий определяется тремя факторами: положением фокуса линзы относительно поверхности за- готовки, энергетическими параметрами светового луча, теплофизиче- скими и оптическими характеристиками обрабатываемого материала.

В зависимости от положения фокуса линзы можно получить раз- личные формы глухих отверстий. При строгой фокусировке форми-

55

руется отверстие, состоящее из входной «распушки» (входного кону- са) с параметрами D1 и l1, цилиндрической части с параметрами D2 и l2 и небольшой конической части размером l4 (рис. 3.8).

Рис. 3.8. Сечение глухого отверстия

Вряде случаев, в зависимости от условий протекающего процес- са, цилиндрическая часть отверстия может отсутствовать, и вместо нее может быть коническая часть с небольшой величиной конусно- сти. В основе образования данных элементов отверстия лежат про- цессы, связанные с характером протекания квазистатической и дина- мической фаз.

Впериод квазистатической фазы зона прогретого материала с оп- ределенного момента начинает перемещаться в глубь заготовки. Дан- ный период является основным по формированию канала отверстия.

Всоответствии с гидростатическим и капиллярным давлениями, имеющими место в зоне обработки, по мере углубления луча в толщу материала происходит его экранировка жидким металлом. Постепен- ная экранировка является одной из основных причин образования конусности отверстия. Так как величина гидростатического и капил- лярного давлений является функцией плотности жидкого металла, высоты его столба и температуры в зоне обработки, то при опреде- ленных условиях может иметь место образование цилиндрических отверстий.

При переходе процесса в динамическую фазу перегретый матери- ал взрывообразно удаляется из полости отверстия путем истечения

56

перегретого пара по стенкам обрабатываемого отверстия. Поток пара и жидкой фазы в процессе движения дополнительно размывает и уп- лотняет стенки отверстия. Достигая наружной поверхности заготов- ки, расплавленный металл либо выбрасывается из зоны обработки, либо застывает в виде наплыва, образуя характерный валик вокруг отверстия. Объем валика уменьшается по мере уменьшения энергии излучения.

При смещении фокуса рабочей линзы в толщу материала рас- смотренная форма отверстия видоизменяется и при определенном значении смещения приобретает форму, аналогичную показанной на рис. 3.9. В данном случае отверстие имеет входной конус с парамет- рами D1 и l1, цилиндрическую или коническую части с параметрами D2 и l2 и элемент бочкообразной формы, который придает всему от- верстию своеобразный вид.

Рис.3.9. Глухое отверстие с заглубленным фокусом

Отверстие подобной формы образуется вследствие неравномерно- го прогрева материала под действием светового потока и образова- ния в его толще мощного теплового источника.

Наличие в толще материала теплового источника формирует изо- лированно от поверхности заготовки ядро расплавленного материа- ла, которое впоследствии и придает отверстию подобный вид.

При положении фокуса рабочей линзы над поверхностью обраба- тываемой заготовки образуется отверстие конического типа, которое состоит из одного или двух элементов с параметрами D1 и l1, D4 и l4.

57

Данная форма отверстия обуславливается интенсивным поглоще- нием световой энергии генерации плазмой, которая образуется в этом случае в фокальной плоскости линзы. Качественно данный процесс зависит от соотношения между временем воздействия плаз- мы на материал tпл и временем наступления пробоя воздуха tпр под действием образовавшейся плазмы.

Если tпл < tпр, взаимодействие осуществляется в две фазы – квази- статическую и динамическую. В результате образуется отверстие конической формы (рис. 3.10).

Рис. 3.10. Глухое отверстие с завышенным фокусом

Если tпл > tпр, то основное значение в процессе взаимодействия имеет квазистатическая фаза, в результате действия которой на по- верхности заготовки образуется небольшое углубление конической формы (рис. 3.11).

Рис. 3.11. Глухое отверстие с атмосферным пробоем

58

Формообразование сквозных отверстий

В основе формообразования сквозных отверстий лежат те же тер- модинамические процессы, которые имеют место при получении глухих отверстий. Отличительной особенностью является лишь только то, что процесс в этом случае развивается в двух противопо- ложных направлениях относительно действия луча. При этом, по ме- ре движения зоны прогретого металла в толщу заготовки, происхо- дит образование отверстия. Выход луча с противоположной стороны заготовки в начальный момент отмечается появлением светящейся точки – зоны разогретого металла. Данная зона интенсивно расширя- ется. Возникает факел испаряющегося, который по форме подобен факелу с лицевой стороны заготовки, только меньшего размера.

При положении фокуса наружной поверхности заготовки процесс протекает по рассмотренной выше схеме. Образующийся с противо- положной стороны заготовки факел имеет небольшую интенсивность и длительность. Момент выхода луча из заготовки сопровождается выбросом газообразного облака паров материала, которое до оконча- ния процесса генерации окружает зону действия факела. Форма обра- зующегося при этом отверстия соответствует виду на рис. 3.12 и 3.13.

Рис. 3.12. Вид сквозного отверстия

При смещении фокуса рабочей линзы в толщу материала возника- ют процессы, несколько отличные от рассмотренных выше явлений. Их отличительной особенностью является интенсивное развитие фа- келов с противоположной воздействию луча стороне заготовки. Мак- симальная величина факелов достигается при дефокусировке на 3…4 % от фокусного расстояния линзы. В этом случае наблюдается обильный выброс паров, острая направленность факела и увеличен-

59

ная длительность процесса. Отверстие, получаемое при данном по- ложении фокуса, состоит из входного конуса, переходной части, бочкообразного элемента и выходного конуса (рис. 3.14).

Рис. 3.13. Сквозное отверстие при заглублении фокуса

Рис. 3.14. Сквозное отверстие с оптимальным заглублением фокуса

По мере смещения фокуса за указанные пределы интенсивность развития процесса вновь уменьшается и соответствует по форме процессу, который имел место при положении фокуса на поверхно- сти заготовки. В этом случае основная часть сквозного отверстия имеет цилиндрическую форму с небольшим по величине обратным конусом (рис. 3.15).

Изменение характера развития рассматриваемых процессов, по всей вероятности, можно объяснить различной величиной возни- кающих в толще материалов объемных тепловых источников.

60