Анненков Ю.М. и др. Основы электротехнологий: практикум

Подождите немного. Документ загружается.

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

Чем короче волна, тем меньше угловая расходимость излучения

ОКГ. Расходимость влияет на минимальный диаметр сфокусирован-

ного луча ОКГ и, следовательно, на максимальную плотность энергии,

которую можно получить при фокусировании. Минимальный диаметр

сфокусированного луча:

= G

f, (3)

где G - действительная угловая расходимость;

f - фокусное расстояние фокусирующей системы.

Плотность сконцентрированной световой энергии может достигать

до 10

Вт/м

Е4

SФ

W ⋅=

⋅

, (4)

где Ф - лучистый поток ОКГ;

S - площадь, на которой фокусируется луч;

Е - энергия импульса;

Процесс взаимодействия лазерного излучения с веществом можно

представить в следующем виде: поглощение излучения поверхностью

материала, нагрев и плавление материала, испарение и выброс расплава

(лазерная эрозия).

При падении лазерного излучения на поверхность обрабатываемого

материала часть

излучения отражается и, как правило, безвозвратно те-

ряется. Отражённая энергия зависит от коэффициента отражения (таб-

лица 1), который определяется типом материала и длиной волны излу-

чения.

Таблица 1

Значения коэффициентов отражения для неокисленных полиро-

ванных поверхностей различных металлов.

Активная сре-

да ОКГ

Au Ag Cu Mo Ni Al Cr Fe

Аргон

(

λ=0,488 мкм)

0,415 0,952 0,437 0,455 0,597 0,85 - 0,535

Рубин

(

λ=0,6943 мкм)

0,930 0,961 0,831 0,498 0,676 0,82 0,555 0,575

Неодимовое

стекло

(

λ = 1,06 мкм)

0,981 0,964 0,901 0,582 0,741 0,733 0,570 0,650

Углекислый газ

(

λ = 10,6 мкм)

0,975 0,989 0,984 0,945 0,941 0,970 0,930 0,924

Из таблицы видно, что металлы обладают высокой отражательной

способностью и в некоторых случаях коэффициент отражения близок к

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

единице. Для того, чтобы эффективно использовать лазерный луч для

обработки металлов необходимо уменьшить коэффициент отражения

луча от поверхности. Для этого можно увеличить шероховатость по-

верхности, нанести на поверхность металлов диэлектрическую плёнку

или слой порошка (металлического, либо диэлектрического).

Другая часть лазерного луча проникает в материал и переходит в те-

пло.

Проникновение излучения в материал описывается в соответствии

с законом Бугера:

()

(

)

eR1ExE

⋅

−

⋅−⋅= , (5)

где Е

– энергия падающего лазерного излучения к поверхности мате

риала,

R – отражательная способность материала (R = 1- A (А – поглоща-

тельная способность материала)),

k- коэффициент поглощения света в данной среде.

Поглощение энергии лазерного пучка осуществляется с помощью

двух основных механизмов:

•

взаимодействие квантов света с валентными электронами (поля-

ризационный механизм);

•

взаимодействие квантов света с электронами проводимости.

Первый механизм универсален, он характерен для любых сред. Вто-

рой же механизм наблюдается преимущественно в металлах. По этим

причинам металлы сильнее поглощают лазерное излучение, чем диэлек-

трики и полупроводники.

Поглощение энергии лазерного излучения большой мощности

приводит к резкому возрастанию температуры материала, превышаю-

щей температуру

плавления. Высокие температуры и плотности фото-

нов вызывают термоэмиссию частиц с поверхности материала. Наблю-

дается интенсивное плавление и испарение материала, образуется мощ-

ная струя паров, и продукты разрушения выбрасываются из зоны обра-

ботки в виде факела.

Характер разрушения диэлектрических материалов и металлов разли-

чен. Разрушение диэлектриков под воздействия светового излучения

во

многом определяется низкой теплопроводностью, которая приводит к

возникновению больших градиентов температуры и, как следствие, к

растрескиванию материала.

Лазерный луч можно использовать для изготовления отверстий ма-

лых диаметров, в следующих деталях: диафрагмах, форсунках, ситах,

часовых и приборных камнях, фильерах для изготовления синтетиче-

ских волокон, алмазных волоках для протягивания микропровода и т

.д.

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

При этом параметрами лазерной обработки являются энергетические

характеристики импульса ОКГ (энергия, плотность энергии), частота и

длительность импульсов излучения, КПД лазера (табл.2).

Таблица 2

Характеристики ОКГ

Параметры излучения

Тип

ла-

зера

Активная

среда

изл

мкм

τ,

мс

Е,

Дж

Гц

Р,

кВт

Расхо

димо

сть, Q

мрад

КПД,

Области

применения

0,337 0,01 100

Не – Nе

0,6328 0,2-1

0,4880

0,5145

0,5-1

10,6 0,1-0,5 0,05 300

0,1- 10

1-10

15-30

Газовые

СО

+ N

10,6 0,1

>200

10-15

Динамическая

балансировка

деталей, резка,

упрочнение,

легирова-

ние,наплавка

Рубин

(Al

+ Cr

)

0,6943 0,5 0,03 1,4 1-40 1-1,5

Стекло +

1,064 0,1÷ 5 0,05÷

0,01-

0,5-

0,8-2

Твёрдотельные

на примесях

АИГ

)

1,064 0,2-5 0,2-

130

10-

100

0,15-

150

2-30 2-4

Динамическая

балансировка

деталей, про-

шивка отвер-

стий, сварка,

резка, упрочне-

ние, легирова-

ние, наплавка

ПП GaAs

0,885 0,03-

20-

200

20-50

(100)

Связь, даль-

нометрия

неорганиче-

ские соеди-

нения R

Жидкост-

ные

органиче-

ский

0,34-

11,75

до

0,001

< 0,1

Наука (ввиду

малой мощно-

сти)

Химии-

ческий

Фтористый

водород

2,6-

3,6

2,3

⋅

4,5 15

ПП – полупроводниковые лазеры

R – редкоземельные элементы

λ - длина волны излучения; τ - длительность импульса; Е – энергия им-

пульса; f – частота повторения импульсов; Р – мощность импульса;

Q – расходимость;

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

Исследования показали, что отверстия с малой конусностью получа-

ются при воздействии на обрабатываемый материал короткими импуль-

сами (0,5 - 1,5 мс). С увеличением длительности импульса растет конус-

ность отверстия, уменьшается его глубина. При обработке импульсами

большой длительности (до 8 мс) наблюдается лишь проплавление мате-

риала без образования отверстия. Поэтому режим с большими дли-

тельностями импульса применяется при сварке и локальной термообра-

ботке.

Диаметр обрабатываемого отверстия и его глубина при условии со-

хранения в фокальном пятне постоянной плотности энергии излучения

увеличиваются с увеличением фокусного расстояния фокусирующей

системы. На форму и размеры отверстия влияет величина смещения фо-

кальной плоскости фокусирующей системы.

Оптимальные размеры отверстия (наибольшая глубина

, наименьший

диаметр входа, постоянная конусность) получают, располагая деталь в

некоторой зоне между фокальной плоскостью и фокусирующей систе-

мой. Величина этой зоны определяется параметрами фокусирующей

системы и расходимостью излучения ОКГ. Изменение фокусного рас-

стояния или величины смещения поверхности детали от фокальной

плоскости фокусирующей системы, а также изменение энергии импуль-

са изменяют

плотность энергии излучения.

На размерные характеристики обработки влияет также количество

импульсов. С увеличением количества импульсов, последовательно по-

даваемых в зону обработки, увеличивается глубина отверстия. Много-

импульсная обработка практически не увеличивает входной диаметр

отверстия. Многоимпульсная обработка импульсами малой энергии

улучшает форму поперечного сечения по глубине, дает большую ци-

линдричность отверстия.

Энергия излучения

и длительность импульса, плотность энергии из-

лучения, фокусное расстояние фокусирующей системы, смещение по-

верхности детали относительно фокальной плоскости, количество им-

пульсов излучения - все это режимы лазерной обработки. Для определе-

ния оптимальных режимов получения микроотверстий строят моно-

граммы, пользуясь которыми можно определить фокусное расстояние f,

энергию Е и длительность t импульса излучения для

заданных значений

глубины Н и диаметра D отверстия на входе.

Точность изготовления микроотверстий лучом ОКГ довольно высо-

ка. При правильном выборе режимов обработки и стабилизации энерге-

тических и временных характеристик излучения ОКГ погрешность раз-

мерных параметров может составить 8 - 10% номинала. Повысить точ-

ность можно различными технологическими приемами - такими, как

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

ограничение длительности светового импульса, пневматическое калиб-

рование отверстий, обработка лучом ОКГ с использованием экрана, ка-

либрование отверстий обратным действием светового луча и т.д.

Чтобы повысить точность геометрических параметров отверстия,

улучшить топографию поверхностного слоя, целесообразно ограничи-

вать длительность светового импульса, оставляя лишь ту часть, которая

непосредственно используется для размерного

формирования отвер-

стия. Для этого можно применять различные затворы, работающие на

механическом, электрическом, магнитооптическом и других принципах

действия.

Машинное время изготовления одного отверстия при многоим-

пульсной обработке определяется длительностью импульса и составляет

0,001 - 0,0015 с. Следует, однако, учитывать, что при лазерной обра-

ботке еще велика доля вспомогательного времени, что ограничивает ее

производительность (

несовершенно фокусирование излучения ОКГ на

обрабатываемой поверхности). Ручная настройка фокусирующей систе-

мы на рабочий режим, помимо увеличения вспомогательного времени

технологического процесса, препятствует автоматизации лазерных ус-

тановок. Критерием для оценки точности фокусирования служит рез-

кость изображения обрабатываемой поверхности в поле зрения визу-

альной системы, что в значительной степени субъективно.

Размеры заготовок различны

, поэтому для каждой из них нужна ин-

дивидуальная настройка. В этих случаях целесообразно использовать

системы автоматического фокусирования. Они основаны на оценке и

использовании для настройки доли сигнала, отраженного от обрабаты-

ваемой поверхности. Однако, из-за значительной сложности такие сис-

темы в технологических установках применяются редко. Если исполь-

зуется визуальная система,

время ручной настройки можно уменьшить,

улучшив условия наблюдения за объектом обработки. Это делают, по-

крывая поверхность обрабатываемого материала тушью, графитовой

смазкой и пр. При обработке прозрачных материалов (стекло, алмаз,

кварц и др.) без этого приема качественную настройку иногда выпол-

нить вообще не удается. Кроме того, как показали исследования, пред-

варительная окраска

прозрачных заготовок повышает также эффектив-

ность самого процесса.

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

2.1. Цель и задачи работы

- закрепить теоретические знания по лазерной обработке материа-

лов, ознакомиться с устройством технологического лазера и принци-

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

пом его работы, уяснить основные закономерности процесса лазерной

прошивки материалов.

- определить производительность лазерной прошивки материала в

зависимости от оптических свойств объекта, твердости материала и

мощности воздействия.

2.2. Описание экспериментальной установки,

принципиальная схема

Лазер ЛТИ-501 - твердотельный лазер импульсного режима, рабо-

тающий на длине волны 1064,1 нм в одномодовом режиме.

Средняя мощность лазерного излучения при частоте повторения им-

пульсов 30 кГц составляет 8 Вт.

Частота повторения импульсов излучения от 5 до 50 кГц.

Энергетическая расходимость лазерного излучения на уровне 0,5

мощности не более 0,001 рад.

Диаметр пучка излучения по уровню 0,5 мощности у

выходного окна

излучателя составляет не более 1,5 мм.

Примечание: Указанные параметры лазера достигаются при токе на-

качке не более 37 А.

Режим работы лазера - одномодовый при отсутствии свободной ге-

нерации. Время готовности лазера не более 15 мин, время непрерывной

работы до 8 часов с последующим перерывом в 45 мин, суточная нара-

ботка до 16 часов.

Конструктивно лазер состоит из двух частей: излучателя и стойки

питания и охлаждения (СПО).

СПО- предназначена для питания, управления и охлаждения элемен-

тов излучателя.

Важнейшей частью лазера является излучатель, состоящий из квант-

рона, резонатора из двух зеркал, акусто-оптического затвора (АОЗ), ди-

афрагмы и электромеханической заслонки. В резонаторе излучателя

происходит преобразование электрической энергии, поступающей от

стойки СПО, в энергию лазерного излучения

Корпус излучателя имеет вид бруса почти квадратного сечения, име-

ющего в торцевых частях выступающие козырьки.

В центральной части внутренней полости корпуса установлен на нап-

равляющих полозьях столик с квантроном.

Внутри корпуса квантрона размещается отражатель в форме эллипти-

ческого цилиндра, активный элемент в виде круглого стержня из мо-

нокристалла алюмо-иттриевого

граната, активированного ионами

неодима (АИГ), а также дуговая лампа непрерывного горения с крипто-

новым наполнителем для накачки активного элемента.

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

Резонатор излучателя образован двумя зеркалами: в задней торцевой

части корпуса излучателя крепится юстируемое зеркало, а в передней

торцевой части - глухое (неюстируемое).

Перед глухим зеркалом со стороны квантрона расположена электро-

механическая заслонка.

Для модуляции добротности и получения импульсного режима излу-

чения в резонаторе излучателя лазера применен АОЗ, работа которого

основана

на явлении дифракции света на ультразвуковых волнах.

2.3. Порядок работы

Поверните ручку регулировки тока накачки «выходной ток» в край-

нее положение (против часовой стрелки), соответствующее минималь-

ному ток.

Откройте кран водопроводной магистрали и убедитесь в про-

хождении воды в систему слива.

Вставьте ключ в замок переключателя «Питание» и поверните его по

часовой стрелке до упора.

Нажмите кнопку «Вкл» и «Сеть», при этом должны загореться три

лампочки индикации «Сеть».

Если горит лампа «Авария», нажмите кнопку «Выкл» «Сеть», повер-

ните ключ

замка переключателя «Питание» против часовой стрелки до

упора, проверьте систему охлаждения лазера и устраните неисправ-

ность.

Нажмите кнопку «Контроль» «Зажигание» и убедитесь, что в лампе

накачки излучателя происходит пробой.

Нажмите кнопку «Вкл» «Силовая», при этом наблюдайте поджиг и

подхват работы лампы накачки излучателя и установление величины

выходного тока около 10 А.

Установите по амперметру необходимую для генерации величину

тока (32-37 А) поворотом ручки «Выходной ток».

Открыть затвор переключением тумблера в передней части станины

лазера.

Проверьте кратковременно визуализатором наличие на выходе излу-

чателя генерации излучения.

Разместите на предметном столике калибровочный материал.

Рычагом предметного столика переместите материал к выходной

линзе и по достижении фокусного расстояния

(по визуальному наблю-

дению через окуляр) зафиксировать данное положение.

Закрыть затвор тумблером, разместить на предметном столике один

из подготовленных к прошивке материалов, открыть затвор и начать

прошивку материала, фиксируя время операции.

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

Затем проделать все пункты по предыдущему пункту, с той лишь

разницей, что прошивке подлежат другие материалы.

На всех материалах снять зависимость скорости прошивки от мощ-

ности излучения. Мощность излучения изменяется поворотом ручки

"Выходной ток" по часовой стрелке до показаний амперметром пооче-

редно 22 А, 26 А, 29 А, 32 А, 36 А.

Для выключения

источника питания (силовой части) нажмите кнопку

"Выкл» «Силовая", предварительно уменьшив величину тока до 10-12

А.

Для выключения питания лазера нажмите кнопку «Выкл» «Сеть»

(при этом гаснут три лампы «Сеть») и поверните ключ замка пе-

реключателя «Питание» против часовой стрелки до упора и выньте его.

2.4. Оформление результатов работы

По результатам измерения заполнить таблицу 2 и построить зави-

симости скорости прошивки материалов от тока накачки генератора, и

установить влияние свойств материалов на эффективность прошивки.

Таблица 2

Зависимость скорости прошивки материала от мощности ОКГ

Время прошивки,

t, с

Скорость прошивки

V, мкм /с

Ток накачки, А

Материал

мате

рила,

мкм

2.5. Контрольные вопросы

1. Что такое лазерное излучение и его особенности.

2. Механизм генерации лазерного излучения.

3. Какие свойства материалов определяют обрабатываемость их

лазерным пучком?

4. Что определяет температуру материала при нагревании лазерным

лучом?

5. Механизм лазерной прошивки материалов.

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

2.6. Литература

1. Коваленко В.С. Лазерная технология: Учебник.- Киев: Выща шк.,

1989.- 280 с.

Епечурин В.П., Латышев А.П. Электротехнология.- Л.: СЗПИ,

1974 .- 76 с.

Бутурович И.Х, Гончаров Б.Ф. Электрофизические и электрохи-

мические методы размерной обработки: уч. пособие.- Л.: ЛПУ.,

1980.- 73 с.

Ракалин Н.Н., Углов А.А., Зуев И.В., Кокора А.Н. Лазерная и

электронно-лучевая обработка материалов.- М.: Машинострое-

ние, 1985.- 496 с.

Артамонов Б.А., Волков Ю.С., Дрожалова В.И. и др. Электрофи-

зические и электрохимические методы обработки материалов:

Учеб. пособие (в 2-х томах). Т. II. Обработка материалов с ис-

пользованием высококонцентрированных источников энергии/

Под ред. В.П. Смоленцева.- М.: Высш. школа, 1983.- 208 с.

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

СВЕТОЛУЧЕВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ НАНЕСЕНИЯ

ИЗОЛЯЦИОННЫХ И ЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ

1.ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Среди источников тепла для сварки, пайки, спекания и других спо-

собов термообработки надежное место занимает метод нагрева мишени

путем фокусирования световой энергии высокоинтенсивных источни-

ков излучения.

Светолучевыми технологиями будем называть технологии, основан-

ные на использовании источников некогерентного света, к которым от-

носятся Солнце, дуговые и газоразрядные лампы.

Нагрев лучистой энергией

обладает по сравнению с другими спосо-

бами, следующими преимуществами:

- возможностью обработки материалов независимо от их электриче-

ских и магнитных свойств;

- безконтактностью подвода энергии к изделию, при этом источник и

объект могут находиться на значительном расстоянии друг от друга;

- возможностью передачи энергии через оптически-прозрачные обо-

лочки, что позволяет проводить

технологические операции в контроли-

руемой атмосфере или в вакууме.

1.1. Взаимодействие света с твердыми телами

При воздействии светового пучка на твердые тела часть потока энер-

гии отражается от поверхности, а остальная часть поглощается об-

разцом, вызывая его нагрев.

Количество энергии, поглощаемой мишенью, определяется законом

Бугера: I(х) = I(o)(1 - R) exp(-kx), (1)

где I(x) - плотность поглощенной мощности излучения, Вт/см

;

I(o) - плотность падающего потока, Вт/см

;

R - коэффициент отражения;

k - коэффициент поглощения, см

-1

Световые установки могут генерировать потоки излучения в широ-

ких пределах - от единиц до 10

Вт/см

. В случае реализации техноло-

гических процессов, требующих нагрева образца до температуры плав-

ления, применяются потоки, не превышающие 10

Вт/см

Остановимся на механизме передачи энергии света твердому телу.

Энергия поглощенных световых квантов расходуется по двум кана-

лам:

1. Фотон передает энергию свободным электронам, что увеличивает

электронную температуру. В дальнейшем, за время порядка 10

-11

с тем-