Параграф 14. Основы лазерной (светолучевой) обработки.
Для достижения высоких производительности и качества в технологических процессах лазерной обработки, к которым относятся лазерная резка, наплавка, термообработка и некоторые другие, необходимо использовать лазерные установки с высокой плотностью мощности излучения. На сегодня лазерное излучение представляет собой наиболее концентрированный источник энергии, превосходящий в этом плане возможности электроннолучевой обработки. Тем не менее, при одинаковой мощности излучения лазерная обработка обеспечивает меньшую глубину проплавления, чем электроннолучевая, что является определенным недостатком. В первую очередь это связано с различным характером взаимодействия потоков электронов (при электроннолучевой обработке) и потоков фотонов (при лазерной обработке) с металлической поверхностью (рисунок 14.1.). Кроме того, электроннолучевая обработка требует вакуума, а лазерная обработка может осуществляться в любой газовой среде при атмосферном давлении. Состав газовой среды подбирается специально для соответствующей операции и обрабатываемого металла.
Однако, при высоких значениях плотности мощности лазерного излучения в защитных газах или в воздухе в результате возникает низкотемпературная плазма, что ведет к снижению мощности и степени сосредоточенности теплового источника на поверхности материала.
При образовании плазменного факела имеет место развитие так называемой лазерной искры, и образование волны горения газа. Волна распространяется в направлении от поверхности навстречу излучению и сопровождается яркой вспышкой света и резким возрастанием шума.
В сильнопоглощающем плазменном факеле наблюдается самофокусировка лазерного луча.
При лазерной обработке, связанной с нагревом до высокой температуры, легированных сталей и других высокоактивных металлов и сплавов, применяют в качестве защитного газа одноатомные инертные газы – аргон и гелий. При тепловой лазерной обработке низколегированных сталей, а также ряда
Рис. 14.1. Схема взаимодействия лазерного излучения с металлической поверхностью.
1 – лазерное излучение, 2 – холодный газ, 3 – ионизированный газ, 4 – нагретый газ,
5 – пограничный слой, 6 – пары металла.
конструкционных материалов в качестве защитной среды используют углекислый газ, азот и воздух.
При обработке лазерным лучом в среде защитных газов возникающая плазма оказывает экранирующее воздействие, и при рефракции лазерного луча в плазме происходит его перефокусировка.
Возникающий при взаимодействии лазера с металлом пар оказывает заметное воздействие на оптический разряд в газе. При этом происходит снижение эффективного потенциала ионизации и увеличение коэффициента поглощения излучения. В результате экранирования проплавляемого участка происходит остановка процесса испарения. Затем эрозионный плазменный факел разлетается вследствие нагрева поглощаемым им излучением, мощность потока излучения, падающего на поверхность металла, возрастает до первоначального значения, и может опять возникнуть оптический разряд. Таким образом, процесс проплавления металла является периодическим.
Световой поток лазерного излучения, направленный на обрабатываемую поверхность, частично отражается от нее, а частично проходит вглубь тела. Излучение, проникающее вглубь тела, практически полностью поглощается свободными электронами проводимости в приповерхностном слое, толщина которого составляет 0,1 – 1 мкм.
Основная доля теплоты при лазерном нагреве переносится вглубь металла посредством электронной проводимости, то есть, так же как и при традиционных способах теплового воздействия.
Энергетическое воздействие лазерной обработки может быть значительно повышено соответствующей обработкой поверхности.
Изменение шероховатости поверхности не всегда является технологически оправданной операцией, тогда как использование специальных поглощающих покрытий, безусловно оправдано.
Универсального покрытия, одновременно удовлетворяющего требованиям простоты получения, высоких температур плавления и испарения, высокой теплопроводности и хорошей адгезии к металлу, пока не найдено.
Находят применение следующие типы покрытий:
-
химические покрытия: фосфатирование марганцем или цинком, сульфидирование, оксидирование и др.;
-
красящие составы, содержащие оксиды металлов Al, Zn и др.;
-
коллоидные растворы углерода в ацетоне, спирте и др.;
-
напыленные оксиды различных металлов;
-
сажа, получаемая на поверхности при сжигании резины, масел и др.
Такие покрытия становятся обязательным условием при операциях лазерной поверхностной термообработки, особенно гладких шлифованных поверхностей.
В большинстве случаев лазерной сварки и резки поглощающие покрытия не используются. Интенсивность нагрева при углубленном «кинжальном» проплавлении возрастает вследствие поглощения излучения стенками узкого и глубокого каналов.
По количеству энергии, вводимой в единицу объема обрабатываемого материала, основные виды лазерной обработки можно располагать в следующей последовательности (в порядке возрастания вводимой энергии): поверхностная термообработка, лазерная сварка, лазерная резка. Между этими видами лазерной обработки нет четко установленной количественной границы, и анализ процессов можно проводить с общих теплофизических позиций.
Эффективность использования лазерного излучения можно охарактеризовать эффективным КПД процесса.
В случае поверхностной термообработки без расплавления эффективный КПД совпадает с коэффициентом поглощения, а при лазерной обработке, связанной с расплавлением металла – с эффективным коэффициентом поглощения.
Основные закономерности влияния тех или иных факторов на уровень эффективного КПД получены экспериментально.
Так, для операции сварки установлено, что, когда сварку осуществляют на уровне мощности, близкому к максимальному, увеличение скорости сварки приводит к значительному изменению эффективного КПД. Сварка при этом ведется с защитой лицевой стороны гелием, а корня шва – аргоном.
Эффективный КПД зависит также от скорости сварки. Это связано с влиянием размеров и формы парогазового канала на поглощающую способность лазерного излучения. В случае сварки с повышенной мощностью происходит интенсивное расплавление металла с образованием сквозного канала. Но в таком случае часть излучения проходит по каналу насквозь металла без передачи энергии кромкам. Вследствие этих потерь тепловая эффективность процесса сварки оказывается низкой, хотя наблюдается нормальное формирование сварного шва. С увеличением скорости сварки сквозной канал последовательно сужается, а затем исчезает. Сечение шва носит ярко выраженный характер «кинжального» проплавления, обеспечивается максимальная эффективность процесса с наибольшими значениями КПД. При дальнейшем увеличении скорости сварки несколько уменьшается глубина проплавления, ухудшаются условия поглощения лазерного излучения в канале проплавления, что приводит к некоторому уменьшению значения эффективного КПД.
Существует и может быть определена расчетным путем плотность мощности излучения, которую следует рассматривать как нижний предел плотности энергии при сварке. При меньших значениях следует проводить термообработку, включая режимы, связанные с оплавлением поверхности. Сварка в этом режиме неэффективна вследствие малой величины проплавления.
Выбор защитного газа оказывает влияние на показатели процесса. Так, изменение состава защитной атмосферы при переходе с СО2 на смесь Ar + He приводит с снижению эффективности сварки.
Изменение положения фокальной плоскости приводит к изменению концентрации энергии на свариваемых кромках и характера плазменных процессов в факеле. Максимальное значение коэффициента эффективности достигается при некотором «заглублении» фокуса под поверхность.
Значительное повышение эффективности проплаления лазерным лучом достигается при сварке в осциллирующем режиме, которая осуществляется путем периодического заглубления фокуса луча в сварочную ванну, что должно быть согласовано со скоростью движения фронтов плавления и испарения.
Особенностью глубокого проплавления при лазерной сварке является то, что температуры стенок канала мало изменяются по глубине. Однако, мощность излучения, поглощаемого в канале проплавления, уменьшается экспоненциально по глубине канала. Но в глубине канала, где мощность излучения меньше, там меньше и скорость заглубления, и площадь зоны прямого заглубления подвергается воздействию источника в течение более длительного времени.
При лазерной обработке необходимо следить за технологической прочностью обрабатываемых металлов. Под технологической прочностью подразумевают способность металлов сопротивляться разрушениям в процессе технологической обработки.
Применительно к лазерной обработке различают следующие виды технологической прочности:
-
способность наплавленного металла, металла сварного шва и околошовной зоны воспринимать термодеформационное воздействие при высоких температурах в процессе лазерной обработки с расплавлением металла без образования горячих трещин;
-
формирование свойств металла, обработанного лазерным излучением, на стадии охлаждения, без образования холодных трещин в процессе фазовых и структурных превращений в твердом состоянии.
В процессе кристаллизации в твердожидкой фазе происходит изменение механических свойств сплава. В начальной стадии кристаллизации имеет место большой объем жидкой фазы, а остальные кристаллы разделены жидкой прослойкой. В этом состоянии структура характеризуется высокой пластичностью, определяемой свойствами жидкости.
При последующем снижении температуры происходит увеличение объема твердой фазы и соответствующее уменьшение объема жидкой фазы. Если при этом кристаллы образуют каркас, препятствующий циркуляции жидкости, то возникающие деформации могут приводить к хрупкому межкристаллическому разрушению.
При дальнейшем охлаждении кристаллы, развиваясь, образуют сплошной каркас. Межкристаллическое разрушение переходит во внутрикристаллическое разрушение вязкого характера. Таким образом, в процессе кристаллизации металлов можно выделить характерный интервал температур, в котором прочность и пластичность весьма малы, так называемый температурный интервал хрупкости (ТИХ). Именно в этом интервале температур наиболее вероятно образование разрушений.
Основными факторами, определяющими возможность образования горячих трещин при сварке и наплавке, являются: темп упругопластических деформаций при охлаждении расплавленного металла, значение температурного интервала хрупкости (ТИХ) и минимальная пластичность металла в этом интервале.
Типовыми операциями лазерной технологии являются:
-
Нагрев, связанный с поверхностной термообработкой отдельных зон поверхности и последующим их охлаждением в любых средах (вода, воздух, эмульсия и т.п.). Это позволяет избирательно термоупрочнять поверхность изделий из склонных к закалке материалов (чугун, стали и т.д.).
-
Нагрев для отжига фольги при больших скоростях ее движения.\
-
Нагрев в узкой зоне без плавления (лазерное скрайбирование) с целью разделения хрупких материалов (стекла, керамики, полупроводниковых пластин по линии нанесения риски. Кроме того, создавая направленные термические напряжения, можно вести процесс термораскалывания (самопроизвольного).
-
Плавление, локальный переплав и быстрое охлаждение позволяющие получать структуры, которые иначе получить нельзя. Быстрое охлаждение для массивных деталей достигается теплоотводом в материал.
-
Лазерная сварка, как процесс, связанный с локальным плавлением, конкурирующая как с традиционными процессами, так и с электроннолучевой сваркой. Наиболее часто лазерная сварка применяется для малогабаритных деталей и конструкций из тонколистовых материалов. Применяется точечная сварки и шовная сварка герметичным швом. Сравнительно небольшой разогрев позволяет осуществлять герметизацию корпусов, заполненных веществами, разогревать которые недопустимо, например, герметизированных корпусов аккумуляторов.
-
Сварка неметаллических материалов (в том числе таких пропускающих видимое излучение, как стекло, керамика и др.), осуществляющаяся за счет хорошего поглощения ими излучения с большой длиной волны. По такой технологии изготавливают, например, корпуса медицинских термометров.
В настоящее время лазерная маркировка изделий получила широкое распространение. При воздействии лазерного излучения на металлы и неметаллы за короткий промежуток времени происходит нагрев поверхности до высокой температуры, при которой происходит плавление и испарение материала. Это приводит к появлению определенного следа или метки. Перемещая изделие относительно лазерного луча с определенной скоростью, можно получить на поверхности изображение в виде букв, линей, символов, знаков, цифр или рисунков. Для этого могут быть использованы импульсные лазеры с высокой частотой повторения импульсов.
Рис. 14.2. Схемы управления лазерным лучом при обработке деталей.
1 – обрабатываемая деталь, 2 – лазерный луч, 3 – зеркало.
В настоящее время используется два метода маркировки лазерным излучением: при первом методе излучение воздействует на неподвижную маску, соответствующую требуемому изображению (рисунок 14.3.). Второй метод маркировки осуществляется нанесением с помощью сфокусированного лазерного излучения отдельных точек, которые образуются в результате испарения материала на поверхности.
В современном машиностроении к деталям предъявляются высокие требования, которые могут быть повышены за счет создания специальных износостойких покрытий. Они могут быть получены различными вилами лазерной обработки: термической, глазурованием, амортизацией, ударным упрочнением, легированием и наплавкой. Лазерное легирование может осуществляется как неметаллическими компонентами, так и металлами. Лазерное легирование металлическими компонентами осуществляется путем подачи присадочного порошка в зону обработки(рисунок 14.4.). Испаряемый порошок 4 подается из бункера 3 в охлаждаемый тигель 5, где под действием лазерного излучения 1 испаряется и осаждается на обрабатываемой детали 2.
Рис. 12.3. Схема маркировки лазерным лучом.
1 – лазерное излучение, 2 – маска с изображением, 3 – фокусирующая линза, 4 - маркируемое изделие.
Этот процесс ведут с использованием непрерывного излучения. В результате в зоне обработки образуется пересыщенные твердые растворы, что приводит к повышению микротвердости.
Для обеспечения эластичности и гибкости наплавленного слоя используют шликерные пасты на каучуковой основе.
Основными параметрами шликерной лазерной наплавки являются мощность лазерного излучения, скорость обработки и диаметр лазерного пятна.
Схема наплавки путем оплавления шликерного покрытия представлена на рисунке 14.5.
Рис. 14.4. Схема лазерного напыления металла.
Рис. 14.5. Лазерная наплавка оплавлением шликерного покрытия.
1 – лазерное излучение, 2 – линза, 3 – затягивание порошка, 4 – паста (порошок), 5 – обрабатываемая деталь.