Lazernaya_tehnologiya
реклама
Федеральное агентство по образованию Московский инженерно-физический институт (государственный университет) Кафедра лазерной физики Лазерный центр МИФИ А.П.Менушенков Б.М.Жиряков В.Н.Петровский Лабораторная работа “Лазерная технология” Москва 2006 1 УДК 621.791.725(075) ББК 34.58.я7 М50 Менушенков А.П., Жиряков Б.М., Петровский В.Н. Лабораторная работа “Лазерная технология”. М.: МИФИ, 2006. 24 с. Работа знакомит с современными проблемами лазерной технологии. Приводится классификация лазерных технологических процессов по плотности потока и времени действия лазерных импульсов. Обсуждаются физические процессы взаимодействия мощного лазерного излучения с веществом, аналитические решения краевых задач теплопроводности, находятся аналитические выражения для критических плотностей потока, скоростей нагрева и охлаждения, градиента температуры. Изучаются результаты взаимодействия мощного импульсного лазерного излучения с металлами для реализации ряда технологических процессов. Работа предназначена для студентов старших курсов факультета экспериментальной и теоретической физики и Высшего физического колледжа, специализирующихся по кафедре лазерной физики. Рецензент: к.ф.-м.н., доцент В.А.Маслов Рекомендовано к изданию редсоветом МИФИ © Московский инженерно-физический институт (государственный университет), 2006 2 Цель работы – ознакомление с физическими основами взаимодействия лазерного излучения с металлами, различными видами лазерных технологических операций и современными проблемами лазерных технологий. Теоретическая часть Лазерная технология в настоящее время стала одной из наиболее перспективных областей применения лазеров. Лазерный отжиг, аморфизация, получение сплавов, покрытий, напыление тонких пленок, модификация свойств поверхности, лазерно-плазменная технология и др. ещё двадцать лет назад были неизвестны. Сейчас каждый из этих процессов представляет собой самостоятельную, динамичную область исследовательской деятельности, перешагнувшей из стадии первоначальных лабораторных экспериментов в стадию новой, лазерной промышленной технологии. С созданием мощных непрерывных лазеров возник целый ряд вопросов, связанных с более широким использованием этих лазеров в различных областях производства, включая и традиционные методы термического воздействия, направленные на изменение геометрии деталей (сварка, резка) и их физико-химического состояния (термоупрочнение, легирование и т.д.). Высокая интенсивность лазерных источников способствует селективному развитию физико-химических процессов в поверхностном слое материалов. В большинстве технологических процессов обработки материалов интенсивность излучения и его пространственно-временные характеристики играют определяющую роль, в то же время одно из фундаментальных свойств лазерного излучения – когерентность, как правило, не проявляет себя. Воздействие лазерного излучения сопровождается процессами тепло- и массопереноса, развитие которых зависит от энергетических и пространственно-временных 3 характеристик излучения. В процессах лазерной технологии длина волны излучения играет существенную роль. Это связано как с дисперсией поглощения окружающей атмосферы, так и с дисперсией поглощающей способности обрабатываемых тел. Кроме того, пороги пробоя атмосферы вблизи поверхности тел могут различаться на два порядка для излучения в видимой и ближней инфракрасной областях по сравнению с излучением СО2-лазеров в дальней инфракрасной области. Зависит от длины волны излучения и глубина проникновения лазерного излучения в объём конденсированной среды, что существенно, например, при обработке плёнок. При воздействии сфокусированного мощного лазерного излучения на поверхность твёрдого тела вещество нагревается, плавится, частично испаряется и ионизируется. В неоднородно нагретом веществе возникает сложное течение жидкости, паров, плазмы и окружающего газа. Перемещение вещества оказывает, в свою очередь, существенное влияние на распространение лазерного излучения, приводя к изменению фокусировки, условий поглощения и отражения излучения. Возникает сложное многофазное гидрои газодинамическое течение, согласованное с распространением лазерного излучения в сильнопоглощающей и преломляющей оптически нелинейной среде. Соответствующий выбор длины волны излучения, интенсивности, времени воздействия, вида и давления окружающей атмосферы позволяет осуществлять различные технологические процессы, ряд которых принципиально невозможен без применения лазера. Классификация лазерных технологических процессов При анализе процессов воздействия лазерного излучения на материалы часто используют понятие "критическая интенсивность" или "критическая плотность потока". Этот термин в определённой степени условен, так как связан с понятием разрушения вещества, также имеющим 4 условный характер. В лазерной обработке под началом разрушения чаще всего подразумевают плавление поверхности тела, хотя необратимые изменения в объёме большинства материалов происходят и при нагреве ниже температуры плавления. Критические интенсивности qci [Вт/см2] (i=1,2,3,4) являются основой, используя которую, можно классифицировать разнообразные технологические процессы и рассматривать их последовательно при переходе от одной критической интенсивности к другой. Отметим, что такой подход к анализу процессов лазерной технологии не является единственным. Обычно принимают, что qc1 – критическая интенсивность, необходимая для достижения к концу импульса излучения на поверхности тела температуры плавления; qc2– критическая интенсивность, соответствующая достижению температуры кипения; qc3 – критическая интенсивность, выше которой процессы испарения преобладают над переносом тепла в конденсированную среду; qc4 – критическая интенсивность, выше которой над поверхностью возникает плазменный факел, а в глубь материала распространяется ударная волна. Возможно использование и других условий критической интенсивности, например, для реализации глубинного проплавления и т.д. Для металлов величина qc1 лежит в диапазоне 104 – 105 2 Вт/см при длительности импульса лазерного излучения ~ 1 мс. На этом уровне интенсивности лазерного излучения можно осуществлять термическую обработку большинства металлов. На рис.1 предложена общая схема импульсных лазерных процессов. В определённой степени эта схема пригодна и для технологических процессов с воздействием непрерывного излучения, если под временем воздействия подразумевать не длительность импульса, а время прохождения через данную точку луча, определяемое скоростью движения луча. Рассмотрим схему подробнее. 5 Лазерные технологические gпроцессы Интенсивность Время действия излучения импульса, с Вт/см2 Нагрев 103-109 / 10-910-2 Отжиг имплант ированны х слоёв 108-109 / 10-8 Закалка 106 / 10-3 Плавление 107 / 10-510-2 Геттерирование 107-109 / 10-8 Термообработк а 106 / 10-3 Сварка 106-107 Пайка 107 Очистк а поверх но-сти. 107 Легиро ва-ние Зонная очистка кристалл а 107 Плакирование Испарение 109 / 10-810-2 Резка 108 Сверле ние 109 Напылен ие плёнок 3·1083·109 / 10Подгон 8 ка Скрайб ирование 109 Обрабо тка плёнок Лазерноплазменная обработка 107-109 Синтез Разложе ние Образо Химикова-ние терсилици мическая дов обработк а Создан Улучшен Окисле Восстан ие ие ние оваморфн свойств ление Упрочне ых структур ние структу ы р Рис.1 Классификация лазерных технологических процессов. 105 107 6 Ударное воздействие 109 / 10-8 Ударно е упрочн е-ние 109 / 10-8 Создан ие p-n переход ов 109 / 10-8 При нагреве ниже температуры плавления возможна закалка и термоупрочнение сталей и сплавов, а также геттерирование и отжиг дефектов в ионно-имплантированных слоях полупроводников. Плавление тонкого поверхностного слоя открывает возможности для получения покрытий, поверхностной очистки при плавлении, создания на поверхности металлических стенок и проведения химикотермических процессов, приводящих к созданию новых веществ. Если плотность мощности превышает qc3 , то в газовой среде вблизи поверхности тел возможна реализация процессов лазерно-плазменной обработки (разложение веществ, синтез соединений, упрочнение материалов, окисление, восстановление). При q > 109 Вт/см2 и длительности импульса в десятки наносекунд возможно упрочнение поверхностного слоя толщиной в единицы и доли микрометров под действием ударной волны, обусловленное генерацией структурных дефектов (дислокаций, смещённых атомов и т.д.). Соответствующий выбор плотности мощности излучения q и времени воздействия излучения определяет проведение того или иного технологического процесса. Существующие лазерные системы позволяют изменять эти параметры в широких пределах: время действия может составлять от десятков секунд до десятков наносекунд, плотность потока – от 103 до 109 Вт/см2 и более. На рис.2 приведена обобщённая диаграмма, на которой показаны области значений плотности мощности, соответствующие различным видам лазерной обработки металлических материалов. Взаимодействие лазерного излучения с веществом В технологических операциях с применением лазерного излучения взаимодействие света, как правило, происходит с непрозрачными средами. В этом случае процесс взаимодействия хорошо описывается тепловой моделью. Эта 7 модель учитывает ряд стадий взаимодействия: поглощение света и передачу энергии в виде тепла решётке твёрдого тела, нагревание, плавление, разрушение путём испарения и выброса расплава, последующее остывание. q, Вт/см2 1010 1 10 8 100 106 101 10 103 2 104 105 106 2 3 Испарение поверхности Оплавление поверхности 5 4 Оплавление поверхности 104 10-8 10-6 10-4 10-2 100 t, с Рис.2. Обобщенная диаграмма значений плотности мощности и длительности импульса лазерного излучения, соответствующих различным видам лазерной обработки металлов: 1 – ударное упрочнение; 2 – сверление; 3 – сварка с глубоким проплавлением; 4 – закалка; 5 – получение аморфных структур (цифры у штриховых линий указывают значение плотности энергии в Дж/см2) 8 Лазерное излучение, падающее на поверхность материала, поглощается в соответствии с законом БугераЛамберта: q(x) = q0 A exp[-∫α(ξ)dξ] , (1) где q(x) – интенсивность излучения, прошедшего на глубину x; q0 – интенсивность на поверхности материала; A=1-R – поглощающая способность; R – коэффициент отражения; α – коэффициент поглощения материала, интегрирование производится в пределах от ξ = 0 до ξ = x. В случае изотропной и однородной поглощающей среды (что характерно для большинства технологических процессов) выражение (1) приводится к виду: q(x) = A q0 exp (-αx). (2) Оптические свойства металлов удовлетворительно описываются моделью свободных электронов, в соответствии с которой падающий на поверхность световой поток за вычетом отражённой части практически полностью поглощается электронами проводимости в слое толщиной d = α-1 = 0,1-1 мкм, соответствующей глубине проникновения света в металл. Нагретый электронный газ передаёт энергию решётке за счёт электрон-ионных соударений, и очень быстро (за время 10-10 – 10-11 с) температуры поглощающего электронного газа и решётки выравниваются. Это время значительно меньше длительности применяемых в технологии лазерных импульсов, и обычно считают, что температура поглощающего слоя "следит" за интенсивностью светового потока с пренебрежительно малым запаздыванием. Поглощение лазерного излучения твёрдым телом эквивалентно появлению источника тепла внутри или на 9 поверхности твёрдого тела. Реакцию материала на действие этого источника можно найти, решая трёхмерное уравнение теплопроводности: (∂/∂t) (cρT) = div (æ grad T) + qv, (3) где T – температура в произвольной точке материала с координатами x, y, z, в момент времени t, æ – коэффициент теплопроводности; ρ, c – соответственно плотность и теплоёмкость вещества; qv(x,y,z,t) – объёмная плотность мощности источников тепла, действующих внутри твёрдого тела. Уравнение (3) представляет собой запись в дифференциальной форме закона сохранения энергии, согласно которому выделенное тепло в какой-либо точке идёт на нагревание материала в этой точке и частично отводится путём теплопроводности в соседние участки материала. На практике наибольший интерес представляют изотропные системы, у которых свойства одинаковы по всем направлениям, теплофизические коэффициенты и объемный источник тепла не зависят от температуры. В этом случае уравнение (3) принимает вид (∂T/∂t) – a ΔT = qv/cρ , (4) где a = æ/cρ – коэффициент температуропроводности; Δ – оператор Лапласа. При воздействии лазерного излучения на металлы источник тепла можно считать поверхностным и qv в (4) обращается в нуль. Тогда лазерное излучение как источник тепла входит в граничное условие второго рода: - æ ∂T/∂x|x=0 = q0|x=0 , (5) где x – координата в глубину полубесконечного тела; q0 – плотность мощности лазерного излучения на поверхности. 10 Сильно нагретый тонкий слой металла, поглощающий световое излучение, передаёт тепло внутрь материала с помощью механизмов теплопроводности (для металлов – это в основном электронная теплопроводность). Размер нагретой области при этом растёт со временем как (at)1/2 (коэффициент температуропроводности для типичных металлов лежит в пределах 0,1-1 см2/с). В отличие от металлов, в которых поглощение излучения происходит у поверхности в скин-слое, поглощение в диэлектриках и полупроводниках может существенно превышать толщину слоя поглощения металла и, таким образом, во многих случаях нагрев является объёмным. Рост температуры материала меняет его свойства, сопровождается расширением, ростом диффузии, фазовыми переходами, плавлением, испарением, изменением коэффициентов поглощения, отражения и теплофизических коэффициентов. Теоретическое значение распределения температуры в материале определяется решением краевых задач теплопроводности, причём решение уравнения теплопроводности (4) можно представить в аналитической форме лишь для некоторых симметричных граничных условий. В противном случае уравнение можно решить лишь численно. Детальный анализ почти любой практической задачи лазерного нагрева возможен только посредством численного решения. Однако приближённые аналитические решения позволяют хорошо понять физическую природу и механизм лазерного нагрева. Достаточно подробно они описаны в работах [3-5]. Знание температурного поля в материале позволяет найти такие важные параметры, как скорости нагрева и охлаждения, температурные градиенты, критические плотности мощности, величины прогретых слоёв и др., что даёт возможность выбрать основные параметры лазерных технологических установок (энергию, мощность, длительность импульса и т.д.) и оптимальные режимы их работы для 11 проведения того или иного лазерного технологического процесса. В лабораторной работе воспользуемся результатами аналитического решения уравнения теплопроводности (4) для металлов (d = α-1 << (at)1/2) лишь в случае одномерной модели – rs >> (at)1/2 (где rs – радиус фокусировки лазерного луча). Для простоты анализа при выборе граничных условий считается, что температура ограничена при больших r, x так, что T = 0|x,r→∞ , а начальная температура во всех точках тела равна нулю, т.е. T = 0|t=0. Для квазистационарного режима нагрева поверхности металла лазерным лучом (q(t) = q0 при t < ti, где ti – длительность импульса) решение одномерной задачи дает следующее выражение для зависимости температуры поверхности от времени: T(t)|x=0 = 2A q0 (at)1/2/ π1/2æ . (6) Отсюда, в частности, могут быть определены как критические интенсивности qci (i=1,2), необходимые для достижения к концу импульса излучения на поверхности тела температуры плавления Tm, температуры кипения (при атмосферном давлении) Tb, так и критическая интенсивность qc3, при которой процессы испарения преобладают над переносом тепла в конденсированную среду. Так, использование одномерной модели нагрева полубесконечного тела тепловым источником с постоянной во времени плотностью потока приводит к соотношению qc1 = π1/2/2 Tm æ/A (ati)1/2 . (7) Оценки, проведённые, например, для меди (æ = 3,89 Вт/(см·град), a = 1,12 см2/с, Tm = 1083 °C) дают значения qc1= 1,1·105 Вт/см2 при длительности импульса ti = 10-3 с и qc1 = 3,5·107 Вт/см2 (при ti = 10-8 с), достаточно близкие к экспериментальным значениям. 12 Выражение (7) может быть использовано при оценке критической плотности потока, превышение которой нежелательно в процессе термической обработки. Отсюда можно также найти время достижения на поверхности материала температуры плавления tm: tm = π/4 æ2 Tm/A2q02a, (8) где q0 – интенсивность лазерного излучения на поверхности. Аналогично, путём замены Tm на Tb в формуле (7) можно оценить интенсивность, необходимую для достижения на поверхности материала температуры кипения Tb. При достижении на поверхности материала температуры Tb начинается его интенсивное испарение. Например, для меди с Tb = 2595 °C qc2 = 2,6·105 Вт/см2 при ti = 10-3 с и qc2 = 8,3·107 Вт/см2 при ti = 10-8 с. Таким образом, можно найти критическую плотность потока при сварке материалов лучом лазера, поскольку для большинства случаев испарение материала из зоны расплава нежелательно. Оценку критической интенсивности qc3 можно выполнить из следующих соображений: в процессе поверхностного нагрева в глубину материала распространяется тепловая волна и волна испарения. Если интенсивность мала, то скорость тепловой волны vT существенно выше скорости волны испарения vb. При увеличении интенсивности скорость испарения растёт и при некотором значении q0 сравнивается со скоростью распространения теплового фронта. Это равенство можно использовать для оценки qc3: qc3 = (a/ti)1/2 ρLb /A , (9) поскольку vT ≈ (a/ti)1/2 и vb ≈ A qc3/ρLb, где ρLb – удельная теплота испарения. Оценки для меди (ρLb = 42,88 кДж/см2) дают значения 3 qc =1,4·106Вт/см2 при ti = 10-3 с и qc3 = 4,6·108 Вт/см2 (при ti = 13 10-8 с). Выражение (9) можно использовать, например, для определения критической интенсивности, при которой повышается эффективность технологического процесса лазерного сверления. При интенсивностях qc2 < q0 < qc3 давление паров металла достаточно велико для выдавливания из лунки металла, находящегося в жидкой фазе. Такой процесс приводит к заметному росту удалённой массы материала и носит название механизма "плавление-вымывание". Дальнейшее повышение интенсивности лазерного излучения может приводить к ионизации продуктов выброса и возникновению плазмы над поверхностью металла. Плазма оказывает значительное влияние на результат воздействия лазерного излучения на металл. Облучение металлов в камерах высокого давления с использованием различных газов открывает новое направление лазерной технологии лазерно-плазменную технологию (см. рис.1). Если плотность плазмы достаточно велика, то возможна экранировка ею поверхности металла от лазерного излучения. Это приводит к уменьшению испарения металла и соответственно к уменьшению плотности и даже к исчезновению плазмы, т.е. к возникновению автоколебательного процесса на фоне постоянно действующего лазерного излучения. Это приводит к пульсации давления отдачи паров металла, что способствует перемешиванию расплава и увеличению зоны эффективного нагрева. Кроме интенсивности излучения на процессы взаимодействия лазерного излучения с материалами влияют временные и пространственные характеристики излучения, в частности длина волны, форма импульса, положение фокуса лазерного излучения, лучистый и конвективный теплообмен, состав и давление окружающей атмосферы и пр. Все эти явления учитываются при рассмотрении конкретных задач лазерной технологии. Отметим, что отдельные механизмы взаимодействия в чистом виде встречаются не часто. На практике обычно 14 происходит их смешение, что следует учитывать при анализе результатов. Например, для получения качественной и глубокой сварки интенсивность следует выбирать в пределах qc1 < q0 < qc2 , желательный временной режим генерации лазера - гладкий (квазистационарный), с небольшой степенью модуляции (для обеспечения перемешивания расплавленной ванны). Если необходимо получать отверстия в металле (или вообще удалять материал), то следует брать пичковый режим генерации с интенсивностью в пичке q0 > qc3 . Приведенный выше анализ относился к моноимпульсной обработке материалов. Появление лазеров на гранатах, способных работать с частотой повторения импульсов генерации в десятки герц, позволяет применять многоимпульсную обработку. Действие отдельных импульсов накладывается и их суммарный эффект становится значительным. Появление в последнее время лазеров, излучающих импульсы длительностью в десятки фемтосекунд, открыло новые возможности лазерной технологии. Во-первых, даже при скромной энергии импульса (миллиджоули) мощность излучения оказывается совсем не малой (гигаватты). При этом испарение материала и/или образование плазмы протекают очень эффективно, Практическая часть Лабораторная работа посвящена ознакомлению с промышленной импульсной лазерной установкой "Квант-12", предназначенной для шовной сварки, и изучению некоторых возможностей технологического применения импульсных лазеров. В данной работе исследуются результаты воздействия импульсного излучения в ближней ИК-области (1.06 мкм) на металлы в зависимости от интенсивности излучения, повторного его действия. 15 В установке "Квант-12" в качестве активного элемента используется монокристалл алюмоиттриевого граната диаметром 6 мм, длиной 90 мм. Лампа накачки - ИФП-800. Лазер может создавать импульсы свободной генерации длительностью 1,5; 2,0; 2,5; 4,0 мс (в работе используется длительность 4,0 мс). Энергия излучения до 10 Дж/имп. Частота повторений импульсов – до 10 Гц. Генерация возможна в одиночном (с ручным управлением ) и в частотном режимах. Оптическая система имеет два сменных объектива с фокусными расстояниями 50 и 100 мм. Имеется возможность наблюдения в микроскоп за областью воздействия. Постоянство энергии контролируется индикатором энергии (ИЭ-ЗА). Водяная система охлаждения кристалла и лампы двухконтурная. В первом, разомкнутом контуре через теплообменник протекает вода из водопровода. Во втором, замкнутом контуре циркуляционный центробежный насос прокачивает через теплообменник и излучатель лазера 0.2% раствор двухромовокислого калия K2Cr2O7 в дистиллированной воде. Такой раствор поглощает УФизлучение лампы накачки, которое способно повреждать кристалл, создавая в нем постепенно накапливающиеся центры окраски, поглощающие излучение. Для электропитания лампы служит блок МТ-42М-1. В него входит трехфазный выпрямитель с источником тока, заряжающим накопительные конденсаторы (типа К75-17). В режиме ожидания в лампе горит дежурный дуговой разряд постоянного тока (1 А, 80 В). В режиме излучения конденсаторы разряжаются через высоковольтные кремниевые выключатели – тиристоры и лампу. Питание лампы с дежурным разрядом повышает ее светоотдачу, позволяет снизить напряжение зажигания рабочего разряда, понизить напряжение на конденсаторах и за счет этих мер уменьшить потери мощности в оконечных цепях питания лампы, что особо важно в режимах с частотой повторения импульсов выше 1 Гц. Длительность излучения лампы зависит от схемы соединения накопительных конденсаторов и ограничивающих 16 ток дросселей между собой. Можно создавать импульсы накачки длительностью 1,5; 2,0; 2,5; 4,0 мс. Минимальной длительности соответствует параллельное соединение (в работе используется длительность 4,0 мс). Синхронизация поджига лампы обеспечивается блоком синхронизации. В установке имеются также устройства и электрические схемы, обеспечивающие её нормальную работу и защиту от опасных перенапряженных режимов работы электросиловой части. ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ! В установке имеются узлы под напряжением свыше 1000 В. Поэтому категорически запрещается самостоятельно вскрывать установку, отсоединять кабели и т.д. Необходимо применять меры предосторожности, обязательные при работе с высоким напряжением. Мощное оптическое излучение лазера непосредственно или зеркально отражённое может оказаться опасным для оператора и окружающих. Поэтому при работе в одиночном (ручном) режиме обязательно возгласом "Стреляю" предупреждать окружающих о генерации лазерного импульса. Порядок включения и работы установки Перед включением установки перевести все тумблеры, клавиши и лимбы в положение "Выключено" и "0". Для включения и работы установки необходимо: 1. Переместить кронштейн с приспособлением в крайнее нижнее положение. 2. Нажать кнопку "ВКЛ" на панели пульта управления станком. При этом должен включиться насос системы охлаждения и загораются лампочки "Сеть", "Освещение" облучаемой зоны и "Охлаждение" на панели пульта управления станком. 3. Нажать кнопку "Свет" на панели управления станком и установить ручкой "Яркость" требуемую освещённость зоны сварки. 17 4. На СУМ-10А нажать кнопку режима работы "СЗ" (синхронный запуск), кнопку "СУМ" переключателя "Управление" и нажать кнопку "x1" или "x10". 5. Установить переключатель "Частота Н" СУМ-10А в положение "0". 6. Нажать и удерживать кнопку "Дежурная дуга" на модуляторе МТ-42. 7. Неоднократно нажать кнопку "Запуск" в СУМ-10А, при этом должна загореться лампа "Дежурная дуга". Отпустить кнопку "Дежурная дуга" и "Запуск" в СУМ-10А. 8. Нажать кнопку "Счёт" в СУМ-10А. 9. Нажать кнопку "Питание" на панели индикатора энергии ИЭ3А модулятора МТ-42М. При этом загорается лампочка. Нажатием соответствующей кнопки установить необходимый диапазон измерения. 10. Нажать кнопку "Вкл" "Силовая"/ модулятора МТ-42М. 11. Ручкой верньера "Напряжение накопителя" на СУМ-10А установить нужную величину напряжения на накопительных конденсаторах. 12. Нажать кнопку режима работы "Частот" на пульте управления станком. 13. Нажать кнопку "Запуск" на СУМ-10А, при этом произойдёт излучение одиночного импульса и отклонятся стрелки измерительных приборов на СУМ-10А, индикаторе энергии ИЭ-3А и на пульте управления станком. 14. Для работы в частотном режиме кнопками СУМ-10А "x1", "x10" и переключателем "Частота Н" установить необходимую частоту следования импульсов излучения. 15. Для работы с пульта управления станком ручку верньера "Напряжение накопителя" на СУМ-10А и на пульте управления станком установить в положение "0", нажать кнопку управления "Пульт" СУМ-10А, нажать кнопку режима работы "Одиночн." на пульте управления станком (переключатель "Частота Н" СУМ-10А оставить в частотном режиме). 16. Ручкой верньера на пульте управления станком установить нужную величину напряжения на накопительных конденсаторах. 18 17. Нажать кнопку "Запуск" на панели управления станком, при этом происходит излучение одиночного импульса и отклоняются стрелки измерительных приборов на индикаторе энергии ИЭ-3А и пульте управления станком. Для выключения установки необходимо: а) нажать кнопку "Стоп" "Приспособление"; б) верньер установки напряжения на панели пульта управления станком вывести на "0"; в) нажать кнопку "Одиночн." режима работы на пульте управления станка; г) верньер "Напряжение накопителя" на СУМ-10А модулятора МТ-42М вывести на "0"; д) нажать кнопку "ВЫКЛ" "Силовая" модулятора МТ-42М; е) поставить автоматический выключатель МТ-42М в положение "ОТКЛ"; ж) перекрыть кран внешнего контура охлаждения установки и вывести остальные кнопки и ручки в исходное положение. Содержание работы С применением импульсного лазерного излучения можно осуществить ряд технологических процессов с различными материалами. Наибольшее применение лазерная технология нашла при обработке металлов. Технологические процессы с использованием лазеров имеют особенность, связанную с быстрым и локальным нагревом обрабатываемого материала. Особенно сильно это проявляется при импульсном лазерном излучении. В фокусе лазерного излучения возникают очень высокие температуры (104 К), огромные градиенты температур (106 К/см), очень короткие времена нагрева (10-6 с) и остывания (10-5 с). В установке "Квант-12" не используется модуляция добротности 19 лазеров и поэтому приведённые цифры могут быть несколько меньше. В данной работе Вы познакомитесь со скрайбированием, сверлением и сваркой, а также проведёте некоторые измерения при лазерном воздействии на металлы (в частности на сталь). Скрайбирование и сверление производятся на листовом вольфраме, сварка - на листовом молибдене и стали. Образцы для исследования воздействия лазерного излучения на сталь представляют собой брусочки размерами 5х5х30 мм3 со шлифованными гранями. Сложив и сжав два брусочка и осуществив воздействие лазерным излучением с различными параметрами в плоскости брусков, после их разделения возможно определить объёмы расплава и удалённого материала. Изменяя фокусировку, положение фокуса, энергию импульса (т.е. интенсивность лазерного излучения), можно получить представление о лазерном воздействии, рассчитывать и соответственно выбрать оптимальный режим работы для выполняемой задачи. Схематически результат воздействия лазерного импульса на поверхность металла показан на рис. 3. Рис.3. Результат воздействия лазерного импульса на поверхность металла 20 Порядок выполнения работы 1. Проградуировать измеритель энергии установки "Квант-12" по прибору ИМО-2М. 2. Провести воздействие на стальные брусочки одиночными лазерными импульсами при объективе с фокусным расстоянием 100 мм, фокусировке на поверхность образцов и изменением энергии воздействия в диапазоне до 600 делений лимба "Напряжение накопителя". Количество экспериментальных точек 10-15. 3. Разъединить брусочки и измерить объёмы вынесенного и расплавленного металла на микроскопе МБС-2. 4. Построить зависимости вынесенного и расплавленного объёмов от интенсивности (плотности потока) излучения. Удалённая масса будет характеризовать возможности лазера 5. Рассчитать критические интенсивности qci (i=1,2,3), используя значения теплофизических коэффициентов. Нанести на график (п.4) значения критических интенсивностей и отметить наиболее эффективные области q для выполнения различных технологических операций. расстояние 50 мм). 7. Произвести воздействие по п.2 (или 5) с углублением фокуса под поверхность брусков на dL = 1 мм. Провести воздействие при максимально допустимой энергии, изменяя смещение фокуса под поверхность. Повторить двойное и тройное повторное воздействие, повторить измерения по п.3. Построить зависимости. 8. Рассчитать оптимальные интенсивности для сварки молибдена. Провести сварку листового молибдена. Визуально определить близкий к оптимуму режим обработки. Сравнить экспериментальные данные с расчётными. 9. Рассчитать оптимальные интенсивности для сверления (скрайбирования) вольфрама. 21 10. Произвести сверление и скрайбирование листового вольфрама. При перекрытии лазерных точек возможна резка металла. Визуально оценить оптимальные интенсивности для сверления. Сравнить экспериментальные данные с расчётными. Результаты работы предъявить преподавателю. Примечание Выполнение пп. 1,6,7 перед началом работы согласовать с преподавателем. Контрольные вопросы 1. В чём основные преимущества лазерной обработки материалов? 2. Какие технологические процессы, выполняемые с применением лазера, вы знаете? 3. Какие интенсивности лазерного излучения применяются для классификации технологических процессов? 4. Что такое закон Бугера-Ламберта? 5. Каков механизм поглощения света металлами? 6. Каков физический смысл уравнения теплопроводности? 7. Как связана критическая интенсивность qс1 с температурой плавления материала, коэффициентами теплопроводности, температуропроводности и временем действия лазерного импульса? 8. Назовите максимальную интенсивность, достижимую при данных параметрах лазера и фокусирующей линзы. 9. Назовите механизмы взаимодействия лазерного излучения с металлами при различных плотностях действующего излучения. 10.Какова роль лазерной плазмы в лазерных технологических процессах? 22 Отчет о лабораторной работе Отчет должен содержать: 1. График зависимости энергии лазерного импульса от напряжения на лампах накачки (в соответствии с п.1 задания). 2. Экспериментальные графики зависимости вынесенного и расплавленного объемов от интенсивности лазерного излучения (в соответствии с п.4, 6, 7 задания). 3. Результаты расчета критических интенсивностей qci (i=1,2,3) для стали (в соответствии с п.5 задания). 4. Результаты расчета оптимальных интенсивностей для сварки молибдена (в соответствии с п.8 задания). 5. Результаты расчета оптимальных интенсивностей для сверления молибдена (в соответствии с п.9 задания). 6. Результаты сравнения экспериментальных и расчетных данных (в соответствии с п.10 задания). 7. Выводы о проделанной работе. Литература 1. Менушенков А.П., Неволин В.Н. Лазерная технология Ч.1. М.: МИФИ, 1992. 2. Лазерная и электронно-лучевая обработка материалов: Справочник /Под редакцией Н.Н. Рыкалина/. М.: Машиностроение, 1985. 3. Дьюли У. Лазерная технология и анализ материалов. М.: Мир, 1986. 4. Лазеры в технологии /Под ред. М.Ф. Стельмаха/. М.: Энергия, 1975. 5. Рыкалин Н.Н., Углов А.А., Кокора А.Н. Лазерная обработка материалов. М.: Машиностроение, 1975. 6. Реди Дж. Промышленные применения лазеров. М.: Мир, 1981. 23 Алексей Павлович Менушенков Борис Михайлович Жиряков Виктор Николаевич Петровский Лабораторная работа “Лазерная технология” Редактор Н.Н.Антонова Подписано в печать 02.02.2006 Формат 60х84 1/16 Печ.л.1,5 Уч.-изд.л. 1,5 Тираж 100 экз. Изд. № 039-1. Заказ № Московский инженерно-физический институт (государственный университет). Типография МИФИ. 115409, Москва, Каширское ш., 31. 24 А.П. Менушенков Б.М. Жиряков В.Н. Петровский Лабораторная работа “ЛАЗЕРНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ” Москва 2006 25
