Влияние оптических параметров на процесс лазерной резки

Оптические параметры, характеризующие технологический процесс лазерной резки, делятся на параметры: лазерной установки, фокусирующей системы и материала.

Параметры установки: диаметр луча на выходе из резонатора лазера, расходимость лазерного пучка, степень поляризации излучения, модовый состав излучения ТЕМ_mn (форма распределения плотности мощности по сечению пучка).

Параметры фокусирующей системы: фокусное расстояние f, диаметр пятна фокусировки d_f, угол схождения лучей после фокусирующей системы, глубина фокуса (длина перетяжки) z_f, величина и направление осевого смещения фокальной плоскости фокусирующей системы относительно поверхности разрезаемой детали ±Df.

Параметры материала: отражательная способность, зависящая от природы материала, состояния его поверхности.

Оптические параметры установки и фокусирующей системы во многом взаимосвязаны, так как ими определяется диаметр пятна фокусировки, в свою очередь определяющий совместно с мощностью плотность мощности лазерного излучения. В случае лазерной резки необходима острая фокусировка, однако для любой оптической системы существует конечный предел степени фокусировки, который называется дифракционным и определяет минимальную площадь фокусируемого пятна, следовательно, максимально достижимую плотность мощности.

При выборе систем фокусировки необходимо решать проблемы, связанные с модовой структурой и геометрией сфокусированного пучка относительно поверхности обрабатываемого материала.

Пятно минимальных размеров можно получить при фокусировке пучков, в которых распределение интенсивности по сечению подчиняется закону Гаусса. Особенность гауссовых пучков состоит в том, что относительное распределение интенсивности по сечению остается неизменным как в ближней (на расстоянии от перетяжки внутри оптического резонатора лазера z<<pr_п²/l, r_п – радиус перетяжки внутри резонатора), так и в дальней (z>>pr_п²/l) зоне. Кроме того, в гауссовых пучках фаза излучения одинакова во всех точках поперечного сечения (однофазные пучки).

Расходимость лазерного пучка зависит прежде всего от параметров оптического резонатора лазера: радиуса кривизны зеркал и от расстояния между зеркалами. В дальней зоне (z>>pr_п²/l) расходимость для моды ТЕМ₀₀ определяется выражением:

q=l/pr_п. (4)

Как видно из (4), расходимость пучка может быть уменьшена за счет его расширения с помощью оптической системы. При этом расходимость лазерного излучения обычно пропорциональна увеличению использованного телескопа:

q_mr_m=q_nr_n, (5)

где q_m, q_n − расходимость излучения соответственно на входе и выходе из телескопа; r_m, r_n − радиус пучка соответственно на входе и на выходе из телескопа.

Фокусировка пучка ТЕМ_оо с помощью идеальной линзы, расположенной на расстоянии от перетяжки пучка в резонаторе r_n, для дает минимальный диаметр пучка 2r_f(диаметр перетяжки при фокусировке), определяемый по выражению

, (6)

где f − фокусное расстояние линзы; q - расходимость сфокусированного пучка.

Диаметр сфокусированного излучения уменьшается при увеличении расстояния от линзы до перетяжки пучка в резонаторе лазера, а также при уменьшении фокусного расстояния линзы и расходимости лазерного пучка.

Расстояние от линзы до перетяжки фокусируемого пучка определяется как

. (7)

Расстояние обычно больше f, а диаметр пучка в фокальной плоскости больше диаметра пучка в перетяжке 2r_f. Однако, поскольку при малых q разница между и f невелика, на практике для определения диаметра сфокусированного лазерного пучка ТЕМ₀₀ можно пользоваться зависимостью

2r_f = 2fq = 2fl/pr_n(8)

Для пучков ТЕМ₀₀ с небольшой расходимостью при определении диаметра пучка в фокусе вместо радиуса перетяжки в резонаторе r_п берется радиус r _л пучка перед фокусирующей линзой.

Другим важным параметром, характеризующим размеры сфокусированного лазерного пучка, является глубина фокуса - расстояние от плоскости наименьшего размера пучка (плоскость перетяжки) до плоскости, на которой происходит заданное увеличение диаметра пучка. Например, увеличение диаметра пучка на 10% по сравнению с величиной 2r_fв перетяжке соответствует перемещению относительно перетяжки вдоль оси пучка на

. (9)

В соответствии с (8) для достижения минимальных размеров фокального пятна необходимо использовать короткофокусные линзы.

Лазерный пучок, содержащий моды высшего порядка ТЕМ_mn (m или n ³1), может быть одномодовым или многомодовым. При генерации лазером одновременно двух или более мод суммарное распределение поля в пучке будет суммой полей отдельных мод. Такой пучок в отличие от пучка моды ТЕМ₀₀ имеет сложную структуру и больший угол расходимости, что вызывает увеличение диаметра пучка в фокусе.

Для плоскопараллельного оптического резонатора угол расходимости прямо пропорционален порядку моды m:

q=l/r₀m. (10)

Для оптического резонатора со сферическими зеркалами принято считать, что диаметр пучка на выходе лазера и угол расходимости пучка возрастает в отношении (2m + 1)^1/2 c увеличением порядка поперечной моды по сравнению с величинами, полученными для моды ТЕМ₀₀.

5. Технологические особенности лазерной резки металлов импульсно-периодическим излучением

При резке металлов импульсно-периодическим лазерным излучением возникает ряд особенностей.

В связи с тем, что при возрастании фокусного расстояния линзы f глубина области каустики увеличивается, большая глубина реза обеспечивается при использовании длиннофокусных фокусирующих систем. Естественно, эта закономерность будет справедлива до тех пор, пока плотность мощности не начнет существенно уменьшаться при увеличении диаметра пятна за счет возрастания фокусного расстояния (d_f ~ f). При увеличении fболее некоторой критической величины происходит резкое снижение роста глубины реза, тогда как его ширина монотонно возрастает (рис.3).

	Рис.3. Кривые зависимости глубины, ширины реза и диаметра пятна фокусировки от фокусного расстояния линзы

На этом же графике представлена зависимость изменения диаметра пятна фокусировки с учетом угловой расходимости лазерного излучения от фокусного расстояния. При возрастании fрасхождение между значениями b и d_f снижается, что связано с уменьшением плотности мощности и, следовательно, со снижением теплового влияния лазерного источника за пределами пятна фокусировки.

Помимо рассмотренных технологических факторов важным параметром является величина и направление смещения Df поверхности металла относительно фокальной плоскости фокусирующей системы.

На рис.4 приведены изменения значений глубины реза и ширины на верхней кромке в зависимости от смещения Df. Наибольшей глубине и наименьшей ширине соответствуют различные положения детали относительно каустики фокусируемого луча. Так, наибольшая глубина реза для рассматриваемых условий обработки достигается при заглублении фокальной плоскости внутрь образца примерно на 1 мм, тогда как минимальная ширина реза получается при фокусировании излучения вблизи поверхности детали.

	Рис.4. Кривые влияния степени расфокусировки на глубину и ширину реза

Кроме того, глубина реза возрастает (однако менее интенсивно) при уменьшении длительности импульса в результате некоторого повышения плотности мощности лазерного излучения.

Таким образом, при необходимости получения наиболее глубоких резов обработку следует проводить с применением длиннофокусных (до определенного предела) линз на низких скоростях резки при высокой плотности лазерного излучения (импульсами высокой энергии и малой длительности) и смещением фокальной плоскости фокусируемого лазерного излучения внутрь разрезаемой детали на 1-1,5 мм.

Общие закономерности для ширины реза таковы: ширина реза на верхней кромке b_в и нижней кромке b_н металла возрастает с увеличением энергии излучения, фокусного расстояния линзы и уменьшением длительности импульса.

На ширину реза верхней кромки b_в наибольшее влияние оказывает энергия излучения, тогда как на b_н – фокусное расстояние f.

Изменение скорости резки не влияет на ширину реза b_в. Вместе с тем понижение скорости обработки ведет к заметному увеличению ширины реза на нижней кромке, причем более интенсивно при повышении энергии излучения и менее интенсивно при увеличении фокусного расстояния линзы.

Таким образом, наиболее узкие пазы и резы могут быть получены при обработке с применением короткофокусных линз на низких плотностях мощности. Уменьшение скорости резки при этом дает возможность получать резы большой глубины и с меньшей непараллельностью кромок. В случае, когда требуется достичь минимального отклонения стенок реза от параллельности, обработку следует выполнять на малых скоростях с низкой плотностью мощности, при использовании длиннофокусной оптики.

При формировании реза в результате наложения элементарных отверстий друг на друга образуется неровность кромки реза, которая определяет величину микронеровностей получаемого реза (рис.5).

	Рис. 5. Микрорельеф поверхности реза при резке импульсно-периодическим лазерным излучением

Шероховатость поверхности реза можно оценить выражением

R_z = r_э{1 - [1-(1-к_п)²]^1/2},(11)

где к_п – коэффициент перекрытия элементарных отверстий.

Наибольшее влияние на шероховатость оказывает скорость обработки. Как видно из зависимости (11), шероховатость поверхности реза накладывает определенные ограничения на производительность резки: для уменьшения величины R _z следует уменьшать скорость обработки. Для уменьшения R_z c повышением скорости резки необходимо повышать частоту следования импульсов.

При резке тонколистовых материалов, когда сквозное элементарное отверстие образуется при воздействии одного лазерного импульса, микронеровности поверхности реза снижаются также при увеличении длительности импульса и фокусного расстояния и при увеличении энергии импульса, так как во всех случаях возрастает радиус элементарного отверстия r _э, что в соответствии с (11) приводит к снижению R _z (при этом к_п возрастает).

Таким образом, для получения качественных резов обработку следует вести при малых скоростях резки так, чтобы коэффициент перекрытия элементарных отверстий к_п = 0,6 ¸ 0,8.

Уменьшение шага обработки при резке тонколистового металла ведет к снижению величины клиновидности реза j, причем при малых значениях энергии в импульсе такая закономерность проявляется сильнее. Следовательно, при необходимости получения резов с меньшим отклонением стенок от параллельности в тонких пластинах резку следует проводить при малых значениях шага обработки (к_п = 0,6 ¸ 0,8) и повышенных уровнях энергии излучения.

Следует также учесть, что для импульсно - периодического режима резки металла, как и для резки непрерывным излучением, характерно образование для ряда металлических материалов грата (наплывы на нижней кромке разрезаемого металла). Образование грата происходит в результате смачивания поверхности твердого металла удаляемыми из полости реза жидким металлом и его оксидами за счет получения химических соединений, твердых и жидких растворов, диффузионных процессов в поверхностном слое металла.

Наиболее существенно количество грата зависит от свойств рабочего газа и ширины реза. Применение кислорода и кислородосодержащих смесей позволяет резко уменьшить образование грата на кромках и повысить его отделяемость. Положительное влияние кислорода на качество кромки объясняется, вероятно, значительным уменьшением сил поверхностного натяжения.

Большое влияние на параметры резки обрабатываемого металла оказывает поглощательная способность его поверхности. Поглощение излучения существенно зависит от микрогеометрии поверхности (шероховатости), наличия оксидов, положения плоскости поляризации, длины волны излучения и возможности образования поглощающей плазмы.

Для металлов характерно увеличение поглощательной способности с уменьшением длины волны. Поэтому предпочтительна резка металлов излучением с меньшей длиной волны при одинаковых энергетических параметрах.

Практическая часть

6. Описание лабораторной установки

Лабораторная работа посвящена ознакомлению с промышленной лазерной технологической установкой МЛ4 - 1, предназначенной для прецизионной размерной обработки тонких металлических (сталь и нержавеющая сталь, алюминий, титан и другие цветные или тугоплавкие металлы и сплавы) и неметаллических материалов (поликор, многие виды керамики, ситаллы, сапфир и др.) с помощью излучения импульсного Nd:YAG лазера.

Обрабатываемое изделие размещается на рабочем основании X - Y координатного стола и перемещается относительно неподвижного светового пятна излучения в X - Y плоскости. Силовой объектив перемещается в вертикальном Z-направлении с помощью аналогичного координатного привода.

Для контроля за зоной обработки в оптическую систему встроена ТВ - камера и установлен ТВ - монитор визуального наблюдения.

Предусмотрена автоматизированная подача воздуха, режущего или инертного газа через сопло в зону обработки, что обеспечивает защиту фокусирующей оптики и улучшает качество обработки.

Энергия, частота повторения и длительность импульса излучения варьируется в широких пределах, что обеспечивает выбор необходимых режимов и оптимизацию качества обработки.

Установка управляется от IBM PC совместимого компьютера. Программное обеспечение (ПО) позволяет осуществлять загрузку, обработку и выполнение файловзаданий (чертеж обработки + технологические параметры для лазера и координатных столов). ПО позволяет настроить и сохранить технологические параметры задания, осуществляет контроль и самодиагностику системы в процессе работы.

Управляющие чертежизадания могут быть импортированы в виде HPGLсовместимых файлов (plt) или файлов dxf из любых графических редакторов (CAD - системы, Corel - Draw, Компасс и многие другие).

6.1. Состав, устройство и компоновка установки

Установка лазерная МЛ4 - 1 состоит из следующих основных узлов и блоков: каркас стойки питания и управления; каркас опорный (для рабочей камеры и координатного стола); рабочая камера с загрузочным окном; координатная XYZ система; лазерный излучатель; оптическая система с ТВ-каналом и ТВ-монитором; система охлаждения; импульсный блок питания лазера; блок управления шаговыми двигателями; блоки коммутации и управления установкой БК4-1 и БУ4-1; компьютер управляющий в конфигурации МЛ-4; вспомогательные системы: освещение, газовые и пневмосистемы.

Рис. 6. Внешний вид лабораторной установки.

Опорный каркас предназначен для установки излучателя, оптической системы, XYZ координатной системы и панелей защитной рабочей камеры. На каркасе также закреплен кронштейн для установки мониторов.

Рабочая камера предназначена для защиты персонала от лазерного излучения. Внутри камеры устанавливаются системы освещения, штуцер системы дымоудаления и элементы газовой и пневмосистем.

Каркас стойки питания и управления предназначен для установки блоков питания, охлаждения и управления. В стойке питания и охлаждения установлены (справа, сверху вниз) зарядный модуль PU 730 и блок охлаждения СО-6000Т. В левой части стойки установлены блок коммутации БК4-1, блок управления БУ4-1 и управляющий компьютер.

Лазерный излучатель устанавливается на 4 регулируемые опорные площадки на верхней балке. Крепление излучателя позволяет в небольших пределах регулировать высоту и угол его установки.

Оптическая система с силовой оптикой, телевизионным каналом наблюдения и приводом по оси Z крепится к верхней горизонтальной балке опорного каркаса.

Блок питания лазера выполнен в виде двух PS 730 стандартных 19” модулей высотой 6 U. На передних панелях модулей расположены элементы индикации и управления.

Унифицированная термостабилизационная система охлаждения СО - 6000Т устанавливается в нижний отсек стойки питания и управления и соединяется с излучателем и системой оборотной воды гибкими шлангами. Система охлаждения выполнена по двухконтурной схеме с теплообменником типа "вода - вода".

Блок коммутации БК4 - 1 и блок управления БУ4 - 1 предназначены для управления электропитанием и основными и вспомогательными системами установки. Блоки устанавливаются в верхний левый отсек стойки питания и управления. На переднюю панель выведены (сверху вниз) блокировочный ключ, кнопки и индикаторы включения электропитания и аварийного отключения машины, пульт управления блоком питания лазера, кнопки ручного управления приводами координатной системы и кнопки включения освещения и систем вспомогательных газов.

Компьютер управляющий (IBM PC совместимый) в конфигурации МЛ - 4 установлен в нижнем левом отсеке стойки питания и управления. В компьютер кроме стандартного аппаратного обеспечения устанавливаются дополнительные контроллеры и устройства сопряжения с оборудованием (УСО).

6.2. Основные технические данные и характеристики установки.

Технические параметры координатных столов и настроек

Рабочий ход (наибольшее перемещение приводов),

по осям X - Y - Z, мм 300х300х100

Точность позиционирования по осям X - Y - Z, мкм 40

Дискретность перемещения по координатам:

по осям X - Y, мкм не хуже 5

по оси Z, мкм не хуже 5

Скорости движения столов по осям X - Y - Z, мм/с 0,02 − 15

Максимальные размеры устанавливаемых деталей:

Детали, обрабатываемые на X - Y столе, (мм х мм х мм) 400х300х100

или

диаметр, мм 300

длина, мм 300

---

Дата добавления: 2015-11-14