Лазерлік дәнекерлеудің негізгі процесінің параметрлері

1) Лазерлік қуат. Лазерлік дәнекерлеуде лазер энергиясының тығыздығының шегі бар, одан төмен балқыма тереңдігі таяз болады және бұл мәнге жеткенде немесе одан асып кеткенде, балқыма тереңдігі айтарлықтай артады. Дайындамадағы лазер қуатының тығыздығы шекті мәннен асқанда ғана (материалға байланысты) плазма түзіледі, бұл терең балқыту дәнекерлеуінің тұрақтануын көрсетеді. Егер лазер қуаты осы шекті мәннен төмен болса, дайындама тек беттік балқытуға ұшырайды, яғни дәнекерлеу тұрақты жылу тасымалдағыш түрінде жүреді. Лазер қуатының тығыздығы шағын саңылаулардың пайда болуының сыни жағдайына жақын болған кезде терең балқыту дәнекерлеу және өткізгіш дәнекерлеу кезектесіп, тұрақсыз дәнекерлеу процестеріне айналады, нәтижесінде балқыма тереңдігінде үлкен ауытқулар болады. Лазерлік терең балқыту дәнекерлеуінде лазер қуаты ену тереңдігін де, дәнекерлеу жылдамдығын да басқарады, 1-суретте көрсетілген. Балқыманың дәнекерлеу тереңдігі сәуленің қуатының тығыздығына тікелей байланысты және түскен сәуленің қуаты мен сәуленің фокустық нүктесінің функциясы болып табылады. Жалпы, лазер сәулесінің белгілі бір диаметрі үшін балқу тереңдігі сәуленің қуаты артқан сайын артады.

2) Сәулелік фокустық нүкте. Сәулелі нүктенің өлшемі лазерлік дәнекерлеудегі ең маңызды айнымалылардың бірі болып табылады, өйткені ол қуат тығыздығын анықтайды. Дегенмен, оны өлшеу жоғары қуатты лазерлер үшін қиындық тудырады, дегенмен көптеген жанама өлшеу әдістері бар.

Сәулелі фокалды дифракцияның шекті нүкте өлшемін жарық дифракциясы теориясынан есептеуге болады, бірақ фокустау линзасының аберрациясының болуына байланысты нақты нүкте есептелген мәннен үлкенірек. Ең қарапайым нақты өлшеу әдісі - изотермиялық профиль әдісі, ол қалың қағазбен полипропилен пластинасын күйдіріп, енгеннен кейін фокустық нүкте мен перфорация диаметрін өлшеу болып табылады. Бұл әдіс лазер қуатының өлшемін және сәуленің әсер ету уақытын меңгере отырып, тәжірибе арқылы өлшенуі керек.

3) Материалды сіңіру мәні. Лазерді материалдың сіңіруі материалдың кейбір маңызды қасиеттеріне байланысты, мысалы, сіңіру жылдамдығы, шағылыстыру қабілеті, жылу өткізгіштік, балқу температурасы, булану температурасы және т.б. Ең маңыздысы - сіңіру жылдамдығы.

Материалдың лазер сәулесіне сіңіру жылдамдығына әсер ететін факторлар екі аспектіні қамтиды: біріншіден, материалдың кедергісі. Материалдың жылтыратылған бетінің жұтылу жылдамдығын өлшегеннен кейін материалды сіңіру жылдамдығы меншікті кедергі коэффициентінің квадрат түбірімен пропорционал болатыны анықталды, ол өз кезегінде температураға байланысты өзгереді; екіншіден, материалдың бетінің күйі (немесе аяқталуы) сәуленің сіңіру жылдамдығына маңыздырақ әсер етеді, осылайша дәнекерлеу әсеріне айтарлықтай әсер етеді.

CO2 лазерінің шығу толқын ұзындығы әдетте 10,6 мкм, керамика, шыны, резеңке, пластмасса және басқа бейметалдар бөлме температурасында оның сіңіру жылдамдығы өте жоғары, ал бөлме температурасындағы металл материалдардың сіңіру қабілеті өте нашар, материал бір рет ерігенше немесе тіпті буланғанша, оның сіңірілуі күрт өсті. Материалдың сәулеге сіңуін жақсарту үшін беттік жабынды немесе оксидті қабықшаның беткі қабатын генерациялау әдісін қолдану өте тиімді.

4) дәнекерлеу жылдамдығы. Дәнекерлеу жылдамдығы балқыту тереңдігіне үлкен әсер етеді, жылдамдықты арттыру балқыма тереңдігін таяз етеді, бірақ жылдамдық тым төмен және материалдың шамадан тыс балқуына әкеледі, дайындаманың дәнекерлеуі. Демек, белгілі бір лазерлік қуат пен белгілі бір материалдың белгілі бір қалыңдығы дәнекерлеу жылдамдығының қолайлы диапазонына ие және онда балқудың максималды тереңдігі кезінде сәйкес жылдамдық мәнін алуға болады. 2-суретте дәнекерлеу жылдамдығы мен 1018 болаттың балқыту тереңдігі арасындағы байланыс берілген.

5) Қорғаныс газы. Лазерлік дәнекерлеу процесі көбінесе балқыма пулын қорғау үшін инертті газды пайдаланады, кейбір материалдар бетінің тотығуына қарамастан дәнекерленген кезде, сонымен қатар қорғанысты қарастырмайды, бірақ көптеген қосымшалар үшін көбінесе гелий, аргон, азот және қорғаныс үшін басқа газдар пайдаланылады, осылайша дәнекерлеу процесі кезінде дайындаманы тотығудан сақтайды.

Гелий оңай иондалмайды (иондану энергиясы жоғары), бұл лазердің өтуіне және сәуленің энергиясының дайындаманың бетіне кедергісіз жетуіне мүмкіндік береді. Бұл лазерлік дәнекерлеуде қолданылатын ең тиімді қорғаныс газы, бірақ қымбатырақ.

Аргон арзанырақ және тығызырақ, сондықтан ол жақсы қорғайды. Дегенмен, ол жоғары температурадағы металл плазма ионизациясына бейім, бұл сәуленің бір бөлігін дайындамаға экрандауға әкеледі, дәнекерлеуге арналған тиімді лазер қуатын азайтады, сонымен қатар дәнекерлеу жылдамдығы мен балқыма тереңдігін нашарлатады. Дәнекерленген бөліктің беті гелийден қорғауға қарағанда аргон қорғанысымен тегіс болады.

Азот ең арзан қорғайтын газ болып табылады, бірақ ол тот баспайтын болаттан жасалған дәнекерлеудің кейбір түрлеріне жарамайды, негізінен металлургиялық мәселелерге байланысты, мысалы, сіңіру, кейде тізе аймағында кеуектілікті тудырады.

Қорғаушы газды пайдаланудың екінші рөлі фокустау линзасын металл буының ластануынан және сұйық балқытылған тамшылардың шашырауынан қорғау болып табылады. Бұл әсіресе жоғары қуатты лазерлік дәнекерлеуде қажет, бұл жерде шығарындылар өте күшті болады.

Қорғаушы газдың үшінші функциясы - ол жоғары қуатты лазерлік дәнекерлеу нәтижесінде алынған плазмалық қорғанысты таратуда тиімді. Металл буы лазер сәулесін жұтып, плазмалық бұлтқа ионданады, ал металл буының айналасындағы қорғаныс газы да жылу әсерінен иондалады. Егер тым көп плазма болса, лазер сәулесі белгілі бір дәрежеде плазмамен тұтынылады. Плазманың жұмыс бетінде екінші энергия ретінде болуы балқыма тереңдігін таяз, ал дәнекерлеу бассейнінің бетін кеңірек етеді. Плазмадағы электрон тығыздығын азайту үшін электрон-иондық және бейтарап-атомдық үш дене соқтығыстарының санын көбейту арқылы электронды комплекс түзілу жылдамдығы артады. Бейтарап атом неғұрлым жеңіл болса, соқтығысу жиілігі соғұрлым жоғары, қосылыс жылдамдығы соғұрлым жоғары болады; екінші жағынан, газдың өзінің иондалуы есебінен электронның тығыздығын арттырмау үшін қорғайтын газдың жоғары иондану энергиясы ғана.

Кестеден көріп отырғанымыздай, плазма бұлтының мөлшері қолданылатын қорғаныс газына байланысты өзгереді, ең кішісі гелий, одан кейін азот, ал аргон пайдаланылғанда ең үлкені. Плазма мөлшері неғұрлым үлкен болса, балқу тереңдігі соғұрлым таяз болады. Бұл айырмашылықтың себебі, біріншіден, газ молекулаларының иондану дәрежесінің әртүрлі болуымен, сондай-ақ қорғаныш газдардың әртүрлі тығыздығымен туындаған металл буының диффузиясының айырмашылығымен байланысты.

Гелий ең аз иондалған және ең аз тығыз болып табылады және ол балқыған металл бассейнінен көтерілген металл буын тез таратады. Сондықтан гелийді қорғаныс газы ретінде пайдалану плазманың басылуын барынша арттыруға, осылайша балқыту тереңдігін арттыруға және дәнекерлеу жылдамдығын жақсартуға мүмкіндік береді; оның жеңіл салмағы мен қашу қабілетіне байланысты кеуектілікті тудыру оңай емес. Әрине, дәнекерлеудің нақты нәтижелерінен аргон газымен қорғаныс әсері жаман емес.

Дәнекерлеу жылдамдығы төмен аймақта балқыту тереңдігіндегі плазмалық бұлт ең айқын болып табылады. Дәнекерлеу жылдамдығы жоғарылағанда оның әсері әлсірейді.

Қорғаушы газ дайындама бетіне жету үшін белгілі бір қысыммен саптама саңылауы арқылы шығарылады. Саптаманың гидродинамикалық пішіні және шығыс диаметрінің өлшемі өте маңызды. Ол дәнекерлеу бетін жабу үшін шашылған қорғаныш газын айдау үшін жеткілікті үлкен болуы керек, бірақ линзаны тиімді қорғау және металл буының ластануын немесе линзаға металл шашырауының зақымдануын болдырмау үшін саптама өлшемі де шектелуі керек. Ағынның жылдамдығын да бақылау керек, әйтпесе қорғаныс газының ламинарлы ағыны турбулентті болып, атмосфера балқыған бассейнге тартылып, сайып келгенде кеуектілікті қалыптастырады.

Қорғаныс әсерін жақсарту үшін қосымша бүйірлік үрлеу жолы бар, яғни кіші диаметрлі саптама арқылы белгілі бір бұрышқа тікелей терең балқытылған дәнекерлеу тесігіне қорғаныс газы жіберіледі. Қорғаушы газ дайындаманың бетіндегі плазмалық бұлтты басып қана қоймайды, сонымен қатар саңылаудағы плазмаға және шағын тесіктің пайда болуына әсер етеді, балқыту тереңдігін одан әрі арттырады және қажет болғаннан тереңірек және кеңірек дәнекерлеу тігісін алады. Дегенмен, бұл әдіс газ ағынының өлшемі мен бағытын дәл бақылауды талап етеді, әйтпесе турбуленттілік тудыру және балқыма пулын зақымдау оңай, нәтижесінде дәнекерлеу процесін тұрақтандыру қиын болады.

6) Объективтің фокустық қашықтығы. Дәнекерлеу әдетте лазердің конвергенциясын фокустау үшін пайдаланылады, жалпы таңдау 63 ~ 254мм (2,5 '~ 10') линзаның фокустық аралығы. Фокусталған нүкте өлшемі фокустық қашықтыққа пропорционалды, фокус аралығы неғұрлым қысқа болса, дақ соғұрлым аз болады. Бірақ фокус қашықтығы фокустық тереңдікке де әсер етеді, яғни фокустық тереңдік фокустық қашықтықпен бір мезгілде артады, сондықтан қысқа фокустық ара қашықтық қуат тығыздығын жақсарта алады, бірақ фокус тереңдігі шағын болғандықтан, линза мен дайындама арасындағы қашықтықты дәл сақтау керек, ал балқу тереңдігі үлкен емес. Дәнекерлеу процесінде және лазер режимінде пайда болатын шашыраудың әсерінен, фокустың ең қысқа тереңдігін пайдаланып нақты дәнекерлеу фокустық ұзындығы 126мм (5'). терең балқыту шағын тесік әсеріне жету үшін.

Лазердің қуаты 2 кВт-тан асқанда, әсіресе 10,6 мкм CO2 лазер сәулесі үшін, оптикалық жүйені құру үшін арнайы оптикалық материалдарды қолдану есебінен, фокустау линзасына оптикалық зақым келтіру қаупін болдырмау үшін, көбінесе шағылыстырғыш үшін жылтыратылған мыс айнасын пайдаланып, шағылысатын фокустау әдісін таңдаңыз. Тиімді салқындату арқасында ол жиі жоғары қуатты лазер сәулесін фокустау үшін ұсынылады.

7) фокус нүктесінің орны. Дәнекерлеу, жеткілікті қуат тығыздығын сақтау үшін, фокус нүктесінің орны өте маңызды. Дайындама бетіне қатысты фокус нүктесінің орналасуының өзгеруі дәнекерлеудің ені мен тереңдігіне тікелей әсер етеді. 3-суретте 1018 болаттың балқыма тереңдігі мен тігіс еніне фокустық нүкте күйінің әсері көрсетілген. Көптеген лазерлік дәнекерлеу қолданбаларында фокус нүктесі әдетте дайындаманың бетінің астында қалаған балқыма тереңдігінің шамамен 1/4 бөлігінде орналасады.

8) Лазер сәулесінің орны. Әртүрлі материалдарды лазермен дәнекерлеу кезінде лазер сәулесінің орналасуы дәнекерлеудің соңғы сапасын бақылайды, әсіресе тізе буындарына қарағанда бұған сезімтал түйіспелі қосылыстар жағдайында. Мысалы, қатайтылған болат берілістерді жұмсақ болаттан жасалған барабандарға дәнекерлегенде, лазер сәулесінің орналасуын дұрыс басқару негізінен төмен көміртекті құрамдас бөлігі бар дәнекерлеуді жеңілдетеді, оның жарықшақтарға төзімділігі жақсырақ болады. Кейбір қолданбаларда дәнекерленетін дайындаманың геометриясы лазер сәулесінің бұрышпен ауытқуын талап етеді. Сәуле осі мен түйісу жазықтығы арасындағы ауытқу бұрышы 100 градус шегінде болғанда, дайындаманың лазер энергиясын сіңіруіне әсер етпейді.

9) Дәнекерлеудің басталу және аяқталу нүктесі лазер қуатының біртіндеп жоғарылауы, біртіндеп төмендеуін бақылау. Лазерлік терең балқыту дәнекерлеуі, дәнекерлеудің тереңдігіне қарамастан, кішкентай тесіктер құбылысы әрқашан бар. Дәнекерлеу процесі аяқталып, қуат қосқышы өшірілгенде, дәнекерлеудің соңында кратер пайда болады. Сонымен қатар, лазерлік дәнекерлеу қабаты бастапқы дәнекерлеуді жабатын кезде, лазер сәулесінің шамадан тыс сіңірілуі болады, нәтижесінде дәнекерлеудің қызып кетуі немесе кеуектілігі пайда болады.

Жоғарыда аталған құбылыстардың алдын алу үшін қуатты бастау және тоқтату нүктелерін қуатты бастау және тоқтату уақыттары реттелетін етіп бағдарламалауға болады, яғни іске қосу қуаты қысқа уақыт ішінде электронды түрде нөлден белгіленген қуат мәніне дейін ұлғайтылады және дәнекерлеу уақыты реттеледі, соңында дәнекерлеу аяқталған кезде қуат белгіленген қуаттан нөлдік мәнге дейін біртіндеп азаяды.