Зүүн лазер тэмдэглэх төхөөрөмжүүд ашиглан гүн зурагт техник

Зүүн лазерийн тэмдэглэх төхөөрөмжүүд гүн зурагт нарийн нарийвчлалыг хэрхэн хангаж өгдөг

MOPA ба Q-шүүлтүүр зүүн лазерийн үүсгүүрүүд: импульсийн удирдлага, оройн чадал, дулааны удирдлага тогтвортой гүн накопуляцид

Волокон лазерийн тэмдэглэх төхөөрөмжүүд нь нарийн лазерийн тохиргооны благодаря хүртэл микрон түвшинд хүртэл нарийн зурагт тэмдэглэх нарийн чинакийг постигна. МОРА (Master Oscillator Power Amplifier) систем нь операторуудад импульсийн үргэлжлэх хугацааг 2–500 наносекунд хооронд тохируулах боломж олгоно. Энэ нь материал устгах үед илүү сайн хяналт төлөөлдөг, учир нь энергийн ямар хэмжээний хуримтлалыг хянах боломжтой, үүн дотор хүссэн бусаа дулааны гэмтэл үүсгэхгүйн. Нөгөө талаас, Q-шүүрт лазерүүд тогтмол богино импульс үүсгэдөг, түүнд хамгийн өндөр оройн чадал хүртэл 25 киловатт байж болно. Түүн дотор хурдан ууршилт хийх үед түүн дотор тааруухан ажилладаг, гэтэдүүн дотор дахин хайлуулж сүүдэр үүсгэх эсвэл материалын гүнд жижиг цацрагууд үүсгэх аюул байдаг. Дулааны удирдлага түүнд их чухал. МОРА-системийн тохируулж болох импульсийн тохиргоо дулааны хуримтлалыг Q-шүүрт системүүдтэй харьцуулахад 20% багасгана. Түүн дотор тэмдэглэх үед олон удаа дайралт хийх боломжтой, түүн дотор гүн өөрчлөлтийг 5%-иас бага хадгалж, туршилтын үр дүнгүүд нь өнгөрсөн жилийн «Тусгаарлагч туяа чанарын шинжилгээ» тайлангүүд нь зуунтаа циклд хүртэл түүн дотор үлдмүүд бүрхүүлийн гүн өөрчлөлтийг 5%-иас бага хадгалж, аэрокосмосын ангилалд хамаарах титаны хувьд гүн нарийн чинакийг ±3 микрон түвшинд хадгалах нь материалаа хүчтэй ба урт хугацаанд усталтад төвөгтүүн бүрхүүл үүсгэхгүйн.

Системт шаардлагат хүчтүүр: цацрагийн чанар (M² < 1.3), динамик фокусировка хийх оптик систем, өндөр нарийвчлалт гальванометр хөдөлгүүр

Гүн зурагт бүтээлд нарийвчлалыг тодорхойлох гурван харилцан хамаарах хүчтүүр:

• Цацрагийн чанар (M² < 1.3) : Тун нарийн фокусирдсан цацрагийн толгой (~20 мкм) үүсгэдэг, түүн дээр суурилж тод шинж түлхүүрүүдийг дүрслэх болон дулаан нөлөөлсөн бүсний хэмжээг хамгийн бага түвшинд хадгалах боломжтой
• Динамик фокусировка хийх оптик систем : Олон давхарга зурагт бүтээлд фокусын хавтгайг автоматаар тохируулдэг, гадаргуугийн товгор-хонхорыг ±1.5 мм хүртэл нөхөж компенсаци хийдэг
• Гальванометр хөдөлгүүр : Өндөр нарийвчлалт сканерууд (±5 мкрад өнцгийн нарийвчлал) цацрагийг ±2 мкм давтамжит нарийвчлалтай байрлуулдэг — нарийн контурын ба жижиг толеранст геометрийн бүтээлд онцгой чухал

Дээрх гурван бүрдүүлэгчийн бүхнийг ашиглан интеграци хийсэн системүүд ISO 11577 баталгаажуулалтын протоколын дагуу 97% хэмжээний итгэлцүүрт хүртэл 50–500 мкм гүн зурагт бүтээлд секундад 3000 мм хурдтай ажилладэг.

Металл дээр гүн зурагт бүтээлд физик ба хүчтүүрүүдийн гэмтэлт режимууд

Дулаан-механик устгах дараалал: ууршмалд орхой, хайлан шидэх, плазмын хамгаалалт олон давтамжийн туршид

Зүүн цахилгаан холбоосын тэмдэглэх төхөөрөмжүүд ашиглан гүн зурагт тавих процессын үндсэн зарчим нь дулаан-механик абляци юм. Анхны нөхцөлд лазерийн хүч 1 кВт эсвэл түүнээс дээш бүрдүүлж, материал хийн төлөвт шилжин, түүн дотор тодорхой харавч хүрдүүд үүсгэн, лазерийн материал дээрх үйлчлэлийг сайжруулж. Дараа нь үүн дотор сонирхолтой үзэгдэл үүсдүү. Нэмэлт нөхцөлд хайлан талхлагдаж буй материал хийн даралтын нөхцөлд гадагш түлхүүлдүү. Хаягдмал материал устгаж, дотроо хог хүлээлгүүлж. Таван нөхцөлд хүрснээс хойш ажил хийнхүүд орчинд өөрчлөлт үүсдүү. Хий ионууд болой, лазерийн цацрагийн 15–30 хувийг шингээдүү. Иймд операторууд ажил хийнхүүд гүн рүү явж буй хурдыг хадгалахын тулд хүчний тохируулгыг шуурхай өөрчлөх ёстой. Мөн лазерийн нэг импульсийн үргэлжлэх хугацаа чухал. 200 наносекундээс бүрдүү импульсүүд гадаргуу дээр төвлөрдүү, ийнхүү ирмүүд нь цэвэр, хурц бүрдүү, дотроо ховдруудыг багасгадүү.

Түгээмлээр тохиодог дутагдалд хүргэдэг шалтгаанууд: дахин хайлан хуурайшуулж үүссэн давхарга, налуу хазайлт, зурваслагдмуйн ба дахин тунадасжилт — СЭМ болон хөндлөн огтлолын шинжилгээгээр баталгаажуулж үүрд.

Дутагдалд хүргэдэг үүсэл нь олон удаа хийгдэх аблация үед дулааны ба кинетик тэнцвэрт бүүхнүүдээс үүдүүлд.

Сканирующий электронный микроскоп (SEM) нь аэрокосмос хавьтамын хувьд 5 мкм-с илүү зузаан дахин хайлан хийсэн давхарга нь хүнд төлөөлөх чадварыг 40%-иар бууруулдагийг илтгэн харуулж, хөндлөн огтлосон шинжилгээ нь хослох деталд тааруулалтын зөвшөөрөлд ±0.5°-с илүү нарийн өнцгүүд нь тааруулалтын хязгаарыг хүнд нөхцөлд оруулдагийг баталж. Хамтран шинжилгээ хийсэн, 2023 онд рецензийн дотор хэвлэгдсэн микро-бүртгэл судалгаануудад тэмдэглэгдсэн хүртэл, дээрх дөрвөн гажиг нь үйлдвэрт бүртгэлт бүтээдмүүдийн 62%–ыг бүрдүүлдэг — түүн дагуу түүнийг арилгах нь технологийн найдвартай бүтээмжийн төвд оршдог.

Түгээмжт металлын хувьд гүн бүртгэлд оптимизацийн параметрүүд

Зөөлөн гуур, титан, алюминий, латунь: 50–500 мкм гүн хүртэл (±5%–с бага хазайлттай) зөвлөх хүч, давтамж, хатч зай, навч тоо

Давтамжит гүн хяналтыг хангахын тулд дулаан дамжуулалт, отражение болон ууршилтын далд дулааны шинж чанаруудад нийцүүлж материал төрөлсөөр параметрүүдийг төхөөрөмжлөх шаардлагатай. ISO-д нийцүүлж хийсэн туршилтын матрицаас гүний шугаман хамаарлын хүчтнүүр (R² 0.95) баталдаж, дараах анхны параметрүүд 100 мкм-ийн түвшинд ±5%-аас бага гүн тогтвортой байдлыг хангана:

Түүнд орж буй зурагдмуйн гүн нь 200–500 микрон хооронд байх үед, дундаж хүчлэлт нь 15–25 хувийн хооронд багасгаж, нүүрлүүлэх тоог нь нэмэх нь үр дүнтэй. Энэ нь боловсруулалтын үед тааламжгүй дахин хайлж бүтээгдсэн давхаргуудын үүсэлд саад тавина. Хатч зайд 30 микронд хүртэл багасгах нь олон удаа нүүрлүүлэх үед харагдах цагаан шугамуудын тоог бүрт багасгана. Бид конфокал микроскопын тусламжтайгаар үүнийг туршиж, үйлдвэрлэлийн янз бүрийн циклд 0,5 микрон нарийн төвөгтэй хэмжилтүүд хийж, үр дүнтэй байхыг харж иржүү. Дулааны загваруудын судалгаа өөр нь мөн адис үр дүн үзүүлжүү. Аллюминий ба латун зэрэг гялгар металлуудын хувьд 300 килогерц дээш давтамж нь хайлж буй материалдыг илүү сайн гадаа шүүрүүлжүү. Гэтэл төмөр-никель хоолойн хувьд үүнээс өөр үр дүн үзүүлжүү: 100 кГц ойрхойн дээд хүчлэлт нь цэвэр хагалбарын үүсгэхүүд шаардлагатай ууршмуйн үйлдлийг хадгалахад илүү үр дүнтэй.

Гүн зурагдмуйн технологийн баталгаажуулалт ба масштаблалт

DOE-д суурилсан туршилтын матриц: ISO 11577-д нийцүүлж бүтээдүгүй хоолойн гүн хариуцлагын шугаман хамаарлыг (R² 0.92) тодорхойлохын тулд параметрүүдийн харилцан үйлчлэлийг тусгаарлана

Туршилтын зохиомж (DOE) нь импульсийн давтамж, хатчийн зай, дайралт тоо, материалын шинж чанар зэрэг үл мөрдөм хүчин зүйлс яаж наад захын аргаар харилцан үйлчлэдүгүйг тодорхойлох гэж оролдож буй үед одоо бараг шаардлагатай болой. ISO 11577-д нийцүүлж бүтээдүгүй туршилтын сэмплүүдтэй ажилладаг үйлдвэрлэгчид ихэвчлэн дэд хүчин зүйлсийг алхам алхамаар зохиомжлон гүн таамаглалын загваруудыг бүтээдүгүй. Үр дүнгүүд ч гайхалтай: ихэнх үйлдвэрлэгчид бодит үйлдвэрлэлд шугаман гүн хэмжилтийн R² утгыг 0.92-с дээш хүртэл хүртүүлдүгүй. Энэ нь практикт юу газар? Компаниуд бүтээдүгүй бүтээдүгүй бага масштабт туршилтаас шууд том масштабт үйлдвэрлэлд шилжих болой, илүү их итгэлтэй. Түүн дотроо төвөгтэй таамаглал, засварлалт, хүлээлт зэрэг үе үе хийдүгүй үйл ажиллагаа безгүй, тогтвортой чанарыг хангаж дүгүй.

Метрологийн най-сүүлийн аргачлал: гурван хэмжээст топографи тодорхойлохын тулд конфокал микроскопи vs. гүн ба хажуугийн өнцгийг хүчтэй баталгаажуулж тодорхойлохын тулд стилус профилометри (±0,5 мкм нарийнчлал)

Үр дүнд хүртэлх бүтээдүүр хийгдсэн дараах үйлдлийн шүүмжлэл нь олон төрлийн хэмжилтийн арга барилыг нь хамтран ашиглахыг шаардаж буй. Конфокал микроскопи нь гадаргууны дэлгэрэнгүй 3D зургийг өгч, түүнд бүх тодорхой шинж чанарууд яаж тархмуйн төлөвтөн байгаа, ирмүүд яаж тодорхойлогдож буйг харуулж буй. Стилус профилометри нь мөн утга өгч буй, учир нь түүн дээр хэмжилтүүд НИСТ-ийн стандартуудад холбогдож, гүн, хүүдсүүр, ханаңгүйн өнцгүүдийг 0.5 микрон нарийнчлалтай хэмжих боломжийг олгож буй. Хоёр арга барилыг хамтран ашиглаж буй үед түүн дээр гадаргуун доорх нууц асуудлууд, жишээлбэл, дахин хайлж бүтээдүүр хийгдсэн давхрагууд эсвэл жижиг цацрагууд илрүүлж буй, түүнийг ердинаа шүүмжлэл юм уу нэг арга барилын тусламжтайгаар илрүүлж буй боломжгүй. Хэмжилтийн үр дүнгүүдийг хооронд нь харьцуулж буй үед гүн хэмжилтүүд нь үйлдвэрлэлийн янз бүрийн циклүүд дунд 5 хувийн хазайлттай тогтвортой буй. Энэ хоорондын харьцуулалт нь үйлдвэрлэгчдийн чанарын хяналтын чухал индустрийн стандартууд, жишээлбэл, ASME B89 ба ISO 25178 шаардлагуудыг хангахад туслах боломжийг олгож буй.

Түгээмэл асуулт

MOPA волокон лазер гэж юу вэ?

MOPA зүүд лазер нь лазер тэмдэглэл үед энергийн тундруулалтыг хянах, дулааны гэмтлийг хамгийн бага байлгах зорилгоор зохион бүтээдгүүд пульсын үргэлжлэх хугацааг тохируулах боломж олгож, «Мастер Осциллятор Повер Амплифайер» (Мастер хэлбэлзүүр Дулааны хүчнүүр) системийг илтгэндэг.

Зүүд лазер тэмдэглэлд цацрагийн чанар яагаад чухал?

Лучны чанар нь чухал, учир нь тэр лазерийн хурдан фокуслодог чадварыг, ажилд оролцож буй дулаан-нөлөөлсөн бүсний хэмжээг хамгийн бага түвшинд хадгалж, нарийн тэмдэгтүүхийн үйлдвэрлэлд чухал шинж чанарыг тодорхойлдог.

Зүүн лазер ашиглан металлын тэмдэгтүүхийн үед үүсдэг түгээмпил хомсдосон шинж чанарууд юу вэ?

Түгээмпил хомсдосон шинж чанаруудын дотроо дахин хайлан бүрхүүл үүсэх, хазайлт, зурваслагдмал гадаргуу, дахин тунадас хуримтлуулалт байдаг, түүнд үндэслэн тэмдэгтүүхийн үед дулааны ба кинетик тэнцвэрт бүсний алдатгаас үүсдэг.

Тэмдэгтүүхийн гүн хэрхэн баталгаажуулж болох вэ?

Тэмдэгтүүхийн гүнгүү конфокал микроскопи ба стилус профилометри ашиглан баталгаажуулж болох бөгөөд түүнд нарийн хэмжилтүүд үзүүрлэдэг, гадаргуугийн доорх хомсдосон шинж чанаруудыг илрүүлж болох.