CC BY
51
Tomislav Luldć,
potpukovnik, dipt. ini.
Tehfutka uprava G$ VJ, Beograd
PRINCIPI PR1MENE LASERA U INDUSTRUSKOJ OBRADI MATERIJALA
UDC: 621.375.826:621.7.04
Retime:
Konverzija energije laserskog zraćenja u toplotu ozračenog uzorka predstavlja suStinu primene iasera za obradu materijala. Na ishod procesa (relime obrade) bitno utiču energeiske i prostomo-vremenske karakteristike snopa laserskog zračenja, kao i svojstva materijala. Uz odredena pojednostavljenja, primenom klasićnih metodo, pre svega teorije termoprovodnosti, elektrodinamike i dinamike fluida, na relativno lak način mole se doći do jednostavnilt formula koje omogućavaju brze inienjerske proračune i procene. Na osnovu tako izvedenih zakljuiaka, u ovom radu je ukazano na neke karakteristike interakeije laserskog zračenja sa materijalom, koje su tipične za najČešća područja primene, kao fto su termička obrada, sečenje. bušenje, zavarivanje, markiranje, itd.
Kljućne reći: lasersko zračenje, obrada materijala, temperatumo polje, fazni prelazi, duboko protopljavanje, ekraniranje plazmom.
PRINCIPLES OF LASER APPLICATION IN INDUSTRIAL METAL PROCESSING
Summary:
Conversion of laser radiation energy into radiated sample heat is the essence of laser application for metal processing. Energy and space-time characteristics of laser beam as well as material properties affect significantly processing results. Applying certain simplifications as well as classical methods, predominantly theories of thermal conductivity, electrodynamics and fluid dynamics, there is a relatively easy way to acquire simple formulae for fast engineering calculations and estimations. On the basis of thus obtained conclusions, this paper points out some characteristics of laser radiation interaction with materials, typical for most common application areas such as heat treatment, cutting, drilling, welding, marking, etc. Key words: laser radiation, material processing, temperature field, phase transition, deep melting, plasma spraying.
Uvod
Obrada materijala je područje primene Iasera u kojem specifičnosti laserskog zračenja najmanje dolaze do izraža-ja. Međutim, mogućnosti koje poseduje laserski snop nema ntjedan klasični alat, pa čak ni mnogi alati slični laseru koji se primenjuju u najsavremenijim tehnologi-
jama. Zahvaljujući izvanrednim karakte-ristikama laserskog zračenja (visoka us-merenost, ekstremno visoki intenzitet, beskontaktno delovanje i dr.), moguća je obrada skoro svih vrsta prirodnih i sinte-tičkih materijala, od mekih nemetala do raznih vrsta kompozitnih materijala vrlo visoke tvrdoće.
328
VOJNOTEHNIĆKI GLASNIK 3/2000.
U serijskoj fabričkoj proizvodnji laser je prvi put primenjen kao alat za obradu materijala 1968. godine, u Švaj-carskoj, za bušenje rubinskih ležajeva koji se ugrađuju u ručne satove [3]. Od tada u razvoju induslrijskc tehnologije nastupa novi period u kojem se inten-zivno radi na razvoju novih, jeftinijih i preciznijih postupaka obrade materijala primenom laserskog zračenja velikog in-tenziteta (slika 1). Poslednjih tridesetak godina područja primene iasera u fabrič-koj proizvodnji intenzivno su se razvijala i proširivala, a realno je očekivati da će se i narednih godina ovaj proces nastaviti nesmanjenim tempom. Period do 1980. godine karakterišu obimna teorijska i eksperimentalna istraživanja procesa in-terakeije laserskog zračenja sa materija-lom, a nakon 1980. godine u serijskoj industrijskoj proizvodnji počinje masovno da se koristi laserska tehnologija. Danas se smatra da je laserska tehnologija dosti-gla svoj period zrelosti.
Najrazvijenije zemlje sveta uveliko su ovladale najvažnijim oblastima primene laserskog zračenja u industrijskoj obradi materijala i već skoro dve decenije primenjuju Iasersku tehnologiju u serijskoj proizvodnji, naročito u mikroelek-tronici, avionskoj i automobilskoj indu-
st riji, industriji nemetalnih proizvoda. tekstilnoj industriji i dr. U današnje vreme skoro je nemoguće nabrojati sve proizvode koji su izradeni primenom la-serske tehnologije, a svakim danom se pojavljuje sve veći broj novih proizvoda čija se izrada ne može zamisliti bez primene Iasera.
Medutim, laserska tehnologija još uvek ne pretenduje da u potpunosti za-meni odgovarajuće tradicionalne tehnologije. U mnogim područjima fabričkc proi-zvodnje primena Iasera još uvek je oprav-dana samo ako se time postiže boiji kvalitet proizvoda, veća produktivnost i niža cena. Štedeći vreme i novae, laser se pokazao kao izvanredan alternativni proizvodni alat.
Danas se serijski proizvode industrij-ski Nd: YAG, CO2 i eksimemi laseri (tabela 1 [4]) koji obezbeduju intenzitet zračenja (površinsku gustinu snage) do 1010 W/cm2 u impulsnom i do 107 W/cm2 u kontinualnom režimu. Tako visok intenzitet zračenja omogućava rastapanje i isparavanje bilo kojeg poznatog materijala i laku obradu metala, kao i eks-tremno tvrdih sintetičkih materijala [4J.
Treba napomenuti da se danas u nekim zapadnim zemljama intenzivno radi i na razvoju laserskog oružja u ko-
vojnothhniCkj glasnik 3/2000.
329
Tabtla 1
Neki tipični predstavnici lasera za obradu materijala
Tip i model lasera Talasna đužina Mum) P-CWJ.E^J) Frek- vcndia v(Hz) Trajanje impulse rims) Srednja Prečnik 2r» (mm) Diver* geodja 9rf (mrad) Primeoa
TEMo, multimodni
CWCOj.TM 41-45, USA 10,6 - 15000 (W) - - 50 2 C, W,D,H
PCO2.TCB-50.USA 10.6 150 (J) 50(J) 1-5000 0,5-1000 50 1.7 9 N
P-exdmer.HLX-5.USA 0,248-0,35 - 2-5 (J) 0.5 0,02 2.5 45 x 45 2 x 2 M.N
CW Nd: YAG. BL-5000Y. USA 1.06 6(W) 50 (W) - - - 4 10 M.S.H
PNd: YAG.LAY600A. Japan 1.06 _ 150(J) 200 10 600 to 20 W.D
P Nd: staklo. M14E, US A 1,06 40 (J) - 1 3:5; 8 - 3x9 - W.D
PRubin$ki.604,USA 0.694 - 10(J) 10 varijaMni 40 02 - D
CW - konunuilfli; P - impuhni; C - seicnjc; W - zjvarivtnj«; D - buicnjc; H - icnntCka obrada; S - sknjbovaojc; M - obnd* tnetala; N - obnda oemciala
jima se intenzitet lasera ekstremno velike snage iskorišćava za uništavanje ili one-sposobljavanje sredstava ratne tehnike, kao i za neutralisanje žive sile, pre svega zaslepljivanjem.
Parametri laserskog zračenja
Principi generisanja i pojačanja elek-tromagnetskog zračenja stimulisanom emisijom, kao i principi njihove praktične realizacije (maser, laser), danas su dobro poznati [1]. Lasersko zračenje odlikuje se ekstremno visokim stepenom koncentra-cije svetlosne energije u veoma malom prostomom uglu i uskom spektralnom dijapazonu i visokim stepenom prostome i vremenske koherentnosti. U impulsnom režimu rada sa modulacijom dobrote re-zonatora moguće je postići impulse ekstremno kratkog vremena trajanja (10** -1(T12 s), što ima za posledicu veoma veliku snagu zračenja po impulsu (10* -1010 W). Posebno je značajno Što laserska svetlost, za razliku od obične, poscduje visok stepen prostome koherentnosti koja je u tesnoj vezi sa usmerenošću laserskog zračenja usled čega je ugao divergencije laserskog snopa veoma mali
- reda mrad. Takav snop se može fokusi-rati na veoma malu površinu, radijusa reda 10 X (X - talasna dužina laserskog zračenja od 1 do 10 pm), usled čega je površinska gustina snage na ozračenoj površini veoma velika, reda MW/cm2 [2].
Usmerenost i fokusiranje
laserskog snopa
Laser generiše veoma uzak snop skoro paralelnih zraka. Fokusiranjem laserskog zračenja može se postići ekstremno visoka koncentracija energije na veoma maloj površini (slika 2). Pri tome površinska gustina snagc zračenja može biti vcća u fokusnoj ravni fokusirajućeg sočiva nego u ravni izlaznog otvora lase-ra, što predstavlja posebno preimućstvo lasera u odnosu na druge izvore svetlo-sti [2].
Usmerenost, odnosno divergencija laserskog snopa, određena je konfiguraci-jom rezonatora i difrakcijom, a definiše se prostomim uglom u kojem se raspro-stire najveći deo energije zračenja. Ume-sto prostomog ugla u praksi se za meru divergencije najčešće upotrebljava ravan-
330
VOJNOTEHNIĆKI GLASNIK 3/2000.
ski ugao ©đ koji leži u ravni osnog preseka laserskog snopa.
Iznos divergence ©dr prouzroko-vane difrakcijom kod ravnog monohro-matskog talasa sa ravnomemom raspode-lom amplitude po talasnom frontu i iznos divergencije ©d6 fokusiranog talasa sa Gausovom raspodelom amplitude dati su izrazima:
ed, = 1,22 (la)
9d, = — = 0,32 -7tr0 r0 (lb)
Ako se u formuli (lb) r0 zameni sa D/2, može se uočiti da pri istim preč-nicima izlaznog otvora D (slika 2), Gau-sov snop ima oko dva puta manju divergency od ravnog monohromatskog talasa [1].
U konfokalnom rezonatoru, koji se najčešće koristi za dobijanje snopa sa Gausovom raspodelom intenziteta po po-prečnom preseku, laserski snop u jednoj tački dostiže najmanji poprečni presek -struk snopa, radijusa r0 = JLX/2k, gde je L - dužina rezonatora. Sa udaljavanjem od struka u pravcu prostiranja zračenja, po osi snopa, laserski snop divergira i
dimenzije poprečnog preseka se uvećava-ju. Fokusiranjem laserskog snopa tankim sočivom dobija se novi struk radijusa rs smešten izvan rezonatora (slika 2). Ako se prednja fokusna ravan sočiva poklapa sa strukom unutar rezonatora, onda se drugi struk nalazi u zadnjoj fokusnoj ravni sočiva [5].
Radijus preseka snopa u zadnjoj fokusnoj ravni može se izračunati po formuli:
r, = tg (f • e,) = f - 9d = — (2)
n • rc
gde je ©d - ugao divergencije u rad. Formula (2) predstavlja pogodnu relaciju za brzu procenu dimenzija poprečnog preseka laserskog snopa (spota) fokusiranog sočivom fokusne dužine f. Minimalne dimenzije spota za osnovni mod TEMqo (Gausov snop) nisu manje od SO pm za CO2 lasere (X = 10,6 pm) i 5 pm za YAG lasere (X = 1,06 pm) [5]. Može se poka-zati da je za kratkofokusna sočiva rs = (V du)r0, što znači da ova sočiva u svojoj fokalnoj oblasti uvećavaju intenzitet upadnog zračenja za (d^/f)2 puta.
Za ocenu kvaliteta snopa u praksi se često koristi tzv. parametar snopa q* = D 0d = rsdf = const (mm • mrad),
SI. 2 - Fokusiranje laserskog snopa dobijenog u konfokalnom rezonatoru: L - dužina rezonatora. R - radijus zakrivtjcnosti ogledala, r - radijus snopa. re - radijus struka snopa u rezonatoru. r, - radijus spota (struka snopa u fokusu). f - fokusna dužina soCiva, D -pretiuk izlaznog otvora lasera. Ad - dubina fokusiranja. ©< - ugao divergencije. d« - udaljcnost sodva od struka u rezonatoru. at - ugao fokusiranja
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 3/2000.
331
gde je otf - ugao fokusiranja (si. 2). Vrednost q* kreće se u granicama od 10 do 30 mm * mrad. Kvalitet snopa defini-san je kao recipročna vrednost parametra snopa, 1/q* [8].
Veoma značajna karaktcristika foku-siranog snopa je i dubina fokusa d = Ad/2 (slika 2). Ona se definite kao udaljenost od struka fokusiranog snopa do ravni u kojoj intenzitet opadne do vrednosti odredene karakterom primene (npr. na 80% maksimalne vrednosti u fokusu) i data je formulom [4, 8):
Ad = = 4 (3)
X q*
Koeficijcntom g = r/r, odrcdena je širina snopa na udaljenosti d = Ad/2 od fokusa. Na ovoj udaljenosti intenzitet opadne za 1/g2 puta u odnosu na maksi-malnu vrednost u fokusu. Na primer, ako karakter obrade zahteva da se intenzitet laserskog snopa na ozračenoj površini po svojoj uzdužnoj osi ne sme menjati više od 10%, onda je 1/g2 = 0,9, odnosno g = 1,054. Za r, = 0,1 mm i X = 10,6 pm, dobijase Ad = ± 1,04 mm, Štopred-stavlja dopušteno variranje rastojanja iz-medu sočiva i površine obrađivanog uzor-ka. U slučajevima kada nije moguće strogo kontrolisati ovo rastojanje, po-trebno je izabrati sočivo sa Sto većom fokusnom dužinom kako bi dubina fokusa bila $to veća. Jednačine (2) i (3) pokazuju da se za dvostruko veću fokusnu dužinu dobija četvorostruko veća dubina fokusa [4].
n n n
J t J L j
Lasersfa
snop
preseka laserskog snopa
pri sećcnju, zavarivanju i bušenju. Njime se postiže najveća gustina snage u laser-skom snopu i najbolja usmerenost. Ovaj mod ima sinfazni talasni front i Gausovu raspodelu intenziteta I(r) po poprečnom preseku snopa koja se ne menja pri pro-lasku kroz optički fokusirajući sistem [4, 5, 6].
Kod ravnomeme prostorne raspo-dele intenzitet I(r) = const po celoj po-vršini poprečnog preseka radijusa rs dok se kod Gausovog snopa (mod TEMoo) intenzitet menja (stika 3) i odreden je Gausovom funkcijom:
Prostorno-vremenske karakterisiike
1(0 = Iome-^
(4)
Gausov snop (mod TEMoo) od po- gde je: sebnog je značaja u najvećem broju sluča- 1^ - maksimalni intenzitet (u centru jeva obrade materijala iaserom, naročito snopa),
332
VOJNOTEHNICXI GLASNIK 3^000.
r - radijalna udaljenost od centra snopa,
k = L/rf — koeficijent skoncentrisa-nosti koji određuje oStrinu krive, pri čemu je r, - efektivni radijus snopa.
Koeficijent skoncentrisanosti zavisi od načina odredivanja efektivnog radijusa preseka snopa. Ako se za r, uzme rasto-janje od ose snopa do tačke u kojoj intenzitet na poprečnom preseku osnov-nog moda opadne e2 puta, odnosno am-plituda e puta (Gausov radijus), onda je k = 2/r2. Imajući u vidu da je 1/ e2 = 0,135 sledi da je 86,5% ukupne snage skoncentrisano unutar kruga radijusa jednog r,. Međutim, u praksi se često za radijus snopa uzima rastojanje rp od ose snopa do tačke u kojoj intenzitet opadne na 0,05 loa> (slika 3) i onda je k ** 3/rJ a oko 95% ukupne snage naiazi se unutar kruga radijusa rp [5].
Integracijom izraza (4) može se izra-čunati ukupna snaga i maksimalni intenzitet u centru snopa:
m
P, = j" I(r)2nrdr -o
m
= f Iome^nrdr = I„ra,
o k
U - ^ (5)
n
gde je:
P, - ukupna snaga sadržana u modu,
k - koeficijent skocentrisanosti.
Trajanje laserskog zračenja odre-deno je režimom rada lasera. Laseri za obradu materijala najčešće rade u slede-ćim režimima [5]:
- režim kontinualnog zračenja,
- impulsni režim slobodne gencra-cije (tipična dužina impulsa t je oko 10~3s
a određena je dužinom trajanja bljeska impulsne lampe pobude),
- režim modulacije faktora dobrote rezonatora (tipične vrednosti t su 10"9-10** s; trajanje impulsa odredeno je na-dvišenjem pobude nad pragom generacije i brzinom Q-prekida£a),
- impulsno-periodični režim (t *» 10** s; tipičan za C02 lasere).
Svako skraćivanjc trajanja impulsa nužno vodi smanjenju njegove energijc H, ali po pravilu i povećanju srednje snage P„.
Vremenska forma intenziteta I(t) impulsa takode zavisi od režima rada lasera. Kada laser C02 radi u impulsno-periodič-nom režimu ima trouglasti vremenski oblik impulsa (slika 4a). U slučaju kada laser generiše samo jedan, osnovni mod, kriva vremenske raspodele je glatka i ima zvonoliki (Gausov) oblik (slika 4b) |6).
Modovi višeg reda
Transverzalni modovi, odnosno modovi višeg reda [4] imaju izuzetan značaj pri obradi materijala laserskim zrače-njem. Red moda direktno utiče na veli-Ćinu ugla divergencije, veličinu popreč-nog preseka snopa i dubinu fokusa. U pojedinim slučajevima obrade materijala zahteva se veoma visoka gustina snage (sedenje, zavarivanje), radi £ega je neop-hodno koristiti modove najnižeg reda, dok je u nekim slučajevima neophodna ravnomema raspodela gustine snage po poprečnom preseku snopa (termička obrada površine materijala) pa se koriste i modovi višeg reda (slika 5). Ako mo-dovna struktura laserskog snopa sadrži, osim osnovnog moda TEM«,, i modove višeg reda, onda su ukupna snaga moda, divergencija i poprečni presek veći, a dubina fokusa manja, dok su ostale ka-
VOJNOTEHNIĆKI GLASNIK 3^000.
333
WD
i
\m‘ t I
# t - - , ._________
# M M M M
a)
\
\
b)
St. 4 - Tipične vremenske forme taserskih impulsa: a) trouglatti, b) zvoooliki (Gautov) obtik
t
rakteristike približno iste kao kod Gauso-vog snopa (4).
Nivo snagc i modovna struktura izla* znog snopa lasera odreduju se u zavisnosti od primene. Gausov snop omogućava duboku penetraciju pri buSenju i velike brzinc sečenja, dok pri termičkoj obradi površine nije pogodan zbog varijacija gu-stine snage po poprečnom preseku snopa. Razvijene $u i različitc tehnikc menjanja oblika poprečnog preseka snopa radi do-bijanja željene prostorne raspodele inten-ziteta [8, 9],
Energetske karakteristike
Za obradu materijala intenzitet I (W/cm2) predstavlja najvažniju encrget-sku karakteristiku laserskog zračenja. Sa-glasno opšteprihvaćenoj definiciji intenzi-teta u radiometriji, intenzitet laserskog zračenja definisan je energijom koja prođe kroz jedinicu površine poprečnog preseka laserskog snopa u jedinici vreme-na. U literaturi se često upotrebljava i naziv - površinska gustina snage [3, 6].
Ako je poznat intenzitet, integraci-jom se lako izračunavaju i druge energet-
TEM.-rSA^-TEHt 7EMt~TEJ4m TEUy, - TEMj,
St. 5 - Obtik transverzainih elekiromagneiskih modova u pravougioj (TEMm*) i cilindričnoj (TEMpt) simetriji
334
VOJNOTEHNIČKI GLASNUC 3/2000.
ske veličine kao što su ukupna snaga zračenja sadržana u modu P,, jednačina (5), kao i energija E = JP, dt.
Intenzitet kontinualnog laserskog zračenja najčešće je konstantan u vreme-nu. Intenzitet impulsnog laserskog zrače-nja određen je energijom E i trajanjem impulsa x, kao i usmerenošću ©d, odno-sno radijusom spota rs, jednačina (2). S obzirom na to da je raspodeia zračenja u prostoru i vremenu uglavnom neravno-mema (npr. Gausov snop), često se za izvodenjc ocena koristi srednja vrcdnost intenziteta, Iw = Esl/Sx gde je ESf - srednja snaga moda, S - ozračena površina a x - trajanje impulsa (2).
Energetska svojstva laserskog zrače-nja su u najneposrednijoj vezi sa efektima obrade materijala lascrom. Kod impul-snih lasera, zahvaljujući veoma kratkom vremenu dejstva i izvanrednoj mogućno-sti fokusiranja, mogu se dobiti ogromne gustine snagc po jedinici površine, čak i kada je ukupna energija impulsa veoma mala. Iz sledećeg primera može se videti koliko se laser razlikuje od svih drugih izvora svetlosti.
Laserski snop He-Ne lasera sa Gau-sovom raspodelom intenziteta, izlazne snage P 10 mW i divergencije ©d 0,1 mrad, može se, u skladu sa jednačinom
(2), fokusirati sočivom fokusne dužine f **» 1 cm na površinu rcda 10"* cm2. Koristed formule (4) i (5) za Gausov snop i uzumajud da je Pt = P = 10 mW - ukupna snaga snopa, dobija se intenzitet u centra snopa reda 106 W/cm2. Isto-vremeno mogu se oceniti i dimenzije fokusiranja snopa. Uzimajući da je du-bina fokusa reda 10 r» 10~3 cm, dobija se da je zapremina fokusiranog snopa V *= 10l! cnr, a prostoma gustina snage reda 109 W/cm3.
Ako bi se želelo da se na istoj po-vršini 10"® cm2 dobijc intenzitet reda 10® W/cm2 fokusiranjem nekoherentne svetlosti običnog izvora povrSine 0,1 cm2, takav izvor bi morao imati snagu = 1 MW 12).
Efektivnost interakcije laserskog
zračenja sa materijaiom
U krajnjem rezultatu, efektivna obrada materijala laserskim zračenjem zasnovana je na optimalnom transferu energije laserskog zračenja u toplotu po-vršinskog sloja ozračenog uzorka.
Matematički opis interakcije laserskog zračenja i materijala nije jednosta-van, a mnoge pojave još nisu dovoljno ispitane i objašnjene. Otuda i relativno mali broj upotrebljivih modela koji se sa zadovoljavajućom tačnošću (makar ^ 50%) mogu primeniti za opis procesa obrade materijala laserom.
Interakcija laserskog zračenja sa ne-prozračnim materijalima podrazumeva nekoliko karakterističnih stadijuma. To su [3]:
- apsorpcija laserskog zračenja u po-vršinskom sloju materijala i prenos energije u dubinu materijala putem oscilacija kristalne rešetke;
- zagrevanje materijala bez razara-nja njegove strakture i pojava termoela-stičnih deformaeija;
- promene faznog stanja materijala (prelazak u tečnu i gasovitu fazu) u zoni dejstva laserskog snopa, izbacivanje i raz-letanje izbačenog materijala;
- stvaranje plazmenog oblaka (pla• zmene buktinje) optičkim probojem pare i okolne atmosfere i transformaeija pro-stomo-vremenske strakture laserskog zračenja pri prostiranju kroz plazmu;
VOJNOTEHNlCKI GLASNIK V2000.
335
- plastične deformacije materijala zbog pritiska pare i plazme;
- hlađenje i otvrdnjavanje materijala nakon završetka dcjstva laserskog zrače-nja praćeno strukturno-faznim i hemij-skim promenama.
Ovi procesi praćeni su difuzionim i hemijskim reakcijama, emisijom čestica, pojavom X-zračenja i drugim pojava-ma [6].
U praksi se efektivnost interakcije upadne laserske energije i obrađivanog uzorka materijala obično opisuje koefici-jentom sprege [4] (apsorpcionom sposob-nošću [5]), tj. odnosom apsorbovanog Ia i upadnog Iu intenziteta zračenja:
Y = 1 - R = 7- (6)
lu
gde je R - koeficijent reflcksije površine materijala.
Koeficijent sprege određcn je ne samo gubicima ustcd refleksije laserskog zračenja od površine već i gubicima zbog ekraniranja plazmenim oblakom koji na-staje usled jonizacije atmosfere i ispare-nog materijala u neposrednoj okolini ozračene tačke. Osim toga, on zavisi od talasne dužine zračenja, vrste materijala, oblika i hemijskog sastava ozračene po-vršine, karaktera raspodele i nivoa snage fokusiranog snopa, divergencije laserskog snopa, upadnog ugla laserskog snopa u odnosu na površinu i drugih parametara. Posebno je izražena njegova zavisnost od temperature, odnosno faznog stanja ozra-čenog materijala (slika 6). Zbog toga je skoro nemoguće dobiti analitičko rešenje za koeficijent sprege već se on određuje eksperimentalno, najčešće kalorimetrij-skom metodom [10].
Toplotno dejstvo laserskog zračenja na materijal nije određeno parametrima
upadnog već parametrima apsorbovanog zračenja, pa je apsorpcija energije laserskog zračenja, njen transfer u toplotu ž zagrevanje materijala, odnosno postiza-
Sl. 6 - Promena koeficijenta sprege so temperaturom
nje temperature neophodne za konkretni vid obrade, od najvećeg značaja za obradu materijala. U pojednostavljenom, linearizovanom modelu, pri apsorpciji zračenja u materijalu intenzitet opada po eksponencijainom zakonu [2, 5, 6]:
I(z) = ylo - e-* (7)
gde je:
a - koeficijent apsorpcije (cm-1), z - dubina prodiranja zračenja u materijal.
Energija apsorbovanog zračenja pre-tvara se u toplotu u tankom površinskom sloju debljine 10^ do 10"7 m. Usled toga apsorpcija ima karakter površinskog efekta. Zagrejani deo površinskog sloja može se posmatrati kao tačkasti toplotni izvor čija je efektivna toplotna snaga (intenzitet) određena koeficijentom sprege (I8 = vlu). Od toplotnog izvora toplota se prenosi u unutrašnjost matcri-jala kondukcijom, a jedan deo ostaje
336
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 1T2000.
Termofiziike karakteristike nekih metala
Tabela 2
Meial T,(X) T»(°C) P (g/cm3) K (W/cm°Q c(J/g°C) X (cm Vs)
AI 661 2,472 2.702 2,37 0,90 0,975
Fc 1,536 2,759 7.86 0,802 0,44 0,232
Si 1.412 2,363 2,33 1.48 0,71 0.895
Cu 1,093 2,573 8,96 4,01 0,38 1,178
Zn 423 913 7.14 1,16 0,39 0.417
neiskorišćen usled gubitaka koji nastaju zračenjem zagrejane površine i odvode-njem toplote konvekcijom.
Transfer toplote u najvećem stepenu određen je optičkim (si. 7) i termofizič-kim (tabela 2) svojstvima obradivanog materijala. Neki materijali su veoma re-fleksivni na sobnoj temperaturi (npr. sre-bro reflektuje oko 99% upadnog zrače-nja, zlato 98%, bakar 98%, nerđajući čelik %% itd., slika 7). S druge strane, refleksivnost znatno zavisi i od talasne dužine laserskog zračenja. Zbog toga se primcnjuju različite tehnike smanjenja re-fleksije: na površinu se nanose odgovara-juće prevlake - apsorberi ili se odredenim
postupcima povećava hrapavost povrSine. Međutim, refleksivnost veoma brzo opada sa povećanjem temperature (koja se praktično dešava trenutno pri dejstvu laserskog zračenja na materijal) pri čemu dolazi i do naglog povedanja koeficijenta sprege (slika 6) i stvaranja uslova za odredenu vrstu obrade [3].
Od svih termofizičkih karakteristika, kod metala je za većinu postupaka obrade najvažnija termička difuzivnost % (cm2/s) koja je definisana kao odnos K/pc, gde je K (W/cm°K) - termička provodnost, p (g/cm3) - gustina i c (J/g°K) - specifična toplota.
ii Au K Ag A! 7/, Ca
0
0.488 pm 0.6943 pm 1.06 pm 10.6 pm
SI. 7 - Refleksivnost nekih metala za različite talasne duiine laserskog zračenja
VOJNOTEHNICKI GLASNIK 3/2000.
337
POVRSINA
■ xEFUKsnwosr
(Vpa+ti wn taiarao Adfcw. pviaUatjJa Ut. zrofajc. umptnttn. plaana)
MA TER1JAL
i - temupnjvoAtctt
• • kotf. Hmt đfiatfi j - epee. topi, kapocita I • Iobum toptoto toffytnfa
LASER
• Wuuiutmitw*
• erpMcme *wt6wy« zre-anno (Cmmt*«. ramomemq}
- wwwwte «to»t6wVe
ntrm (tmndni. ka tmp*k»o-pmio4U*i)
:‘SZZ&‘
• polarisadfo
OPTIČfAGLAVA [_
•foknt*a&di*o ■ dxbiaa fohtsa
_V
PARAMETRIOBRADE
- snaga (energija) zračenja lasera
- vreme delovanja laserskog zračenja
- brzina operaeije
- geometrija (snopa i uzorka)
- sočivo za fokusiranje • zaStitni gas
- vrsta prevlake na površini
n
REtlMl OBRADE
- termička obrada površirte
- sečenje
- zavarivanje
- buSenje
- marhranje
- uklanjanje materijala
SI. 8 - Faktori koji definiiu retime obrade materijala
Termička difuzivnost je osnovna mera toplotno-inercionih svojstava materijala. Brzina promene temperature u nekoj tački tela utoliko je veća ukoliko je koeficijent x veći. SpecifiCna toplotna kapacitivnost c praktično ostaje ista pri promeni temperature od T»boo do temperature isparavanja Tv. Medutim, termo-provodnost K se smanjuje približno 2 do 5 puta pri topljenju me tala. Zanemarujući ove promene mogu se izvoditi ocene sa greškom manjom od 20% [3].
Režimi obrade
Laserska tehnološka postrojenja koja se danas koriste u industrijskoj proi-zvodnji obezbeđuju prekrivanje širokih dijapazona energije, dužine trajanja zra-
čenja i srednje snage neprekidnog ili impulsno-periodičnog zračenja. Svaki tehnološki proces zahteva odredene pro-stomo-vremenske i energetske karakteri-stike zračenja. Tehnoioški procesi, zasno-vani na čisto toplotnom dejstvu zračenja na obradivani materijal najčešće koriste impulse trajanja od lO^4 do 10"2 s i konti-nualno zračenje. Primenjujući odredeni nivo snage zračenja i duiinu trajanja zračenja može se postići bilo koji željeni tehnološki efekat: zagrevanje i topljenje materijala (termička obrada, sečenje, zavarivanje, lemljenje), isparavanje materijala (bušenje, naparavanje tankih slojeva metala i dielektrika), itd. U elektronskoj industriji impulsno zavarivanje zahteva energiju od 102 do 10 J; bušenje i skrajbo-vanje izvodi se pri energiji do 1 J; kaljenje
338
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 3/2000.
reznog alata zahteva energiju do 100 J i dužinu impulsa 10"3 s; za sečenje različitih materijala, zasnovano na udamom („§ok“) efektu interakcije zračenja sa ma-tcrijalom (slika 9), potrebni su impulsi trajanja 1CT7 do KT4 s itd. [3].
to r
* ,A<
\
/ ) 'V
»w*w|l<SXx
I0’ . I pom1) >s
to to 10
Vrtmt otrmftvamfa (t)
Si 9 - Retimi obrade materijala laserskim zračenjem
U obradi materijala laserom razvi-jene su različite mctode koje su odredene nizom različitih faktora (slika 8). Metode laserske obrade obrazuju grupe zasno-vane na zagrevanju, topljenju i udamom opterećenju materijala u zavisnosti od
povrSinske gustine snage zračenja lasera i vremena njegovog dejstva. Ove grupe nazivaju se režimi obrade (4, 5].
Slika 9 prikazuje dijagrame režima obrade koji su dobijeni kombinacijom teorijskih i empirijskih saznanja. Na slid se mogu uoditi vrednosti intenziteta laser-skog zračenja i vremena trajanja ozrače-nja koja odgovaraju različitim režimima obrade i procesima koji prate interakciju laserskog zračenja sa materijalom.
Otvrdnjavanje laserskim zračenjem, zasnovano na faznim prelazima u površin-skom sloju materijala, zahteva minimalni intenzitet laserskog zračenja 103 do 104 W/cm2 pri maksimalnom vremenu trajanja impulsa 10"2-1 s. Udamo (MSoku) otvrdnjavanje zahteva maksimalni intenzitet zračenja lOMO10 W/cm2 pri minimal-noj dužini trajanja impulsa lO^-lO"8 s.
Na slici 9 dati su samo opSti podad o dijapazonima promene intenziteta, energije i trajanja laserskog zračenja u zavisnosti od vrste obrade. Njihove stvame vrednosti u konkretnim operad-jama zavise od svojstava materijala i pri-mene metoda povećanja efektivnosti inte-rakdje zračenja i materijala.
- nastaviće se -
VOJNOTEHNIĆKI OLASNIK 3/2000.
339
