Лазерный мир

Аполлонов В. В., Девойно О. Г., Калининский А. С. // Журнал Наука и техника, № 4 / 2014, с: 37-41, УДК 621.793

Целью настоящей работы является оценка применения импульсно-периодического режима для повышения эффективности лазерной обработки. Лазерные технологии нашли широкое применение в процессах обработки материалов для придания им заданных поверхностных свойств, а также для резки листовых материалов с высокой точностью. Несомненный интерес представляет применение комплексной обработки, в первую очередь изношенных поверхностей, включающей формирование слоя путем газопламенного нанесения порошковой смеси определенного состава и последующего лазерного оплавления.

MPROVEMENT OF LASER TREATMENT EFFICIENCY
APOLLONOV V. V.1), DEVOINO O. G.2), KALINICHENKO A. S.2)
1)General Physics Institute RAS, Russia,
2)Belarusian National Technical University
The purpose of the paper is to estimate an application of pulse-periodical mode for improvement of laser treat-ment efficiency. Laser technologies have been widely used in the processes of material treatment with the purpose to provide them the required surface properties and also for high accuracy cutting of sheet materials. Application of complex treatment is of great interest and especially when it is used for worn-out surfaces with formation of a coat-ing by gas-flame laying of powder mixture of specific composition and subsequent laser fusion.
Increase of laser unit capacity is very important task for higher efficiency of laser technology application in mechanical engineering. Nowadays technological processes using lasers with high average power (more than 100 W) have been applying only sources that are working in two modes, namely: continuous and pulse-periodical (P-P) with pulse repetition rate from some units to several hundred hertz and pulse duration within dozens to hundreds of microseconds and even within milliseconds. On the other hand, in some cases shielding effect of plasma cloud formed during laser alloying, cladding or welding reduces the efficiency of laser treat-ment up to 50 % depending on plasma composition and laser beam length. High frequency P-P laser systems with high average power working in mode of Q-factor modulation allow to realize principally other mechanism of irradiation interaction with materials that is an ablation. In this case it is possible to provide local energy re-lease both in space and time.
The performed analysis has revealed that P-P mode of laser operation for a majority of treatment process-es is much better and more efficient from energetic point of view in comparison with the continuous mode. On the basis of the developments it is possible to make a conclusion that there is a possibility to create laser sys-tems working in high frequency P-P mode with high average power above hundreds watt.

Изменение в процессах обработки материалов с целью придания им заданных поверхностных свойств, а также для резки и раскроя листовых материалов с высокой точностью [1]. Успешно применяется лазерное легирование деталей из черных и цветных металлов и сплавов [2–5]. Управляя технологическими параметрами лазерной обработки, можно обеспечивать формирование свойств по определенному закону не только в слоях, подвергшихся термическому воздействию лазерного луча, но и в примыкающем слое основного материала [6, 7]. Значительные успехи достигнуты в повышении износостойкости деталей при использовании лазерных технологий [8, 9]. Несомненный интерес представляет применение комплексной обработки, в первую очередь изношенных поверхностей, включающей формирование слоя путем газопламенного нанесения порошковой смеси определенного состава и последующего лазерного оплавления [10].
Важной задачей для повышения эффективности применения лазерных технологий в машиностроении является увеличение мощности лазерных установок, что позволяет повысить производительность процесса, выполнять обработку материалов с высокой температурой плавления при высокой производительности, а также резку листовых материалов значительной толщины (более 30 мм) с высокой рентабельностью. Все это способствует повышению конкурентоспособности лазерных технологий. Однако при увеличении мощности лазерных систем встает вопрос о сохранении качества лазерного луча.
Перспективно также использование импульсно-периодического (И-П) излучения не только для процессов, связанных с удалением материала, но и для технологий, базирующихся на процессах плавления материала, – лазерного легирования, наплавки, сварки. Как известно, экранирующий эффект образующегося при таких процессах плазменного облака снижает эффективность обработки в некоторых случаях до 50 % в зависимости от состава плазмы и длины волны лазерного излучения. Как правило, при использовании непрерывного излучения в процессах с плавлением устанавливается автоколебательный режим, связанный с периодическим возникновением и затуханием плазменного облака. В современных технологиях часто используют так называемый квази импульсный режим, заключающийся в периодическом выключении лазера. При этом современные промышленные лазеры позволяют обеспечить частоту порядка нескольких кило-герц. Это позволяет повысить термический КПД технологического процесса с плавлением поверхности с одновременным уменьшением средней мощности обработки.
В настоящее время в технологических процессах, использующих лазеры c большой сред-ней мощностью (более 100 Вт), нашли применение только источники, работающие в двух режимах – непрерывном и И-П с частотой повторения импульсов от единиц до сотен герц и длительностью в пределах десятков-сотен микро- и даже миллисекунд. При этом в обсуждаемых технологических процессах в основном реализуется чисто тепловой механизм воздей-ствия, так как используется возможность лазерного источника подвести достаточно большое количество энергии к малой площади поверхности обрабатываемой детали. Высоко-частотные И-П лазерные системы с большой средней мощностью, работающие в режиме модуляции добротности, который обеспечивает длительности импульсов в периодической последовательности от единиц до сотен наносе-кунд, позволяют реализовать принципиально другой механизм взаимодействия излучения с веществом – возгонку (абляцию), обеспечивающую локальность выделения энергии не только в пространстве, но и во времени [1, 2]. При этом происходит взрывное локальное испарение вещества без промежуточной жидкой фазы. Такой механизм может существенно расширить область технологических применений лазерных источников. Однако он не нашел реального применения на практике в силу большой сложности его реализации, требуемой в значительном ряде технологий среднего уровня мощности. В основном такие лазеры при незначительном уровне мощности используются при микрообработке поверхностей, маркировке изделий, скрайбировании, термораскалывании, сверлении микроотверстий, лазеро-индуцированном химическом травлении.

Полное содержание статьи: http://cyberleninka.ru/article/n/primenenie-impulsno-periodicheskogo-rezhima-dlya-povysheniya-effektivnosti-lazernoy-obrabotki