Ученые — машиностроителям. Лазерная маркировка и экспресс-анализатор металлов

СТАТЬЯ ИЗ РУБРИКИ: «ЛАЗЕРЫ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ»

М.И. Дзюбенко, С.Н. Колпаков, А.А. Приёмко, В.П. Пелипенко, И.В. Попов,
Институт радиофизики и электроники НАН Украины, г. Харьков
ООО «Альт лазер», г. Харьков

Перед специалистами машиностроительных предприятий, выпускающих продукцию большими сериями, стоит широкий круг задач, в том числе требующих повышенной точности и воспроизводимости лазерной маркировки и экспресс-анализа химсостава обрабатываемых металлов. Сотрудники Института радиофизики и электроники НАН Украины и ООО «Альт лазер» создали технологическое оборудование, позволяющее выполнять необходимые операции.

Рассмотрим, например, задачу лазерной маркировки подшипников. Маркировка заключается в нанесении на внешнюю цилиндрическую поверхность ряда символов, характеризующих марку изделия. Объем выпуска подобных изделий таков, что лазерная технологическая система должна быть максимально автоматизирована. Критериями качества маркировки являются: контрастность изображения, глубина гравировки и воспроизводимость линейных размеров с абсолютной погрешностью 5 мкм.

Контрастность определяется соотношением ширины и глубины линии гравировки. Поэтому необходимо решить задачу получения линии с заданной пространственной конфигурацией. Параметрами конфигурации линии являются глубина, ширина, конусность, шероховатость дна, высота выброса металла на края. В некоторых случаях выброс металла становится определяющим фактором гравировки. Например, маркировка подшипников требует такого режима, при котором выбросов на края линии не должно быть. В то же время, как показывают эксперименты, эти выбросы могут быть значительными, что приводит к изменению посадочных размеров подшипника (рис. 1). На первой фотографии рис. 1 высота выбросов равна 20 мкм, на второй — 4 мкм, на третьей выбросов нет.

В результате многолетней совместной работы ООО «Альт лазер» и Института радиофизики и электроники НАН Украины создано несколько вариантов лазерного технологического оборудования, позволяющего приблизиться к теоретически возможным погрешностям размерной обработки материалов. Возможность довести научные исследования до серийных образцов лазерной техники стала результатом использования новых типов лазеров, систем накачки к ним и возможности программного управления параметрами выходного излучения. Например, использование полупроводниковой накачки активных элементов лазеров позволяет программно менять форму импульса для оптимального решения технологической задачи при заданных внешних условиях и технических особенностях используемого оборудования.

При воздействии лазерного импульса на металл над его поверхностью образуется облако из газообразного вещества, которое рассеивает и поглощает падающее излучение. Из-за поглощения и рассеяния на продуктах испарения плотность мощности излучения, попадающего на материал, начинает уменьшаться. В связи с этим температура уменьшается, и объем жидкой фазы металла резко увеличивается. Дальнейшее воздействие излучения приводит к выбросу материала из зоны облучения. В случае, когда в одну точку попадает несколько импульсов, происходит углубление отверстия и рассеянное парами излучение поглощается стенками. Так как интенсивности рассеянного излучения не хватает на испарение, происходит плавление стенок и под давлением паров выброс материала (рис. 2).

В подобных лазерных системах технологической обработки материалов одной из актуальных является задача установки и удержания обрабатываемой поверхности в фокусе выходного объектива. В настоящее время для этих целей применяются методы, основанные на триангуляционном принципе измерения расстояния или использовании двух-трех полупроводниковых лазеров видимого диапазона, лучи которых пересекаются в точке фокуса объектива. При относительно хорошей точности фокусировки (15–25 мкм при глубине фокуса технологического лазера 200–300 мкм) недостатком триангуляционного метода является необходимость формирования равномерного распределения интенсивности излучения в луче дополнительного лазера. Этот метод практически используется только для плоских поверхностей и непригоден в случае наведения на объекты с шероховатостью поверхности больше глубины фокуса технологического лазера. Погрешность метода фокусировки, основанного на визуальном сведении лучей дополнительных лазеров в одну точку, зависит от остроты зрения оператора, она составляет порядка 100–500 мкм.

В разрабатываемых сейчас лазерных установках изображение обрабатываемой поверхности формируется тем же объективом, который фокусирует лазерный луч. Это позволяет совместить процесс точного наведения на фокус технологического лазера с получением резкого изображения. Такое решение исключает необходимость использования дополнительных полупроводниковых лазеров, что повышает технологичность лазерных систем. Кроме того, оно позволяет повысить точность наведения фокуса на сильно шероховатую поверхность.

Для решения задачи фокусировки лазерного излучения на криволинейную обрабатываемую поверхность и удержания фокуса в процессе обработки нами был предложен и реализован метод, основанный на возбуждении акустического излучения, генерируемого при взаимодействии оптического излучения с веществом (рис. 3).

Абсолютная погрешность измерения расстояния опто-акустическим методом, реализованным на экспериментальной установке, составила 40 мкм, относительная — 1,4%.

Широкое внедрение лазерных технологий размерной обработки привело к необходимости управления параметрами лазеров непосредственно во время технологического процесса. Для этого необходимо знание точного состава обрабатываемого материала. Для решения этой задачи был разработан метод экспресс-анализа эмиссионных спектров, полученных при взаимодействии лазерного излучения с обрабатываемым изделием. Разработка аппаратной части экспресс-анализатора основывалась на максимальной простоте конструкции, что позволило повысить ее надежность. Реализация большинства функций при этом была перенесена в программное обеспечение, что дало возможность легко адаптировать прибор для работы с большинством стандартных сплавов.

Основу конструкции экспресс-анализатора составляет спектрометр с дополнительной видеосистемой наведения на участок взаимодействия лазерного излучения с поверхностью изделия. В качестве источника излучения используются иттербиевые волоконные лазеры, генерирующие на длине волны 1,06 мкм, с энергией импульса около 0,5 мДж и длительностью 80 нс, работающие в импульсно-периодическом режиме с регулируемой частотой импульсов 10–100 кГц. В качестве фотоприемника использовалась линейка ПЗС TCD 1304DG фирмы Toshiba с 3648 фотоэлементами размерами 8 х 200 мкм. С учетом того, что в качестве диспергируещего элемента в приборе использована решетка 100 штр/мм, рабочий диапазон спектрометра составил 360–720 нм, а спектральное разрешение 1 А/pix.

Данная система прошла апробацию при анализе изделий из сплавов драгоценных металлов. Эмпирическим путем в эмиссионном спектре золота были выбраны 19 линий, на основании которых проводились измерения концентрации: 406.67, 431.78, 443.95, 448.90, 460.81, 479.40, 481.19, 506.36, 523.00, 565.72, 583.86, 586.25, 595.83, 605.81, 624.61, 627.85, 646.10, 710.98, 717.48 нм (рис. 4).

Погрешность измерения составила от 0,8% на образцах с содержанием золота более 75% до 2,5% на образцах с содержанием золота 40–60%, что достаточно для проведения контроля содержания основного металла в сплаве. Время регистрации спектра и его анализа при этом не превышало 2 секунд; диаметр образующегося в образце кратера составлял 20–30 мкм, а его глубина — 10–30 мкм в зависимости от вида сплава.

В представленной работе мы рассмотрели только некоторые задачи, решаемые лазерами в промышленном производстве. Постоянное совершенствование технологий, доступность и экономическая эффективность лазерного оборудования будут в дальнейшем определять широкое практическое применение этой техники в промышленности.

ООО «Альт лазер»

61085, УКРАИНА, г.Харьков, ул.Академика Проскуры, 12
Тел.: +380 (57) 720-33-21, тел./факс: +380 (57) 720-37-43
E-mail: altlaser@altlaser.com, сайт: http://altlaser.com/

Рекламодатели

Партнёры

Новостная рассылка

Будьте в курсе наших последних новостей. Оформите бесплатно персональную новостную рассылку.