Новые лазерные технологии обработки материалов

реклама
НОВЫЕ
ЛАЗЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ
Начало лазерных технологий
УФ
ИК
400 нм
700 нм
Эксимерные
ArF: 193 нм
KrF: 248 нм
XeCl: 308 нм
Nd:YAG
1064 нм
9.4 мкм 10.6 мкм
СО2
лазер
Излучение Рекордно высокие мощности и энергии импульса
лазерного излучения
Материалы
Стали и сплавы, особенно твердые и жаропрочные
(иногда полупроводники и пластики)
Технологии Резка, сварка, пробивка отверстий, упрочнение
термообработкой, нанесение покрытий, наплавка
Современные технологии
УФ
ИК
400 нм
Эксимерные
ArF: 193 нм
KrF: 248 нм
XeCl: 308 нм
700 нм
Nd:YAG
удвоение частоты
532 нм
Nd:YAG
утроение частоты
355 нм
Излучение
Nd:YAG
1064 нм
9.4 мкм 10.6 мкм
СО2
лазер
800 нм
1500 нм
волоконные лазеры с диодной накачкой
диодные лазеры
Расширение ближнего ИК диапазона, умножение частот
Использование ультракоротких (нано- и пикосекундных) импульсов
Плавное и точное регулирование мощности / энергии
Материалы
Стекло, пластики, керамика, полупроводники
Технологии
Технологии основаны на нетепловом воздействии лазерного
излучения и нелинейных оптических эффектах
Лазерные технологии
обработки неметаллических
материалов
Лазерная сварка пластмасс
1 – частично прозрачный пластик
2 – поглощающий пластик
3 – лазерный пучок
4 – зона лазерного нагрева
5 – сварной шов
ЛАЗЕРНОЕ
ИЗЛУЧЕНИЕ
ДАВЛЕНИЕ
Возрастание сложности
сварки пластмасс
белый
белый
прозрачный
прозрачный
цветной 1
цветной 1
цветной 1
цветной 2
цветной
черный
черный
черный
прозрачный
черный
Сварка пленок через маску
Диодные линейки и диодные матрицы:
– плотность выходной мощности оптического излучения более 1 кВт/см2
– плотность энергии оптического импульса до 0,5 Дж/см2
– длительность оптического импульса до 0,5 мс
Сварка
кварцевых труб
контакт СТЕКЛО - СТЕКЛО
контакт СТЕКЛО - МЕТАЛЛ
Непрерывный СО2 – лазер, мощность до 50 Вт
Управление процессом за счет подбора скорости
вращения деталей
Сварка стекла с высоким КТР
ультракороткий
лазерный импульс
многофотонная
ионизация,
генерация плазмы
нагрев и плавление
стекла
«рекристаллизация»
расплава
Сварка прозрачных материалов без поглощающих прослоек
Возможна сварка разнородных материалов
Сварка стекла с высоким КТР
Излучение
Материалы
Длительности импульса – 10 – 30 пс (10 – 30  10-12 сек)
Энергии импульса 0,5 – 3 мкДж
стекло + стекло стекло + кремний
стекло + корундовая керамика
Технологии Скорость сварки до 10 мм/с ограничена
возможностями существующих установок
Сверление стекла СО2 - лазером
Толщина стекла 100 – 700 мкм
Диаметр отверстий 400 мкм
линза
предварительный нагрев
длительность импульса
сверление
Сверление стекла
излучением эксимерного лазера
ArF эксимерный лазер с длиной волны 193 нм
Диаметр отверстий 100 мкм
Толщина пластинки боросиликатного стекла до 5 мм
Формирование канала за 500 - 4500 импульсов
Резка стекла
Материал
Толщина
Длина волны излучения
Скорость резки
боросиликатное стекло
100 мкм - 1 мм
355 нм
37.5 мм/сек - 20 мм/сек
Лазерное ударное упрочнение
(Laser shock peening)
Принципиальная схема обработки
Материал
Прозрачное покрытие (вода)
Лазерный импульс
Плазма
Ударная
волна
Непрозрачное покрытие
Тип установки: импульсный лазер Nd: стекло или Nd:YAG
Параметры лазерного излучения:
длина волны, λ
1064 нм
энергия импульса, Е
1 ÷ 100 Дж
плотность мощности, q
109 ÷ 1010 Вт/см2
длительность импульса, τ
10 ÷ 50 нс
размер лазерного пучка на поверхности, d
1 ÷ 10 мм
давление ударной волны
до 10 ГПа
остаточные напряжения
до 1 ГПа
Сжимающие напряжения в титановых
сплавах после механической и лазерной
ударной обработок
Обрабатываемые материалы
алюминиевые сплавы
титановые сплавы
никелевые сплавы
стали
Применения лазерного ударного упрочнения
компоненты авиационных двигателей;
компоненты, критичные к усталости: бортовые переборки; узлы крепления
крыла; тормозные элементы; шасси и т.д.;
повышение надежности сварных титановых и алюминиевых компонентов;
противодействие усталости, усталости вследствие фреттинг-коррозии,
трещинообразованию от коррозии под напряжением для крепежных
элементов и отверстий под крепеж;
повышение выносливости приводных механизмов вертолетов
Зона лазерного воздействия
на поверхности титанового сплава
λ = 10,6 мкм
Е = 4,5 Дж
q = 4107 Вт/см2
τ = 4 мкм
d = 1,52 мм
Поверхность образца алюминия
после лазерной обработки
λ = 1064 нм
Е = 600 мДж
q = 109 Вт/см2
τ = 10 нс
d = 1,5 мм
Fи = 20 Гц
k = 0,2 мм
Распределение микротвердости
по глубине поперечного шлифа
сплав В95
сплав Д16Т
Установки для
лазерного ударного упрочнения
компании Metal Improvement Company
Установки для
лазерного ударного упрочнения
Шеньянский институт автоматизации
λ = 1064 нм
Е = 25 Дж
τ = 15-20 нс
Fи = 4 Гц
Laser shock forming
Laser shock forming
Лазерное текстурирование
поверхности
Nd:YAG лазер
λ = 1064 нм
Е = 33 ÷133 мДж
τ = 5-7 нс
d = 43,3 мкм
Fи = 30 Гц
абляционный материал:
полиэстер, лента (0,07 мм)
глубина: 0,75 - 1 мкм
диаметр: 130 – 180 мкм
Селективное лазерное спекание
Лазер
Система сканирования
Лазерный пучок
Система
подачи
порошка
Неспеченный порошок
Спеченный порошок
Фунциональные биоимплантаты
Керамика с градиентом
электрофизических свойств
Синтез каталитически активных материалов
Ni(NO3)2  6H2O
Способ получения
NiOx
Каталит.
Селективактив-сть, % ность %
Отжиг в муфельной печи
77.5
74.2
Излучение СО2 – лазера
Р = 50 Вт, v = 16,7 мм/сек, 3 прохода
98.3
77.5
Излучение СО2 – лазера
Р = 45 Вт, v = 3,3 мм/сек, 1 проход
84.6
87.5
Синтез каталитически активных материалов
малодефектная структура после
термического отжига
Закономерности структрных изменений:
Деление линий на мультиплеты появляется
только при обработке с оплавлением
поверхности частиц.
Количество линий в мультиплете зависит от
типа исходной соли Ni.
42
42,5
43
43,5
44
44,5
2, град
гомологическое искажение структуры
после лазерной обработки
Количество линий в мультиплете различно для
различны hkl.
Количество линий в мультиплете не зависит
от режима лазерной обработки.
Расстояние между линиями в мультиплете
зависит от режима лазерной обработки.
Возможные объяснения:
Систематические искажения решетки,
связанные с понижением симметрии
Появление новых нестехиометрических по
составу фаз
42,8
42,9
43
43,1
43,2
43,3
2, град
43,4
43,5
43,6
Упорядочение дефектов структуры
Скачать