Технологии обработки волоконными лазерами — Электросберегающие технологии

Тестирование процесса лазерной перфорации излучением непрерывных волоконных лазеровПерфорация излучением волоконных лазеров

ООО НТЦ «Электроресурс», к.т.н. А.И. Скрипченко, В.М. Медвецкий, А.В.Духовской

Прошивка отверстий лазером – известный технологический процесс, но обычно он выполняется излучением импульсных лазеров с высокой энергией в импульсе. Основной механизм этого процесса – испарительный, обрабатываемый материал просто испаряется без образования жидкой фазы. Эта технология используется в основном для решения специальных задач, например, формирования микроканалов охлаждения в лопатках турбин. Для более массовых применений производительность и стоимость такого процесса оказывается неудовлетворительной.Разработка процессов лазерного изготовления фильтров и сеток, обеспечивающего высокую производительность, представляет для ряда технических применений значительный интерес. Используемые в массовом порядке сетчатые фильтры имеют целый ряд недостатков – не способны работать под значительным перепадом давления, в том числе, – не держат газо и гидродинамические удары, имеют тенденцию к деформации структуры ячеек (вытягивание). Для некоторых применений (просеивание и сушка) нужны сетчатые структуры, выдерживающие вес сырья и имеющие плоскую лицевую поверхность.Данная работа посвящена дальнейшему тестированию технологических возможностей новых волоконных лазеров – именно для описанных выше применений. Конструкция непрерывного волоконного лазера позволяет выполнять достаточно высокочастотную модуляцию излучения просто за счет модуляции тока диодов накачки, и эта возможность аппаратно встроена в конструкцию излучателя (см. рис. 1 – из паспорта на типичный волоконный лазер). Тем не менее, до настоящего времени эта возможность не используется разработчиками технологий и фактически не тестировалась.Типовой волоконный лазер серии YLS или ЛС имеет режим модуляции мощности, но только при управлении по каналу Ethernet от поставляемой с лазером программы LaserNet. Пользователю же при определенном конфигурировании лазера при пусконаладке предоставляется аналоговый вход для произвольной внешней модуляции и без использования специальной аппаратуры эта функция может быть реализована в структуре стандартной ЧПУ.Поэтому для реализации полного управления, включая импульсные режимы, нами был разработан интерфейсный одноплатный контроллер MLC01, который подключается со стороны управления к системе ЧПУ, а с другой стороны – к волоконном лазеру. Структура контроллера изображена на рис. 2. Контроллер подключается ко всем трем разъемам лазера, предназначенным для внешнего управления, и к управляющей системе. Внешнее управление лазером теперь требует минимальных кабельных проводок – командное управление по двухпроводной шине CAN, линия блокировки BLK для аварийного отключения лазера и питание модуля. Физически контроллер выполнен в виде компактной микропроцессорной платы и размещается в металлической коробке смонтированной прямо на интерфейсном разъеме лазера (рис. 3). Функционально контроллер интегрирует практически всю возможную функциональность управления волоконным лазером, а именно:• контролирует все линии состояния лазера, включая аварийные сигналы,• управляет цепями аварийной блокировки по сигналам от аппаратуры станка,• задает параметры импульсного режима (частоту и скважность), • задает выходную мощность лазера. За счет разработки контроллера MLC01 мы получили возможность провести серии экспериментов по лазерной перфорации с использованием излучения волоконного лазера.Эксперименты проводились с использованием маломодового волоконного лазера ЛС-0.7 мощностью 700 Вт с транспортным волокном 50 мкм. Излучение фокусировалось универсальной перестраиваемой технологической головкой VF001, которая позволяла программно управлять параметрами фокусировки (фокусным расстояниям и положением фокуса). Процесс перфорации исследовался на плоских пластинах из разных металлов при использовании сопловой насадки для резки. Тесты производились как при использовании струи инертного газа (аргон), так и кислорода.Общий вид процесса перфорации приведен на рис. 4. В данном лазерной комплексе лазерная головка расположена горизонтально, и координатная робототехника управляет перемещением головки в вертикальной плоскости, плоскость образцов, соответственно, тоже вертикальная. Очень важный момент состоит в том, что перфорация выполнялась при непрерывном перемещении лазерной головки относительно образца, так как прерывистое перемещение от точки к точке с требуемыми частотами физически невозможно (или для этого нужно применять специальную сканерную технику быстрого управления лазерным пучком). Важно также понимать, что при используемых пиковых мощностях перфорация почти во всем диапазоне параметров идет с образованием жидкой фазы, а не в испарительном режиме, и поэтому процесс удаления расплава в исследуемом процессе играет существенную роль.Первый важный экспериментальный вывод состоит в том, что, несмотря на то, что перфорация выполняется движущимся пучком, отверстия формируются практически круглыми и осесимметричными даже при довольно больших значениях скважности Q (как отношения длительности импульса τ к периоду импульсов T) вплоть до 0.15. Пример формируемой сетки представлен на рис. 5. Отчетливо видно, что при прошивке образуется жидкая фаза, которую в данном случае удалить полностью не удавалось, тем не менее, сама внутренняя геометрия отверстий близкая к окружности – заметной эллиптичности нет. Асимметрия формы кристаллизации вынесенного расплава связана скорее не с движением, а с особенностями газодинамики процесса. При скважности около 10% и расстоянии между отверстиями 0.75 мм смещение оси пучка за время импульса составляет около 70 мкм при характерном размере отверстия 180 мкм, тем не менее эллиптичности явно не наблюдается.В таблице 1 приведены измеренные условия формирования сквозных отверстий в нержавеющей стали толщиной 0.2 мм при фокусировке пучка на поверхности пятно около 100 мкм при продувке аргоном через сопло 1 мм при давлении около 5 атм на входе в головку.Эта таблица иллюстрирует интересный факт – переход от режима прошивки с образованием жидкой фазы (малые мощности и большие длительности), где определяющим параметром является полная энергия импульса, к почти чисто испарительному режиму при большой мощности и коротком импульсе.

Таблица 1. Условия формирования сквозных отверстий в нержавеющей стали толщиной 0.2 мм. Фокусировка 100 мкм, газ – аргон.

Мощность, Вт Длительность, мс Энергия, Дж
300  3.5  1.05
 
400 2.5 1.0
500 1.5  0.75
600 1.0  0.6
 
600 0.5 0.35
 
700  0.5  0.3

   При увеличении толщины материала проблема удаления жидкой фазы становится существенной. На рис. 6 изображены фотографии обработки образца из нержавеющей стали толщиной 1 мм при попытке выполнить сетку с высокой плотностью отверстий. Видно, что расплав выносится на лицевую сторону еще до того, так образуется сквозное отверстие, которое при данном конкретном режиме обработки оказывается меньше входного почти втрое. Проблемы с удалением расплава решаются примерно тем же способом, что и при лазерной резке – а именно, заменой инертного газа сжатым воздухом или сжатым воздухом с добавкой кислорода. Здесь действуют два эффекта – кислород резко снижает поверхностное натяжение жидкого металла и улучшает его вынос, и часть расплава просто сгорает из-за экзотермических реакций. На рис. 7 приведен пример кольцевого фильтра, изготовленного из нержавеющей стали толщиной 1 мм до финишной обработки. За счет добавки кислорода здесь отсутствуют показанные выше дефекты, но наблюдается некоторое окисление металла, которое удаляется финишной шлифовкой. Образец диаметром 62 мм содержит 12 000 отверстий, выполненных с частотой 55 Гц за время 3.6 минуты.Представляет интерес оценка реальной производительности процесса изготовления сеток. В таблице 2 приведены измерения для нержавеющей стали толщиной 0.5 мм, материала представляющего значительный интерес для изготовления фильтрующих элементов, при этом толщина достаточна для работы со значительными перепадами давления. Размеры отверстий находятся в интервале от 0.14 до 0.2 мм и зависят в основном от энергии импульса. В большем диапазоне регулировать размер отверстий можно за счет изменения диаметра фокального пятна.Получаемые производительности 0.1..0.4 кв.м./ч – имеют вполне промышленный порядок, при условии допустимости эллиптических или штриховых отверстий (для ряда применений это даже желательно) производительность можно поднять еще в 2-3 раза. Эксперименты показывают также возможность изготовления сеток в высокой прозрачностью (35%) , это значение за счет оптимизации можно увеличить до 50%.Дальнейшее повышение производительности процесса будет требовать специальной оптической аппаратуры – для обеспечения полного использования ресурса лазерной энергии. Для этого нужно обеспечить угловую раскладку 4-6 импульсов по сторонам квадрата или шестиугольника вместо одного сравнительно резкого импульса. В принципе, для этого пригодны сканерные оптические системы. Спектр протестированных материалов – стали, титан и медные сплавы, включая чистую медь.ВЫВОДЫ1. Выполнено тестирование еще одного перспективного технологического процесса с использованием волоконных лазеров – процесса перфорации сеток и фильтров2. Новый процесс обеспечивает получение сеток в различных материалах с производительностью 0.1..0.4 кв.м./с при прозрачности до 40..50%3. Характерные размеры получаемых отверстий от 50 до 200 мкм

Таблица 2. Производительность процесса изготовления сеток из нержавеющей стали толщиной 0.5 мм (волоконный лазер мощностью 700 Вт).


Иллюстрации.
 Рис.1. График модуляции выходной мощности на частоте около 5 кГц из паспорта лазера ЛС-0.7. Снизу – задающие импульсы, сверху – выходная мощность лазера. Длину фронта нарастания и спада можно оценить как 10 мкс.


 
Рис.2. Принцип работы контроллера MLC-01. 

 
 

Рис.3. Внешний вид контроллера MLC01 со снятой крышкой на задней стенке лазера

 

 Рис.4. Внешний вид процесса перфорации

 

 Рис. 5. Характерная форма отверстий, формируемых при импульсной модуляции. Нержавеющая сталь 0.5 мм.

 

Рис. 6. Неудовлетворительный вынос расплава при перфорации нержавеющей стали толщиной 1 мм. Сверху – лицевая поверхность, снизу – тыльная.

 

Рис.7. Пример кольцевого фильтра из нержавеющей стали толщиной 1 мм. Размер отверстий – 140 мкм, плотность – 7.5 отв/мм2

Статья написана в рамках Комплексной программы исследовательских работ по технологии обработки волоконными лазерами.

ПРИГЛАШЕНИЕ.Участники Комплексной программы приглашают все заинтересованные организации к присоединению к Программе в статусе «ассоциированных участников». Ассоциированные участники регистрируются после заполнения Заявления на сайте http://elres.ru/fiberlaser-tr/ и подтверждения членства на очередном заседании Коордионационного совета. Список Ассоциированных участников публикуется на сайте Программы.Ассоциированные участники имеют право:• Получать регулярные информационные рассылки о деятельности в рамках Программы, включая результаты научно-технологических исследований.• Участвовать с совещательным голосом в заседаниях Координационного совета и иных рабочих совещаниях, формируемых в рамках программы.

• Подавать свои предложения об участии в исследовательских программах, в том числе и предложения по финансированию работ, представляющих для них коммерческий или научный интерес.

Частота импульсов, Гц СкважностьИмпульсов Скорость перфорации, Кв.см/мин Прозрачность% Фото
100 10 15 12  
100 10 30 6  
75 7 9 7.5  
100 20 10 25