Отображение групповых признаков в следах лазерной размерной обработки и маркировки
Для проведения полноценного экспертного исследования существенное значение будут иметь только признаки, используемые в целях идентификации, то есть идентификационные признаки. К ним относятся не все признаки объекта экспертизы. Для того чтобы признак мог выступать в качестве идентификационного, он должен отвечать нескольким критериям.
Во-первых, признак должен быть устойчивым, то есть не изменяться в течение определенного периода времени. С устойчивостью признаков связано важное криминалистическое понятие - период идентификации.
Многие ученые-криминалисты определяют период идентификации, как промежуток времени, в течение которого признаки отождествляемого объекта сохраняют свою устойчивость и возможно проведение идентификации. Однако период идентификации для такого следообразующего объекта как лазерная установка может означать не только временной интервал, но и количественные характеристики, которые приводят к ее качественным изменениям. Например, при обработке крупной серии изделий лазерная установка часто эксплуатируется круглосуточно, то есть значительно более интенсивно, чем в обычных условиях. Это приводит к необходимости проведения более частых профилактических работ, которые могут изменить часть конструктивно-технологических свойств. Очевидно, что период идентификации в таких условиях не связан напрямую с абсолютным значением временного интервала, а будет в основном определяться, например, числом импульсов излучения.
Во-вторых, признаки должны удовлетворять критерию отображаемости, что означает способность признака отображаться на следовоспринимающем объекте в результате следового контакта. Даже при наличии устойчивых признаков у следообразующего объекта они не всегда могут отображаться, и значит, не могут использоваться в процессе отождествления.
В-третьих, признаки должны быть взаимонезависимы, то есть появление одного из признаков не должно зависеть от наличия другого.
Последний критерий связан с пригодностью признаков для исследования. Обнаружение, фиксация и исследование признаков в следах лазерной обработки может представлять серьезную научную проблему. Поэтому, признаки, используемые в целях идентификации должны быть также пригодными к изучению приборами и методами, имеющимися в распоряжении экспертов.
Из теории криминалистической идентификации следует, что для установления тождества объекта может быть использована только совокупность общих и частных идентификационных признаков, содержащая индивидуализирующие признаки, которая носит название идентификационный комплекс признаков. Первоначально, групповые признаки используются для отнесения объекта к какой-либо группе объектов (определение групповой принадлежности). Определение групповой принадлежности всегда предшествует индивидуальной идентификации и является, как бы необходимым условием установления тождества объекта исследования. Достаточным же условием отождествления объекта является наличие у него индивидуализирующих признаков, которые позволяют выделить объект из установленной группы и тем самым идентифицировать его.
Рассмотрим, каким образом идентификационные признаки лазерной технологической установки отображаются в следах размерной обработки на изделиях. При этом будем придерживаться той же последовательности, что и при описании конструктивно-технологических свойств.
Ручной режим работы приводит к появлению следующих признаков в следах: различию в размерах и глубине дискретных маркерных знаков (отверстий); неоднородности ширины углублений линейной формы; различию в длине шага формирования периодических элементов; случайные отклонения сформированных знаков от правильных геометрических форм фигур и неоднородность расстояний между ними, а также отклонения в начертании цифробуквенных обозначений, изменения угла наклона вертикальных и горизонтальных элементов и др.
Признаки, отображающиеся в следах, которые характеризуют полуавтоматический режим работы, в основном определяются меньшим разбросом таких параметров, как глубина дискретных маркерных знаков (отверстий).
Если параметры излучения задаются автоматически, а сканирование осуществляется вручную, то режим считается полуавтоматическим. Этот режим редко применяется при обработке изделий массового производства, а признаки в следах аналогичны признакам описанным выше.
При автоматическом режиме все параметры работы установки задаются программой блока управления. Признаки в следах, связанные с разбросом параметров при следообразовании, практически отсутствуют. Однако могут появиться признаки, определяемые спецификой конкретной компьютерной программы и особенностями работы сканирующей системы. Например, ошибки в программе приводят к искажению цифро-буквенных, штриховых и графических изображений при маркировке. Виды обработки лазерным излучением легко дифференцируются по характерным конструктивно-технологическим признакам, отображающимся в следах. Например, признаком размерной обработки является наличие, так называемой, «дефектной зоны» - участка с измененными структурными параметрами материала. По сути дела этот участок представляет собой границу между зоной воздействия излучения и необработанным участком в следах размерной обработки. Для размерной обработки «дефектная зона» составляет 0, 1 - 0, 5 R, где R - радиус сфокусированного пятна излучения.
При сверлении, в зависимости от плоскости фокусировки, профиль сечения отверстия по глубине может быть цилиндрическим, коническим или биконическим. В плоскости обработки могут высверливаться не одно, а множество отверстий с определенным шагом. В этом случае шаг сверления отверстий может выбираться любым, но отличительным признаком этого вида обработки, отображающемся в следах, является то, что два соседних отверстия не соприкасаются. Если следы лазерной обработки выглядят как протяженные сквозные или несквозные отверстия, длина которых много больше их ширины, то это является признаком лазерной резки. Если разрез выполнен на установке непрерывного действия, то форма краев отверстия ровная. На установке импульсного действия разрезы получаются в результате последовательного перекрытия дискретных отверстий, в результате чего края приобретают волнообразную форму. В этом случае конкретный вид краев зависит от степени перекрытия отверстий, формирующих рез.
А несквозной разрез, выполненный при импульсном режиме излучения (вид сверху); б - сквозной разрез стальной пластины толщиной около 1 см, выполненный при непрерывном режиме излучения (вид торца)
Характерным признаком фрезерования, отображающимся в следах обработки, является то, что на изделии имеется несквозное отверстие, которое сформировано последовательным переносом сфокусированного пятна излучения в плоскости. На это указывает ряд микропризнаков, которые отображаются на краях (волнистость) и на дне отверстия в виде неоднородного по высоте микрорельефа. Их появление связано с перемещением пятна излучения. Если фрезерование выполнено на установке непрерывного действия, то следы переноса пятна излучения присутствуют только на дне отверстия в виде продольных полос.
В результате гравирования на поверхности обрабатываемого изделия образуются только несквозные углубления различные по форме. Поверхности сформированных углублений имеют более высокий класс чистоты обработки, чем в случае фрезерования и резки. То есть имеющийся микрорельеф более мелкий, так что обработанная поверхность выглядит зеркальной за счет удаления из зоны обработки брызг расплава и микрочастиц. Кроме того, у сформированных отверстий отсутствует кромка, что является еще одним признаком лазерного гравирования, отображающимся в следах.
Следы точечной сварки имеют вид отдельно расположенных пятен в области границы двух и более соединяемых деталей. Как правило, эти детали миниатюрные (корпуса микросхем, детали часового механизма, ювелирные изделия и др.), к которым другие виды сварки не применимы. Большая длительность импульса излучения приводит к появлению характерного признака в следах - наличию капель расплава вблизи места сварки. Поверхность капли имеет сложный рельеф, который зависит от распределения плотности мощности в плоскости лазерного луча. Шовная сварка легко отличается от точечной по признакам и имеет вид непрерывного сварочного шва или шва с перекрытием дискретных пятен. При этом структура поверхности непрерывного сварочного шва более однородная, чем у шва, образованного дискретными пятнами. Морфологические признаки термической обработки проявляются в изменении цвета и отражающей способности обработанного участка, что происходит, например, при закаливании режущих кромок ножей и других инструментов. Кроме того, при термической обработке отсутствует явно выраженная резкая граница зоны обработки. Это связано с тем, что за время действия излучения тепло успевает распространиться на значительные расстояния от рабочей зоны, а структурные изменения обрабатываемого материала происходят достаточно плавно в плоскости обработки.
Лазерная маркировка изделий чаще всего выполняется на установках импульсного действия. В этом случае ее отдельные элементы формируются в виде последовательности несквозных отверстий - дискретных маркерных знаков. При этом отверстия могут наноситься как с переменным, так и с постоянным шагом, или иметь различный коэффициент перекрытия. Прозрачные изделия (сувениры, ювелирные украшения, столовая посуда) могут содержать маркировку (художественную обработку) в толще материала. Визуальное восприятие такой маркировки происходит за счет рассеяния света на многочисленных микродефектах, возникающих в результате процесса взрывного разрушения материала, сфокусированным в глубине лазерным излучением. Характерным признаком такой маркировки является отсутствие следов воздействия излучения на внешних поверхностях изделий, а также образование множества радиальных микротрещин вблизи дискретных маркерных знаков, которые хорошо видны при микроскопическом исследовании. Из-за того, что дискретные маркерные знаки оказываются как бы «замурованными» в толще материала, в них сохраняются повышенные напряжения, связанные с образованием газовой фазы в процессе маркировки. Поэтому, в целях предотвращения растрескивания изделия маркировка обычно выполняется в импульсном режиме с шагом - без перекрытия дискретных маркерных знаков.
Следует отметить, что объемная маркировка прозрачных изделий всегда выполняется сквозь одну из граней, последовательным переносом фокуса излучения по глубине. При этом в направлении переноса плоскостные размеры дискретных маркерных знаков меняются, что связано с расфокусировкой излучения из-за изменения величины оптического хода лучей. Морфологические признаки, характеризующие различные методы обработки, практически всегда отображаются в следах, но при маркировке они проявляются наиболее полно. Поскольку маска содержит полную информацию необходимую для обработки, то маркировка через маску происходит без сканирования излучения. Это приводит к появлению в следах таких признаков, как наличие протяженных участков с высокой степенью однородности по ширине, глубине и крутизне стенок, которая обычно не достигается при других методах обработки.
При построчной обработке лазерный луч направляется в рабочую зону посредством сканирующей системы, обеспечивающей последовательное построчное прохождение лучом всей обрабатываемой поверхности. Построчная обработка выполняется как в ручном, так и в автоматическом режиме работы установки. При этом может использоваться либо непрерывный, либо импульсный режим излучения.
Отличительным признаком использования импульсного режима является наличие дискретных элементов в маркировке (маркерных знаков), которые формируются за один импульс излучения. При этом, полное изображение маркировки может формироваться маркерными знаками двумя способами: отдельными маркерными знаками, нанесенными с определенным шагом, или с перекрытием соседних маркерных знаков.
Шагом маркировки называется расстояние между одноименными точками соседних маркерных знаков. Он задается компьютерной управляющей программой, а его длина (Ьш) может быть постоянной или переменной в пределах поля маркировки. Но в любом случае длина шага относится к устойчивым групповым признакам установки. Маркировка с перекрытием дискретных маркерных знаков характеризуется большим количеством признаков, отображающихся в следах. Во-первых, в следах четко отображается направление перемещения излучения (направление обхода) при формировании отдельных изображений (цифр, букв, символов). При этом окончанию обхода соответствует последний неперекрытый маркерный знак. Во-вторых, в любом месте маркировки хорошо просматриваются области перекрытия маркерных знаков
В отличие от шага маркировки величина коэффициента перекрытия более стабильна в пределах всего поля маркировки, но для более точного расчета следует выбирать прямолинейные участки вдали от точек с резким изменением направления обхода. Кроме этого в следах маркировки с перекрытием дискретных маркерных знаков отображаются признаки, связанные с энергетическими параметрами лазерной установки. Так, например, в местах начала обхода или резкого изменения направления обхода имеются области с более глубокими маркерными знаками. Эта особенность связана с физическими процессами, протекающими в активном элементе лазерной установки в момент изменения частоты следования импульсов: при уменьшении частоты - энергия излучения несколько возрастает, что приводит к более глубокому проплавлению материала. При этом данный признак зависит одновременно от целого ряда параметров установки (частоты следования импульсов излучения и их длительности, максимальной энергии излучения активного элемента, параметров сканирующей системы и др.) и может служить основанием для сужения группы, к которой принадлежит данная лазерная установка. То есть, если для двух установок хотя бы один из указанных параметров будет отличаться, то количество маркерных знаков с более глубоким «проплавлением» будет различным.
Построчная маркировка может выполняться также с использованием различных способов построения изображения - растровой или векторной графики. При растровой графике изображение формируется точками (маркерными знаками), положение каждой из которых строго задано в координатной системе на плоскости. Поэтому маркерные знаки располагаются дискретно (без перекрытия), что обеспечивается пошаговым переносом одного импульса излучения от точки к точке. В этом случае длина шага может варьироваться, так как основное внимание уделяется качеству построения изображения.
При формировании изображения с использованием векторной графики дискретные маркерные знаки не привязываются к системе координат. В этом случае лазерная установка работает в режиме излучения с определенной и стабильной частотой следования импульсов. Обычно значение частоты следования составляет несколько килогерц. При этом направление переноса излучения задается либо с помощью векторов, либо с помощью малых приращений. Для этого в управляющую программу вводятся координаты начала и окончания векторов или уравнения плоскостных фигур. В любом случае точки начала и окончания формирования изображения отдельных элементов отличаются от всех остальных участков. Они всегда имеют больший диаметр и глубину, так как сформированы большим количеством импульсов лазерного излучения. Морфологические признаки, характеризующие вид и особенности работы сканирующей системы, хорошо отображаются в следах лазерной обработки поверхностей достаточно большой площади. В этом случае проявляются краевые эффекты, свойственные системе с угловым отклонением луча, которые выражаются в искажении дискретного маркерного знака. Если сфокусированное вблизи главной оптической оси объектива дискретный маркерный знак имел форму круга с определенным диаметром, то при падении излучения под острым углом к поверхности его форма становится овальной, а размеры изменяются из-за большей длины хода лучей. Отличительным признаком планшетного сканирования является отсутствие описанных искажений, так как излучение всегда направлено перпендикулярно к обрабатываемой поверхности. Однако скорость формирования изображения значительно меньше, чем при угловом сканировании, что связано с механическим перемещением объектива или обрабатываемой заготовки. Поэтому площадь обрабатываемой поверхности, как правило, имеет размеры большие, чем 100x100 мм, так как именно в этом случае использование планшетного сканирования становится экономически выгодным. Этот признак также позволяет определить вид сканирующей системы.
Непрерывный режим излучения используется для термической и размерной обработки материалов. В первом случае большинство материалов приобретают новые внешние признаки, выражающиеся в изменении цвета, отражательной способности, твердости и т.п., о которых уже говорилось при описании следов термической обработки. Отличительные признаки непрерывного режима излучения в следах размерной обработки связаны с высокими скоростями сканирования и значительными площадями обрабатываемых поверхностей. В условиях промышленного производства такая обработка проводиться только в автоматическом режиме, что при отсутствии дискретных элементов (углублений, наплывов металла) приводит к образованию исключительно ровных резов или сплошных сварочных швов. Например, при раскрое стальных листов толщиной 3 мм достигается скорость резки составляет около 7 см/с. При этом ширина реза составляет всего 0,02 мм, что является отличительным признаком лазерной резки от других видов (кислородной, плазменной, электродуговой).
Воздействие импульсного излучения вносит особенности в механизм следообразования и приводит к появлению признаков, отображающих данный режим. Так, например, у сформированного единичного отверстия четко наблюдаются три зоны, различающиеся по морфологическим признакам. Центральная зона (1) формируется излучением с наибольшей интенсивностью и в случае несквозного отверстия имеет наибольшую глубину. В периферийной зоне (2) интенсивность излучения экспоненциально падает от центра к краям, что выражается в плавном изменении глубины отверстия. Видна также «дефектная» зона, которая расположена на границе: необработанный материал - стенка отверстия (3).
То есть, по ширине «дефектной» зоны, пользуясь справочными данными значений коэффициента температуропроводности, температуры плавления и испарения для обрабатываемого материала можно вычислить примерную длительность импульса излучения, а затем по этому параметру установить групповую принадлежность лазерной установки. При этом ширина «дефектной» зоны легче всего определяется на металлических поверхностях, как область с измененными морфологическими признаками: цвета, микрорельефа, кристаллической структуры, твердости. Следует учитывать, что при маркировке с использованием векторной графики и высокой частотой следования импульсов излучения решающее значение имеет скорость перемещения сфокусированного пятна. То есть, чем медленнее происходит сканирование, тем большей становится ширина «дефектной» зоны, которая также может расцениваться в качестве группового признака установки.
Признаком использования режима свободной генерации является наличие объемных следов в виде кратеров. Напротив, при маркировке с использованием режима модулированной добротности излучения дискретные маркерные знаки имеют вид темных точек, образующих тонкие линии, расположенные в центральной части изображений отдельных цифр.
Более светлая область вокруг этих линий представляет собой «дефектную» зону, ширину которой (AL) довольно точно можно измерить, например, с помощью окуляр-микрометра микроскопа. То есть, визуальное восприятие маркировки фактически происходит за счет имеющейся «дефектной» зоны, которая имеет вид «ожогов» с характерными цветовыми разводами.
К признакам, характеризующим оптическую систему, относятся признаки лазерного излучателя и фокусирующей системы. В свою очередь лазерный излучатель состоит из двух крупных функциональных узлов: активного элемента и оптического резонатора.
Основными признаками активного элемента твердотельного лазера являются: его геометрические размеры, химический состав основы и легирующих добавок, максимально возможные энергия излучения и частота следования импульсов. Большая часть этих признаков является проявлением описанных выше интегративных свойств установки. Например, максимальная энергия излучения является паспортной характеристикой и зависит от многих факторов. Поскольку, в промышленных лазерных установках эксплуатация активного элемента с превышением паспортных значений недопустима, признаком этого свойства является использование лазерных установок для вполне определенных видов обработки, в зависимости от их энергетических характеристик. Поэтому, оценив величину энергии излучения по следам обработки (принимая во внимание вид обработки, вид материала, глубину проплавления и др.) и используя справочные данные возможно отнести применявшуюся установку к определенному классу, например, с энергией излучения не менее 10 Дж. Исключение составляет такое свойство, как химический состав активного элемента, признаком которого является определенная длина волны излучения. Его отображение в следах лазерной обработки связано с зависимостью коэффициентов поглощения и отражения от длины волны для многих обрабатываемых материалов. Учитывая тот факт, что в промышленных лазерных установках применяются активные элементы, излучающие энергию, в основном, в трех диапазонах длин волн (0.69 мкм - рубин; 1.06 - гранат или стекло, активированные неодимом; 10,06 мкм - СО2) иногда возможно, методом исключения, определить длину волны излучения. Очевидно, что эти признаки активного элемента должны быть классифицированы как групповые, так как позволяют выделить только группу лазерных установок с названными оптическими и энергетическими параметрами.
Оптический резонатор включает в себя зеркала и элемент управления излучением (модулятор), в качестве которого обычно используется электрооптический или механический затвор. К основным групповым признакам оптического резонатора относятся: оптические параметры системы зеркал (плоское - плоское, плоское - вогнутое, вогнутое - вогнутое, коэффициенты отражения), вид элемента управления (вращающаяся призма, электрооптический кристалл), конструктивные особенности выходного окна излучателя, способ формирования импульса излучения (вид модуляции) и модовая структура излучения.
Оптическая фокусирующая система может содержать несколько десятков оптических элементов - зеркала, диафрагмы, линзы и др. Её основными групповыми признаками являются кратность входной линзы телескопической системы и фокусное расстояние объектива, которые отображаются в следах, так как определяют диаметра пятна излучения.
Таким образом, при размерной обработке изделий массового производства с помощью лазерных установок в следах отображается комплекс групповых конструктивно-технологических признаков. Часть из них является проявлением свойств установки, которые относятся к функциональному информационному полю. Среди них признаки, отражающие режимы работы, виды обработки, режимы излучения, размеры поля сканирования, то есть такие, которые зависят от конкретного технологического процесса. Признаки, зависящие от конструктивных особенностей установки, являются проявлением свойств, относящихся к морфологическому информационному полю. К ним, безусловно, относятся признаки метода обработки через маску. Так как в зону обработки проецируется резкое изображение маски, то в следах на изделиях отображаются признаки ее внешнего строения, включая отдельные дефекты формы и размеров.
Следует отметить, что некоторые свойства нельзя отнести только к одному из информационных полей. Например, такие свойства установки, как вид сканирующей системы или параметры оптической системы, с одной стороны, определяют ее конструкцию, которая не зависит от параметров технологического процесса. С другой стороны, в следах обработки отображаются признаки их функционирования. Поэтому эти свойства являются интегративными и относятся к системе взаимосвязанных функциональных и морфологических информационных полей, образующих информационное пространство.
Автор: Кудинова Н.С.