Механизм формирования микрогеометрии поверхности при воздействии импульсного лазерного излучения Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

WflllOOK

УДК 621.9.048

Механизм формирования микрогеометрии поверхности при воздействии импульсного лазерного излучения

С. А. Кочергин, Ю. А. Моргунов, Б. П. Саушкин

На основе представления поверхности вдоль трассы измерения в виде разложения соответствующей функции в ряд Фурье выделены первичные погрешности, наложение которых формирует микрогеометрию поверхности при импульсном лазерном фрезеровании, и выявлены причины, их порождающие. Сформулирована и экспериментально подтверждена физическая модель формирования микрогеометрии поверхности при импульсном лазерном фрезеровании.

Ключевые слова: газовый подшипник, ионное травление, аэродинамический профиль, соприкасающиеся плоскости.

Введение

Наряду с технологиями лазерной резки и прошивки отверстий в машино- и приборостроении все шире применяют операции лазерного фрезерования, гравирования, маркирования для получения точных геометрических элементов детали путем удаления с поверхности регламентированного припуска [1—4]. Для этих операций используют преимущественно импульсный режим лазерного излучения, позволяющий локально реализовать высокие значения плотности потока мощности [4, 5]. В результате лазерной обработки формируется топография поверхности, этот процесс пока еще недостаточно изучен.

На первом этапе исследований изучалась геометрия единичных лунок в целях выявления влияния параметров режима на объем и линейные параметры лунки. Основные результаты этого исследования представлены в работе [6].

На втором этапе, результаты которого обсуждаются в настоящей работе, рассматривалось влияние параметров режима на микрогеометрию поверхности. На базе экспериментальных данных предложена и обоснована модель формирования микрогеометрии при лазерном фрезеровании.

При проведении экспериментов применяли волоконный лазер фирмы IPG с максимальной средней мощностью 50 Вт. Световое пятно диаметром 50 мкм перемещалось сканирующей головкой Scan LAB. Поперечная подача составляла 45 мкм на один рабочий ход, т. е. коэффициент перекрытия между строками равнялся 0,9. На плоских пластинах из технически чистого титана ВТ1-0 и коррозионно-стойкой стали 12Х18Н10Т обрабатывали площадки размерами 4 X 6 мм при различных параметрах режима.

Топографию поверхности каждой из площадок анализировали с помощью оптического (Olympus BX51) и электронного (Phenom G2 pro) микроскопов и получали количественную оценку параметров микрометрии. Полученные данные сопоставляли с результатами измерения шероховатости на профилографе-профи-лометре TR200.

В качестве варьируемых параметров режима принимали энергию импульса, частоту следования импульсов и скорость сканирования светового пятна. Результаты экспериментов сравнивали с данными теоретических расчетов, выполненных в соответствии с тепло-физической моделью разрушения материала при взаимодействии с импульсным лазерным излучением [7].

МЕ^ППОО БРА БО Т КА

□ \_/и ЧЛ^У ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ

Геометрическая модель формирования микрогеометрии при суперпозиции единичных лунок

Выполним анализ генерации микрогеометрии поверхности при сканировании светового пятна на основе модели формирования единичной лунки. Пусть световое пятно диаметром йп сканирует по поверхности со скоростью ип, средняя мощность излучения — Р, длительность импульса - ти, частота следования импульсов — f.

Энергия импульса в этом случае рассчитывается по формуле

= РЦ.

(1)

Расстояние, на которое сместится центр светового пятна за время импульса ти,

кому режиму обработки, при котором съем материала осуществляется преимущественно по механизму испарения. Для расчета высотного параметра микрогеометрии И2 воспользуемся следующими соображениями. Примем, что диаметр лунки равен диаметру светового пятна: йл = йп, О1О2 = а, тогда глубина лунки Кл, представленной в виде шарового сегмента, определяется по выражению

о, ой2

К = 3 в 2

л + 3 _

ой2

+

с = ^ т и 9ср А 4Р; в = ^1 _ ^

(4)

Воспользовавшись рис. 1, находим из геометрических соображений отрезок CD, равный высоте неровностей И°:

Ч = »пТ

(2)

Если выполняется условие в! << йп, то результат формирования одной строчки микролунок можно представить, как это показано на рис. 1.

При длительности импульса 100 нс и скорости сканирования от 1 до 10 м/с находим, что смещение центра светового пятна лежит в пределах 0,1-1 мкм. При диаметре светового пятна 50 мкм сформулированное выше условие выполняется и постановка задачи правомерна.

Считая, что длительность импульсов много меньше периода их следования, представим расстояние между центрами двух последовательных световых пятен

»л

(3)

Схема на рис. 1 отражает характер пересечения идеальных лунок, что соответствует там

01 А в 02

>

Ь Б

Рис. 1. Идеальная модель формирования микрогеометрии при суперпозиции лунок

И0 = ^л И 2

А

4 Н„

(5)

В результате гидромеханических процессов жидкая фаза на периферии светового пятна вытесняется из лунки, образуя валик. В этом случае высота неровностей увеличивается на высоту валика Кв, которую можно приблизительно рассчитать по формуле

К =

2т

ж

П2 рйл

= И1,

(6)

где тж — масса жидкой фазы, образовавшейся при формировании лунки.

Тогда высотный параметр шероховатости

= И0 + И

2 •

(7)

Таким образом, при наличии жидкой фазы вдоль строчки лунок формируется регулярный микрорельеф с высотой микронеровностей, определяемой уравнением (7), и с шагом по вершинам £в = а.

При обработке протяженных поверхностей в режиме фрезерования путем построчного сканирования выделенной площадки с размерами А и В микрогеометрия формируется путем суперпозиции отдельных лунок. Характер

а

сетки лунок, генерируемых на поверхности, определяется значениями продольной и поперечной подач инструмента (светового пятна) и частотой следования импульсов. В нашем случае продольная подача — это скорость сканирования луча V (мм/с), а поперечная — смещение светового пятна на расстояние, равное заданному шагу между строчками 8 (мм/ход луча). Заданная глубина гравировки Н = где п — число последовательно снятых слоев; 21 — припуск, соответствующий одному слою.

Очевидно, выбор конкретных значений ¿л, Нл, а, V, 8 формирует сетку лунок в пределах одного слоя и определяет микрогеометрию поверхности этого слоя. При последовательном удалении нескольких слоев при прочих равных условиях конечная микрогеометрия обработанной поверхности зависит также от смещения сеток лунок двух соседних слоев друг относительно друга по осям X и У.

На рис. 2, а лунки, показанные тонкими сплошными линиями, расположены параллельными рядами без наложения (кп = 1) и сдвига отдельных строчек друг относительно

a)

Рис. 2. Схемы формирования микрогеометрии поверхности при различном расположении лунок

друга. В этом случае на поверхности образуются теневые зоны в форме криволинейных ромбов abcd. Для удаления материала из этих зон повторный проход осуществляют со сдвигом осей светового пятна на расстояние d^2 по осям X и Y (штриховые линии). Из рисунка следует, что при такой схеме обработки формируются локальные выступы в точках d, c, e, f и их геометрических аналогах.

Следовательно, третий проход нужно осуществлять таким образом, чтобы указанные точки совместить с центром светового пятна. Для этого сетку световых пятен на третьем проходе следует сместить по оси Y на расстояние d<n/2. Такая стратегия обеспечит формирование микрогеометрии с минимальным высотным параметром слоя.

На рис. 2, б показана схема генерации микрогеометрии при наложении световых пятен в пределах одного слоя. В этом случае горизонтальные строки сдвинуты на расстояние d^2 по оси Y. Формируются теневые зоны в виде криволинейных ромбов меньшей площади. Второй проход производим, совмещая центр светового пятна с центром криволинейного ромба, как и в первом случае. В реальных условиях граница между последовательно образующимися лунками представляет собой след кристаллизации валика жидкой фазы.

Влияние выброса жидкой фазы

на шероховатость поверхности

Если плотность потока мощности велика, то возможен отрыв движущейся под действием отдачи парового факела жидкости в виде единичного фрагмента — капли. На элементарный объем жидкости, находящейся в точке А, действуют сила обусловленная давлением, вызываемым выбросом факела паров, сила вязкого трения, учитывающая межмолекулярное взаимодействие в жидкости, и гравитационная сила (рис. 3). Если рассматриваемый элементарный объем жидкости находится на границе фронта перемещающейся жидкости, т. е. имеет межфазную границу, то на него действует также сила поверхностного натяжения ^пн. Полагая, что поток жидкости двигается по касательной к профилю лунки, формируемой в твердой фазе, условие отрыва

Факел паров

Рис. 3. Схема, поясняющая капельный выброс жидкой фазы

элементарного объема жидкости можно представить в виде

ЯРсовф> *Г + (+ *П.н)С08ф.

(8)

Несмотря на упрощенный характер рассматриваемой модели, из последнего выражения можно сделать качественный вывод о том, что образование капель при выбросе расплава из лунки тем вероятнее, чем меньше плотность расплава и внутреннее трение, ниже поверхностное натяжение и выше давление в жидкости, создаваемое при выбросе парового факела.

Рассмотренный выше механизм выброса жидкой фазы в капельном состоянии указывает на еще одну причину формирования первичной составляющей микрогеометрии. В целях ее идентификации изучали микрогеометрию поверхностного слоя при обработке образцов серией импульсов на режимах с различными значениями мощности (Рср = 5 ■ 50 Вт), скорости перемещения фокального пятна (от 500 до 7000 мм/с) и частоты следования импульсов (/ = 20 ■ 100 кГц). Обработанные поверхности обмеряли на оптическом и электронном микроскопах, профилографе-профи-лометре, а полученные данные статистически обрабатывали. Показано, что в окрестностях лунки на расстоянии, не превышающем ее диаметр, на поверхности наблюдаются сфе-рообразные микровыступы, сформированные в результате выброса и последующего остывания капель расплава (рис. 4). Данные получены при следующих условиях: Р = 20 Вт, / = 100 кГц, ти = 100 нс.

Видно, что при прочих равных условиях размеры таких микронеровностей и характер выброса жидкой фазы зависят от материала заготовки. На титане формируется ярко выраженный валик, а кристаллизовавшиеся капли расплава имеют сферическую форму со средним размером 3,2 мкм.

На стали валик выражен в меньшей степени, слой кристаллизовавшейся жидкой фазы как бы размазан по поверхности. Средний размер частиц кристаллизовавшегося расплава составляет 2 мкм.

Расчеты показывают, что при прочих равных условиях средний диаметр стальных частиц в 1,6 раза меньше, чем титановых. Выше отмечалось, что теплофизические характеристики исследуемых материалов очень близки. По-видимому, отмеченные особенности выброса материала в капельно-жидком состоянии объясняются различиями физических свойств расплавов стали и титанового сплава: вязкости и поверхностного натяжения. Действительно, значения поверхностного натяжения расплавов стали 12Х18Н10Т и титанового сплава равны соответственно 1,85 и 1,6 Н/м.

Влияние средней мощности излучения на параметры, характеризующие выброс продуктов разрушения материала в капельно-жид-кой фазе, представлено данными табл. 1.

Видно, что повышение мощности излучения приводит к увеличению числа каплевидных продуктов разрушения в окрестностях лунки и снижению средних размеров капли. Это, по-видимому, связано с увеличением энергии, затрачиваемой на гидромеханический эффект лункообразования, и снижением поверхностного натяжения жидкой фазы в ре-

а)

б)

Рис. 4. Выброс материалов 12Х18Н10Т (а) и ВТ1-0 (б) в капельно-жидком состоянии за пределы лунки

й

л

Таблица 1

Среднее количество и средний диаметр капель жидкости в окрестностях лунки

Средняя мощность, Вт Среднее количество капель Средний диаметр капель, мкм

ВТ1-0 12Х18Н10Т ВТ1-0 12Х18Н10Т

50 35±5 40±5 1,5±1,2 1,4±1,0

40 32±5 35±5 2,2±1,6 1,6±1,4

30 22±5 30±5 2,0±1,4 1,5±1,4

20 15±5 20±5 3,0±1,5 2,0±1,5

П р и м е ч а н и е. Условия эксперимента: частота излучения 80 кГц, длительность импульса 100 нс, скорость перемещения 5000 мм/с.

зультате повышения температуры расплава.

Кроме единичных сферообразных выступов выброс жидкой фазы приводит к формированию струйных протяженных микронеровностей при растекании расплава (рис. 5). Высотный параметр таких струйных образований сопоставим с высотой отдельных капель и лежит в пределах 0,5-3 мкм.

Суммируя изложенное, отметим, что на поверхности образца в результате выброса и последующей кристаллизации жидкой фазы формируется первичная составляющая микрогеометрии в виде микровыступов со средним размером, зависящим от материала образца и энергетических параметров импульса излучения.

Влияние трещинообразования

на шероховатость поверхности

На рис. 6 показана сетка трещин, сформированная на поверхности образца, после обработки на следующем режиме: мощность излучения 15 Вт, диаметр светового пятна 25 мкм, частота следования импульсов 80 кГц, скорость перемещения фокального пятна 700 мм/с, длительность импульса 100 нс. Обработку проводили при ku = 0,25 и шаге между строчками 15 мкм.

Расчеты показывают, что средняя плотность потока мощности в течение импульса составляет 4 • 108 Вт/см2. Малое значение коэффициента перекрытия приводит к многократному быстрому нагреву и охлаждению локальной области поверхностного слоя. По литературным данным [7], скорость нагрева и остывания микрообъема материала составляет 104-106 К/с — в зависимости от интенсивности источника теплоты и свойств мате-

риала. Совокупность вышеназванных причин приводит к возникновению в тонком поверхностном слое напряжений растяжения, значения которых превышают предел прочности, что и вызывает появление трещин.

Анализ микрошлифов показал, что ширина такой трещины 0,5 ± 0,1 мкм, а глубина достигает 5-10 мкм. Наличие сетки трещин обусловливает появление на поверхности дефектного слоя, который подлежит удалению в случае, когда циклическая прочность выступает на первый план.

Рис. 5. Цепочка лунок с характерным струйным выбросом расплава, полученная на стальном образце при P = 50 Вт, f = 80 кГц, v = 5000 мм/с, а = 0,7 (х100)

Рис. 6. Сетка трещин, образовавшихся на поверхности образца из сплава ВТ1 (х1000)

Модель формирования микрогеометрии поверхности при лазерном фрезеровании

В итоговой табл. 2 представлены данные, поясняющие формирование различных первичных составляющих микрогеометрии поверхности при лазерном фрезеровании.

Известна общая модель формирования микрогеометрии поверхности в процессе технологического воздействия в результате наложения первичных микропрофилей, характеризующихся индивидуальным механизмом образования, формально вытекающим из возможности разложения любой сложной функции в ряд Фурье [8]. Исходя из этой модели первичный микропрофиль, генерируемый по механизму суперпозиции единичных лунок, представляет собой детерминированную компоненту микрогеометрии (табл. 2), описываемую функцией

У = А ооб (х + Ф0) + Ь,

(9)

где А — амплитуда (в нашем случае А = Нл); f — частота следования импульсов; х — ко-

ордината вдоль выбранной трассы измерения; V — скорость перемещения светового пятна; Ф0 — фазовый угол; Ь — координата базовой линии профиля в выбранной системе координат.

Из рис. 2 понятно, что параметры детерминированной компоненты (9) будут зависеть от направления, по которому анализируется или измеряется шероховатость.

Таким образом, можно полагать, что наложение гармоник типа 1 (табл. 2) формируют регулярную, детерминированную топографию поверхности. При высокой плотности потока мощности образующиеся единичные фрагменты жидкой фазы — капли формируют первую случайную компоненту микрорельефа (тип 2). При плотностях потока мощности 5 • 108 Вт/см2 проявляется случайная первичная составляющая микрогеометрии, обусловленная образованием микротрещин (тип 3). При формировании валика жидкая фаза растекается по поверхности и при застывании формирует ступенчатый профиль, создавая микропрофиль с высотным показателем второго порядка малости (тип 4).

В табл. 2 указаны также возможные причины формирования случайных микронеровно-

Таблица 2

Характеристика первичных микропрофилей, формирующихся при лазерной микрообработке

Тип Формируемый профиль Механизм образования Характер влияния на формирование микрогеометрии

1 0 — Суперпозиция лунок Детерминированная погрешность. Определяющее влияние

2 о* Выброс расплава в капель-но-жидкой фазе с последующей кристаллизацией Случайная погрешность. Дополнительное влияние

3 Зз Термоциклическая усталость. Быстрое остывание слоя расплава Случайная погрешность. Дополнительное влияние

) 1 V

4 З4. Выброс жидкой фазы с последующим послойным затвердеванием Случайная погрешность. Дополнительное влияние

5 Микронеровности с высотным показателем порядка 100 нм и менее Термокапиллярные процессы, термо- и плазмохимиче-ские реакции, поверхностные дефекты — дислокации и пр. Случайная погрешность. Дополнительное влияние

ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ

стей с высотой порядка 100 нм и ниже (тип 5). Первичные микропрофили типов 2-5 в совокупности формируют случайную компоненту микрогеометрии, которую можно представить случайной функцией вида У*(х).

Таким образом, учитывая сказанное, модель микрогеометрии поверхности при лазерной микрообработке может быть представлена выражением

Е = /№), У*(х)], (10)

где Е — высотный показатель микрогеометрии; У, У* — детерминированная и случайная компоненты; х — координата вдоль трассы измерения.

Заключение

В статье рассмотрен механизм формирования микрогеометрии поверхности при воздействии импульсного лазерного излучения. Рассмотрена геометрическая модель формирования микрогеометрии при суперпозиции единичных лунок, исследовано влияние выброса жидкой фазы и трещинообразования на шероховатость поверхности. На основе экспериментальных данных предложена модель

формирования микрогеометрии поверхности при лазерном фрезеровании.

Литература

1. Research on Laser Micromachining at Medical Stents Manufacturing / V. Kovalenko, J. Meijer, J. Yao [et al.] // Proceedings of ISEM-XVI'10 — International Symposium on Electro-Machining, 2010. P. 443-448.

2. Vasco J., Bartolo P. Processing Conditions of Laser Micro-Milling // Proceedings of ISEM XV'07 — International Symposium on Electro-Machining, 2007. P. 427-432.

3. Dobrev T., Pham D., Dimov S. A simulation model for crater formation in laser milling. Multi-Materials Micro Manufacture. Elsevier Ltd., 2005. P. 1-4.

4. Thermal and fluid processes of a thin melt zone during femtosecond laser ablation of glass: the formation of rims by single laser pulses / A. Ben-Yakar, A. Harkin, J. Ashmore [et al.] // Jurn. Phys. D. Appl. Phys. 2007. Vol. 40. P. 1447-1459.

5. Laser Machining by short and ultrashort pulses, state of the art and new opportunities in the age of the photons / J. Meijer, K. Dub, A. Gillner [et al.] // CIRP Annals — Manufacturing Technology. 2002. Vol. 51. P. 531-550.

6. Kochergin S. A., Morgunov Y. A., Saushkin B. P. Forming features of the single crater under the influence of the impulse of laser radiation on the material // Hardening and coating technology. 2016.

7. Григорьянц А. Г., Шиганов И. Н., Мисюров А. И. Технологические процессы лазерной обработки. М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2008. 664 с.

8. Хусу А. П., Виттенберг Ю. Г., Пальмов В. А. Шероховатость поверхности (теоретико-вероятностный подход). М.: Наука, 1975. 344 с.

Уважаемые коллеги!

Открыта постоянная редакционная подписка на научно-производственный журнал «МЕТАЛЛООБРАБОТКА». Журнал учрежден и издается АО «Издательство «Политехника» с 2001 г.

Тематика: обработка материалов резанием, давлением, электрофизические и электрохимические методы обработки; новые технологии и материалы.

Тираж 2500 экз., объем 56 е., периодичность — 6 номеров в год, стоимость одного номера — 700 руб. Постоянным подписчикам 10 % скидка. С 2003 г. журнал включен в Перечень ВАК.

Приглашаем к сотрудничеству авторов: научные статьи, одобренные редколлегией, редактируются и печатаются бесплатно.

Для рекламодателей по запросу высылаем расценки. Подписной индекс: по каталогу «Роспечать» — № 14250.