Лазер гагнуурын үндсэн процессын параметрүүд

1) Лазерын хүч. Лазер гагнуурт лазерын энергийн нягтын босго байдаг бөгөөд түүнээс доош хайлалтын гүн нь гүехэн байдаг ба энэ утгад хүрсэн эсвэл хэтэрсэн тохиолдолд хайлмалын гүн мэдэгдэхүйц нэмэгддэг. Зөвхөн ажлын хэсэг дээрх лазерын эрчим хүчний нягт нь босго хэмжээнээс хэтэрсэн үед (материалаас хамааралтай) плазм үүсдэг бөгөөд энэ нь гүн хайлуулах гагнуур тогтворжиж байгааг илтгэнэ. Хэрэв лазерын хүч нь энэ босго хэмжээнээс доогуур байвал ажлын хэсэг нь зөвхөн гадаргуугийн хайлалтанд ордог, өөрөөр хэлбэл гагнуур нь тогтвортой дулаан дамжуулалтын хэлбэрээр явагддаг. Лазерын эрчим хүчний нягтрал нь жижиг нүх үүсэх эгзэгтэй нөхцөлийн ойролцоо байх үед гүн хайлуулах гагнуур ба дамжуулагч гагнуур нь ээлжлэн тогтворгүй гагнуурын процесс болж, хайлмал гүнд их хэмжээний хэлбэлзэл үүсдэг. Лазерын гүн хайлуулах гагнуурын үед лазерын хүч нь нэвтрэлтийн гүн болон гагнуурын хурдыг хоёуланг нь хянадаг бөгөөд үүнийг Зураг 1-д үзүүлэв. Хайлмалын гагнуурын гүн нь цацрагийн эрчим хүчний нягтаас шууд хамааралтай бөгөөд туссан цацрагийн хүч ба цацрагийн фокусын цэгийн функц юм. Ерөнхийдөө лазер туяаны тодорхой диаметрийн хувьд цацрагийн хүч нэмэгдэхийн хэрээр хайлалтын гүн нэмэгддэг.

2) Цацрагийн фокусын цэг. Цацрагийн цэгийн хэмжээ нь эрчим хүчний нягтыг тодорхойлдог тул лазер гагнуурын хамгийн чухал хувьсагчуудын нэг юм. Гэсэн хэдий ч түүний хэмжилт нь өндөр хүчин чадалтай лазеруудад бэрхшээлтэй байдаг ч шууд бус хэмжилтийн олон аргууд аль хэдийн бэлэн болсон байна.

Цацрагийн фокусын дифракцийн хязгаарын цэгийн хэмжээг гэрлийн дифракцийн онолоор тооцоолж болох боловч фокусын линзний гажуудал байгаа тул бодит цэг нь тооцоолсон хэмжээнээс их байна. Бодит хэмжилтийн хамгийн энгийн арга бол изотермаль профилын арга бөгөөд зузаан цаасаар полипропилен хавтанг шатааж, нэвтлэсний дараа фокусын цэг ба цооролт диаметрийг хэмжих явдал юм. Энэ аргыг лазерын хүч, цацрагийн үйл ажиллагааны цагийг эзэмшсэн дадлагаар хэмжих ёстой.

3) Материалын шингээлтийн үнэ цэнэ. Лазерыг материалаар шингээх нь материалын шингээлтийн хурд, тусгал, дулаан дамжуулалт, хайлах температур, ууршилтын температур гэх мэт зарим чухал шинж чанараас хамаардаг. Хамгийн чухал нь шингээлтийн хурд юм.

Лазер туяанд материалыг шингээх хурдад нөлөөлж буй хүчин зүйлүүд нь хоёр талтай: нэгдүгээрт, материалын эсэргүүцэл. Материалын өнгөлсөн гадаргуугийн шингээлтийн хурдыг хэмжсэний дараа материалын шингээлтийн хурд нь эсэргүүцлийн коэффициентийн квадрат язгууртай пропорциональ бөгөөд энэ нь температураас хамаарч өөрчлөгддөг; хоёрдугаарт, материалын гадаргуугийн төлөв байдал (эсвэл өнгөлгөө) нь цацрагийн шингээлтийн хурдад илүү чухал нөлөө үзүүлдэг тул гагнуурын нөлөөнд ихээхэн нөлөө үзүүлдэг.

CO2 лазерын гаралтын долгионы урт нь ихэвчлэн 10.6μm, керамик, шил, резин, хуванцар болон бусад металл бус материалыг тасалгааны температурт шингээх хурд маш өндөр байдаг бол өрөөний температурт метал материал шингээх чадвар нь маш муу байдаг бөгөөд материалыг хайлах эсвэл бүр уурших хүртэл шингээлт нь эрс нэмэгддэг. Материалыг цацрагт шингээх чадварыг сайжруулахын тулд гадаргууг бүрэх эсвэл оксидын хальс үүсгэх аргыг ашиглах нь маш үр дүнтэй байдаг.

4) гагнуурын хурд. Гагнуурын хурд нь хайлалтын гүнд ихээхэн нөлөөлдөг бөгөөд хурдыг нэмэгдүүлэх нь хайлмалын гүнийг гүехэн болгох боловч хурд нь хэтэрхий бага бөгөөд материалыг хэт их хайлахад хүргэдэг бөгөөд ажлын хэсэг гагнаж байна. Тиймээс тодорхой лазер хүч, тодорхой материалын тодорхой зузаан нь гагнуурын хурдны тохиромжтой хүрээтэй байдаг бөгөөд хайлах хамгийн их гүнтэй үед харгалзах хурдны утгыг авч болно. 2-р зурагт гагнуурын хурд ба 1018 ган хайлах гүн хоорондын хамаарлыг харуулав.

5) Хамгаалалтын хий. Лазер гагнуурын үйл явц нь хайлмал цөөрмийг хамгаалахын тулд инертийн хий ашигладаг бөгөөд зарим материалыг гадаргуугийн исэлдэлтээс үл хамааран гагнаж байгаа тохиолдолд хамгаалалтыг анхаарч үздэггүй, гэхдээ ихэнх хэрэглээнд гелий, аргон, азот болон бусад хийнүүдийг хамгаалах зорилгоор ашигладаг бөгөөд ингэснээр гагнуурын явцад исэлдэлтээс бэлдэцийг хамгаална.

Гели нь амархан иончлогдохгүй (иончлолын энерги өндөр) бөгөөд лазерыг дамжин өнгөрч, цацрагийн энерги нь ажлын хэсгийн гадаргуу дээр саадгүй хүрэх боломжийг олгодог. Энэ нь лазер гагнуурт ашигладаг хамгийн үр дүнтэй хамгаалалтын хий боловч илүү үнэтэй байдаг.

Аргон нь хямд, илүү нягтралтай тул илүү сайн хамгаалдаг. Гэсэн хэдий ч энэ нь өндөр температурт металлын плазмын иончлолд өртөмтгий бөгөөд энэ нь цацрагийн хэсгийг ажлын хэсэг рүү хамгаалж, гагнуурын үр дүнтэй лазерын хүчийг бууруулж, гагнуурын хурд, хайлалтын гүнийг бууруулдаг. Гагнасан хэсгийн гадаргуу нь гелий хамгаалалттай харьцуулахад аргон хамгаалалттай илүү гөлгөр байдаг.

Азот нь хамгийн хямд хамгаалалтын хий боловч зарим төрлийн зэвэрдэггүй гангаар гагнуур хийхэд тохиромжгүй бөгөөд гол төлөв металлургийн асуудал, тухайлбал шимэгдэлт, заримдаа хормойн бүсэд нүхжилт үүсгэдэг.

Хамгаалах хийг ашиглах хоёр дахь үүрэг бол фокусын линзийг металлын уурын бохирдол, шингэн хайлсан дусал цацахаас хамгаалах явдал юм. Энэ нь ялангуяа өндөр хүчин чадалтай лазер гагнуурын ажилд зайлшгүй шаардлагатай бөгөөд энэ нь гадагшлуулах нь маш хүчтэй болдог.

Хамгаалах хийн гуравдахь үүрэг бол өндөр хүчин чадалтай лазер гагнуураар үүссэн плазмын хамгаалалтыг үр дүнтэй тараах явдал юм. Металлын уур нь лазерын цацрагийг шингээж, иончлон плазмын үүл болж хувирдаг ба металлын уурыг тойрсон хамгаалалтын хий нь мөн дулаанаар ионждог. Хэрэв хэт их плазм байгаа бол лазер туяа нь плазмаар тодорхой хэмжээгээр зарцуулагддаг. Ажлын гадаргуу дээр хоёр дахь энерги болох плазм байгаа нь хайлмалын гүнийг гүехэн болгож, гагнуурын цөөрмийн гадаргууг өргөн болгодог. Цусны сийвэн дэх электроны нягтыг багасгахын тулд электрон-ион ба саармаг атомын гурван биет мөргөлдөөний тоог нэмэгдүүлснээр электрон цогцолбор үүсэх хурд нэмэгддэг. Төвийг сахисан атом хөнгөн байх тусам мөргөлдөх давтамж өндөр байх тусам нийлмэл хурд өндөр болно; нөгөө талаас хийн өөрөө иончлогдсоны улмаас электрон нягтралыг нэмэгдүүлэхгүйн тулд зөвхөн хамгаалалтын хийн өндөр иончлолын энерги.

Хүснэгтээс харахад сийвэнгийн үүлний хэмжээ нь ашигласан хамгаалалтын хийнээс хамаарч өөр өөр байдаг ба хамгийн бага нь гелий, дараа нь азот, аргон хэрэглэх үед хамгийн том нь байдаг. Плазмын хэмжээ их байх тусам хайлах гүн бага байна. Энэ ялгааны шалтгаан нь юуны түрүүнд хийн молекулуудын иончлолын янз бүрийн зэрэгтэй, мөн хамгаалалтын хийн янз бүрийн нягтралаас үүдэлтэй металлын уурын тархалтын зөрүүтэй холбоотой юм.

Гели нь хамгийн бага ионжсон, нягтрал багатай тул хайлсан металлын усан сангаас гарч буй металлын уурыг хурдан гадагшлуулдаг. Тиймээс гелийг хамгаалалтын хий болгон ашиглах нь сийвэнгийн дарангуйллыг дээд зэргээр нэмэгдүүлж, улмаар хайлалтын гүнийг нэмэгдүүлж, гагнуурын хурдыг сайжруулдаг; хөнгөн жинтэй, зугтах чадвартай тул сүвэрхэг үүсгэх нь тийм ч хялбар биш юм. Мэдээжийн хэрэг, бидний гагнуурын бодит үр дүнгээс харахад аргон хийтэй хамгаалалтын нөлөө муу биш юм.

Гагнуурын хурд багатай бүсэд хайлуулах гүн дэх плазмын үүл хамгийн тод илэрдэг. Гагнуурын хурд нэмэгдэхэд түүний нөлөө суларна.

Хамгаалах хий нь ажлын хэсгийн гадаргуу дээр хүрэхийн тулд цоргоны нүхээр тодорхой даралтаар гадагшилдаг. Цоргоны гидродинамик хэлбэр, гаралтын диаметрийн хэмжээ нь маш чухал юм. Энэ нь гагнуурын гадаргууг бүрхэхийн тулд цацсан хамгаалалтын хийг хөдөлгөхөд хангалттай хэмжээтэй байх ёстой, гэхдээ линзийг үр дүнтэй хамгаалах, металлын уурын бохирдол эсвэл линзийг металл цацах гэмтлээс урьдчилан сэргийлэхийн тулд хушууны хэмжээг хязгаарлах хэрэгтэй. Урсгалын хурдыг мөн хянах хэрэгтэй, эс тэгвээс хамгаалалтын хийн ламинар урсгал нь турбулент болж, агаар мандал нь хайлсан усан санд оролцож, улмаар сүвэрхэг байдлыг үүсгэдэг.

Хамгаалалтын үр нөлөөг сайжруулахын тулд нэмэлт хажуугийн үлээх арга, өөрөөр хэлбэл жижиг диаметртэй цорго ашиглан хамгаалалтын хий тодорхой өнцгөөр шууд гүн хайлсан гагнуурын нүхэнд орох боломжтой. Хамгаалах хий нь ажлын хэсгийн гадаргуу дээрх плазмын үүлийг дарахаас гадна нүхний плазм болон жижиг нүх үүсэхэд нөлөөлж, хайлуулах гүнийг улам нэмэгдүүлж, хүссэн хэмжээнээс илүү гүн, өргөн гагнуурын давхаргыг олж авдаг. Гэсэн хэдий ч энэ арга нь хийн урсгалын хэмжээ, чиглэлийг нарийн хянах шаардлагатай, эс тэгвээс үймээн самуун үүсгэж, хайлмал цөөрмийг гэмтээх нь амархан тул гагнуурын процессыг тогтворжуулахад хэцүү байдаг.

6) Линзний фокусын урт. Гагнуурыг ихэвчлэн лазерын нэгдэл, линзний фокусын урт нь 63 ~ 254мм (2.5 '~ 10') гэсэн ерөнхий сонголтоор төвлөрүүлэхэд ашигладаг. Төвлөрсөн цэгийн хэмжээ нь фокусын урттай пропорциональ, фокусын урт богино байх тусам толбо багасна. Гэхдээ фокусын урт нь фокусын гүнд нөлөөлдөг, өөрөөр хэлбэл фокусын гүн нь фокусын урттай зэрэг нэмэгддэг тул богино фокусын урт нь эрчим хүчний нягтралыг сайжруулдаг боловч фокусын гүн бага тул линз ба ажлын хэсгийн хоорондох зайг нарийн барих ёстой бөгөөд хайлах гүн нь тийм ч их биш юм. Гагнуурын үйл явц болон лазер горимын үед үүссэн цацралтын нөлөөгөөр хамгийн богино фокусын гүнийг ашиглан бодит гагнуурын фокусын урт 126мм (5'). гүн хайлсан жижиг нүхний үр дүнд хүрэх.

Лазерын хүч нь 2 кВт-аас хэтрэх үед, ялангуяа 10.6μm CO2 лазерын цацрагийн хувьд тусгай оптик материалыг ашиглан оптик системийг бүрдүүлдэг тул фокуслах линзийг оптик гэмтлээс зайлсхийхийн тулд тусгалыг ихэвчлэн өнгөлсөн зэс толин тусгалыг ашигладаг. Үр дүнтэй хөргөлттэй тул ихэвчлэн өндөр хүчин чадалтай лазер туяаг төвлөрүүлэхийг зөвлөж байна.

7) төвлөрсөн цэгийн байрлал. Гагнуур нь хангалттай эрчим хүчний нягтыг хадгалахын тулд гол цэгийн байрлал нь чухал юм. Ажлын хэсгийн гадаргуутай харьцуулахад фокусын байрлалын өөрчлөлт нь гагнуурын өргөн ба гүнд шууд нөлөөлдөг. Зураг 3-т 1018 гангийн хайлалтын гүн ба давхаргын өргөнд фокусын байрлалын нөлөөллийг үзүүлэв. Лазер гагнуурын ихэнх хэрэглээнд фокусын цэг нь ажлын хэсгийн гадаргуугийн доор хүссэн хайлмал гүний 1/4 орчим байрладаг.

8) Лазер туяаны байрлал. Янз бүрийн материалыг лазераар гагнах үед лазер туяаны байрлал нь гагнуурын эцсийн чанарыг хянадаг, ялангуяа өгзөгний холбоосууд нь өвөр холбоосоос илүү мэдрэмтгий байдаг. Жишээлбэл, хатуурсан ган араа нь зөөлөн ган бөмбөр дээр гагнаж байх үед лазер туяаны байрлалыг зөв хянах нь голчлон бага нүүрстөрөгчийн бүрэлдэхүүн хэсэг бүхий гагнуурын үйлдвэрлэлийг хөнгөвчлөх бөгөөд энэ нь хагарлын эсэргүүцлийг илүү сайн болгоно. Зарим хэрэглээнд гагнах ажлын хэсгийн геометрийн хувьд лазерын туяаг өнцгөөр хазайлгахыг шаарддаг. Цацрагийн тэнхлэг ба холболтын хавтгай хоорондын хазайлтын өнцөг 100 градусын дотор байх үед ажлын хэсэг нь лазерын энергийг шингээхэд нөлөөлөхгүй.

9) Гагнуурын эхлэл ба төгсгөлийн цэг нь лазерын хүчийг аажмаар нэмэгдүүлэх, аажмаар буурах хяналт. Лазер гүн хайлуулах гагнуур нь гагнуурын гүнээс үл хамааран жижиг нүхний үзэгдэл үргэлж байдаг. Гагнуурын процесс дуусч, цахилгаан унтраалга унтрах үед гагнуурын төгсгөлд тогоо гарч ирнэ. Түүнчлэн, лазер гагнуурын давхарга нь анхны гагнуурыг бүрхэхэд лазер туяа хэт их шингэж, улмаар гагнуурын хэт халалт эсвэл сүвэрхэг байдал үүсдэг.

Дээрх үзэгдлээс урьдчилан сэргийлэхийн тулд цахилгаан асаах, зогсоох цэгүүдийг програмчлах замаар тэжээлийн эхлэх, зогсоох цагийг тохируулах боломжтой, өөрөөр хэлбэл асаах хүчийг 0-ээс тогтоосон чадлын утга руу богино хугацаанд электроноор нэмэгдүүлж, гагнуурын хугацааг тохируулж, эцэст нь гагнуур дуусах үед хүчийг аажмаар бууруулж, тогтоосон хүчнээс тэг хүртэл бууруулна.