Лазерный мир

Железнов Вячеслав Юрьевич, Малинский Тарас Владимирович, Миколуцкий Сергей Иванович, Рогалин Владимир Ефимович, Филин Сергей Александрович, Хомич Юрий Владиславович, Ямщиков Владимир Александрович, Каплунов Иван Александрович, Иванова Александра Ивановна / Российский патент 2022 года по МПК B23K26/364 B82B3/00 RU 2 764 777 C1

Предлагаемое изобретение относится к области лазерной техники, приборостроения, металловедения и металлообработки, в частности, к оптическим технологиям и нелитографическим технологиям выявления структуры поверхности цветных металлов, а именно: к лазерной микрообработке, а именно: к способам обработки поверхности цветных металлов лазерным излучением, и может найти применение в разных секторах металловедения и металлообработки, например, при необходимости выявления зернограничной структуры цветного металла или создания воздействием лазерного излучения на поверхность цветного металла регулярного микрорельефа его поверхности с характерными перепадами по высоте микрорельефа, также может быть использовано в технологических целях для оценки размеров зерна в заготовках и изделиях из цветных металлов.

В настоящее время воздействие лазерного излучения на материалы является одним из эффективных и управляемых средств контролируемого изменения кристаллической структуры и свойств данных материалов. В частности, в работе [1] было обнаружено поднятие полированной поверхности меди после облучения одиночным наносекундным импульсом ультрафиолетового (УФ) лазера допороговой интенсивности.

Известен способ очистки поверхности материалов, включающий облучение лазерным излучением обрабатываемой металлической поверхности в импульсно-периодическом режиме с длительностью импульса 100 нс и 100 мкс и с модуляцией добротности резонатора, обеспечивающего плотность мощности на обрабатываемой поверхности, достаточную для возникновения процессов испарения наиболее тугоплавких соединений материалов, входящих в состав оксидной пленки, с абляцией продуктов испарения с обрабатываемой поверхности потоком газа, направление движения которого совпадает с направлением очистки поверхности материала [2].

Недостатком данного технического решения является отсутствие возможности проявления регулярного микрорельефа поверхности цветного металла, например, меди или ее сплава.

Наиболее близким к заявляемому способу по своей технической сути (прототипом) является способ обработки поверхности цветного металла путем формирования микрорельефа, включающий механическую обработку выбранной зоны поверхности алюминия до чистоты поверхности выше величины высоты неровностей 5 Rz, обработку выбранной зоны с помощью облучения лазерным излучением в виде лазерной абляции, при котором высвобожденное вещество испаряется с обрабатываемой поверхности, и получение на обрабатываемой поверхности микрорельефа в виде отдельно стоящих микрократеров, имеющих клиновидную форму профиля глубиной до 60 мкм и диаметром 10-25 мкм и расположенных на заданном расстоянии друг от друга с шагом L, не превышающем 1,5 диаметра микрократера, причем заданную глубину микрократера формируют разовым воздействием лазерным излучением заданной длительности и мощности облучения, после чего перемещают зону обработки и многократно повторяют упомянутые операции [3]. Rz — параметр шероховатости, определенный по 10 точкам (5 max и 5 min), измеренных от любой прямой параллельно средней линии профиля.

Недостатком данного технического решения является отсутствие возможности выявления зернограничной структуры и проявления регулярного микрорельефа поверхности цветного металла, например, меди или ее сплава, вследствие получения на обрабатываемой поверхности достаточно грубого микрорельефа микрократеров глубиной до 60 мкм и диаметром 10-25 мкм, что заметно ухудшает качество поверхности.

Новым достигаемым техническим результатом предполагаемого изобретения является выявление зернограничной структуры и проявление регулярного микрорельефа поверхности меди или ее сплава без заметного кратерообразования на поверхности, ухудшающего качество поверхности.

Новый технический результат достигается тем, что в способе лазерной обработки поверхности цветного металла, включающем механическую обработку выбранной зоны поверхности цветного металла с чистотой поверхности Rz и облучение лазерным излучением заданной длительности и мощности до получения на обрабатываемой поверхности микрорельефа заданной глубины, в отличие от прототипа, осуществляют лазерную обработку меди или ее сплава до получения микрорельефа на приповерхностном слое меди или ее сплава, при этом механическую обработку выбранной зоны поверхности осуществляют с чистотой поверхности Rz не более 1 мкм, а облучение поверхности осуществляют импульсным лазерным излучением на длине волны лазерного излучения используемого лазерного источника, со средней плотностью энергии импульса в пятне облучения 0,1-1 Дж/см2, не превышающем порога абляции и не менее 10% от указанной величины, по растровой траектории с обеспечением перекрытия пятен лазерного излучения на подвергаемой облучению поверхности не менее 95%, причем зону обработки облучают серией из нескольких десятков лазерных импульсов с длительностью импульса 10-12-3*10-8 с.

После получения микрорельефа на приповерхностном слое в выбранной зоне могут перемещать пятно от лазерного луча по поверхности и повторять обработку следующей зоны лазерным излучением с получением микрорельефа на приповерхностном.

Облучение лазерными импульсами могут осуществлять посредством перемещения обрабатываемой поверхности относительно неподвижного пятна от лазерного луча.

В качестве источника лазерного излучения могут использовать УФ гармоники твердотельного Nd:YaG-лазера или эксимерный ArF-лазер, или волноводный лазер YLPN-0.5-25-10-М.

Частоту следования импульсов лазерного излучения могут выбирать менее 1 МГц.

Могут осуществлять управляемое перемещение обрабатываемой поверхности относительно неподвижного пятна лазерного излучения по растровой траектории.

Перекрытие пятен лазерного излучения на подвергаемой облучению поверхности могут осуществлять с коэффициентом перекрытия 99%.

Траекторию перемещения обрабатываемой поверхности относительно неподвижного пятна лазерного излучения могут задавать путем изменения расстояния между горизонтальными строками, длины растровой траектории и площади пятна лазерного излучения.

Перемещение обрабатываемой поверхности относительно неподвижного пятна лазерного излучения могут осуществлять дискретными шагами.

Облучение лазерными импульсами обрабатываемой поверхности могут осуществлять посредством перемещения пятна от лазерного излучения по неподвижной поверхности.

После получения микрорельефа заданной глубины на приповерхностном слое обрабатываемой поверхности могут осуществлять исследование полученных микрорельефа поверхности и зернограничной структуры меди или ее сплава с помощью оптического или электронного микроскопа, фотографирование и обработку полученных снимков на персональном компьютере с помощью программы компьютерной обработки изображения.

Лазерную обработку осуществляют в вакуумной камере или в потоке инертного газа. Способ обработки поверхности цветного металла путем формирования микрорельефа реализуют следующим образом.

Эксперименты проводят на образцах меди марки Моб и хромистой бронзы (БрХ) Cu-Cr (0,3-0,5%). Образцы до воздействия лазерным излучением обрабатывают механически по обычной технологии до получения исходной шероховатости поверхности меди марки Моб или бронзы БрХ до чистоты поверхности Rz порядка 0,1 мкм. В общем случае без существенного ухудшения заявленного достигаемого технического результата предполагаемого изобретения механическую обработку выбранной зоны поверхности меди или ее сплава осуществляют с чистотой поверхности Rz не более 1 мкм.

Облучение поверхности меди марки Моб или бронзы БрХ лазерным излучением проводят на лазерной установке, подробно описанной в работах [4-6].

Излучение лазера фокусируют кварцевой линзой на поверхность образца меди марки Моб или бронзы БрХ, расположенного на регулируемом с помощью компьютера трехкоординатном предметном столике. Размер пятна выбирают исходя из энергетических возможностей лазерного источника так, чтобы, с одной стороны, средняя плотность энергии в пятне не превышала порога абляции (для указанных выше материалов, это 1,0 Дж/см2), а с другой стороны, была не менее 10% от этой величины. В нашем случае площадь лазерного пятна — это 100-200 мкм.

При воздействии лазерного излучения в режиме сканирующего воздействия используют излучение с частотой f следования лазерных импульсов порядка 100 Гц, при этом возможно облучение как поверхности неподвижного образца меди марки Моб или бронзы БрХ сканирующим лазерным излучением, таким образом, что соседние пятна от лазерного луча перекрывают друг друга с коэффициентом перекрытия не менее 95%, так и образца меди марки Моб или бронзы БрХ, перемещаемого относительно неподвижного лазерного луча по растровой траектории (змейка) таким образом, что соседние пятна от лазерного луча перекрывают друг друга с коэффициентом перекрытия не менее 95%.

За счет того, что на один и тот же участок попадает серия пучков из нескольких десятков лазерных импульсов, например, 20 лазерных импульсов, происходит перекрытие зон воздействия. Коэффициент перекрытия выбирают таким образом, чтобы обеспечить максимальную однородность средней плотности энергии излучения на обрабатываемой поверхности. В экспериментах используют оптимальный коэффициент перекрытия — 99%, хотя положительный эффект может быть достигнут и при коэффициенте перекрытия — не менее 95%.

Частоту f следования лазерных импульсов выбирают исходя их возможностей используемого лазера так, чтобы обеспечить необходимый эффект воздействия и в тоже время, чтобы медь или ее сплав не нагревались заметным образом, то есть энергия излучения лазерного импульса, поглощенная в приповерхностном слое в данном конкретном эксперименте медью марки Моб или бронзой БрХ, рассеивалась, в основном, в объеме образца меди марки Моб или бронзы БрХ за время между лазерными импульсами.

Опубликовано на https://patenton.ru/patent/RU2764777C1