Особенности получения рельефа на поверхности стальных изделий с помощью лазера мощностью 50 ВТ

Аннотация

На поверхности стали с помощью импульсного наносекундного волоконного лазера
мощностью 50 Вт и длиной волны 1,064 мкм без присадочных материалов получен выпуклый рельеф в форме линий с высотой до 200 мкм и глубиной до 100 мкм, точечный рельеф c высотой до 500 мкм. Рельеф был сформирован из материала облученной стали, посредством управления динамикой расплава. Показана возможность нанесения шрифта Брайля на стальную поверхность с использованием этой технологии. Результаты перспективны для отраслей промышленности, где электроннолучевые машины и мощные лазерные источники являются непомерно дорогостоящими, и нужна высокая скорость получения рельефа.

Введение

В настоящее время тенденция исследований лазерной микрообработки металлов постепенно смещается в сторону изучения возможностей лазеров с короткими и ультракороткими импульсами (пико- и фемтосекундные). Существует ряд работ, посвящённых производительности лазерной абляции (скорости удаления материала) металлов [1, 2]. В работе [1] авторы проводят сравнение микро-, нано-, пико- и фемтосекундных источников лазерного излучения с точки зрения скорости удаления материала при получении отверстий. В работе [1] показано, что наносекундные источники
обеспечивают максимальный КПД абляции на единицу приложенной энергии.Традиционно наличие выплесков жидкой фазы и грата на краях отверстий в процессе их получения является нежелательным. Это уменьшает КПД процесса, а также качество отверстий и других элементов микрообработки. Авторы [2] сообщают о том, что при обработке поверхности изделий из стали и меди излучением с длиной волны 532 нм при росте длительности импульса от 10 до 100 пс в передаче энергии в материал начинает доминировать теплопроводность. С ростом длительности импульса растет скорость абляции, увеличивается количество жидкой фазы, что, в свою очередь, снижает качество микроструктурирования металлической поверхности [2]. Следовательно, контроль жидкой фазы при обработке схожими лазерными источниками необходимо проводить начиная с
длительности импульса 0,1 нс. В работе [3] показано, что при обработке металлических поверхностей наносекундным излучением важную роль играет распределение мощности импульса во времени. Авторами [3] предложено при исследовании микрообработки металлических поверхностей импульсным наносекундным излучением изучать влияние временного распределения мощности или указывать его при публикации результатов исследований в этой области. На рынке в настоящее время присутствуют разные производители наносекундных лазерных излучателей и у каждого производителя распределение мощности во времени может сильно отличаться. Более того, не все производители указывают в паспорте такую характеристику. Форма импульса в [3] определялась положением пика мощности в распределении, было исследовано три типа распределения: «пик в начале», «пик в середине», «пик в конце». Авторы [3] приводят экспериментальные данные роста КПД абляции в 1,5 раза при изменении формы импульса с «пик в конце» на форму «пик в начале».
Получение специального рельефа на поверхности металлов при помощи наносекундного
излучения в настоящее время является актуальной задачей. Создание рельефа на поверхности металла при помощи лазерного источника и сканирующей системы может быть использовано, например, для улучшения адгезионных свойств поверхности, как показано в работах [4-6]. В работе [4] исследовали свойства соединения алюминия с термопластиком при создании рельефа на металлической поверхности лазерным излучением. Показано, что наличие сетчатого и кратероподобного рельефа на поверхности металла улучшает прочностные свойства соединения разнородных материалов. В схожей работе [5] показано как создание рельефа на поверхности титана
улучшает соединение его с поликарбонатом. В работе [6] авторы исследовали механические свойства соединения полимер/металл, при этом на поверхности металла были нанесены наклонные канавки при помощи лазерного излучения. Наклон канавок обеспечивался наклоном детали относительно вертикальной оси сканаторной системы.
Создание рельефа на поверхности металлических изделий, представляющего из себя канавки или кратеры может улучшать и другие свойства поверхности. Так, в работе [7] показано, как создание канавок на поверхности образцов из алюминиевого и титанового сплава улучшает поглощающие характеристики поверхности в видимом и ИК диапазоне и придает капиллярные свойства обработанной поверхности. В работе [8] авторы показали, что создание топологии при помощи лазера со сканирующей системой может улучшать трибологические свойства поверхности стали.
В работе [9] исследовано получение пяти типов рельефа и предложена математическая модель возникновения периодического рельефа в рамках одной лазерной дорожки на поверхности титана и нержавеющей стали. В этой работе использовался 50 Вт излучатель фирмы IPG, работающий на длине волны 1,064 мкм и длительностью одного импульса 100 нс и были представлены общие механизмы образования того или иного рельефа, а также характер возникновения: случайный или контролируемый. Существенно, что при разработке модели авторы [9] учитывали поведение жидкой фазы при возникновении рельефа.
Среди видов рельефа в [9] был приведен тип «микрошероховатости с характерной высотой 100 нм или менее». Размер таких неровностей не определялся размером пятна лазерного излучения, которое было равно 25 мкм. Возникновение таких микрошероховатостей объяснялось термокапиллярными процессами, термо- и плазмохимическими реакциями, поверхностными дефектами и дислокациями. Существует ряд работ [10-12], посвященных возникновению схожих периодически повторяющихся неровностей на поверхности металла при облучении его нано- [10] пико- [11] и фемтосекундным [12] лазерным излучением, работающем в ИК диапазоне. Наиболее
распространенной моделью, образования таких поверхностных периодических структур, в настоящее время является плазмон-поляритонная модель (ППМ), основывающаяся на интерференции возбужденных поверхностных плазмон-поляритонов с падающим лазерным излучением [13].
Получение таких структур открывает возможности по формированию дифракционной решетки на поверхности металла для защитной маркировки и в декоративных целях [10].
В работах [14, 15] контроль жидкой фазы использовался при получении заданного рельефа на поверхности металла при лазерной обработке и показано, что наличие расплава при обработке может быть преимуществом. В работе [14] авторы получают поверхностные дифракционные решетки, представляющие из себя регулярно расположенные микрократеры, образующиеся при воздействии на поверхность металла импульсным излучением наносекундной длительности с длиной волны 1,064 мкм. Авторы [14] формировали микрократеры нужной формы путем контроля поведения расплава в
микронных областях. В работе [15] авторы получали различные типы рельефа с впадинами и выступами высотой порядка 1 мм на поверхности стальных изделий с использованием непрерывного Yb-волоконного лазера мощностью 200 Вт без использования присадочных материалов. Кроме выбора режимов обработки большое влияние на формирование рельефа оказала стратегия обработки, а также траектория движения луча по поверхности. Кроме того, авторы [15] использовали свой запатентованный процесс под товарным знаком Surfi-Sculpt®, в котором указаны режимы, стратегии и траектории луча для получения различных типов управляемого рельефа. На территории РФ действует патент [16], описывающий способ получения рельефа по технологии, которую использовали авторы работы [15].
Исследования формирования выступающего рельефа на поверхности стали с использованием наносекундного маломощного излучения в ИК диапазоне с управлением расплавом на данный момент в литературе найдены не были.
Постановка и описание задачи Цель работы состояла в том, чтобы найти оптимальную стратегию обработки поверхности стального изделия лазером для получения стабильного выпуклого рельефа с максимальной разницей в высоте (глубина гравировки, высота наплавленной части, общая разница или перепад высоты) с использованием наносекундного лазерного источника малой мощности (50 Вт) с длиной волны 1,064
мкм, а также продемонстрировать возможности стратегии обработки стали импульсами
наносекундного лазера, согласно которой жидкая фаза не является нежелательной, но даже полезной.

Объекты и методы исследования

использовались образцы толщиной 1-5 мм. Образцы обрабатывались
лазерным излучением с длиной волны 1,064 мкм. Использовался лазерный источник YPLN-1-100-50- M фирмы IPG Photonics. Лазер может генерировать до 50 Вт средней мощности (Pavg) и работать в диапазоне частот повторения импульсов 2-200 кГц (PRR). Лазерный источник был интегрирован в систему «ТурбоМаркер» фирмы ООО «Лазерный Центр». Система включала в себя сканирующую голову с объективом оснащенным F-Theta линзами. Расчетный диаметр пучка составлял 75 мкм.
Система может достигать скорости сканирования до 15000 мм/с. Общие технические характеристики лазерной системы приведены в табл. 2.

Параметры рельефа измеряли и оценивали с помощью оптической микроскопии, а
относительные измерения были сделаны на изображениях, полученных с помощью цифровой камеры, а также при помощи шкалы микроскопа.
План исследования Первым шагом необходимо было определить, как расплав ведет себя вблизи прямолинейной канавки, если направление движения пучка не совпадает с направлением канавки. Далее необходимо было определить оптимальные режимы лазерного излучения, в которых можно было бы эффективно контролировать расплав при лазерном воздействии на сталь. Для лазерного источника YPLN-1-100- 50-M максимальная энергия импульса составляет 1 мДж. Этой энергией обладают импульсы,
излучаемые с частотой 50 кГц. Такие значения этих параметров обычно используются при получении рельефа в режиме испарения с использованием данного лазерного источника. Величины максимальной энергии импульса и частоты оставались без изменений.
Тогда скорость лазерного луча на поверхности является первым параметром в задаче. Широко известно, что при выполнении сварных швов электродуговой сваркой используются поперечные колебания электрода вдоль определенного пути, которые выполняются с постоянной частотой и амплитудой и сочетаются с движением по шву. Такие перемещения позволяют контролировать расплав и степень нагрева областей сварки, а также получать сварные швы необходимой ширины и качества. Для контроля расплава в данной работе прямолинейное движение пучка было заменено движением по кривой, называемой трохоидой. Для этой кривой есть два параметра: циклическая
частота и ширина кривой. Для удобства использовалась не циклическая частота, а расстояние между петлями трохоиды.
Тогда в задаче остается три параметра для исследования получения линейных
канавок на поверхности стали: скорость луча (V), ширина (или высота) трохоиды (H), расстояние между петлями (D). После нахождения оптимальных параметров трохоиды и скорости луча необходимо было изучить, как форма направляющей кривой влияет на рельеф. Проводя аналогию с электродуговой сваркой, направляющая кривая – это кривая, отвечающая за траекторию сварного шва. Это был второй шаг в исследовании. На рисунке 1 показана схема, на которой указаны все параметры задачи, а также траектория движения луча по поверхности образца.

Результаты и их обсуждение

Изучение линейного рельефа на поверхности стали Было обнаружено, что движение лазерного луча по поверхности стального изделия вдоль трохоиды приводит к образованию линейного рельефа – канавки, которая включает в себя углубление и боковой валик, состоящий из переплавленной стали. Далее в тексте под глубиной
канавки подразумевается расстояние от необработанной поверхности до дна углубления, а под шириной канавки – ширина этого углубления. Для более детального анализа рельефа были изготовлены поперечные шлифы обработанных образцов. Поперечное сечение этих канавок имеет Nобразную форму, как видно из рисунка 2.

Полученный рельеф после основной обработки дополнительно очищали на той же лазерной системе специально подобранным режимом, который позволяет удалить оксиды, возникающие во время основной обработки и расплавить поверхность до металлического блеска без серьезного изменения рельефа.
Уменьшение скорости сканирования с 300 до 150 мм/с приводит к увеличению глубины
канавки и высоты валика, а также к уменьшению ширины канавки. Когда скорость равна 100 мм/с, валик перемещается ближе к центру канавки и канавка схлопывается. Кроме того, высота валика уменьшается, что видно из рисунка 3 (а). Увеличение расстояния между петлями с 5 до 15 мкм приводит к увеличению глубины канавки и высоты валика. Увеличение расстояния между петлями с 15 до 25 мкм приводит к уменьшению глубины канавки и ее схлопыванию (см. рисунок 3 (б).
Увеличение ширины (или высоты) трохоиды с 0,3 мм до 0,4 мм приводит к увеличению глубины канавки и высоты валика. Увеличение ширины трохоиды с 0,4 мм до 0,5 мм приводит к уменьшению глубины канавки. Когда ширина трохоиды равна 0,5 мм, валик становится нестабильным и распадается на отдельные капли, также канавка схлопывается (см. рисунок 3 (в).
На основании полученных результатов можно сделать вывод, что оптимальными значениями параметров процесса являются: V = 150 мм/с, D = 15 мкм, H =0,4 мм. Комбинируя полученные Nформы, можно получать более сложные типы рельефа. Для этого необходимо знать, в какой стороне скапливается расплав относительно направляющей во время процесса лазерной обработки. На рисунке 4 (а) показано направление перемещения расплава относительно направляющей.

Если располагать две N-формы параллельно друг другу, то валики могут либо не пересекаться, либо слипаться, образовывая один большой валик треугольного (Λ-форма) либо прямоугольного (πформа) сечений. Если две N-формы рельефа расположены друг от друга на достаточном расстоянии, то в поперечном сечении суммарный рельеф обладает формой буквы «M». В дальнейшем такой тип рельефа будет называться M-форма. Рисунок 4 (б) схематически показывает, как, комбинируя N формы, можно получать другие типы рельефа, упомянутые выше. Вид поперечного сечения Λ-, π- и М-форм приведен на рисунке 5. Такой метод формирования рельефа можно использовать для
выпуклой маркировки текста и другой графической информации на поверхности стальных изделий.

Исследование точечного рельефа на стальной поверхности. Шрифт Брайля.
Было обнаружено, что если в качестве направляющей использовать спираль Архимеда вместо прямой линии, то на поверхности стального изделия можно получить выпуклый точечный рельеф,
показанный на рисунке 6 (а). Эти возвышения легко осязаемы кончиками пальцев и могут
использоваться в качестве шрифта Брайля на стальной поверхности, как показано на рисунке 6 (б), (в). Высота точечных выступов составляет величину 500 мкм. Время, необходимое для маркировки текстовой строки «HELLO WORLD», составило 4,5 минуты, для текста Брайля — 5 минут. Точечный рельеф был дополнительно обработан специальным режимом очистки, упомянутым выше. Рельеф, полученный при помощи канавок, был дополнительно обработан при помощи механической шлифовки до металлического блеска.

Заключение

1. Исследована возможность управления расплавом и получения выпуклого устойчивого
   рельефа при обработке поверхности стали маломощным наносекундным лазерным излучением с длиной волны 1,064 мкм.
2. Установлено, что движение луча по поверхности вдоль трохоиды приводит к образованию
   выпуклого линейного рельефа различной формы, который представляет собой сочетание углубления и наплавленного валика, выступающего над необработанной поверхностью.
3. Определено влияние основных параметров обработки на вид и параметры форм рельефа.
   Найдены оптимальные параметры обработки стали Ст3сп маломощным лазерным излучением для формирования линейного рельефа определенной формы поперечного сечения.
4. На стальной поверхности удалось получить выпуклый точечный рельеф при помощи
   использования в качестве направляющей спирали Архимеда.
5. Максимальное значение разности высот составило 300 мкм для канавок и 500 мкм для
   точечного рельефа.
6. Технологию получения заданной формы рельефа с выступающим над поверхностью валиком можно использовать в качестве альтернативного метода создания рельефа на поверхности изделий из конструкционной стали в тех задачах, где ударно точечная маркировка либо глубокая лазерная гравировка не подходят для создания долговечного рельефа.
7. Полученные точечные выступы на стали можно использовать в качестве выпуклых точек
   составляющих символы шрифта Брайля. Они удовлетворяют требованиям ГОСТ Р 56832-2015 «Шрифт Брайля. Требования и размеры» [17].

Благодарности

Авторы хотели бы поблагодарить г-на С. Г. Горного из ООО «Лазерный центр» за
предоставление лазерной системы в наше распоряжение

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Leitz, K. H., Redlingshöer, B., Reg, Y., Otto, A., & Schmidt, M. Metal ablation with short and ultrashort laser pulses // Physics Procedia. – 2011. – № 12 (2). – С. 230–238.
2. Neuenschwander, B., Jaeggi, B., & Schmid, M. From fs to sub-ns: Dependence of the material removal rate on the pulse duration for metals // Physics Procedia. – 2013 – Vol. 41. – P. 794–801.
3. Eiselen, S., Wu, D., Galarneau, P., & Schmidt, M. The role of temporal energy input in laser micro machining using nanosecond pulses // Physics Procedia. – 2013. – № 41. – Vol. 683–688.
4. Amend, P., Pfindel, S., & Schmidt, M. Thermal joining of thermoplastic metal hybrids by means of monoand polychromatic radiation // Physics Procedia. – 2013. – № 41. – Vol. 98–105.
5. Chérif, M., Loumena, C., Jumel, J., & Kling, R.. Performance of Laser Surface Preparation of Ti6Al4V // Procedia CIRP. – 2016. – Vol. 45. – P. 311–314.
6. Rodríguez-Vidal, E., Sanz, C., Soriano, C., Leunda, J., & Verhaeghe, G. Effect of metal micro-structuring on the mechanical behavior of polymer–metal laser T-joints // Journal of Materials Processing Technology. – 2016. – Vol.– P. 668–677.
7. Samanta, A., Wang, Q., Singh, G., Shaw, S. K., Toor, F., Ratner, A., & Ding, H. Nanosecond pulsed laser processing turns engineering metal alloys antireflective and superwicking // Procedia Manufacturing. – 2019. – Vol. 34. – P. 260–268.
8. Mezzapesa, F. P., Scaraggi, M., Carbone, G., Sorgente, D., Ancona, A., & Lugarà, P. M. Varying the geometry of laser surface microtexturing to enhance the frictional behavior of lubricated steel surfaces // Physics Procedia. – 2013. – Vol. 41. – P. 677–682.
9. Kochergin, S. A., Morgunov, Y. A., & Saushkin, B. P. Surface Manufacturing under Pulse Fiber Laser // Procedia CIRP. – 2016. – Vol. 42 (Isem Xviii). – P. 470–474.
10. Veiko, V., Karlagina, Y., Moskvin, M., Mikhailovskii, V., Odintsova, G., Olshin, P., Yatsuk, R Metal
    surface coloration by oxide periodic structures formed with nanosecond laser pulses
    // Optics and Lasers in Engineering. – 2017. – Vol. 96 (April). – P. 63–67.
11. Wang, H. P., Guan, Y. C., Zheng, H. Y., & Hong, M. H. Controllable fabrication of metallic micro/nano hybrid structuring surface for antireflection by picosecond laser direct writing // Applied Surface Science. – 2019. – Vol. 471. – P.347–354.
12. Tsai, H. Y., Huang, C. W., & Chen, Y. H. (2017). Periodic Structures on STAVAX Rapidly Fabricated by Femtosecond Laser Induced Periodic Surface Structures (FLIPSS) // Procedia CIRP. – 2017. – Vol. 63. – P. 455–458.
13. Явтушенко, И. О., Явтушенко, М. С., Золотовский, И. О. Особенности структурирования поверхности металла фемтосекундными лазерными импульсами высокой мощности // Письма в ЖТФ. – 2015. – Том 41, вып. – C. 4–12
14. Wlodarczyk, K. L., Ardron, M., Waddie, A. J., Dunn, A., Kidd, M. D., Weston, N. J., & Hand, D. P. Laser microsculpting for the generation of robust diffractive security markings on the surface of metals // Journal of Materials Processing Technology. – 2015. – Vol. 222. – С. 206–218.
15. Blackburn, J., Hilton, P. Producing surface features with a 200 W Yb-fibre laser and the Surfi-Sculpt® process // Physics Procedia. – 2011. – 12 (1). – P. 529–536.
16. Пат. 2295429 Российская Федерация, МПК B23K15/08 (2006.01), B23K26/20 (2006.01). Модифицирование структуры заготовки / ДАНС Брюс Гай Ирвайн, КЕЛЛАР Юэн Джеймс Крофорд; заявитель и патентообладатель ДЗЕ ВЕЛДИНГ ИНСТИТЬЮТ. – № 2005113270/02; заявл. 11.09.2003; опубл. 20.03.2007, Бюл. № 8.
17. ГОСТ Р 56832-2015. Шрифт Брайля. Требования и размеры. – Введ. 2017–01–01.– М. : Стандартинформ, 2016. – 7 с.