Анализы используемых лазерных источников и параметры процесса резки

Сначала мы проведем некоторые оценки, игнорируя пиковую структуру лазерного импульса.

В соответствии с исходными данными (стр. 1.2.), можно вычислить плотность мощности импульса q_i, которая отвечает за основные физико-технологические параметры режима резки, такие как T₀, V₀, h, h_h, и т.д., и среднюю мощность , которые ограничивают скорость резки (производительность):

(25)

 

Рис.7. Характеристики качества лазерной резки: m - отходы, S - бороздки, - размер зоны теплового воздействия, R - радиус плавления на передней стороне, R_z – неровность края реза, b_f и b_b - ширина разреза на передней (b_f) и на задней (b_b) стороне, β – угол задержки реза и отклонения бороздок (половина разреза (а) и полный вид разреза (б))

 

Рис.8. Формирование разреза из одиночного отверстия при многоимпульсном режиме.

 

Для W_i = 10^-2 Дж; d₀ = 21.5 мкм, см², τ = 10^-4 с, один импульс имеет Вт/см², и в соответствии с (9) для f = 250 Гц это дает P = 2,5 Вт.

Плотность мощности q_i превышает порог испарения для данных нашего случая, согласно (8): .

Для расчета глубины отверстия мы не можем использовать в этом случае одномерную модель (уравнения 11, 13), потому что условие (12а) не выполняется при τ = 10^-4 с: мкм > r₀ = 10,75 мкм. Используя двухфазную модель (уравнения 14-19) мы получаем из (18) для tgγ = 0,4, в соответствии с исходными данными, значение глубины отверстия, полученного при одном импульсе, h₁:

Мы также можем вычислить перекрытие отверстий по формуле:

(26)

Для u₀ = 0,05 дюйм/сек (0,13 см/с), f = 250 Гц, d₀ = 0,002 дюйма (50 мкм), перекрытие равно р = 0,9; для максимальной частоты f = 285 Гц и d = 66 мкм, в результате р = 0,9333. Перекрытие р означает, что n_р = 1/(1-р) импульсов действует на каждую стационарную точку S: при р = 0,9, n_р = 10, а при р = 0,933 - n_р = 15. Можно увидеть, что даже при перекрытии 0,933 параметры мощности в этом режиме не могут обеспечить сверление отверстий.

Реальная ситуация, когда это возможно при этих параметрах – импульсный режим работы лазера. Давайте внимательно изучим реальную структуру импульса по оригинальной осциллограмме (рис. 9). Этот импульс может быть разделен на две части: 1) первая 40 (50) мкс, которая содержит 15 пиков с около 75% энергии импульса (определяется графическим численным интегрированием), и 2) следующие 60 мкс, которые включают лишь очень небольшие пики с 25% энергии.

Детальные измерения дают нам среднюю продолжительность пика мкс, а среднее время между ними мкс.

Теперь мы можем вычислить W₁ = 75% W/15 = 0.5*10^-3 Дж, Вт, Вт/см². Отметим, что q > q₁, которая теперь равна 0,9∙10⁷ Вт/см2 в соответствии с (8) при τ = 10^-6 с. Мы можем вычислить дальнейшие значения T₀, V₀, в соответствии с моделью испарения (11, 13), и глубина испарения:

(27)

 

Рис.9. Осциллограмма пичковой структуры генерации Nd: YAG лазера фирмы LASAG (предоставленный SLS) (а) и реконструкция их вместе при той же форме импульса свободной генерации τ = 10^-4 с с такой же энергией (б).

При Т = 7200 К, V₀ = 14.0∙10³ см/с, h₁ = 14 мкм. n импульсов дают отверстие глубиной:

(28)

как это видно из (18), так что при n = 15, h_S ≈ 53 м. Перекрытие между пичками при кГц практически равно 1, что достаточно для того, чтобы просверлить одно отверстие, а при перекрытии между импульсами равное 0,76 гарантирует прорез.

Мы можем сделать первый вывод из этого рассмотрения.

Чтобы просверлить TMT, достаточно использовать только первую часть (~ 40) импульса.

Давайте продолжим наши расчеты. Вторая часть импульса содержит в себе энергию 2.5∙10^-3 Дж во времени 60∙10^-6 с. Плотность мощности в этой части q_II равна 1.1∙10⁷ Вт/см². Этого вполне достаточно, чтобы расплавить материал, потому что порог плавления равен, согласно (7),

(29)

и при К дает q = 0.6∙10⁶ Вт/см², но этого недостаточно, чтобы испарить его и тем более производить реактивное давление, чтобы удалять расплавленный материал из отверстия. Именно поэтому большая часть материала расплавилась после первых 40-50 мкс, оставаясь в отверстие, и остаются наплавы на стенке задней стенке стороны разреза.

Теперь мы можем сделать второй вывод:

Уменьшение мощности к концу импульса и исчезновение больших пичков ведет к образованию жидкой фазы металла, которая не может испариться, это не способствует созданию достаточного дополнительного давления, чтобы удалить ее, и это является основной причиной ухудшения качества резки.

Отметим также, что большая постоянная составляющая (cc) интенсивности (см. рис. 9) и q_cc плотности мощности – это также факторы, способствующие образованию жидкой фазы (легко оценить, что ).

Можно также оценить некоторые качественные характеристики резки - h_h из (13а), R_z из (22): мкм, мкм.

Легко убедиться, что крутизна переднего фронта импульса удовлетворяет условию (24), в отличие от заднего фронта, который должен быть более крутым, но на самом деле он очень покатый.

Кроме того нет проблем, чтобы убедиться, что поглощением в парах можно пренебречь при действующей плотности мощности для данной толщины стенки трубы. Например, можно увидеть, что в парах скорость W_v = 10⁵ см/с [3] l_V = W_Vτ равно ~ 0.1 см, даже при τ = 10^-6 с, что намного больше, чем глубина отверстия.

Мы также можем пренебречь в этом случае изменением плотности мощности из-за расфокусировки пучка в глубине отверстия глубиной, из-за небольшой толщины стен и за счет фокусировки света внутри стены. Прежде чем приступить к анализу используемой оптической системы более тщательно, сформулируем некоторые результаты, рассмотренных выше соображений.

1. С энергетической точки зрения развитие режима выглядит вполне подходящим. Для увеличения производительности системы необходимо увеличить частоту следования импульсов f (что означает увеличение средней мощности ) и скорость перемещения u₀ соответственно. То же самое качество будет обеспечиваться при той же плотности мощности q₁ и том же перекрытии р.

2. Основной причиной образования грата является дополнительное количество жидкой фазы, которое является следствием большой крутизны заднего фронта лазерного импульса, большой постоянной составляющей импульсов и различной мощности импульса в пиках. Жидкая фаза и сложные многоимпульсные механизмы ее удаления – также основные причины образования бороздчатости.

3. Размеры зоны теплового воздействия (ЗТВ) h_h ~ J_ar, в том числе плавление, окисление и нагревание, зависят в первую очередь от длительности импульса τ, чрезмерная длительность импульса также является одной из основных причин плавления передней поверхности разреза (см. радиус R на рис. 7).

Сейчас мы должны объяснить причины прожига противоположной стороны трубки и разницу между передней и задней шириной реза.