Особенности лазерной обработки металлов с высокой отражающей способностью

При выборе оборудования для резки и сварки с использованием концентрированного луча многие сталкиваются с трудностями, связанными с отражающими поверхностями. Зеркальный отклик материала способен вернуть значительную часть направленного излучения обратно в источник.

Это вызывает нестабильность горения зоны, ухудшает форму пропила, создает риски разрушения оптики. К числу трудных в обработке материалов относят медные сплавы, алюминий, латунь, золото, а также хромоникелевые покрытия. Их коэффициент отражения может достигать 95% при длине волны 1064 нм, что характерно для твердотельных источников.

Для повышения поглощения энергии на начальном этапе применяют модификации поверхности. Окисление рабочей зоны снижает зеркальность, увеличивая коэффициент поглощения. При обработке алюминиевых плит с предварительным пескоструйным травлением удалось снизить отражение до 40%, что дало возможность использовать излучатели малой мощности – до 300 Вт при фокусе 0,2 мм.

В случае с медными катодами полезным оказалось нанесение графитового слоя толщиной около 5 мкм, что дало стабильный запуск на волне 1,07 мкм с оптоволоконным лазером мощностью 1 кВт.

Стабильность воздействия увеличивается при переходе на длины волн, поглощаемые металлом лучше. Импульсные излучатели CO₂ не подходят, поскольку их волна 10,6 мкм почти полностью отражается гладкими поверхностями меди и алюминия. Диапазон 515–532 нм, характерный для зелёных лазеров, дает значительно более высокую эффективность.

В условиях промышленного применения при резке латунного листа толщиной 1 мм зелёный диодный источник мощностью 500 Вт давал стабильную пробивку при скорости 0,8 м/мин, в то время как аналогичный ИК-лазер требовал увеличения подачи энергии почти втрое.

Подбор параметров фокусировки влияет на глубину проникновения. При слишком малом пятне на поверхности высокая плотность приводит к образованию плазмы, препятствующей передаче энергии.

Расфокусировка на 0,2–0,3 мм при сохранении энергии импульса в пределах 1 Дж уменьшает отражённый поток до 35%, по данным испытаний с алюминиевыми листами 2 мм. Режимы с частотой повторения 20–25 кГц и длительностью 200 нс показали более стабильное проплавление, чем при непрерывной подаче.

Кратковременные импульсы успевают нагреть зону без создания протяжённой плазменной воронки.

На производстве рекомендуется использовать защитные фильтры в оптической системе. В случае с резонаторами на волоконной архитектуре желательно выбирать линзы с антиотражающим покрытием, рассчитанным на обратный поток до 2% без деградации.

При мощности до 2 кВт достаточно силикатных окон с коэффициентом ослабления 10⁻⁴, но выше 3 кВт применяются сапфировые элементы или ZnSe с пропусканием до 90% и термостойкостью выше 300 °C. Для меди с толщиной выше 3 мм лучше использовать многопроходные стратегии резки с пониженной скоростью перемещения – до 0,5 м/мин – и поэтапным увеличением глубины.

Чтобы избежать нестабильного старта, применяется предварительный нагрев зоны. В линиях с автоматической подачей материала практикуется подача подогретого потока воздуха до 120 °C в рабочую зону за 1–2 секунды до импульса. Это позволяет создать локальную оксидную плёнку и минимизировать отклонения траектории луча.

При ручной настройке на станках с ЧПУ удобным оказалось использовать фокусировочную линзу с возможностью вертикального сдвига до 5 мм. Настройка производится по контрольному проплаву на калибровочном образце, выполненном из того же материала.

В условиях массовой обработки алюминиевых теплообменников сечением 1,5×80 мм применяют резку на длине волны 515 нм, используя многомодовые волокна с диаметром выходного пятна 100 мкм. При подаче 1,2 кВт и скорости 1,1 м/мин обеспечивается чистый срез без грата.

Снижение шероховатости достигается за счёт регулировки давления кислорода до 6 бар и температурной стабилизации материала на выходе. В случае с обработкой контактных шин из меди, толщиной 4 мм, выгоднее применять импульсные установки пикосекундного диапазона, при которых глубина пропила формируется поэтапно, с минимальным зональным перегревом.

Использование добавок в зону обработки повышает коэффициент поглощения. На практике при сварке тонких латунных элементов предварительное нанесение тонкого слоя Fe-пудры позволяет улучшить качество шва.

Частицы железа начинают плавиться при меньшей плотности потока, благодаря чему энергия равномернее распределяется по линии. При этом толщина напыления не превышает 10 мкм, а скорость обработки остаётся в диапазоне 0,3–0,6 м/мин.

Для обеспечения стабильности при сварке алюминиевых корпусов с толщиной стенки 2–4 мм рекомендовано использовать коллиматоры с углом расхождения не выше 10 мрад. Это позволяет сконцентрировать луч в ограниченной зоне, не допуская чрезмерного рассеяния.

При применении волоконных источников с длиной волны 1070 нм стоит контролировать частоту обратного пика. Если значение превышает 3% от подаваемой мощности, требуется перенастройка траектории или выбор другого диапазона. Для этой цели в системах предусматривают датчики отражённого сигнала.

Допустимые нормы потерь отражённой энергии в производственных линиях с медью и латунью составляют не более 15% от исходной. Для снижения этих значений используется динамическая система автофокусировки. В оборудовании, предназначенном для прецизионной резки токопроводящих заготовок, реализуют алгоритмы управления положением линзы по обратной связи с датчиком отражения. Это позволяет удерживать фокус на уровне ±0,1 мм от поверхности, несмотря на возможные деформации листа.

Разработка режимов с учётом физических характеристик металла и его толщины требует предварительной настройки. В случае с лужёной латунью при толщине 1,2 мм и использовании зелёного луча с длиной волны 520 нм удалось достичь стабильного пропила при 600 Вт и скорости 0,9 м/мин.

При этом охлаждение производилось потоком инертного газа с температурой -10 °C, что снизило термическое искажение кромки. Аналогично, при сварке анодированного алюминия толщиной 2 мм использовался пикосекундный режим на 532 нм, частота 100 кГц, энергия 50 мкДж на импульс, диаметр фокуса 40 мкм, скорость подачи 0,6 м/мин.

В работе с многослойными отражающими структурами применяются методы переменной фокусировки. При соединении алюминиевых и медных слоёв толщина фокусной зоны выбирается с учётом преломления и отражения между границами. Допустимое отклонение по глубине фокусировки не должно превышать 0,15 мм. При сварке жил из меди и алюминия в контактных группах применяются насадки с кольцевым распределением потока, что снижает перегрев.