5.3. Технология лазерной обработки

Лазерная обработка выполняется концентрированным лучом света (рис 5.4).

Рис. 5.4. Структурная схема твердотельной

лазерной установки [51]

1 – источник питания; 2 – корпус; 3 – лампа накачки; 4 – зеркала резонатора; 5 – активный элемент; 6 – система охлаждения; 7-9 – сферические линзы; 10 – луч света; 11 – заготовка

F – фокусное расстояние

На рис. 5.4 блок 2-6 представляет узел накачки. Здесь свет от лампы 3 поступает на активный элемент 5, где энергия накапливается за счет подпитки в процессе перемещения луча между зеркалами 4. При достижении заданной плотности энергии луч 10 направляют в отверстие зеркала 4, и он поступает в оптическую систему 7-9, где концентрируется и при фокусном расстоянии F попадает на заготовку 11. Здесь происходит нагрев материала, его расплавление и выброс с образованием углубления или отверстия. Последовательно перемещая луч 10 или заготовку 11 (или то и другое) можно вырезать произвольный контур отверстия.

Лазерная обработка (ЛО) имеет ряд технологических достоинств:

• возможность дистанционной обработки, в том числе через прозрачную перегородку и в труднодоступных местах;

• отсутствие давления на заготовку, что позволяет обрабатывать нежесткие конструкции и не создавать жестких опор для установки исходных заготовок;

• происходит при быстром прохождении луча или при коротких импульсах, что позволяет производить съем материала в подвижных изделиях;

• возможность управления лучом без перемещения заготовки;

• высокая локализация зоны термического влияния (зона термических изменений от 1 мкм);

• нет необходимости в вакууме;

• не требуются индукторы для термообработки.

При внедрении ЛО следует учитывать особенности, отражающие современный уровень исследований в этой области:

• недостаточный ресурс работоспособности узлов накачки (как правило не более 1500 часов);

• отсутствие мощных источников питания (для размерной обработки имеются источники мощностью, в основном, до 5 кВт);

• высокая стоимость средств защиты от воздействия луча на организм.

Область эффективного использования лазерной обработки.

В технике лазер применяют для получения:

- отверстий малого диаметра (по исследованиям ученых США этим методом могут быть получены отверстия с минимальным диаметром 1 – 2 мкм). Рекомендуемый диапазон отверстий с диаметром и глубиной до 0,3 мм, хотя в литературе [51] указывается, что глубина может достигать 3 мм;

- отверстий любого профиля ограниченной (до 10 мм) глубины. Этим же методом можно разделять материалы на участки. Здесь наибольшую экономическую прибыль дает резка листов из специальных сталей, титановых сплавов. Алюминиевые, медные, хромистые сплавы выгоднее разрезать ионным лучом (плазменной резкой);

- заготовок из хрупких материалов (полупроводников, стекла, керамики) путем ограниченного нагрева листа разделения и резкого охлаждения;

- поверхностной закалки чугуна, сталей с локальной зоной термического влияния, отжига фольги;

- сварных швов на соединяемых материалах с различными свойствами (металл+стекло; металл+керамика; металл+кварц; сталь+алюминиевый сплав и др.);

- чистых сплавов путем лазерного переплава;

- пленок, покрытий с новыми свойствами;

- маркировки изделий последовательным перемещением луча лазера;

- устранения дисбаланса, например, с ротора электродвигателя, гироскопа при его вращении;

- интенсификации комбинированного процесса, например, при сочетании электрохимической размерной обработки с облучением световыми потоками.

Технологические возможности и показатели:

- изготовления отверстий, где точность зависит от глубины обработки и материала заготовки. Для стального листа толщиной 1 мм диаметры отверстия на входе и выходе имеют соотношение 2:1, для листа толщиной 1,6 мм и магниевого сплава соотношение 4:1, где погрешность снижается до 60 мкм и точность может достигать 6-7 квалитета ГОСТ; для минералов погрешность 5 мкм; предельная глубина размерной обработки до 15 диаметров. Шероховатость R_a=1,5-2,5 мкм, измененный слой 2-3 мкм, производительность от 0,45 см³/мин (твердые сплавы) до 4,8 см³/мин (алюминиевые сплавы);

- при разрезке сталей и титановых сплавов (толщина листа до 10 мм). Скорость разрезания титанового листа толщиной 1 мм более 1,5 м/мин, шероховатость паза 30-100 мкм. При разделении хрупких материалов (термическое раскалывание) ширина реза 10-20 мкм, погрешность около 30 мкм, скорость разделения стекла до 35 мм/с, снижение числа бракованных изделий (полупроводников) 0,5% (в 40 раз ниже, чем при алмазной резке);

- при закалке для стали и чугуна достигнуто повышение твердости материала до 5 раз; микротвердость для сталей в поверхностном слое возрастает до 9000-13000 МПа (исходный показатель 2000 МПа), глубина слоя до 60 мкм, для серого чугуна – 9500 МПа, белого – до 12000 МПа; производительности по сравнению с высокочастотной закалкой – на 70-90%;

- получение сварных швов, которые необходимо выполнять для металлических материалов толщиной от 0,1 до 1 мм, проводов диаметром от 0,05 до 1,0 мм.

Технологические режимы по [51] для получения отверстий в сталях:

Энергия импульса, Дж	W=3-16
Фокусное расстояние, мм	F=6-80 мм
Длительность импульса, мс	u=0,8-2,5
Смещение фокуса относительно фокальной плоскости, мм	F=2 мм
Количество импульсов	n=3-7

Энергия импульса (Е) зависит от требований к прошиваемым отверстиям: диаметра (D) и глубины (Р).

Величину Е по [51] можно найти в зависимости от диаметра D

. (5.1)

Если число импульсов (n) больше 1, то единичный импульс можно оценить по зависимости

, (5.2)

где C_D, C_H – коэффициенты (табл. 5.1, 5.2);

X_D, X_H – показатели степени (табл. 4.1, 4.2).

Таблица 5.1. Расчетные показатели

для определения диаметра отверстия

№ п/п	Обрабатываемый материал	Показатели
		CD	XD
1.	Сталь 12Х18Н9Т	75	0,54
	04КП	68,7	0,51
2.	Вольфрам	37,5	0,41
3.	Молибден	37,5	0,36
4.	Бронза	53,7	0,4
5.	Латунь	47,5	0,43
6.	Алюминиевый сплав	60	0,5

Таблица 5.2. Расчетные показатели

для определения глубины отверстия

№ п/п	Обрабатываемый материал	CН	XН
1.	Сталь 12Х18Н9Т	273,7	0,37
2.	04КП	368,4	0,45
3.	08КП	500	0,58
4.	Вольфрам	177,7	0,64
5.	Молибден	257,9	0,51
6.	Бронза	515,8	0,6
7.	Латунь	421	0,51

В формулах (5.1), (5.2) коэффициенты учитывают только часть факторов процесса обработки. Не принимаются во внимание коэффициенты отражения, поглощения энергии, качество фокусировки и многое другое. Поэтому такие расчеты весьма приближенные.

В [51] приводятся уравнения регрессии, которые для узкого диапазона условий протекания процесса дают более точный результат.

Технологические режимы разделения и профильной резки материалов выбирают в зависимости от вида излучения: импульсного или непрерывного.

Для импульсного процесса в [51] предлагается скорость резки рассчитывать по зависимостям:

• для скорости формирования сквозного реза

, (5.3)

где f – частота следования импульсов.

(_u – длительность импульса, _u=1,5-3,5 мс);

D₀ – диаметр пятна фокусирования, достигается при настройке оборудования (D₀<0,7 мм);

Е – энергия излучения в импульсе.

При заданной ширине паза (b=0,3-0,8 мм)

. (5.4)

Здесь L_u – теплота испарения материала (из справочников);

 - половина угла раствора светового конуса. Зависит от энергии импульса и коэффициента перекрытия лунок (k_n).

В [51] приводится график для оценки раскрытия паза для различных k_n (рис. 5.5).

Рис. 5.5. Отклонение от оси луча

при различной энергии импульса

1 – 8 Дж; 2 – 10 Дж; 3 – 15 Дж; 4 – 20 Дж; 5 – 25 Дж

Из рис. 5.5 для глубины обработки h можно найти угол 

. (5.5)

Рекомендуемые диапазоны режимов

• скорость разрезания, см/с – 0,025-0,175;

• энергия импульса, дж – 2-8;

• длительность импульса, мс – 1,5-3,5;

• фокусное расстояние мм – 27-57.

Для непрерывного излучения в [51] предлагаются режимы, показанные в табл. 5.3.

Таблица 5.3. Режимы разрезки материалов

Разрезаемый материал	Технологические показатели			Режимы обработки
	Глубина реза, мм	Ширина реза, мм	Погрешность, мм	Скорость разрезания, м/мин	Давление газа при газолазерной резке, МПа	Мощность излучения, Вт
1	2	3	4	5	6	7
Металлы:
Углеродистая сталь	2-3	0,45-0,58	0,1-0,17	2-4	0,15-0,2	400-800
	3-6		2-3
	12-15		0,5-1,0
Нержавеющая сталь	2-3	0,38-0,41	0,09-0,12	2-3,5	0,20-0,25	300-400
	5-6,5	1,2-1,5	0,05-0,1	0,5-1,0		1500-2000
Алюминиевые сплавы	1-2	0,35-0,4	0,05-0,1	0,5-5,0	0,25
	2-3	0,35-0,45	0,05-0,1	0,5-3,0
	10-12			1,2-1,5
Титановые сплавы	1,5-2,0	0,35-0,85	0,05-0,1	1,5-4,0	0,15-0,3	850-1000
Неметаллические материалы:
дерево	41,8-50			0,1-0,2	0,15-0,3	800-850
картон	0,1-1,0			60-90	0,15-0,25
стекло	3-4			0,1-0,2	0,15-0,2
стеклопластик	2-2,5			2-2,5	0,15-0,2
керамика	1,5-2,0			1-1,5	0,15-0,2	850-1000
пластмасса	0,8-1,0			8-9
	25-26			0,1-0,2
кварц	1,0			1,5-1,6	0,15-0,2
	2,0			1,0-1,2		100-150
асбест	1,5-1,6			1,0-1,2	0,15-0,2	250-300
1	2	3	4	5	6	7
Хрупкие материалы (термическое раскалывание):						отсутствует
керамика	0,5-1,2			4-4,5
стекло	1,0-1,5			0,3-0,5
кварц	0,8-1,0			0,4-0,5
феррит	0,2-0,3			1,2-1,5

При лазерной закалке и упрочнении для сталей и чугуна скорость движения лазерного луча составляет 0,4-0,5 м/мин, частота сканирования луча около 6000 Гц.

В случае сварки и наплавки скорость луча 0,5-1,0 м/мин, энергия импульса 1-5 Дж.

Особенности проектирования технологических процессов лазерной обработки.

Построение технологического процесса зависит от материального обеспечения, прежде всего от мощности имеющихся установок. Кроме того, в работах [51, 131] предложено для ускорения процесса выполнения технологических операций использовать подогрев заготовок, светопоглощающие покрытия, автоматическую фокусировку, новые методы контроля протекания процесса. Это может быть использовано при проектировании технологических процессов.