Исследование динамики физических процессов при адаптированном управлении параметрами лазерного излучения в процессе лазерной обработки

     Схема экспериментальной  установки (рис.1) включала в себя  одномодовый Nd : YAG-лазер, ответвитель,  фокусирующий объектив, мишень, измеритель  энергии импульсов излучения  типа ИМО-2Н, лавинные фотодиоды  типа ЛФД-2А и двухлучевой запоминающий  осциллограф Agilent 54641 А. Мишень  выполнена в виде клина, что  позволяло в процессе эксперимента  изменять толщину прошиваемого  материала путем перемещения  образца перпендикулярно лазерному  лучу. При этом положение плоскости  наилучшей установки относительно  поверхности мишени оставалось  неизменным.

   Для прошивки отверстий  в различных материалах использовался  разработанный  ранее мощный  одномодовый петлевой Nd : YAG-лазер  с самообращением волнового фронта  и пассивной модуляцией добротности  [4], параметры генерации которого  специально оптимизированы для  его технологического применения [9]. Излучатель лазера состоял  из двух квантронов типа К-301В  с активными элементами (АЭ) размером 0 6.3 х 100 мм и криптоновыми лампами  накачки КДНП-6/90. Блок питания  типа 13 ГДН позволял изменять  частоту импульсов накачки от 1 до 30 Гц. Длительность импульсов  накачки составляла 200 мкс. Обработка  отверстий производилась при  частоте следования импульсов  накачки 20 Гц.

                  Рис.1.схема экспериментальной  установки

     Пассивная  модуляция добротности Nd : YAG-лазера  осуществлялась кристаллом LiF : F2- с  переменным начальным пропусканием, которое могло линейно изменяться  от 20 % до 70 % перемещением кристалла  LiF : F2- перпендикулярно оптической  оси. Это позволяло плавно управлять  энергетическими и временными  параметрами излучения. При уменьшении  начального пропускания кристалла  длительность отдельного лазерного  импульса сокращалась, а его  энергия и пиковая мощность  увеличивались. При начальном  пропускании ПЛЗ Т0 = 20 % энергия  отдельного импульса в цуге  Wp достигала 350 мДж, а пиковая мощность Р; превышала 17.5 МВт [4]. При этом в цуге генерировались три импульса длительностью 20 нс с периодом следования 35 мкс. Возрастание энергетических параметров обусловлено тем, что увеличение оптической плотности ПЛЗ приводит к увеличению времени достижения пороговой инверсии населенности, росту запасенной в АЭ энергии и, как следствие, к генерации импульсов с большими энергией и пиковой мощностью. Использование ПЛЗ с высоким начальным пропусканием обусловливает низкие потери на его просветление и малое время достижения пороговой инверсной населенности в АЭ, что приводит к уменьшению периода следования импульсов в цуге и к росту их числа. При этом, хотя энергия каждого отдельного импульса генерации и пиковая мощность снижаются, полная энергия всего цуга импульсов увеличивается и при максимальном начальном пропускании ПЛЗ То = 70%, энергии отдельных импульсов 93 мДж (20 импульсов в цуге), длительности импульсов ~ 60 не и периоде их следования ~ 10 мкс составляет 1.86 Дж.

    В качестве  обрабатываемых материалов использовались  стали (быстрорежущая Р18 и жаростойкая  09Х18Н10Т5) и сплавы (твердосплав Т15К6 (WC-TiC- Со), супердюралюмин Д16 и алюминиевый  сплав АмГб).

Для лазерной прошивки сверхглубоких (коэффициент формы ~100) отверстий  наилучшим образом подходит режим  генерации, полученный при использовании  участка градиентно окрашенного  кристалла LiF: F2- с начальным пропусканием То = 50 — 60 %.

     При этих  параметрах ПЛЗ достигается наибольшая  энергия цуга импульсов при  сохранении достаточно высоких  значений пиковой мощности и  энергии отдельного импульса  в цуге.

    Для изучения  возможностей увеличения глубины  микронных отверстий и эффективности  их обработки экспериментально  исследовали изменение скорости  увеличения глубины отверстия  для каждого обрабатываемого  материала при различных фиксированных  значениях начального пропускания  ПЛЗ. При этом измеряли время  образования сквозного отверстия  на отдельных участках клиновидной  мишени (рис.1). Обработку проводили  с помощью объектива с фокусным  расстоянием F = 100 мм. На рис.2 представлены  зависимости глубины сквозных  отверстий от времени их прошивки, полученные при обработке клиновидного  образца из быстрорежущей стали Р18 по экспериментальной схеме рис.1. Подобные зависимости получены для всех обрабатываемых материалов.

    Видно, что неглубокие  отверстия (Н < 6 мм) наиболее  эффективно обрабатываются при  максимальном начальном пропускании  кристалла LiF: F2- То = 70 % (кривая 2, рис.2). В этом случае энергия цуга  лазерных импульсов максимальна,  а потери на поглощение излучения  плазмой, оцениваемые по высоте  и спектру свечения эрозионного  факела, минимальны, что связано  с низкой пиковой мощностью  излучения. Кроме того, высокая  скорость обработки свидетельствует  о малой удельной энергии, необходимой  для удаления материала. Действительно,  т. к. отдельные импульсы в  цуге следуют с большой частотой, то возможно взаимное влияние  импульсов на обрабатываемый  слой металла, т. е. часть  материала, расплавленного предыдущим  импульсом или серией импульсов,  может удаляться из канала  отверстия последующими импульсами  в виде расплава. Следовательно,  оптимальным является режим, при  котором для полного удаления  имеющегося расплава достаточно  пиковой плотности мощности импульса  излучения. По мере заглубления  отверстия из-за расфокусировки  плотность мощности излучения  на дне канала падает, и при  Н > 6 мм (кривая 1, рис.2) скорость  прошивки резко снижается, а  время обработки существенно  возрастает. Таким образом, при  начальном пропускании кристалла  LiF : F2- То = 70 % можно получить предельную  глубину отверстия Нmах = 12 мм, но наиболее эффективно будут обрабатываться только первые 6 мм.

  Уменьшение начального  пропускания ПЛЗ до 60 % (кривая 2, рис.2) приводило к увеличению предельной  глубины  прошиваемых отверстий  до 16 мм, однако при этом скорость  прошивки на начальном этапе  обработки снижалась. Для получения  отверстий с предельной глубиной  до 18 мм начальное пропускание  ПЛЗ необходимо уменьшить до 53 %. При данном 

пропускании кристалла LiF: F2- по всей глубине канала поддерживается

  Рис.2. Зависимости глубины Н отверстия в стали Р18 от времени обработки при различных значениях начального пропускания То кристалла LiF:F2-.

плотность мощности, значительно  превышающая пороговую, т. е. достаточную  для удаления материала в испарительном  режиме (q ~ 109 Вт/см2). В данном случае (кривая 3, рис.2) на начальном этапе  формирования отверстия скорость заглубления  значительно ниже скорости, соответствующей  режимам обработки с То = 60% — 70 %. Это, во-первых, связано с тем, что  при одинаковых энергиях накачки  энергия цуга излучения при использовании  оптически более плотного ПЛЗ  заметно ниже. Во- вторых, поскольку  частота следования импульсов в  цуге на порядок меньше, а сами импульсы в два раза короче, то взаимное влияние  импульсов в зоне обработки значительно  ослабляется. Это приводит к тому, что удаление материала осуществляется по испарительному механизму разрушения. И, наконец, третий немаловажный фактор снижения эффективности обработки - экранировка излучения плазмой  при высокой пиковой мощности и интенсивности излучения. Наиболее сильно эрозионный факел препятствует обработке на начальных этапах образования  отверстия, когда плотность паров  металла в фокусе объектива максимальна. В процессе заглубления отверстия  вместе с дальнейшим уменьшением  скорости удаления материала уменьшается  плотность паров металла в  области перетяжки лазерного  пучка (к тому же часть паров может  конденсироваться на стенках, не покидая  канала). При этом эффективный потенциал  ионизации смеси воздуха и  паров металла увеличивается, а экранировка излучения заметно снижается. Этим, как нам представляется, можно объяснить относительно большой начальный линейный участок на кривой зависимости глубины отверстия от времени обработки.

     При начальном  пропускании ПЛЗ менее 50 % экранировка  излучения приповерхностной плазмой  повышается настолько, что отверстие  почти не растет в глубину  (кривая 4, рис.2). При этом под действием  плазмы увеличивается входной  диаметр отверстия и, следовательно,  его конусность. Однако, как показал  специальный эксперимент, если  глубина отверстия превысила  10 мм, то при То < 50 % становится  возможной дальнейшая об-работка  отверстий с повышенной предельной  глубиной (более 18 мм). В данном  эксперименте сначала при То = 70 % глухое отверстие ориентировочно  прошивали до соответствующей  предельной глубины около 12 мм (кривая 1, рис.2), которую определяли  по времени обработки – более  50 с, а затем путем поперечного  перемещения градиента  окрашенного  кристалла LiF:F2- eгo начальное пропускание  уменьшали до Т0 = 48 % и проводили  доработку канала до образования  сквозного отверстия (кривая 5, рис.2). Видно, что при этом предельная  глубина отверстия возрастает  примерно до 20 мм. С дальнейшим  уменьшением пропускания кристалла  LiF: F2~ зависимость глубины отверстия  от времени обработки близка  к кривой 4 (рис.2) на ее начальном  участке. Однако зависимости,  аналогичной кривой 5, не наблюдается,  если при другом режиме обработки  глубина отверстия предварительно  значительно увеличилась (Н > 12 мм). Преимущественно это связано  с рефракцией и поглощением  излучения в плазме, что подтвердили  результаты дополнительного эксперимента, в ходе которого оценивалась  доля излучения, проходящего через  сквозное отверстие диаметром  100 мкм в образце толщиной 5 мм. Данные эксперимента показали, что  даже испаряющегося со стенок  отверстия металла достаточно  для поддержания эффективно экранирующей  плазмы. При этом доля излучения  падающего на приемную площадку регистрирующего фотодиода, уменьшалась более чем на порядок.

   Исходя из полученных  результатов, для увеличения глубины  и скорости лазерной прошивки  отдельного глубокого отверстия  во время его обработки ПЛЗ  плавно перемещали перпендикулярно  оптической оси с уменьшающейся  скоростью сканирования. При этом  по мере заглубления обрабатываемой  площадки пропускание кристалла  LiF : F2- постоянно уменьшали. Это  позволило режим обработки отверстия  поддерживать близким к оптимальному, соответствующему наибольшим скоростям  роста отверстия на каждой  глубине обрабатываемой площадки.

    В реальных  условиях при лазерной обработке  ряда вышеперечисленных материалов  непрерывное перемещение ПЛЗ  позволяло в 1.5-2 раза увеличивать  глубину и скорость обработки. 

Использование объектива  с F = 50 мм позволило прошить сверхглубокие  отверстия наименьшего диаметра 15-36 мкм с коэффициентом формы  до 150 в образцах из жаростойкой стали 09Х18Н10Т5, супердюралюмина Д16 и твердосплава Т15К6. Оптимизация обработки при  сканировании ПЛЗ и заглублении  плоскости фокусировки до 1.5 мм дала возможность увеличить глубину  про-шиваемых отверстий до 10 мм при  диаметре 150 мкм в образцах из труднообрабатываемого  материала - алюминиевого сплава АмГб.

Рис.3.форма канала отверстия

    При использовании  объектива с F = 100 мм и применении  описанного метода сканирования  ПЛЗ наиболее глубокие отверстия  (Н ~ 20 мм) были получены в образцах  из быстрорежущей и жаростойкой  стали; их диаметр составлял  100-150 мкм. На рис.3 показана фотография  шлифа глухого отверстия глубиной 12 мм с входным диаметром 100мкм  в образце из быстрорежущей  стали Р18. Отверстие получено  при F — 100 мм без заглубления  фокуса и при плавном перемещении  ПЛЗ с уменьшающейся скоростью  сканирования и изменением его  начального пропускания от 70 % до 50 % в течение времени обработки,  равного 1 мин. На рис.3 показана  форма канала отверстия. Видно,  что данный метод прошивки  позволяет не только увеличивать  глубину и скорость обработки,  но и устранять конусность  глухого отверстия по всей  его глубине, за исключением  узкой (около 10 % всей глубины)  концевой части. При обработке  сквозных отверстий в большинстве  материалов конусность отверстий  устраняется практически полностью  (К < 1:500) вследствие «разбивки»  выходного диаметра при выносе  через него продуктов разрушения.

  Таким образом, применение  созданной одномодовой Nd: YAG-лазерной  системы с петлевым резонатором,  самообращением волнового фронта  и пассивной модуляцией добротности  сканируемым фототропным кристаллом LiF: F2- позволило реализовать высокоэффективную  программируемую лазерную обработку  микронных отверстий повышенной  глубины с коэффициентом формы  к > 100.

  Заложенный в лазерную  систему принцип управления генерацией  при помощи ПЛЗ с переменным  пропусканием путем перемещения  кристалла LiF: F2- перпендикулярно  оптической оси, в том числе  с использованием персонального  компьютера, существенно расширяет  технологические возможности применения  мощного одночастотного излучения,  значительно увеличивает глубину  и эффективность и улучшает  качество лазерной прошивки отверстий  малого диаметра.

      Очень трудно  сохранить небольшую конусность  отверстия для большой толщины  (5-6 мм) образца. Ограниченная фокальная  длина фокусирующей линзы становится  основной проблемой для достижения  малой конусности. Возможным решением  может быть использование фокусирующей  системы, передающей заданный  профиль лазерного луча с выходной  апертуры усилителя с последующей  фокусировкой на образец в  виде длинной "световой" трубки, длина которой может быть гораздо  больше, чем обычная конфокальная  длина объектива. Для лазера  с выходной апертурой ~ 4-5 мм  разработана компактная афокальная  система, которая создает "световую" трубку 100 мкм и длиной ≈ 3 мм, рис. 8. Будущие эксперименты должны ответить за последствия такого подхода.

Рис. 4. компактная афокальная линзовая система формирования «световой» трубки.

  Внедрение технологий  лазерной прошивки микроотверстий  в деталях и узлах горячей  части газовоздушного тракта  газотурбинных двигателей (ГТД) позволит  с меньшими затратами (взамен  низко производительной  электроэрозионной  технологии) создавать эффективные  системы воздушного охлаждения  деталей для их тепловой разгрузки,  тем самым позволяя повысить  КПД, мощность и экономичность  ГТД.

         Высокоскоростное лазерное сверление  глубоких каналов диаметром несколько  десятков микрон представляет  значительный интерес для использования  во многих отраслях науки и  техники [1,10]. Геометрия таких  каналов обычно характеризуется  аспектным отношением, т. е. отношением  их глубины к диаметру. Наибольшие  аспектные отношения( 300 — 600) традиционно  получают при лазерной обработке  полимерных материалов [10], обладающих объемным поглощением и очень низким порогом разрушения, не превышающим порог возникновения приповерхностной плазмы, что позволяет избежать плазменной экранировки лазерного излучения в процессе сверления. Однако при лазерной обработке конструкционных материалов (металлов, керамики и др.) влияние плазменной экранировки при глубоком сверлении становится существенным, вызываемые ею потери и уширение каналов из-за бокового разлета плазмы приводят к снижению аспектного отношения получаемых каналов до 40 [11]. Эффективность лазерной абляции и скорость сверления при этом сильно зависят от параметров экранирующей плазмы и, как правило, значительно снижаются. При углублении канала плотность и экранирующее действие плазмы дополнительно повышаются из-за ограничения ее расширения [12].