Перфорация излучением волоконных лазеров

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. 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.

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.

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. 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. При обработке образца из нержавеющей стали толщиной 1 мм была попытка 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. Есть пример кольцевого фильтра (образец), 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.

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

Частота импульсов, Гц

Скважность

Импульсов

Скорость перфорации,

Кв.см/мин

Прозрачность

%

100

10

15

12

100

10

30

6

75

7

9

7.5

100

20

10

25

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.

 

ВЫВОДЫ

1.   Выполнено тестирование еще одного перспективного технологического процесса с использованием волоконных лазеров – процесса перфорации сеток и фильтров.

2.  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.

 

 

ООО НТЦ «Электроресурс»,

к.т.н. А.И. Скрипченко,  В.М. Медвецкий, А.В.Духовской


Автор: А. И. Скрипченко, В. М. Медвецкий, А. В. Духовской
/a