14. Применение сканирующих систем при лазерной поверхностной обработке, конструкция и характеристики устройств.

Получения пятна фокусирования различной формы (в зависимости от типа сканатора) с равномерным распределением интенсивности, назависимо от вида распределения.

Частота сканирования150-200Гц, что бы материал воспринимал импульсное излучение как квазинепрерывное.

Недостатки: нолевая скорости в крайних положениях.

Можно имключить применяя в качестве отклоняющего зеркала плоское зеркало, вращающееся вокруг оси отличной от оси симметрии на угол α. В этом случае траектория движения луча имеет форму эллипса. Предельные случаи окружность и линия.

Недостаток: непроизводительные затраты энергии излучения на двойной нагрев при движении по эллипсу. Однако в некоторых случаях, например, при наплавке или микролегировании, для снижения термических напряжений и исключения образования трещин такой повторный нагрев целесообразен.

Сканаторы на базе гальванометров

Сканаторы такого типа наиболее эффективны поскольку позволяют реализовать однокоординатное, двухкоординатное и даже трехкоординатное перемещение ЛП практический на любую амплитуду и с достаточно большой частотой (до кГц). Основной недостаток – возможности сканаторов зависят от массы отражающих зеркал.

Сканаторы на базе гальванометров при ПО применяются для формирования пятна фокусирования различной формы и размеров с равномерным распределением интенсивности. Ограничение – сканирование мощных ЛП.

Сканатор типа вращающийся зеркальный лепестковый диск

Сканатор представляет собой вращающийся фланец, в кольцевой выточке которого размещены на радиальных осях n-секторных медных зеркал.

При этом каждое зеркало имеет возможность поворота вокруг радиальной оси на определенный угол Δφ. Угол поворота определяет амплитуду сканирования. В зависимости от положения зеркал относительно плоскости фланца можно получить различные законы сканирования (зеркала повернуты в одну сторону – закон сканирования штрихи; соседние зеркала развернуты в противоположные стороны – закон сканирования пила).

Основное достоинство:

1. отсутствие колебательных движений, остановок;

2. большие частотные возможности, которые определяются частотой вращения диска и количеством секторных зеркал;

3. при относительном движении падающего луча и фланца с зеркалами в момент изменения траектории движения пучок делится на две части, по этому в крайних точках амплитуды плотность мощности не нарастает, а снижается, т.е. исключается характерное оплавление.

15. Физические процессы, протекающие в материалах при лазерной поверхностной обработке с причинно-следственными связями.

16. Процесс поглощения (закономерности, коэффициент поглощения, поглощательная способность).

На процесс поглощения ЛИ оказывают влияние длина волны излучения, электрические свойства материала, его структура, строение, состояние поверхностного слоя. В металлах ЛИ взаимодействует с электронами проводимости скин-слоя. Практически полностью поглощаясь в узком слое толщиной порядка δ = 10^-5…10^-6 см. При этом интенсивность излучения спадает с глубиной по экспоненте и описывается законом Бугера.

α – коэффициент поглощения, величина которого обратно пропорциональна глубине ослабления δ

α= 1/δ

α = 10⁵…10⁶ см^-1 для металлов (хорошие поглотители).

С уменьшением электропроводности материалов ЛИ проникает на большую глубину – менее ослабляется. Глубина ослабления δ для слабых проводников и диэлектриков может составлять δ = 10^-1…10^-2 см. Соответственно коэффициент поглощения α для них будет меньше, а закон ослабления такой же.

Существенно отличается процесс поглощения в органических, в том числе и биологических, средах. Основное отличие заключается в том, что наряду с прямым поглощением в биосреде имеет место процесс рассеивания излучения в радиальном направлении относительно оптической оси.

Процесс поглощения:

α= 1/(4 см)

Процесс рассеивания:

α* = 1 / b

Такой характер распределения излучения в биоткани влияет на формирование теплового источника. Знание закона его распределения обеспечивает высокую точность математического моделирования процесса их лазерного нагрева. Кроме этого для биологических тканей характерна оптическая анизотропия. В зависимости от строения. Такая особенность поглощения характерна для λ = 1,06 мкм.

Поглощательная способность биосред равна:

Ослабление ЛИ по мере проникновения вглубь материала происходит в результате взаимодействия квантов энергии излучения с электронами проводимости поверхностного слоя. Температура электронного газа повышается, что приводит к электронно-фотонному взаимодействию. В результате чего повышается энергия ионов или атомов кристаллической решетки. Это проявляется в увеличении амплитуды и частоты колебаний вокруг центральной точки. Ионы кристаллической решетки при этом сталкиваются с ниже лежащими ионами, передавая им свою энергию – работает механизм теплопроводности.

Другой характеристикой процесса поглощения как и процесса отражения является поглощательная способность. По сути представляющая "КПД" процесса.

А = 1 – R

А – поглощательная способность

R – коэффициент отражения

На поглощательную способность оказывает влияние большое число факторов. Это, как свойства облучаемого материала, так и свойства ЛИ. Особенно важную роль играют эти факторы на эффективность поглощения излучения при лазерной ПО без оплавления поверхности. При этом поглощательная способность может изменятся для технических поверхностей в пределах А = 25-90%. Это равноценно тому, что мощность лазерной установки колебалась бы в таких пределах.

Представим полный процесс поглощения ЛИ обрабатываемым материалом.

Баланс энергии включает как существенные потери энергии (например, на отражение), так и не существенные (например, тепловое излучение, энергия структурно-фазовых превращений). Анализ этой схемы показывает возможные пути управления процессом, но для этого надо знать закономерности изменения поглощательной способности:

1. длина волны излучения и электропроводность

В общем случае поглощательная способность зависит от электропроводности материалов:

σ₀ – удельная электропроводность материалов

Для излучения коротковолновой области спектра (ультрафиолетовая область λ < 0,4 мкм, эксимерные лазеры λ = 0,2 мкм) характерна высокая поглощательная способность практический для всех материалов, как диэлектриков, так и проводников.

Для видимого диапазона и ближней инфракрасной области 0,4 < λ < 5 мкм (Ar, на парах меди, алюмоитриевый гранат YAG:Nd, рубин, He-Ne, YAG) характерна низкая поглощательная способность на уровне 20-25% как для металлов, так и неметаллов – необходимы специальные меры повышения поглощательной способности.

Для излучения с λ > 5 мкм (СО, СО₂): диэлектрики практический имеют 100% поглощение; металлы имеют плохую поглощательную способность на уровне 20-25%.

Для повышения эффективности обработки металлов нужно принимать специальные меры, например, на металл нанести диэлектрическое покрытие.

2. температура

С увеличением температуры поглощательная способность существенно растет особенно сильно для длины волны λ = 1,06 мкм. Поскольку температура поверхности зависит от ряда факторов, например:

1. теплофизические свойства – чем больше теплопроводность материала, тем поглощательная способности будет меньше. Например, закаленная сталь имеет поглощательную способность выше, чем сырая;

2. от режима облучения – с увеличением диаметра пятна фокусирования увеличивается поглощательная способность. Поэтому, что увеличение А наблюдается из-за превалирующего влияния увеличения площади нагретого материала поглощающего излучение.

3. шероховатость поверхности

Увеличение шероховатости поверхности, микронеровностей приводит к росту поглощательной способности, но до определенных пределов. Например, обработка шлифованной шкуркой с определенной зернистостью определяющей глубину и конфигурацию микровпадин может повысить поглощательную способность строго определенной длины волны до 35-45% не больше.

4. нанесение покрытий

При ПО для увеличения поглощательной способности применяют различные поглощающие покрытия. При этом их эффективность зависит от химического состава, пористости и толщины.