Физические процессы при лазерной размерной обработке металлов излучением импульсно-периодических СО2 лазеров тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

Московский ордена Трудового Красного Знамени Физико-Технический Институт

На правах рукописи

УДК 621.373

Долгов Владимир Анатольевич

Физические процессы при лазерной размерной обработке металлов излучением импульсно-периодических С02 лазеров

01.04.03. - радиофизика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва 1991

N

Работа выполнена в Отделе импульсных процессов Трс кого Института инновационных и термоядерных исследован

Научные руководители: доктор физико-математических наур

Д.Д.Малюта

канДидат физико-математических ш А.Ю.Себрант

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук В.ВЛиханский, ТРИНИТИ кандидат физико-математических наук Т.В.Тулайкова, ИСФ АН СССР

Ведущая организация: Институт проблем безопасносого ра;

тия атомной энергетики АН СССР

Защита состоится / 2. 1991 г. в //часов на заседании ( циализированного Совета К.063.91.09 Московского Физико-' нического Института по адресу: Москва, ул. Профсоюз; д.84/32, к. В-2.

Отзывы направлять по адресу: 141700, Московская обл., г. До; прудный, Институтский пер., д. 9, МФТИ, Специализирован! Совет К.063.91.09.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Институт Автореферат разослан _1991 г.

Ученый секретарь Специализированного Совета К.063.91.09, кандидат технических наук Н.П.Чубинс

^Общая характеристика работы. ^Актуальность темы. Мощные газовые лазеры, в частности, 32 лазеры, нашли применение для промышленной обработки сериалов вскоре после их появления. Это связано с такими их ойствами как простота конструкции и надежность, а также пкие затраты на поддержание функционирования. В послед-:е время был разработан новый тип С02 лазеров - импульсно-:риодические, сочетающие в себе достоинства импульсных ысокая пиковая мощность) и непрерывных (средняя мощ->сть) с частотами повторения до 1 кГц и энергией в импульсе 1 ; Дж при длительности импульсов 5 -100 мкс.

Именно с помощью ИП СС>2 лазеров были достигнуты опре-ленные результаты в таких областях лазерной размерной обмотки материалов как сверление, сварка, резка металлов и ди-[ектриков, напыление сверхпроводящих керамических пле-ж, получение легированных слоев, аморфизация поверхности.

Исследование разнообразных физических процессов, проте-нощих при размерной обработке материалов, в частности, гид-щинамики расплава при плавлении и испарении мишени и 1звития плазмы низкопор^гового оптического пробоя, необхо-1МО как для построения теоретических моделей, так и для вы-[ботки рекомендаций для чисто практических применений П С02 лазеров.

Цель работы заключалась в проведении экспериментов по рификации существующих теоретических моделей различ-лх процессов и экспериментальному определению закономер->стей ИП лазерной обработки материалов, исследованию оп-[ческих свойств плазмы пробоя и обратной связи, развиваю-ейся в системе "лазер - мишень" в режимах лазерной обработ-I. Все вышеуказанные явления существенным образом опре-

деляют результат взаимодействия лазерного излучения с > шеныо.

В работе были поставлены и решены следующие задачи:

-экспериментальное исследование процесса удален расплава при лазерном сверлении короткими лазерны импульсами, в том числе комбинированным излучени двух импульсных лазеров различной длительности;

- изучение влияния средней мощности лазерного излу ния на процессы сверления в импульсно-периодическом жиме;

-определение влияния плазмы низкопорогового огг ческого пробоя на процессы лазерного сверления металл и исследование оптических свойств плазмы НОП;

- исследование процесса установления обратной связ* системе "лазер - мишень" при лазерной обработке матер! лов и изучение влияния обратной связи на пространств« но-временные характеристики лазерного луча.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Эффективность лазерного сверления металлов при комЕ нированном воздействии на поверхность двумя лазерными и пульсами различной длительности увеличивается по срав! ншо с эффективностью каждого из них.

2. Определены экспериментальные закономерности удаг ния материала при импульсно-периодическом режиме лазери го сверления. Эффективность сверления металлов с низкой те лопроводностью увеличивается по сравнению с моноимпул сным режимом из-за роста времени жизни расплава.

3. Наличие плазмы низкопорогового оптического проб( приводит к изменению скорости роста кривой удельного выно от энергии импульса в области низких энергий (эффект "рг

[лывания" порога сверления), что позволяет эффективно управ-:ять результатами сверления.

4. Зависимости частоты осцилляций мощности лазерного [злучения от режима облучения при возникновении обратной вязи в системе "лазер - мишень" в процессах лазерной обработ-и материалов. Амплитуда колебаний мощности резко возрас-ает при приближении к резонансной частоте лазера.

5. Впервые получены экспериментальные доказательства лияния обратной связи на динамику развития плазмы низко-юрогового оптического пробоя и оптические свойства плазмы.

Научная новизна. В результате проведенных экспериментов сследована гидродинамика удаления расплава металлов при азерном сверлении двумя лазерными импульсами различной лительности; установлено влияние импульсно-периодического ежима облучения металлов на процесс лазерного сверления; кспериментально доказано, что процессы рефракции в плазме робоя не оказывают существенного влияния на процесс лазер-ого сверления металлов; исследованы процессы обратной свя-и при лазерной обработке материалов и их влияние на условия азвития плазмы НОП; экспериментально и с помощью чис-енной модели показано, что обратная связь существенным об-азом искажает пространственно-временное распределение изучения лазера; продемонстрировано, что эти искажения могут ущественным образом влиять на режимы развития факела изкопорогового оптического пробоя и изменять оптические войства плазмы.

Практическая ценность. Полученные данные могут быть ис-ользованы для оптимизации процессов размерной обработки [атериалов, в частности етперстий малого диаметра и сверле-ия металлов в ИП режиме и для построения физических моде-ей этих процессов. Результаты могут быть использованы при

5

создании новых ИП С02 лазеров, предназначенных для лазе ной обработки материалов.

Апробация работы. Основные результаты работы доклад! вались на конференции по лазерам и электрооптике (СИ1 1984г., 1988 и 1990 гг.), Межотраслевой научно-технической ко ференции "Взаимодействие излучения, плазменных и электро ных потоков с веществом" (Протвино, 1984 г., Фрунзе, 1990), Вс союзной конференции "Применение лазеров в народном хозя стве" (Звенигород, 1985), VIII Всесоюзной конференции по вз имодействию оптического излучения с веществом (Ленингрг 1990 г.), Международной конференции "Ьа5ег5'90" (Волгари 1990), XIV Международной конференции по когерентной и нел нейной оптике (Ленинград, 1991 г.), семинарах ФИАЭ и ИАЭ и И.В.Курчатова и МФТИ.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано печатных работ, включая 3 тезиса докладов на конференциях.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит ] Введения, четырех Глав и Заключения; изложена на 150 стран цах, включая 59 рисунков, содержит список литературы из 1 наименований.

Содержание работы

Во Введении обоснована актуальность темы, изложены цeJ работы, основные результаты, защищаемые положения. В пе вом параграфе дается представление об основных физичесю процессах, протекающих при лазерной обработке материалов современный уровень представления о них. Во втором парагр фе сформулированы конкретные задачи диссертации.

Первая Глава посвящена описанию установок, на котор! выполнялись эксперименты, и набора диагностик, примеш шихся при работе. Приводится описание системы автоматич« кого сбора информации на базе персонального компьютера

б

юграммного обеспечения, созданного для обработки и интер-эетации экспериментальных данных. Описана методика ис-[едования пространственно-временной структуры излучения Э2 лазера с помощью зеркальной лупы времени и результаты •-следования изменения расходимости в процессе генерации шучения импульсного лазера с длительностью импульса по-щка 60 мкс. Отмечается, что была создана методика для наб-одения влияния обратной связи, возникающей в системе "ла-р - мишень" на развитие плазмы приповерхностного пробоя и I пространственно-временное распределение излучения на ишени в процессе лазерной обработки.

Вторая Глава, "Экспериментальное моделировние гидродина-1ки удаления расплава в импульсном и импульсно-периодическом жимах взаимодействия", посвящена экспериментальному ис-[едованию закономерностей выноса материала при лазерном ¡ерлении металлов в импульсном и ИП режимах воздействия.

В разделе 2.1 дан обзор теоретических моделей лазерного ¡ерлеция материалов и экспериментальных исследований по (учению гидродинамики удаления расплава при лазерном 1ерлении, проведенных к настоящему моменту.

Раздел 2.2 посвящен описанию экспериментов по изучению юцессов удаления при сверлении короткими лазерными им-гльсами. В середине 70-х годов были проведены первые экспе-шенты по сверлению металлов и керамик комбинированным шучением непрерывного и импульсного лазера. Аналогичные ;сперименты, выполненные с двумя импульсными лазерами )Зволяют, с одной стороны, оптимизировать форму импульса - с другой стороны - проверить теоретические представления о [дродинамике расплава при сверлении металлов импульсным верным излучением. Эксперименты, выполненные с рубино-|1М и С02 лазером и двумя С02 лазерами продемонстрировали

7

существенное увеличение эффективности процесса и подт! дили теоретическую модель.

В разделе 2.3 представлены результаты экспериментов исследованию ИП режима лазерного сверления металлов. ! фективность сверления железного образца с температу] поверхности, близкой к Тпл, была примерно в 2 раза выше,1 для холодного. Исследования импульсно-периодического ре ма сверления проводились при одинаковой средней мощно излучения, причем в луче устанавливался прерыватель, отк вавшийся на одинаковое время, так что суммарная энергия, дающая на образец, была одинакова. Результаты эксперимен показали, что для металлов с высокой температуропрово^ стью (медь, молибден) кривая изменения глубины сверлен» возрастанием частоты повторения выглядит, как зависимс глубины сверления от энергии импульса, в то время как для разца с низкой температуропроводностью (сталь) глубина ci ления растет с частотой повторения импульсов.

Результаты экспериментов по исследованию режима пг кого проплавления ИП лазерным излучением подтвердили ' ретические представления и продемонстрировали существен снижение энергозатрат по сравнению с непрерывным режим

В конце Главы представлены выводы.

Третья Глава, "Оптические свойства плазмы пробоя и их < яние на результаты взаимодействия", содержит результаты экспериментальному исследованию влияния факела пробоя пространственно-временное распределение излучения на noi хности мишени и изменению эффективности сверления в зг симости от плотности плазмы пробоя.

В разделе 3.1 приведен обзор литературы, описаны ста, развития светодетонационной волны и результаты эксперик тов по исследованию характеристик плазмы пробоя. Отмеч;

8

ся, что до настоящего времени не установлена зависимость результатов взаимодействия лазерного излучения с металлами от свойств плазмы пробоя.

В разделе 3.2 приведены результаты экспериментов по исследованию пропускания плазмы пробоя и экранировки мишени в зависимости от давления окружающего мишень воздуха и условий развития плазмы (при ограничении разлета в глубоких кавернах и на свободной поверхности). Приведены кривые изменения прозрачности плазмы в течение импульса при различных экспериментальных условиях, прозрачности плазмы пробоя и времени экранировки мишени от давления. Показано, что с увеличением давления окружающей мишень атмосферы поглощение в плазме и длительность экранировки растут.

Следующий раздел содержит результаты экспериментов по исследованию рефракционных свойств плазмы в зависимости от плотности окружающей атмосферы. Отмечается, что для данных экспериментальных условий при давлениях воздуха свыше 1 атм наблюдается дефокусировка пучка как целого, без возникновения неоднородностей интенсивности с масштабом, меньшим характерного радиуса луча. При наличии каверны, в которой разлет плазмы ограничивался стенками, дефокусировка в приповерхностном пробое, по-видимому, компенсировалась фокусировкой излучения в плазме, развивающейся в канале.

В разделе 3.4 приведены экспериментальные результаты по сверлению стальных образцов в зависимости от давления воздуха в диапазоне 0 - 3,5 атм для двух значений длительности импульса. Отмечается, что при увеличении давления и диаметр отверстия, и удельный вынос существенно уменьшаются. Эксперименты по сверлению материала при наличии плазмы пробоя и в отсутствие ее показали, что наличие плазмы пробоя приводит в области малых энергий импульса к уменьшению порога свер-

9

ления, что дает возможность более плавно регулировать диаметр отверстия при сверлении отверстий малого диаметра. Была проведена прямая проверка влияния рефракционных свойств плазмы на результат взаимодействия. Сверление стальной мишени при давлении окружающего воздуха 2,25 атм и в вакууме с энергией, равной прошедшей к мишени энергией привели к образованию отверстий одинакового диаметра.

В конце Главы сформулированы выводы.

Четвертая Глава, "Обратная связь в системе "лазер - мишень" в процессах лазерной обработки материалов", посвящена экспериментальному исследованию физических процессов, приводящих к нарушению параметров излучения лазера при размерной обработке металлов.

В начале Главы приведен обзор литературы и обоснована актуальность данной проблемы в задачах лазерной обработки материалов. Отмечено, что ранее в литературе описывались эффекты влияния мишени на генерацию С02 лазеров миллисе-кундной длительности, причем в экспериментах регистрировались существенные искажения пространственно-временного распределения излучения при возникновении такого рода обратной связи. Далее выделяются три основных механизма, ко?о-рые могут приводить к возникновению обратной связи при использовании TEA С02 лазеров: отражение от понижающегося дна каверны в режиме лазерного сверления; отражение от фронта плазмы, распространяющегося навстречу лазерному излучению; прохождение излучения через полупрозрачную плазму с переменной оптической длиной и отражение от расположенной за ней неподвижной поверхности образца. Приводятся оценки для частот осцилляций интенсивности излучения лазера, вызываемые каждым из механизмов. Делается вывод о том, что при

лазерной размерной обработке материалов второй механизм будет доминирующим.

В разделе 4.2 приведена схема эксперимента по исследованию обратной связи. Созданная методика позволяла одновременно наблюдать влияние обратной связи, возникающей в системе "лазер - мишень" на процессы развития плазмы приповерхностного пробоя и влияние плазмы пробоя на пространственно-временное распределение излучения на поверхности мишени.

Для количественных характеристик глубины модуляции излучения при обратной связи было предложено использовать соотношение |(I-Io)/Iol, ще I - амплитуда модулированного сигнала, Ц - амплитуда невозмущенного сигнала. При этом численной характеристикой глубины модуляции в конкретном импульсе считался максимум этой величины, достигнутый в интервале 1,5 мкс < t < 5 мкс, где время t отсчитывалось с начала импульса.

В разделах 4.3 - 4.4 приведены экспериментальные результаты наблюдения осцилляций интенсивности излучения импульсного TEA С02 лазера с длительностью импульса 8 мкс при двух типах резонатора - неустойчивом и устойчивом. Осцилляции интенсивности с частотами до 10 МГц всеща начинались с момента времени t > Ц, ще t3 - время экранировки мишени плазмой пробоя. Частота колебаний спадает с течением импульса. Амплитуда колебаний для неустойчивого резонатора выше, чем цля устойчивого. При определенных экспериментальных условиях колебания интенсивности оказываются достаточно большими и вызывают развитие вторичных пробоев за фронтом ударной волны после распада комплекса СДВ. При возникновении такого рода вторичных пробоев прозрачность плазмы про-эоя резко падает. Амплитуда колебаний спадает по мере углуб-

11

ления каверны в режиме лазерного сверления, причем тенден ция снижения амплитуды обратной связи меньше для неусгой чивого резонатора.

В разделе 4.5 представлены результаты исследовани: влияния обратной связи на пространственные характеристик] излучения. При использовании устойчивого резонатора уже пр| воздействии излучением на мишень в вакууме в распределенш появляются "крылья", существующие в течение всего импульс; генерации. Полная энергия при этом возрастает примерно н; 15%. Это объясняется, по-видимому, изменением модовой стру ктуры образующегося трехзеркалыюго резонатора. Для случа! неустойчивого резонатора при использовании пространственно го фильтра распределение в пятне не изменялось, при устране нии пространственного фильтра в распределении появляета заметный внеосевой максимум.

В разделе 4.6 приведены результаты компьтерного модели рования обратной связи в системе "лазер - мишень". В задаче ре шалась система балансных уравнений Статца - де Марса для ре зонатора с периодически изменяющейся добротностью. Резуль таты численного моделирования достаточно хорошо совпали < экспериментальными данными. Решение однородной системь в окрестности стационарного решения дает собственную частот резонатора и ее изменение в течение импульса. Из сопостав ления экспериментальных данных с результатами моделирова ния видно, что амплитуда обратной связи резко возрастает пр| приближении частоты осцилляций мощности к собственно! частоте

В конце Главы приведены выводы.

В Заключении сформулированы основные результаты рабо ты, которые сводятся к следующему:

1. Экспериментально установлено, что эффективность лазерного сверления металлов в импульсно-периодическом режиме существенно превышает эффективность сверления в моноимпульсном режиме воздействия за счет увеличения времени жизни расплава. Влияние нагрева за счет средней мощности проявляется сильнее для металлов с низкой температуропроводностью.

2. Изменение оптических свойств плазмы низкопорогового оптического пробоя путем варьирования давления окружающей мишень атмосферы позволяет эффективно регулировать параметры отверстий при лазерном сверлении металлов.

5. В области низких энергий импульса кривая удельного выноса материала имеет более плавную зависимость при поджиге плазмы низкопорогового оптического пробоя, по сравнению с кри-зой удельного выноса материала при сверлении в вакууме. Это )бстоятельство позволяет получать отверстия малого диаметра 5ез изменения оптической системы.

к Впервые проведено экспериментальное исследование обрат-юй связи в системе "лазер - мишень" для излучения TEA С02 газеров. Установлены три механизма, приводящие к возникно-1ениго такого рода обратной связи. Показано, что наиболее су-цественные искажения формы импульса падающего на ми-иень излучения вызываются возбуждением факела пробоя в гае у поверхности мишени.

'. Экспериментально и с помощью предложенной численной юдели исследована зависимость глубины модуляции мощнос-и лазерного импульса от параметров эксперимента (наклон шшени, сорт и давление газа). Показано, что амплитуда коле-аний мощности резко возрастает при приближении частоты олебаний к резонансной частоте лазера (это происходит в неотором интервале давлений окружающего газа). Получено

удовлетворительное количественное согласие между экспери ментальными данными и результатами численных расчетов. 6. Экспериментально показано, что искажения временной фор мы импульса, возникающие в результате развития обратно! связи, могут приводить к увеличению пиковой мощности излу чения, достаточной для создания вторичных пробоев за фрон том ударной волны и, таким образом, изменять эффективно* пропускание плазмы приповерхностного пробоя и пространст венное распределение излучения на поверхности мишени.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. В.НАписимов, Р.ВАрутюнян, В.КХБаранов, JIА.Большое Е.П.Велихов, ВАДолгов и др. Обработка материалов импульс но-периодическими эксимерными и С02-лазерами. Преприн ИАЭ-3929/9. М., 1984.24 сс.

2. В.Ю.Баранов, ВАДолгов, Д.Д.Малюта, В.СМежевов, В.В.Се мак. О влиянии мишени на генерацию импульсного С02 лазер микросекундной длительности. Квантовая электроника, 198' т. 14, N 12,2489 - 2491.

3. Р.ВАрутюнян, В.Ю.Баранов, ЛА.Болынов, И.В.Бобко! ВАДолгов и др. Влияние плазмы приповерхностного пробо на процессы сверления металлов излучением импульсных СО лазеров. КвантЬвая электроника, т. 15, N 3,1988, сс.539 - 543.

4. В.НАнисимЬв, В.Ю.Баранов, О.Н.Деркач, ВАДолгов и Д1 Влияние мишени иа генерацию импульсного С02 лазера микрс секундной длительности. Препринт ИАЭ 5234/7. М., 1990,20 сс.

5. В.НАнисимов, В.Ю.Баранов, О.Н.Деркач, ВАДолгов и др. И: менение пространственно-временных характеристик излучени TEA С02 лазера микросекундной длительности при лазерно обработке материалов. Квантовая электроника, т. 17, N 12, 1991 сс. 1590 -1592.

6. V.NAnisimov, R.VArutyunyan, V.Yu.Baranov, LA.Bolshw, E.P.Ve-likhov, VA.Dolgov et al. Materials processing by high-repetition-rate pulsed excimer and carbon dioxide lasers. Applied Optics, v. 23, n.l, 1984, pp. 18-25.

7. Р.ВАрутюнян, В.Ю.Барапов, Л АБолыиов, А.Н.Горленков, ВА.Долгов, В.С.Межевов. Вынос материала твердой мишени при комбинированном воздействии двух лазерных импульсов различной длительности. Квантовая электроника, т. 11, N б, 1984, сс. 1220-1224.

8. Р.ВАрутюнян, В.Ю.Баранов, ЛАБольшов, ВАДолгов и др. Закономерности выноса массы в импульсном, комбинированном, импульсно-периодическом режиме лазерного сверления. В кн.: Тез. докл. Межотраслевой конф. Взаимодействие излучения, плазменных и электронных потоков с веществом, Москва, 21 -24 февраля 1984 г. М.: ЦНИИатоминформ, 1984. Сс. 88-89.

9. В.Ю.Баранов, О.Н.Деркач, ВА.Долгов и др. Изменение режима генерации импульсного С02 лазера под действием сигнала, отраженного от образца. В кн.: Тез. докл. XIV Междунар. конф. по когерентн. и нелинейной оптике, Ленинград, октябрь 1991. Л., 1991, т. 2, сс. 53-54.

10. V.Yu.Baranov, O.N.Derkach, VA.Dolgov et al. The influence of a plasma plume produced in a gas near the surface of a target on the oscillation of TEA C02 laser. Laser Physics, 1991, v.l, n.3, pp. 61-70.

11. Р.ВАрутюнян, В.Ю.Баранов, ЛА.Большов, В.В.Витюков, ВАДолгов и др. Особенности глубокого проплавления лазерным излучением в импульсно-периодическом режиме. В кн.: Тез. докл. Межотраслевой конф. Взаимодействие излучения, плазменных и электронных потоков с веществом, Москва, 21 -24 февраля 1984 г. М.: ЦНИИатоминформ, 1984. Сс. 93-94.