Стратегии получения макроуглублений на поверхности металла с помощью импульсного наносекундного инфракрасного волоконного лазера мощностью 100 вт

Научная библиотека Комментарии к записи Стратегии получения макроуглублений на поверхности металла с помощью импульсного наносекундного инфракрасного волоконного лазера мощностью 100 вт отключены

АМЯГА Д.В., ВОЛОГЖАНИНА С.А. // Инновации и перспективы развития горного машиностроения и электромеханики: IPDME-2021. Сборник тезисов VIII Международной научно-практической конференции. Санкт-Петербург, 2021. С. 101-104.

На поверхности стали с помощью волоконного ИК лазера мощностью 100 Вт были получены макроуглубления заданной геометрии. На примере таких углублений показано две принципиально разные стратегии лазерной обработки металлической поверхности. Результаты перспективны для ряда отраслей промышленности, где важна высокая скорость получения углублений в совокупности с экологичностью процесса обработки.

Введение

Среди технологических операций с участием лазерного излучения не теряетактуальности абляция металлов. В работе [1] показано, что наносекундные источники обеспечивают максимальный КПД абляции на единицу приложенной энергии. Известно, что излучение наносекундной длительности может удалять металл из зоны обработки как в виде газа, так и в виде капель расплава. В работе [2] показано, что эффект перегрева области лазерного воздействия приводит к появлению слоя расплава, который может быть удален давлением паров. В результате увеличивается скорость роста глубины кратера.

В случае образования расплава в процессе обработки металла неизбежно возникновение некоего рельефа, представляющего из себя сочетание впадин и выступов. В работах [3, 4] контроль перемещения расплава использовался при получении выпуклого рельефа на поверхности металла при лазерной обработке. При помощи сфокусированного излучения можно формировать как микрорельф [3], так и макрорельф [4]. Модификация поверхности металла созданием рельефа находит широкое применение как в промышленности, так и в исследовательских целях. Создание рельефа на поверхности металла при помощи лазерного источника и сканирующей системы может быть использовано, например, для улучшения некоторых свойств поверхности: адгезионных [5-7], светопоглощающих и капиллярных [8], а также трибологических [9].

Исследования по увеличению КПД лазерного удаления металлов наносекундными излучателями в задачах, где область удаления намного больше размера пятна лазерного пучка на данный момент в литературе найдены не были.

Постановка и описание задачи

Цель работы состояла в том, чтобы сравнить скорость создания углубления на поверхности металла в двух режимах работы при помощи наносекундного лазерного источника, работающего в ИК диапазоне. Первый режим обработки должен обеспечивать преимущественное испарение материала, а второй – образование расплава и удаление его
из области обработки под действием давления испаряющихся паров.

Материалы и оборудование

В качестве материала для исследования использовалась сталь марки Ст3сп (ГОСТ 380-2005). Для лазерной обработки использовались образцы толщиной 5…10 мм. Образцы обрабатывались лазерным излучением с длиной волны 1,064 мкм. Использовался лазерный источник YPLN-1-100-100-M фирмы IPG Photonics. Лазер может генерировать до 100 Вт средней мощности и работать в диапазоне частот повторения импульсов 5…500 кГц (PRR). Лазерный источник был интегрирован в систему «TurboMarker» фирмы ООО «Лазерный Центр». Система включала в себя сканирующую голову с объективом оснащенным F-Theta линзами. Расчетный диаметр пучка составлял 50 мкм. Система может достигать скорости сканирования до 10000 мм/с.

Исследование характера взаимодействия лазерного излучения с поверхностью

На рис. 1 показано как изменяется характер взаимодействия импульсного лазерного излучения при изменении скорости перемещения луча при неизменных остальных параметрах. Из рисунка видно, что при скорости 50…150 мм/с взаимодействие
лазерного излучения с поверхностью металла носит характер искрения. Это можно объяснить тем, что при взаимодействии лазерного излучения с поверхностью металл прогревается на значительную глубину, а давления паров достаточно для выплескивания капель расплава из зоны обработки. При скорости выше 200 мм/с происходит увеличение светового пятна и исчезновение искрения, что свидетельствует о доминирующем образовании пара и низкотемпературной плазмы. Таким образом, режим обработки с превалированием перемещения расплава (режим жидкой фазы) будем рассматривать при скоростях 50…200 мм/с, а режим испарения при скорости порядка 1000 мм/с

Получение отверстий двумя методами

При помощи режима жидкой фазы создавалось углубление кольцевой формы треугольного сечения в поперечнике. В графическом редакторе создавалась управляющая программа хода лучей, представленная на рис 2, а. Схема хода лучей представляла из себя четыре набора векторов длиной 1 и 0,8 мм, расположенных радиально. Все вектора направлены к вспомогательной окружности диаметром 2,25 мм. При этом концы векторов лежат на этой окружности. На рисунке это показано направлением четырех векторов. Это обеспечивает перемещение жидкой фазы в обе стороны от этой окружности. Поэтому на поверхности образца возле канавки формируется два кольцеобразных валика застывшего металла, что видно из рис. 2, б и рис. 2, в.

Выводы

Рассмотрена новая стратегия обработки поверхности металлической пластины, качественно отличающаяся от стандартной методики послойного испарения металла.
Новая стратегия обработки позволяет увеличить производительность создания углублений в 3…10 раз.
При использовании новой стратегии удаляется на порядок меньше металла. Причем удаляется металл в форме больших капель расплава, по сравнению со стандартной методикой, где испаряется газ и вылетает мелкодисперсная пыль.

Рекомендуем для Вас


© Интернет журнал "ЛАЗЕРНЫЙ МИР", 2019
Напишите нам:
laser.rf.mail@yandex.ru

Back to Top