Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Характеристики пучка СФР 12
1.1. Расходимость и качество лазерного излучения 12
1.2. Самофильтрующий резонатор - схема и основные свойства. 13
1.3. Методы численного расчёта характеристик резонатора 17
1.4. Характеристики пучка СФР. 19
1.5. Выбор размеров зеркал резонатора. , 24
ГЛАВА 2. Оптимальные параметры сфр в условиях мощного непрерывного С02-лазера. 27
2.1. Об эффективности преобразования энергии в лазерном резонаторе 27
2.2. Область рабочих параметров СФР 32
ГЛАВА 3. СФР в мощном непрерывном лазере : 36
3.1. Устройство технологических СОг-лазеров ЛОК 36
3.2. Средства и методы измерений 39
3.3. Мощность излучения. ...43
3.4. Расходимость и качество излучения 47
3.5, Максимальная мощность непрерывных СОг-лазеров с СФР. 56
ГЛАВА 4. Резка металлов излучением С02-лазера с СФР 59
4.1. Особенности лазерной резки металлов 59
4.2. Технологические комплексы для резки на основе СОг- лазера с СФР 64
4.3.Скорость резки и качество реза 65
Заключение 79
Литература
- Самофильтрующий резонатор - схема и основные свойства.
- Область рабочих параметров СФР
- Расходимость и качество излучения
- Технологические комплексы для резки на основе СОг- лазера с СФР
Введение к работе
Актуальность темы.
Лазерные технологии обработки материалов широко применяются во многих шраслях промышленности и продолжают развиваться. Воздействие лазерного луча на материал основано на его быстром локальном нагреве Основными параметрами технологического лазера являются мощность и качество излучения, так как именно они определяют условия нагрева материала и эффективность применения лазеров для тех или иных видов обработки. Повышение мошности при сохранении высокого качества излучения стало основным направлением совершенствования технологических лазеров с начала их практического применения. Большинство среди технологических лазеров составляют в настоящее время ССЬ-лазеры, позволяющие генерировать высокую мощность излучения Мощность лазера может быть повышена либо путем повышения плотности накачки, либо путем увеличения объема активной среды В первых поколениях технологических С02-лазеров использовался традиционный устойчивый резонатор. Присущее устойчивому резонатору ограничение хорошо и івєспю [4] - для дискриминации высших мод по потерям и поддержания генерации только на ТЕМад моде число Френеля N резонатора не должно превышать величины, приблизительно равной 1 Это ограничивает объем V моды и мощность излучения, поскольку V - N7.L, а длина L резонатора ограничена.
В связи с вышесказанным в 80 - 90 гт XX века активно исследовались оптические резонаторы, способные генерировать излучение высокою качества при больших, чем устойчивый резонатор, числах Френеля. Значительная часть из них основана на применении неустойчивых резонаторов с неоднородным полупрозрачным зеркалом. Зеркала с гауссовым или супергауссовым профилем коэффициента отражения имеют на прозрачной подложке диэлектрическое покрытие с толщиной, уменьшающейся от центра к краю зеркала [1-3]. Об экспериментах по применению таких зеркал в технологических С02-лазерах сообщалось в [4-6]. Известно зеркало с неоднородным отражением, представляющее собой интерферометр Фабри - Перо с изменяющимся по радиусу зазором [7]. В резонаторах непрерывных С02-лазеров мощностью более 1 кВт применялось зеркало, в котором коэффициент отражения меняется ступенчато - отражение имеет постоянную величину в центральной части и просветленную кольцевую область [8] В [8] подбором толщин покрытия и подложки обеспечивалось выравнивание фазы в выходном пучке.
В [9] сообщается об использовании в мощном С02-лазере устойчивого резонатора с неоднородным полупрозрачным зеркалом - выходное іеркало имеет заданный коэффициент отражения в центральной части, а остальная часть зеркала просветлена. В лазере с таким резонатором достигнута мощность излучения 6,2 кВт, однако в эксперименте наблюдалось ухудшение качества пучка при мощности излучения более 2 кВт, что авторы связывают с искажением в выходном зеркале.
В [10] в условиях непрерывного С02-лазера мощностью около 1 кВт исследовался неустойчивый резонатор с однородным полупрозрачным зеркалом, что позволило повысить качество пучка по сравнению с неустойчивым резонатором с полностью отражающими зеркалами. Для уменьшения вредных сдофрамдонмйЯ Потерь резонатор
ьіх сдофрамц№МйЯ (потерь
| БИБЛИОТЕКА , .
1 ^^т\
имел увеличение, близкое к единице. Резонатор с малым увеличением имеег, как извеспю [11], высокую чувствительность к аберрациям, кроме того, остается возможность искажений пучка в полупрозрачном зеркале.
В настоящее время в промышленных технологических С02-лазерах применяется резонатор с пеосевым выводом излучения из полностью отражающих зеркал, устойчивый по одной поперечной координате и неустойчивый по другой, так называемый устойчиво-неустойчивый резонатор [12, 13]. Устойчиво-неустойчивый резонатор применен в «слэб»-лазерах с диффузионным охлаждением активной среды фирмы Rofin-Sinar, лазеры генерируют мощность до 6 кВт при величине параметра качества 0,9. Устойчиво-неустойчивый резонатор применен также в С02-лазере с конвективным охлаждением активной среды и с поперечным потоком газа, где достигнута мощность излучения 6 кВт [12] Однако эта схема также имеет свои ограничения. Резонатор плохо согласуется с активной средой, имеющей осевую симметрию. Выходной пучок имеет в поперечном сечении форму прямоугольника, что не всегда приемлемо без дополнительных преобразований пучка. В резонаторе применяются цилиндрические зеркала, более сложные в изготовлении и дорогостоящие по сравнению со сферическими. В слэб-лаэерах для обеспечения симметрии пучка применяется внерезонаторная пространственная фильтрация. При фильтрации теряется мощность излучения. Кроме того, надежная техническая реализация ггространствеїшой фильтрации на высокой мощности является сложной задачей и при мощности ~ 10 кВт, как минимум, значительно усложню лазерную установку. Достоинством устойчиво-неустой'іивого резонатора является отсутствие проходных оптических элементов. В то же время из-за перечисленных особенностей применение устойчиво-неустойчивого резонатора нельзя считать универсальным решением генерации излучения с высоким качеством в мощных лазерах.
В настоящее время в большинстве технологических лазеров по-прежнему используется устойчивый резонатор. Совершенствование систем накачки позволило повысить мощность излучения проточных лазеров с устойчивым резонатором при генерации на низших поперечных модах, но к настоящему времени эта возможность практически исчерпана
Цель работы - разработать оптический резонатор технологического С02-лаэера для генерации излучения с высоким качеством при уровне мощности 5 кВт и более.
Требование к резонатору мощного технологического лазера можно сформулировать следующим образом:
- высокое качество пучка при числе Френеля, значительно превышающем 1:
высокая эффективность преобразования энергии;
простота конструкции;
высокая лучевая стойкость оптических элементов;
низкая чувствительность к аберрациям.
В качестве объекта исследования выбран самофильтруюший резонатор (СФР) [3], предложеный авторами P.G. Gobbi и G. С. Reali в 1984 году. Резонатор отличается простотой конструкции, в нем отсутствуют проходные оптические ачементы. К началу работы были опубликованы результаты экспериментов с самофильтрующим резонатором в импульсных Nd:YAG, XeCl и ССулазерах. Сообщалось о высокой стабильности
характеристик излучения. Была продемонстрирована возможность генерации пучка с высоким качеством и большей по сравнению с устойчивым резона юром мощностью в лазерах со значительным усилением активной среды. В лазерах с умеренным усилением, к которым принадлежат непрерывные С02-лазеры, СФР не применялся. Имевшихся теоретических и экспериментальных результатов было недостаточно для обоснованною вывода о возможности эффективного использования СФР в мощных непрерывных С02-лазерах. Отсутствовали необходимые данные для оптимального выбора параметров при разрабоїках. В выходном пучке СФР распределение ноля низшей моды близко к гауссову за исключением приосевой области, которая не заполнена излучением. Но этой причине распределение интенсивности в дальней зоне имеет характерную дифракционную структуру, детали которой определяются параметрами резонатора. Возможность использования такого пучка для обработки материалов, в частности для резки, также была неизвестна.
Задачи работы формулируются следующим образом.
Исследование возможности использования в непрерывном С02-лазере самофильтрующего резонатора для повышения мощности излучения но отношению к устойчивому резонатору при сохранении качества пучка на уровне ТЕМ^ моды.
Определение оптимальной области рабочих парамеїров СФР в условиях мощного СОг лазера
Экспериментальное определение характеристик излучения С02-лазеров с СФР Оценка диапазона мощности излучения, в котором СФР может эффективно использоваться.
Исследование характеристик реза металлических листов излучением С02-лазсра с СФР.
Научная новизна.
1. Впервые в технологическом С02-лазере применен самофильтрующий резонатор
для повышения качества пучка. Разработана консгрукция и определена область рабочих
параметров резонатора в условиях непрерывного С02-лазера мощностью 1...8 кВт при
качестве пучка,близком к ТЕМ0о моде.
-
Экспериментально определены энергетические характеристики и качество излучения технологических СОглазеров с СФР. На основе шхггученных удельных характеристик сделаны оценки мощности, которая может быть достигнута в проточных электроразрядных лазерах с СФР.
-
Определена перспективность применения С02-лазера с самофильтрующим резонатором в технологиях обработки материалов на примере лазерной резки. Впервые жеперименіапыго продемонстрирована возможность качественной резки стальных листов юлщиной до 20 мм язтучением лазера с СФР.
Пракшческая ценность работы
Результаты позволяют создаваїь мощные С02-лазеры с высоким качеством излучения на основе простых по конструкции резонаторов из полностью отражающих зеркал. Результаты испольюваны при создании в И7ПМ СО РАН технологических СОглазеров мощностью от 1,5 до 8 кВт и на их основе автоматизированных комплексов для релш листовых материалов. Комплекс на основе лазера мощностью 1,5 кВт для резки ілектротехнической сіали установлен в НПО «ЭЛСИБ» в 2001 году В 2002 году в ОАО
«Новосибирский завод химконцетратов» установлен комплекс мощностью 5 кВт для вырезки деталей из коррозионночггоиких сталей для атомной промышленности. На комплексе производится также резка углеродистых и низколегированных сталей, диэлектриков, композиционных материалов. Комплекс на основе лазера мощностью до 8 кВт создан для «ОКБ лазерной техники» при СО РАН На комплексе ведутся исследования и разработки по лазерной технологии, в частности, произведена резка титановых пластин толщиной 30 мм На предприятии «СибЛазер» СОглазеры мощностью 1...3 кВт с СФР входят в состав комплексов, использующихся для резки широкого круга металлических и неметаллических материалов.
Апробация работы.
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Всесоюзной конференции «Применение лазеров в народном хозяйстве», Шатура, 1989 г.: Российской национальной конференции «Технологические лазеры и лазерная обработка материалов», Шатура, 1993 г; VII Международной конференции «Лазерные и лазфно-информационные технолоіии: фундаментальные проблемы и приложения», Владимир, 2001 г.; XIII International Symposium он Gas Flow and Chemical Lasers and High Power Laser Conference, Florence, Italy, 2000; XI International Conference on Laser Optics, St-Petersburg, 30 June-4 Jule, 2003; XV International Symposium on Gas Flow and Chemical Lasers and High Power Laser Conference, Prague, 30 August - 3 September 2004; XII International Conference on the Method of Aerophysical Research, Novosibirsk, Russia, 23 June-3 Jule 2004; на 5 Международной конференции «Лазерные технологии и средства их реализации», Санкт-Петербург, 2003; V Международном семинаре «Применение лазеров в науке и технике», Новосибирск, 1992; Всесоюзной конференции молодых ученых и специалистов ИТПМ, Новосибирск, 1988.
Личный вклад автора в получение представленных в работе результатов является опредатяющим, включая выбор способа достижения сформулированной в работе цели, планирование и проведение расчетов и экспериментов или непосредственное в них участие, разработку принципиальных технических решений конструкций резонаторов. Автор принимал непосредственное участие в создании экспериментальных установок и в формулировке целей и задач работы.
Защищаемые положения
1. Самофильтрующий неустойчивый резонатор позволяет генерировать в
непрерывном электроразрядном С02-лазере мощностью 1...8 кВт излучение, близкое по
качеству к TFM(X, моде устойчивого резонатора при эффективности преобразования
энергии на уровне неустойчивого телескопического резонатора.
2. СФР может обеспечивать в непрерывном электроразрядном проточном С02-
лазере мощность излучения с единицы длины резонатора приблизительно в три раза
большую, чем устойчивый резонатор при генерации на ТЕМю моде и при близких
параметрах системы возбуждения.
3. С02-лазер с самофильтрующим резонатором позволяет производить резку сталей
с основными показателями качества реза и с удельными энергозатратами не хуже, чем
лазер с устойчивым резонатором при генерации на низших модах.
Публикации.
Основные результаты диссертации опубликованы в 12 работах, список которых приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 150 наименований. Полный объем диссертации 91 страница, включая 45 рисунков и 8 таблиц.
Самофильтрующий резонатор - схема и основные свойства.
Одним из отличительных свойств лазерного излучения является его малая расходимость в дальней зоне - на таком расстоянии I от источника, где уже сформировалось угловое распределение: интенсивности, и форма распределения не меняется с удалением от выходной апертуры. Для этого необходимо [4] 1 » А Д., А -радиус выходной апертуры пучка.
Энергетическая расходимость излучения G определяется как плоский угол, соответствующий телесному углу, внутри которого распространяется заданная доля полной: энергии или мощности. При безаберрационной фокусировке колимированного пучка, когда D/F = vj;« к , F.- фокусное расстояние линзы или зеркала, D диаметр пучка в ближней зоне на апертуре линзы, vy - угол фокусировки, распределение интенсивности в фокальной плоскости линзы совпадает по форме с распределением в дальней зоне, а поперечный размер (диаметр) пятна равен 8F [6], Пусть I-усреднённая по диаметру фокального пятна плотность мощности, W -мощность излучения, тогда
Произведение В -D является инвариантом пучка и не изменяется при преобразовании пучка в линейных системах [6]. Оно зависит только от распределения поля в поперечном сечении пучка и характеризует качество пучка излучения. Чем меньше 8D, тем в меньшее пятно может быть сфокусирован пучок. Произведение 6 D иногда применяется как параметр качества пучка, но удобно характеризовать пучок безразмерным параметром, не зависящим от длины волны излучения, и измерять качество различных пучков по отношению к пучку, характеристики которого хорошо известны и могут быть выражены аналитически. Таковым является гауссов пучок [29], для которого 6г- Ог = 4-Л/тг , 0г - асимптотический угол расходимости, L) Z - диаметр пучка в перетяжке. И 02 и Ог определены по уровню 1 - 1/е2 - 0,86 полной мощности. Будем характеризовать пучок с расходимостью 9 и диаметром D параметром Q[6,135]: ) гауссова пучка Q = 1, для реальных лазерных пучков Q 1,
Следует отметить, что величина Q зависит от выбранной доли полной мощности, по которой измеряются расходимость и диаметр пучка. От выбранного уровня зависят величины 8 и D и, следовательно, параметр Q. Применяя Q, можно записать здесь J = Q2 -WIХг - яркость пучка - мощность, излучаемая с единицы площади выходной апертуры лазера в единичный телесный угол в дальней зоне.
Таким образом, дли повышения плотности мощности в сфокусированном пучке следует стремиться генерировать пучки с высоким значением Q, Такими являются пучки, близкие по распределению поля к гауссову - с плоским или сферическим волновым фронтом и плавным, колоколообразным распределением интенсивности в поперечном сечении с максимумом на оси [6].
СФР был предложен в 1984 г, P.G, Gobbi и G.C. Reali [3, 15]. Резонатор имеет простую схему, не содержит полупрозрачных оптических элементов. К началу работы схема применялась в импульсных Nd:YAG [16], ХеСІ [18 ,37 ] и С02-лазерах [17]:
Принципиальная схема СФР показана на рис 1. Здесь fi, f2 - фокусные расстояния зеркал, длина резонатора L = fj + 2, М = fj/fi, М - геометрическое увеличение. Отличие от обычной схемы состоит в том, что в общей фокальной плоскости сферических зеркал 1 и 2 расположена диафрагма, радиус "а" которой определяется из условия
Принципиальная схема самофильтрующего неустойчивого резонатора. 1,2 -вогнутые сферические зеркала, 3 - фильтрующая диафрагма. Сплошными линиями показан ход лучей, точечными - профиль интенсивности. X л = 0.61—/2 , или a = ]0,61Af Идея состоит в том, чтобы выбрать радиус диафрагмы равным радиусу первого минимума дифракционной картины Фраунгофера от дифракции излучения на самом этом отверстии. В большем плече пучок падает на диафрагму со стороны зеркала 3j, Прошедшая через отверстие в диафрагме часть пучка попадает на зеркало Зг, которое формирует в своей фокальной плоскости, то есть в плоскости диафрагмы, картину, соответствующую распределению в дальней зоне. Через диафрагму проходит со стороны зеркала Зг только центральное дифракционное пятно, интенсивность в котором максимальна на оси и плавно спадает до нуля к краю диафрагмы. Прошедшая через диафрагму часть пучка распространяется к зеркалу 1. Поперечный размер пучка возрастает при этом за счёт дифракции. Увеличенный в размере пучок отражается от зеркала 3 , и цикл повторяется. Таким образом, диафрагма и зеркало 2 составляют пространственный фильтр. При каждом полном проходе излучения по резонатору из поперечного распределения интенсивности устраняются высокие пространственные частоты, и распределение приобретает гладкий, колоколообразный, близкий к гауссову профиль. Активная среда располагается между зеркалом I и диафрагмой, которая является одновременно кольцевым выводным зеркалом. Эту часть резонатора будем называть усилительным плечом, а участок, образованный зеркалом 2 и диафрагмой - плечом обратной связи.
В [35, 36] численно и аналитически в приближении аподизированной гауссовой диафрагмы проанализирован модовый состав СФР, рассчитаны дифракционные потери. Установлено, что в случае гауссовой диафрагмы собственньши функциями резонатора являются полиномы Лагерра-Гаусса, как и в УР. В резонаторе с диафрагмой, имеющей резкий край, самовоспроизводящиеся распределения поля также близки к полиномам Лагерра-Гаусса. Установлено, что с ростом М величина обратной связи асимптотически стремится к 1,96/М почти в 2 раза превышая "геометрическое" значение. На расстоянии от оси 1,5 М а интенсивность излучения спадает до нуля, затем следует вторичное дифракционное кольцо, содержащее менее 0,005 полной энергии пучка.
В [37] построена приближённая аналитическая модель СФР. Показано, что при М 4 распределение амплитуды поля на выводном зеркале в пучке, падающем со стороны; усилительного плеча, при г Ма достаточно хорошо описывается гауссовой функцией E(r) exp(-r/w ), г - текущий радиус пучка, w = 0,974Ма.
Как и для ТЕМоо моды УР объём моды СФНР пропорционален величине (XL)m , это следует из условия для радиуса фильтрующей диафрагмы.
Поперечное распределение интенсивности пучка имеет внутри резонатора близко к гауссову, но выходной пучок имеет незаполненную излучением центральную часть радиусом "а". Вследствие дифракции выходного пучка на отверстии связи в дальней зоне будет формироваться дифракционная структура с центральным пятном и побочными максимумами. Качество пучка будет зависеть от того, какая доля полной мощности пучка приходится на центральное пятно, а это зависит от относительного размера отверстия связи или от увеличения резонатора. Особенность СФР состоит в том, что от увеличения зависят также модовый объем и величина обратной связи
Область рабочих параметров СФР
В этом параграфе дано общее описание лазеров типа ЛОК, на: которых выполнялись эксперименты и к совершенствованию которых применены полученные в работе результаты.
Созданные в ИТПМ СО РАН технологические С02-лазеры непрерывного действия ЛОК существуют нескольких модификациях. Общим для них является использование самостоятельного разряда постоянного тока для возбуждения активной среды, конструкция электроразрядного устройства со сплошными несекционированными электродами: и общая компоновочная схема лазера: направления газового потока, электрического тока и направление распространения излучения в резонаторе взаимно: перпендикулярны. Различаются лазеры длиной электродной системы в: поперечном к газовому потоку направлении, количеством разрядов в общем газовом потоке (один или два), конфигурацией газодинамического контура.
На рис. 12 приведена схема конструкции излучателя лазера ЛОК-3 [19,1]. Электродная система лазера показана на рис. 13. Она включает общий для обоих разрядов анод -медную пластину шириной вдоль потока 10 см, и два катода - медные трубки по обеим сторонам анода вблизи диэлектрических стенок канала. Длина рабочей части катодов - 60 мм. Газ прокачивается по замкнутому контуру при помощи центробежного вентилятора с двумя разнесёнными колёсами на общем валу. Вентилятор обеспечивает максимальный объёмный расход газа около 5 м3/с. Скорость газового потока на входе в разрядную камеру - 48 м/с. Непосредственно за разрядной камерой по направлению потока расположен ребристый теплообменник, использующий в качестве хладагента воду. Рабочее давление газовой смеси, при которой получена максимальная мощность генерации - 20 мм.рт.ст. при соотношении парциальных давлений компонент C02:N2:He - 2,5:7,5:10. Для обновления газовой смеси во время работы лазера происходит постоянная откачка камеры форвакуумным насосом, и папуск свежих порций газа. Скорость натекания каждой из. компонент регулируется игольчатыми патекателями и измеряется ротаметрами Стационарное рабочее давление устанавливается при равенстве скоростей патекания и откачки.
Измерения ненасыщенного коэффициента усиления активной среды проводились на газоразрядной камере лазера ЛОК с одним разрядным промежутком. Измерения проводились С.С. Воронцовым и Г.Н. Грачёвым, аппаратура и методы измерений описаны в [20, 25]. Активная среда зондировалась излучением СОг-лазера, генерирующего на линии 10Р20. Расширенный телескопом зондирующий пучок перекрывал всё сечение активной среды, двумерное распределение интенсивности в зондирующем пучке регистрировалось тепловизионной системой ТВ-М [20]. На рис. 14 показано распределение коэффициента усиления при вкладываемой в разряд. электрической мощности 30 кВт, ненасыщенный коэффициент усиления в максимуме распределения равен 1,2 м-1. Данные: любезно предоставлены С.С. Воронцовым и Ґ.Н. Грачёвым. Распределение показателя преломления в поперечном сечении активной среды измерялось авторами [21] в лазере ЛОК другой модификации с параметрами активной среды, близкими к ЛОК-3. Измерения проводились при помощи интерферометра сдвига, источником излучения являлся He-Ne лазер с длиной волны 0,63 мкм. Взятый из [21] результат измерений приведён на рис. 15, где показаны линии равного оптического пути в пересчёте на однократный проход по активной среде. Расстояние между соседними линиями соответствует разности оптического пути 0,63 мкм. Видно, что за исключением ф прикатодной области с малым усилением активная среда имеет высокую оптическую однородность.
Параметрами лазерного пучка, определяющими его качество, являются: диаметр пучка в ближней зоне и расходимость в дальней зоне [6]. Пучок не имеет в поперечпопом направлении резкой границы, и для определения его поперечного размера необходимо знать "мощность в кружке" - зависимость доли полной мощности, распространяющейся внутри соосного с пучком круга (для осесимметричных пучков) определённого радиуса в выбранном сечении пучка от радиуса этого круга. Мощность в кружке определяется интегрированием относительного распределения плотности мощности (интенсивности), или непосредственно - с использованием ряда диафрагм разного диаметра и измерителя мощности. Последний.способ известен как метод Фуко, или калиброванных диафрагм [22]. Измерения мощности в кружке в дальней зоне проводятся в фокальной плоскости линзы или зеркала при безаберрационной фокусировке пучка. Обычно используют круглые диафрагмы, но если пучок не является осесимметричиым, такие измерения не дают адекватного: представления о структуре пучка и могут быть связаны с большими ошибками в величине расходимости. Нами была предложена модификация метода Фуко, позволяющая при измерении расходимости излучения мощных непрерывных СОг-лазеров устранить трудности, связанные с выбором формы отверстия и его установкой относительно оси пучка, и исследовать распределение плотности мощности при его произвольной форме [23]. Суть её состоит в том, что в качестве диафрагмы используется тонкая пластинка из полиметилметакрилата (плексиглас) с отверстием, которое прожигается самим измеряемым излучением. Известно, что скорость испарения материала под действием мощного лазерного излучения обычно однозначно связана с плотностью мощности излучения. Более того, при плотности мощности излучения непрерывного СО2-лазера приблизительно 100 Вт/см и более зависимость скорости испарения полиметилметакрилата от интенсивности излучения близка к линейной, и контур прожжённого отверстия соответствует линии равной интенсивности. Прожигая отверстия разных размеров и измеряя соответствующую долю полной мощности, можно выявить действительную форму распределения интенсивности в сечении сфокусированного луча и определить расходимость по заданному уровню. Практически при измерении расходимости излучения непрерывных лазеров удобно применять измеритель в режиме измерения непрерывной мощности и измерять мощность, проходящую через измеряемое отверстие в данный момент. Измерив предварительно полную мощность пучка, можно прожечь ряд отверстий, соответствующих выбранным заранее желаемым уровням. Для измерения неискажённой картины распределения измеритель должен иметь время установления показаний много меньше времени прожигания характерного времени, в течении которого происходит заметное относительное увеличение размера прожигаемого отверстия. При плотности мощности излучения около 100 Вт/см2 и толщине пластины 1 мм это время имеет величину порядка нескольких секунд, и время установления показаний измерителя мощности должно быть ОД с или меньше. Это требует применения измерительных устройств на основе фотосопротивлений или пироприёмников, что усложняет измерения и является источником дополнительных погрешностей. Поэтому практически интересен другой возможный способ получения неискажённой картины распределения - использовать измеритель энергии одиночных импульсов излучения в сочетании с затвором, выдержка которого много меньше времени прожигания Измерение проводится следующим образом. Сначала непрерывным лазерным излучением прожигается отверстие, затем излучение перед ним перекрывается затвором и измеряется энергия, проходящая через отверстие за время открывания затвора. Аналогично делается необходимое количество замеров при разных отверстиях. Величина выдержки может быть неизвестной, нужно только чтобы она хорошо воспроизводилась и обеспечивала пропускание импульсов энергии, соответствующих рабочему диапазону измерителя.
Для регистрации распределения интенсивности в сечении пучка в ближней и дальней зонах использовалась часть тепловизионной системы ТВ-М [25]. Она включает оптико-механический сканер с системой призм и зеркал для сканирования пучка относительно выходной апертуры фотоприё мника, и систему отображения двумерного поля интенсивностей в поперечном сечении пучка растровой развёрткой на экране цветного телемонитора. Возможен режим: со сканированием пучка только по одной координате, при этом распределение интенсивности по диаметру пучка отображается на экране осциллографа. Система разработана и предоставлена для измерений С.С. Воронцовым.
Расходимость и качество излучения
Преимущество лазерной резки перед другими способами разделения материалов -высокая скорость обработки в сочетании с высокой точностью и высоким качеством кромки реза. К недостаткам можно отнести сравнительно высокую стоимость оборудования и меньшую максимальную толщину разрезаемого материала.
Лазерной резке. поддается очень широкий круг материалов - металлы, древесные материалы (древесина, фанера, ДВП), пластики, композиционные материалы, керамика, кожа, картон, резина и другие. В большинстве случаев лазеры применяются для резки. металлов, главным образом - низкоуглеродистой стали.
В настоящее время для резки применяются два типа лазеров - С02-лазеры и Nd:YAG лазеры. СОг лазеры продолжают составлять большинство среди лазеров для резки.
Лазерная резка предъявляет наиболее жесткие требования к характеристикам излучения по сравнению с другими традиционными видами лазерной обработки - сваркой и поверхностной обработкой (термоупрочнение, наплавка).
Для резки металлов необходима плотность мощности — 10 Вт/см , при этом лазерный!, луч должен быть сфокусирован в пятио диаметром 0,1 мм. В случае С02-лазера это означает, что расходимость излучения должна быть близка к дифракционному пределу, то есть, лазер должен генерировать на: низшей моде оптического резонатора. Крометого, важной является и форма: распределения интенсивности в поперечном сечении пятна. Излучение должно быть "компактным" - по возможности, большая часть полной мощности должна быть сосредоточена в области пятна с высокой плотностью мощности -распределение интенсивности не должно иметь слабоинтенсивных "хвостов". По этой причине в лазерах для резки-не применяются неустойчивые резонаторы из полностью отражающих зеркал, т.к. пучок, генерируемый лазером с таким резонатором, имеет в дальней зоне систему дифракционных колец, в которых содержится существенная доля мощности пучка. Высокое качество реза обеспечивает устойчивый резонатор при генерации на ТЕМоо илиТЕМої модах.
При резке металлов важное значение имеет поляризация излучения. Поглощение излучения происходит на фронте реза - передней стенке канала реза. Поверхность фронта реза наклонена к поверхности листа па некоторый угол, который составляет обычно 10...20 градусов. Таким образом, угол падения пучка на фронт реза имеет величину 70...80 градусов, что близко к углу Брюстера для металлов. В этих условиях коэффициент поглощения на фронте реза сильно зависит от поляризации излучения. Если излучение плоско поляризовано и вектор Е лежит в плоскости падения (параллелен направлению реза), коэффициент поглощения па фронте высок, результатом чего является узкий рез и высокая скорость резки. Если вектор Е перпендикулярен плоскости паления, рез имеет большую ширину, а скорость резки уменьшается на 30...50%. Если же вектор Е составляет с направлением реза угол отличный от 0 или 90 градусов, наблюдается искривление капала, реза, из-за чего, в частности, при- вырезке круглых отверстий контур нижней кромки реза получается эллиптичным. В большинстве современных комплексов резка металлов производится лучом с круговой поляризацией, при этом достигается высокое качество кромки реза.но всем направлениям. Технически это реализовано следующим образом: лазер генерирует луч с плоской поляризацией (необходимая внутрирезонаторная анизотропия потерь создается, как правило, косым падением на металлические зеркала), затем плоская поляризация после отражения от фазосдвигающего зеркала превращается в круговую.
Фокусироваться на материал, излучение может линзой или зеркалом, линзовые системы наиболее распространены. В большинстве случаев для фокусировки используют одиночную линзу, но иногда для получения предельно, малого размера пятна используют объективы из нескольких линз. Практически во всех современных ЛТК для резки;на основе С02 лазеров используются линзы из селенида цинка.
Кроме, характеристик излучения влияют также конструкция газового сопла и характеристики струи сопутствующего газа (давление в камере.резака, расход, поперечный размер струи, род газа, чистота газа), характеристики материала и состояние поверхности листа, динамические характеристики системы движения.
Лазерная резка представляет собой совокупность взаимосвязанных процессов, к которым относятся поглощение излучения на поверхности образца и в канале реза, нагрев, .плавление и испарение материала, формирование газовой струи и взаимодействие струи с продуктами с продуктами разрушения в канале реза. Теоретическому исследованию процесса лазерной резки посвящено довольно большое количество работ, их обзор дан в [136,139,141], однако, из-за сложности явления его удовлетворительное теоретическое описание в настоящее время отсутствует. Существующие теоретические модели описывают отдельные стороны процесса резки, но они не дают детального описания всего процесса. Например, они не позволяют исходя из свойств материала: определить оптимальные параметры резки для получения требуемых характеристик реза или наоборот определить с требуемой для практики точностыо достижимые характеристики качества реза (скорость резки, качество кромки) при данных параметрах резки. Поэтому роль, тех или иных параметров резки и их влияние на характеристики, реза определяют экспериментально. Это относится: и к модовому составу лазерного пучка.
В лазерах для резки используются почти : исключительно устойчивые резонаторы, абсолютное большинство экспериментальных данных по резке получены на лазерах с устойчивыми резонаторами. По результатам резки на.лазерах с устойчивыми резонаторами сформировались и основные представления о характеристиках лазерного реза. Для определения характеристик реза лазерами с другими типами резонаторов требуются специальные исследования. Далее в этой главе, исследуются характеристики резки сталей излучением С02 лазера с СФР.
Технологические комплексы для резки на основе СОг- лазера с СФР
Лазерный технологический комплекс для резки листовых материалов включает следующие компоненты: - технологический лазер; - координатный технологический стол; - оптическая система транспортировки луча к месту резки; - лазерный резак, включающий фокусирующую линзу и устройство формирования струи технологического газа; - компьютерная система управления комплексом.
Большинство применяемых в настоящее время столов построены по схеме «летающая оптика» - разрезаемый лист остается неподвижным, а лазерный резак перемещается относительно листа в двух координатах. Лазерный луч подводится к лазерному резаку системой зеркал. Важным элементом оптического тракта является т.н. фазовращающее зеркало, преобразующее генерируемый лазером илоскополяризованый луч в луч с круговой поляризацией. Это необходимо для обеспечения одинаковых параметров реза по всем направлениям. Как видно из рис. 32, поглощение излучения происходит на фронте реза. Угол
падения луча на фронт равен 80 градусов что близко к углу Брюстера для металлов при: длине волны 10,6 мкм. При плоской поляризации излучения коэффициент поглощения излучения на фронте реза сильно зависит от ориентации плоскости, поляризации относительнонаправления реза. Картина осложняется тем, что поверхность фронта реза появляется плоской. При изменении; направления, реза изменяются также ширина и форма канала реза, что является недопустимым для качественной резки. При круговой поляризации излучения качество реза не зависит от направления резки.
В разработанных в ИТПМ СО РАН автоматизированных, лазерных технологических комплексах (АЛТК): используется проходная оптика из селенида цинка, обладающая максимальной из всехИК материалов лучевой стойкостью на длине волны 10,6 мкм, резка производится лучом с круговой поляризацией.
На рисунках;33, 34 приведены фотографии технологических комплексов для резки, созданных на основе лазера с самофильтрующим резонатором.
Основными показателями качества реза являются, наличие (отсутствие) грата (застывших капель расплава на нижней кромке реза), прямизна кромок реза, ширина реза, шероховатость поверхности реза, зона термического влияния. Одним их важных факторов, определяющих скорость резки, является ширина реза.
Скорость резки и шероховатость кромки.
Наибольшее количество данных по лазерной резке относится к углеродистой стали с кислородом в качестве: технологического газа. Ниже приводятся результаты резки листов малоуглеродистой стали обыкновенного качества Ст.З. Резы выполнены на АЛТК с лазером мощностью 5 кВт, установленном в ОАО «Новосибирский завод хим концентрата в». Резка выполнялась по традиционной схеме. Излучение фокусировалось на поверхность листа ZnSe линзой фокусным расстоянием 190,5 мм, диаметр пучка на линзе - 30 мм. Разрезались листы толщиной от: 2 до 20 мм. Фокус луча располагался вблизи верхней поверхности листа. Давление кислорода выбиралось от 0,8 кг/см для тонких листов до 0,4 кг/см для листов толщиной 20 мм. Диаметр газового сопла- 1,5 мм для листов толщиной 2... 10 мм и 2 мм для листов 12...20 мм. При резке использовался кислород сорт 2 ГОСТ 5583-78, содержание кислорода - 99,5 %.
Сравнение результатов резки на разных лазерах осложняется тем, что сложно подобрать данные, полученные в одинаковых условиях для достаточно большого диапазона толщин одного материала. Наиболее полные данные о скорости резки углеродистой стали с кислородом представлены фирмой «PRC Laser» [144]. В лазерах PRC используется устойчивый резонатор, при мощности излучения до 3 кВт генерация происходит на ТЕМ00 моде. В таблице 6 приведены скорости резки лазером PRC и лазером с СФР.
Шероховатость кромки реза образцов из низкоуглеродистой стали измерялась профилографом Form Talysurf 0355. Шероховатость образцов толщиной до 5 мм измерялась в среднем сечении, толщиной более б мм - в трех сечениях, в качестве зачетного выбирался худший показатель. В таблице 7 приведено сравнение измеренных значений шероховатости с данными, представленными на сайте компании Trampf Laser - ведущего мирового производителя технологических лазеров и комплексов.
Видно, что шероховатость образцов, вырезанных лазером с СФР несколько.выше, чем для образцов Trumpf. Усредненная по образцам толщиной I 10 мм шероховатость. равна 19,7 мкм для СФР и 14,7 мкм "для Trumpf величины достаточно близки. Шероховатость образца 18 мм СФР примерно вдвое превышает шероховатость образца СФР.
Возможной причиной различия может быть статистический разброс: величины шероховатости от образца к образцу. Например, в [142] шероховатость поверхности реза стали толщиной 10 мм при 10 измерениях колеблется в пределах 10...20 мкм. Возможно также, что большая шероховатость поверхности реза для СФР связана с химическим составом материала: и технологического газа. Производители лазерных технологических комплексов рекомендуют применять для резки кислород чистотой не ниже 99,95%, а при толщине листа более 10...12 мм использовать для достижения наилучших результатов. специальную сталь с пониженным содержанием углерода и кремния. Например в стали для лазерной резки RAEX 250 С LASER содержание углеродане превышает 0,12 % и кремния. 0,03%, в сталях же Ст.Зсп и Ст.Зпс содержание углерода может колебаться в пределах 0,14...0,22%, а кремния -0,05...0,3%. Ширина реза.
Одним из главных преимуществ лазерной резки является малая ширина реза-до 0,1 мм для СОг-лазеров при толщине листов 1 мм. С шириной реза прямо связана скорость резки - чем уже рез, тем меньше количество выплавляемого металла на единицу длины реза и тем выше скорость резки при данной мощности излучения.
При резке толстых листов (толщиной 10 и более мм) важны не только диаметр пучка в перетяжке, но и длина перетяжки - расстояние вдоль оси пучка, на котором диаметр пучка остается. близким к диаметру в перетяжке. Для увеличения длины перетяжки необходимо увеличивать, отношение F/D, но при этом возрастает диаметр фокального пятна и уменьшается интенсивность излучения. Из соотношения для интенсивности I. излучения в фокальном пятне / = —z г- видно, что чем выше качество пучка, тем при большем F/D Т U2(F/D)2 К может быть достигнута данная интенсивность излучения. Особенно важен малый угол фокусировки при резке толстых листов в струе инертного газа, так как в этом случае единственным источником энергии является лазерный луч, и для создания требуемой для резки интенсивности излучения в нижней части листа фокус луча заглубляют в материал. Величина заглубления может составлять половину и более толщины листа. При меньшем угле фокусировки меньшими будут диаметр пучка на верхней поверхности листа, рез будет более узким, а кромки - более прямыми.
При безаберрационной фокусировке диаметр d фокального пятна определяется дифракцией: d = 6F, это соотношение справедливо при D/F « 1. При F D диаметр фокального пятна может быть оценен как сумма дифракционного диаметра и диаметра кружка рассеяния, вызванного сферической аберрацией [143]. На рис. 36 показана зависимость диаметра d: фокального пятна от диметра D пятна на линзе, рассчитанная по соотношению.
