Ćwiczenie 10 Wydział Elektryczny Mechaniczny Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki LABORATORIUM ZASTOSOWAŃ OPTOELEKTRONIKI Metody badania wiązki laserowej i monitorowania procesów obróbki Opracował: dr inż. Tomasz Baraniecki Zagadnienia do przygotowania Co to jest M 2 i długość Rayleigha? Metody pomiaru wiązki laserowej Zjawiska towarzyszące obróbce laserowej Literatura [1] A. Klimpel: Technologie laserowe w spawalnictwie, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2011. [2] J. Kusiński: Lasery i ich zastosowanie w inżynierii materiałowej, Wydawnictwo Naukowe Akapit, Kraków 2000. 1
1. Parametry wiązki laserowej W przypadku klasycznej obróbki mechanicznej sam proces zachodzi jako zestaw oddziaływań mechanicznych wynikających z bezpośredniej styczności narzędzia i materiału. Jednymi z podstawowych parametrów definiujących jakość narzędzia są tutaj jego cechy geometryczne. W celu poznania i nadzorowania tych wielkości przeprowadza się systematyczne i znormalizowane pomiary. Umożliwiają one monitorowanie procesu zużywania się narzędzia i rozwoju wad, co znacząco wpływa na utrzymanie stałej jakości produkcji. Przykładem mogą być pomiary geometryczne narzędzi skrawających. Analogiczne cele pomiarów i diagnostyki towarzyszą narzędziom laserowym. Jednak w tym przypadku mamy o czynienia ze skupionym promieniowaniem świetlnym, który wymaga innego podejścia do pomiarów. Lista przemysłowych zastosowań laserów dynamicznie się rozwija. Obecnie największe sektory przemysłu wytwórczego dla aplikacji laserowych to obróbka metali, znakowanie i grawerowanie, półprzewodniki, ogniwa fotowoltaiczne i mikroobróbka [2]. Laser w obróbce występuje zarówno jako wsparcie dla innych procesów, np. skrawania, jak i samodzielne narzędzie obróbkowe realizując m.in.: cięcie, spawanie, drążenie, obróbkę powierzchniową, ablację, hartowanie, grawerowanie itp. W zależności od rodzaju procesu obróbkowego realizowanego przez system laserowy koniecznym jest prawidłowy dobór lasera oraz układu optycznego. Jest to zdeterminowane dopasowaniem dostępnych parametrów wiązki laserowej do charakterystyki interakcji obrabianego materiału z koherentną wiązką promieniowania świetlnego. Parametry o których mowa powinny być utrzymywane możliwie blisko swojego optimum przez cały czas eksploatacji narzędzia laserowego ze względu na ich silny wpływ na jakość wytwarzania nawet przy niewielkich dewiacjach. Wiązka laserowa, wygenerowana w rezonatorze laserowym, jest transportowana i przetwarzana przez system optyczny. W celu uzyskania odpowiedniego poziomu gęstości mocy wiązka laserowa musi zostać zogniskowane do małej plamki na obrabianym materiale. Dla wiązki posiadającej w przekroju rozkład Gaussowski wielkość wiązki jest definiowana jako średnica przy której natężenie wiązki spadnie do 1/e 2 (13,5%) od natężenie maksymalnego, wówczas 87,5 % mocy wiązki jest zawarte w okręgu o tej średnicy [1]. Jak było wspomniane wcześniej, aby zwiększyć gęstość mocy optycznej wiązkę laserową skupia się za pomocą układów optycznych. Nie można zogniskować wiązki do nieskończenie małego punktu, ponieważ minimalna średnica wiązki jest ograniczona przez dyfrakcję. 2
Minimalna teoretyczna średnica do, do której można skupić wiązkę laserową o długości fali λ za pomocą soczewki o ogniskowej f, określa zależność [2,3]: =, (1) gdzie dwej jest średnicą wiązki laserowej padająca na soczewce, a M 2 określa jakość wiązki. Dla idealnej wiązki Gaussowskiej M 2 jest równy 1, im profil wiązki bardziej odbiega od rozkładu normalnego tym wielkość M 2 jest większa, a jakość wiązki jest mniejsza. Parametr M 2 jest cechą charakterystyczną danego typu lasera. Przy czym należy mieć na uwadze, że określa on jak dobrze można skupić wiązkę laserową, co nie oznacza że laser o dużym M 2 jest gorszy od lasera o mniejszym M 2. Często wymagania co do jakości wiązki zależą od aplikacji i potrzebie skupienia wiązki. W przypadku cięcia laserowego potrzebna jest dużo mniejsza plamka niż w przypadku spawania laserowego, co powoduje że w przypadku cięcia niezbędne jest użycie lasera od odpowiednio małej wartości M 2. Do oznaczania jakości wiązki laserowej używa się również współczynnika BPP (ang. Beam Parameter Product) będący iloczynem kąta rozbieżności (Θ) i promienia plamki w ognisku (r0), jest on powiązany z parametrem jakości wiązki M 2 następującą zależnością: BPP = Θ r = 2 M Rys. 1: Ogniskowanie wiązki laserowej przez soczewkę skupiającą [3] Hiperpowierzchnia będąca obwiednią wiązki jest nazywana kaustyką wiązki i najczęściej jest to kaustyka wokół przewężenia skupionej wiązki. W celu dokonania dopasowania hiperbolicznego zalecane jest wykonanie co najmniej 10 pomiarów średnic wiązki z czego 5 z nich powinno się znaleźć w odległości od przewężenia mniejszej niż długość Rayleigha zr. Wielkość ta to odległość wzdłuż osi z od przewężenia wiązki do płaszczyzny, na przestrzeni której promień wiązki zwiększa się o pierwiastek z dwóch w stosunku do promienia w ogni- λ π. (2) 3
sku, czyli powierzchnia plamki zwiększa się dwukrotnie. Dwukrotna długość Rayleigha, jest określana jako głębię ostrości układu optycznego. Dla wiązki gaussowskiej zr jest to określone zależnością [2]: =, (3) gdzie r0 to promień plamki w ognisku. Długość Rayleigha może być traktowana jako dystans, w zakresie którego materiał może się przemieszczać od pierwotnego położenia bez znaczącej zmiany wielkości plamki wiązki laserowej padającej na materiał. Z tego też powodu określa ona jak dokładny musi być układ pozycjonowania głowicy laserowej względem obrabianego przedmiotu. 2. Metody pomiarowe wiązki laserowej Istnieją dwie metody automatycznego pomiaru wiązki laserowej przy użyciu wirującej igły i obrazowania ma matrycy światłoczułej, jak zostało to pokazane na Rys. 2. Pierwsza z metod pomiarowych oparta jest o wirującą z dużą prędkością miedzianą igłę z nawierconym mikro otworkiem (ang. pinhole) o średnicy rzędu 20 µm odprowadzającym jedynie część promieniowania do detektora, jak zostało to pokazane na Rys. 2(a). Skupiona wiązka laserowa o mocy 5kW na powierzchni miedzianej do średnicy 200µm potrzebuje ok. 100µs, by rozgrzać ją do temperatury setek K co zniszczyłoby igłę pomiarową. Z tego też powodu pomiar odbywa się przez obrotowe skanowanie wiązki laserowej z prędkościami liniowymi większymi od 30m/s [4]. (a) (b) Rys. 2. Idea pomiaru wiązki przez: (a) skanowanie wirującą igłą, (b) pomiar wiązki na matrycy półprzewodnikowej [5] 4
W celu rejestracji całego przekroju wiązki laserowej głowica pomiarowa wykonuje ruch posuwisto-zwrotny. Dodatkowo ruchoma oś Z umożliwia pomiary rozkładu gęstości mocy w wielu równoległych płaszczyznach wzdłuż osi optyczne tak aby uzyskać przebieg wiązki wokół ogniska. Rys. 3 Schemat poglądowy budowy systemu z matrycą światłoczułą [6] Alternatywna metoda dla diagnostyki wiązki laserowej polegają na projekcji obrazu wiązki na matrycę CCD lub CMOS. Matryca nie może być jednak eksponowana na duże natężenie światła. Rozwiązaniem jest zastosowanie wielu absorberów i odsprzęgaczy wiązki oraz zestawu filtrów optycznych, jak zostało to pokazane na Rys. 3.. Dzięki temu na powierzchni przetwornika powstaje obraz wiązki o intensywności tylko 0,1% wiązki mierzonej. Wiązka laserowa pada najpierw na obiektyw zbudowany z systemu soczewek tak aby na matrycy światłoczułej była obrazowane płaszczyzna znajdująca się powyżej obiektywu. Dzięki temu rozwiązaniu może być analizowane promieniowanie o duże gęstości (GW/cm 2 ) [6]. Dodatkowo odpowiednio dobrany obiektyw może powiększać wiązkę i obrazować ją z odpowiednią rozdzielczością na matrycy, dzięki czemu możliwe jest uzyskanie rozdzielczości rzędu pojedynczych mikrometrów. Głównym ograniczeniem tej metody jest ograniczona gęstość mocy jaka pada na powierzchnię pierwszej soczewki. Dzięki użyciu specjalnego obiektywu ognisko laserowe znajduję się powyżej tej powierzchni i na pierwszą soczewkę pada już 5
wiązka rozogniskowane, ale gęstość mocy na tej powierzchni nie może przekroczyć 10MW/cm 2, a całkowita moc wiązki musi być niższa od 250W [6], dodatkowo promień wiązki padający na pierwszą soczewkę musi być mniejszy niż 1 mm. Na Rys. 4 został przedstawiony przykładowy wyniki pomiaru kaustyki wiązki lasera Nd:YAG, uzyskany za pomocą układu z światłoczułą matrycą. Rys. 4: Okno z przykładowymi wynikami pomiarów kaustyki systemu laserowego. W środkowej części okna pomiarowego na powyższym rysunku przedstawione jest odwzorowanie zmierzonej kaustyki wiązki, gdzie zielone kwadraty wskazują zmierzone wartości średnicy wiązki, natomiast czerwona linia to hiperpowierzchnia będąca wynikiem aproksymacji wielkości wiązki. Poszczególne przekroje poprzeczne wiązki mogą być oglądane z prawej części okna pomiarowego. W tym przypadku jest to przekrój wiązki poniżej ogniska. Po lewej stronie okna pomiarowego widocznych jest szereg parametrów uzyskanych w trakcie pomiaru. W pierwszych dwóch linijkach przedstawione jest położenie wiązki laserowej względem środka okna pomiarowego urządzenia. W linijce trzeciej znajduje się wyliczona pozycja ogniska wiązki laserowej. Wartość ta odpowiada współrzędnym maszynowym urządzenia pomiarowego w osi Z. Kolejna wyznaczona wartość (Diameter) to wyliczona średnica wiązki w ognisku. Kolejne dwie wartości wyznaczone to parametr jakości wiązki M 2 i jego odwrotność współczynnik propagacji wiązki K. Następna wartość to długość Rayleigha i wielkość plamki laserowej padającej na soczewkę skupiającą wiązkę. Przedostatni parametry to BPP będący iloczynem kąta rozbieżności i promienia plamki w ognisku. Ostatni parametr to kąt rozbieżności wiązki. Jak widać dzięki pomiarom możliwe jest precyzyjnie określenie szeregu istotnych parametrów wiązki laserowej. 6
3. Monitorowanie procesów laserowych Układ monitorujący ma na celu śledzenie przebiegu procesu i ocenę jego poprawności może służyć w celach diagnostycznych jak również do sterowania procesem w zamkniętej pętli. Wdrażaniu systemów monitorowania procesu pomagają dwie istotne cechy obróbki laserowej. Jej zaawansowana automatyzacja oraz występowanie dużej ilości procesów resztkowych towarzyszących oddziaływaniu lasera na materiałem [7]. Pierwsza z wymienionych cech wiąże się z łatwością wykorzystania wyników pracy systemu monitorującego do sterowania przebiegiem procesu. Druga z cech daje twórcy układu monitorującego dużą dowolność w wyborze rodzaju sygnału, który ma być rejestrowany. Pozwala to na dostosowanie układu do szczególnego rodzaju obróbki czy nawet daje możliwość implementacji kilku niezależnych układów rejestrujących różne sygnały. Procesy resztkowe towarzyszące obróbce laserowej dzieli się na poszczególne grupy: promieniowanie IR, promieniowanie UV, emisja akustyczna [1]. Przykładowy schemat procesu laserowego z wyróżnionymi zjawiskami resztkowymi, które mogą występować w trakcie obróbki laserowej, zostało zaprezentowane na Rys. 5. Rys. 5. Oddziaływania wiązki lasera z materiałem z wyróżnionymi procesami resztkowymi[8] 7
3.1. Procesy towarzyszące obróbce laserowej Poniżej zostały omówione poszczególne procesy resztkowe [7]: Emisja promieniowania UV- w odmianach obróbki laserowej, w których występuje znaczące odparowywanie materiału takich jak spawanie głębokie czy mikroobróbka, występuje promieniowanie UV. Źródłem tego promieniowania jest plazma, która dzięki energii dostarczonej przez wiązkę lasera oraz wysokiemu ciśnieniu tworzy się z parującego materiału. Problemem tej techniki monitorowana jest niestabilne zachowanie plazmy. Obłok plazmy, który powstaje nad miejscem obróbki absorbuje promieniowanie laserowe. To powoduje, że do obrabianego materiału dociera mniej energii przez co mniej cząstek odparowuje i powstaje mniejsza ilość plazmy. Następnie, gdy energii lasera nie blokuje już obłok plazmy dociera ona do materiału i wywołuje bardziej intensywne odparowywanie, a w konsekwencji większą ilość plazmy. Cykl ten powtarza się stale w czasie obróbki. Emisja promieniowania IR-w większości rodzajów obróbki laserowej występuje nagrzewanie się materiału. Zgodnie z prawem Plancka ciało o temperaturze większej od 0 absolutnego emituje promieniowanie elektromagnetyczne. Poniższy rysunek ilustruje jak zmienia się rozkład promieniowania dla różnych temperatur. Rys. 6. Rozkład promieniowania z zależności od temperatury obiektu [9] Im wyższa temperatura obiektu tym ilość emitowanego promieniowania zwiększa się, jednocześnie długość fali dla której promieniowanie ma największą wartość przesuwa się w kie- 8
runku krótszych długości fali. Stąd mierząc wielkość promieniowania jesteśmy w stanie określić temperaturę obiektu. W trakcie procesu laserowego temperatura przetopionego jeziorka jest wystarczająco wysoka do emisji promieniowania w zakresie widzialnym, a w konsekwencji użycie pirometru wykorzystującego prawo emisji Planka jest najbardziej wygodną metodą pomiaru temperatury powierzchni. W procesach obróbki laserowej oprócz promieniowania cieplnego występują inne źródła generujące promieniowanie o podobnych długościach fali. Powoduje to utrudnienia w pomiarze temperatury. Pomimo tych trudności szeroko stosowane są systemy monitorujące oparte na pirometrach. Emisja akustyczna- ma wiele źródeł między innymi przemieszczenia materiału na skutek naprężeń cieplnych czy usuwania jego fragmentów, pękanie materiału, dynamiczne zmiany ciśnienia gazów w otoczeniu miejsca obróbki, występowanie plazmy. Intensywność emisji z poszczególnych źródeł dostarcza znaczących informacji o przebiegu procesu. Do istotnych problemów zastosowania emisji akustycznej do monitorowania procesu można zaliczyć niekorzystne warunki występujące w miejscu obróbki takie jak wysoka temperatura czy odpryski mogące uszkodzić aparaturę, jak również hałas występujący często w warunkach przemysłowych mogący zakłócić działanie układu. 3.2. Wizyjne układy monitorowania Metoda wizyjna monitorowania może rejestrować szerokie spektrum promieniowania. Do tego celu używa się kamer cyfrowych i obróbki otrzymanego obrazu. W zależności od konkretnego układu można rejestrować przykładowo całe pasmo widzialne lub też tylko jedną wybraną długość fali. System wizyjny może również wykorzystywać dodatkowe oświetlenie nie rejestrując jedynie promieniowania powstającego w procesie. Systemów wizyjnych używa się do badania geometrii ciekłego jeziorka metalu czy też rozkładu temperatur w miejscu obróbki, takich możliwości nie ma w przypadku prostszych sensorów takich jak przykładowo pirometry, które podają jedynie temperaturę średnią lub maksymalną z obszaru, który rejestrują. Oczywiście wiąże się to z występowaniem większej ilości danych. W procesach obróbki laserowej stosowany posuw jest rzędu kilkudziesięciu milimetrów na sekundę. Stosując kamerę o szybkości kilkudziesięciu klatek na sekundę można uzyskać próbki sygnału co kilkaset mikrometrów. Tworząc układ do monitorowania trzeba wyznaczyć minimalną szybkość ka- 9
mery, przy której można poprawnie rejestrować proces. Zwiększanie szybkości ponad potrzeby wiąże się ze znacznym wzrostem kosztów układu monitorującego. Ważnym aspektem adaptacji układu monitorowania jest również budowa obrabiarki laserowej. Zastosowanie monitorowania współosiowego pozwala na uzyskanie takiego samego ujęcia kamery niezależnie od kierunku posuwu, jednakże wiąże się z koniecznością zastosowania zwierciadła dichroicznego, które jest transparentne dla długości fali lasera, a odbija zakres widzialny. Rys. 7. Schemat systemu wizyjnego do monitorowania spawania laserowego [10] Problemem jest również fakt, że zwierciadła czy soczewki skupiające głowic laserowych są dostosowane do interakcji z promieniowaniem o długości odpowiadającej danemu typowi lasera, promieniowanie o innych długościach fali rejestrowane przez układ monitorujący może ulegać odbiciom wstecznym czy aberracją. Przy budowie układu który nie jest współosiowy z laserem występuje duża swoboda w budowie układu optycznego. Jednakże problemem jest fakt, że rejestrowany obraz może się różnić znacznie w zależności od kierunku posuwu maszyny. Obecność układów wizyjnych kontrolujących proces jest pożądana w coraz to nowych aplikacjach obróbki laserowej. Dzięki nim można bardzo szybko zareagować na niepoprawności zaistniałe w procesie oraz zwiększać jakość wytwarzanych wyrobów. Nie ma niestety rozwiązań uniwersalnych naddających się do każdego rodzaju obróbki. 10
Literatura [1] Kannatey-Asibu, E.: Principles of Laser Materials Processing, Wiley, 2009 [2] Ion, J.C. Laser Processing of Engineering Materials, Elsevier, 2005. [3] Beyer E.: Institute of Surface and Manufacturing Technology, IWS Dresden, Materiały do wykładu: Laser Technology. [4] Schwede H., Kramer R.: High Performance Laser Beam Diagnostics in Industrial Environment. Materiały konferencji 17th ICALEO, 16-19 listopada 1998r, Orlando (USA). [5] Märten O., Schwede H.: Systematical qualification of optics. Materiały konferencji 4th PRIMES Workshop, 7-8 września 2010r., Seeheim-Jugenheim (Niemcy). [6] User s Manual and Documentation MicroSpotMonitor, Primes, 2007 [7] Marszałek Ł.: Sterowanie mocą lasera w procesie napawania z wykorzystaniem systemu wizyjnego Praca magisterska, Politechnika Wrocławska, 2012. [8] Kaierle S.: Proces monitoring and control of laser beam welding, AKL 2008 [9] http://www.lamptech.co.uk/documents/in%20operation.htm [10] http://www.prometec.com/en/products_laser.html 11