Вивчення поглинальної здібності металів при обробці лазером

Мета роботи: практично вивчити методи підвищення поглинальної здібності металів при обробці лазером.

Лабораторне обладнання

1. Лазери газовий ЛГ-78 та напівпровідниковий LSM-464.

2. Інструкції з експлуатації та техніки безпеки при роботі з лазерами.

3. Вимірник для лазерної дозиметрії ІЛД-2.

4. Набір хімічних реагентів, розчин графіту.

Порядок виконання роботи

1. Визначити коефіцієнт поглинання металу у вихідному стані для різних довжин хвиль.

2. Зробити хімічну обробку поверхні запропонованого металу за допомогою пікринової кислоти, поступово збільшуючи час витримки. Заміряти коефіцієнт поглинання для кожного часу витримки.

3. Нагріти метал поступово до 250⁰С, вимірюючи при цьому коефіцієнт поглинання.

4. Нанести на поверхню метала колоїдний розчин графіту й водорозчинну фарбу, виміряти при цьому коефіцієнт поглинання.

5. Проаналізувати отриманий результати, установити який зі способів є найбільш ефективним для досліджуваного матеріалу й довжини хвилі лазера.

Загальні відомості

При впливі на поверхню оброблюваних металів і сплавів лазерне випромінювання частково відбивається від її, а інший потік випромінювання проникає на незначну глибину. Ця енергія лазерного випромінювання практично повністю поглинається електронами в приповерхньому шарі товщиною 10^-6...10^-7 м. Внаслідок цього різко підвищується електронна температура Т_е, тоді як температура кристалічної ґратки Т_i залишається незмінною.

Із часом зростає інтенсивність передачі енергії вільних електронів кристалічній ґратці. Починаючи із часу релаксації t_р= 10^-9...10^-11 с різниця температур Т_е - T_i, стає мінімальною й теплові процеси в металі можна охарактеризувати загальною температурою Т₀.

Ефективність передачі енергії лазерного випромінювання оброблюваному матеріалу визначається значенням коефіцієнта поглинання А_еф, що фактично характеризує ефективний ККД, тобто відношення частини енергії лазерного випромінювання, поглиненої матеріалом у процесі обробки, до енергії лазерного випромінювання.

Інтенсивність відбиття лазерного випромінювання при впливі на поверхню твердого тіла визначається коефіцієнтом відбиття, що залежить від матеріалу й довжини хвилі випромінювання. У табл. 8.1 представлені значення коефіцієнтів відбиття R_від, отримані И. Спеллінгом, при нормальному падінні променя й при кімнатній температурі для різних металів у діапазоні довжин хвиль найпоширеніших типів лазерів.

Таблиця 8.1 – Значення коефіцієнтів відбиття для різних матеріалів

Характеристика лазера	Коефіцієнт відбиття, Rвід
Активна речовина	Довжина хвилі випромінювання, мкм	Аu	Сг	Ag	Ni
Аг Рубін ІАГ-Nd СО2	0,488 0,694 1,064 10,6	0,415 0,930 0,981 0,975	0,437 0,831 0,901 0,984	0,952 0,961 0,964 0,989	0,597 0,676 0,741 0,942

Найбільш високим коефіцієнтом відбиття характеризується вплив випромінювання найбільш перспективних СО₂-лазерів. Високий рівень відбиття створює на перший погляд безперспективну ситуацію з можливістю використання СО₂-випромінювання для обробки металів. Однак вирішальною обставиною є істотне збільшення поглинальної здатності із збільшенням температури оброблюваної поверхні. Поглинаюча здатність неокисленої металевої поверхні на довжині хвилі лазерного випромінювання l= 10,6 мкм визначається рівнянням Хагена - Рубенса:

де А = 1 — R_від — коефіцієнт поглинання; s₀ — питома електропровідність металу для постійного струму. Електропровідність металів зменшується з ростом температури, і відповідно зростає коефіцієнт поглинання.

Вирішальним фактором, що визначає ефективність поглинання лазерного випромінювання металами, є стан поверхні. З ростом оксидної плівки на поверхні металу коефіцієнт поглинання СО₂-випромінювання зростає в кілька разів.

У цілому енергетична ефективність процесів лазерної обробки значно підвищується зі збільшенням шорсткості поверхні й зміною її хімічного складу.

На практиці не завжди виправдана технологічна операція збільшення шорсткості поверхні з метою підвищення ефективності лазерної обробки. При поверхневій обробці більше доцільне нанесення покриттів для збільшення ефективності поглинання лазерного випромінювання, особливо при обробці гладких шліфованих поверхонь.

При виборі покриття варто керуватися рядом умов, серед яких основним є висока поглинальна здатність покриття. Покриття повинне бути простим у виготовленні, дешевим, не токсичним і стабільним при зберіганні, легко наноситись на поверхню, володіти високою адгезійною здатністю. Крім цього, покриття повинне мати досить високу температуру плавлення й випару, а також високою теплопровідністю для забезпечення підведення енергії до оброблюваного металу.

Звичайно на практиці знаходять застосування різні типи покриттів, тому що не запропоновано універсального покриття, що задовольняє рівною мірою основним вимогам.

Хімічні покриття, щозастосовуються в промисловості для збільшення корозійної стійкості, поліпшення трибологічних характеристик й інших цілей. З технологічних процесів для нанесення покриттів можна відзначити вороніння, що полягає в одержанні на поверхні сталей оксидної плівки Fe₃O₄ чорного кольору, товщиною 0,75...2,5 мкм. Залізовуглецеві сплави часто сульфідують для одержання на поверхні плівки Fe₂S₃, а алюмінієві сплави анодують для одержання плівки Аl₂О₃. Ці плівки підвищують поглинання енергії лазерного випромінювання на 20...80%. Найчастіше при лазерній термообробці використається фосфатування. Звичайне фосфатування здійснюється у водяному розчині препарату «Мажеф», що містить марганець і фосфати (30...40 г/л) при температурі ~ 100°С. При цьому на поверхні утвориться темно-сіра луската плівка товщиною 10...30 мкм, що складається з фосфатів. Можливо також холодне фосфатування протягом 20 хв у наступному водяному розчині: препарат «Мажеф» — 30 г/л, Zn(NO₃)₂ —60 г/л, NaNO₃ —3 л/г. Однак ефективність холодного фосфатування при лазерній обробці помітно нижче, ніж при нагріванні.

Нестатками хімічних покриттів є токсичність розчинів, вплив випарів на апаратуру, великі габарити устаткування, необхідність занурення всієї деталі в розчин.

Вуглецеві покриття:сажа, одержувана при згорянні органічних матеріалів, і колоїдні розчини графіту або сажі в ацетоні, уайт-спіриті й інших розчинниках. Ці покриття нерівномірні по товщині й мають слабку адгезію з поверхнею.

Лакофарбові покриття(водоемульсійні фарби, гуаші, туші, ґрунтовки). При лазерній термообробці найбільше застосування знайшли фарби або на основі вуглецю (чорні), або на основі оксидів (кольорові).

При обробці поверхні без оплавлення барвні состави, що містять оксиди металів, перевершують по ефективності вуглецеві покриття. При обробці з оплавленням трохи більші значення глибини зони лазерного впливу отримані при використанні фосфату марганцю, що обумовлено його гарною температурною стійкістю.

У США для лазерної термообробки виготовляється спеціальна аерозольна фарба, що містить: пігменти- 3,2% (сажа й силікати 1:1); плівкоутворювач - 9,2% (акрилова смола із хлорованим каучуком і пластифікатором - дибутілфталатом); розчинники - 87,6% (кетони, ароматичні й хлоровані вуглеводні). Достоїнством її є зручність нанесення із флаконів місткістю 0,5 л.

Ефективність різних барвних составів не залежить від кольорів фарби. Отже, пігменти не потрібні, якщо вони не володіють високою поглинальною здатністю.

Водорозчинні фарби,розроблені спеціально для лазерної термообробки. Ці фарби містять компоненти, що володіють високою поглинальною здатністю: силікат натрію, оксид цинку, метилцелюлозу, а також поверхнево-активні речовини. Властивості таких покриттів наведені в табл. 8.2.

Таблиця 8.2 – Властивості основних світло поглинаючих покриттів.

Марка покриття	Основа	Кольори	Коефіцієнт поглинання при 800°С
МСЦ-510 СГ-504 ФС-1М	Силікат натрію й метилцелюлоза Силікат натрію Алюмохромфосфат	Білий Темно-коричневий Темно-зелений	0,8 0,9 0,9

Наносити ці фарби можна різними способами, але найбільша рівномірність шару досягається при пнеморозпилюванні. Після нанесення на поверхню деталей товщиною 20...30 мкм необхідне сушіння протягом 40...50 хв при кімнатній температурі. При обдуві гарячим повітрям час сушіння може бути скорочене до 10...15 хв. Після обробки покриття легко змивається водою.

Порошки металів або оксидів,напиляні на поверхню. Звичайно напиляють у вакуумі або гальванічно осаджують мідь, вольфрам, титан, кремній. Дисперсність напиляних часток при цьому має розмір близько 10 мкм. Вакуумні напиляні покриття мають складну технологію нанесення, важко віддаляються з поверхні, хоча й мають високі поглинаючі властивості, наприклад, коефіцієнт поглинання напиляних оксидів вольфраму досягає 96%. Більш доцільно застосовувати гальванічні покриття.

Твердоплівкові покриття з паперу або поліетиленуможуть виявитися досить перспективними при тім умові, якщо будуть ефективно вирішені питання їхнього нанесення й забезпечення гарної адгезії з металевими поверхнями.

Рис.8.1. Температурна діаграма процесів лазерної технологічної обробки металів: 1- термообробка, 2 – зварювання, 3 – різка, 4 – прошивання отворів.

Крім стану поверхні, на поглинальну здатність металів впливають характер розподілу щільності потужності у фокальній плямі, спрямованість опромінення, кут збіжності лазерних променів й ін. Однак вирішальний вплив на поглинальну здатність робить рівень густини потужності лазерного випромінювання q в зоні обробки, що визначає характер й ефективність того або іншого виду лазерної обробки (рис.8.1).

Поглинальна здатність може бути визначена шляхом виміру енергії дзеркально або дифузно відбитого випромінювання від поверхні зразка за допомогою пристрою, показаного на рис.8.2. Від генератора 1 випромінювання 2 направляється на світолорозділюючу пластинку 4, що відбиває частину випромінювання на приймач 3, що вимірює вихідну потужність лазерного променя, на фокусуючу лінзу 5 і поверхню зразка 7. Відбите від зразка випромінювання перевідбивається сферичним дзеркалом 6 і плоскопаралельною пластинкою 4 на приймачі випромінювання 8, які реєструють рівень енергії відбитого випромінювання.

Рис.8.2. Схема пристрою для визначення поглинальної здатності матеріалів при впливі лазерного випромінювання.

Зміст протоколу

1. Найменування роботи.

2. Мета роботи.

3. Лабораторне обладнання.

4. Основні теоретичні відомості про поглинання лазерного випромінювання металами та методи підвищення поглинальної здібності..

5. Значення виміряних величин коефіцієнту поглинання.

6. Висновки по роботі.

Контрольні запитання

1. Поясніть механізм поглинання лазерного випромінювання металами.

2. Поясніть механізм поглинання лазерного випромінювання діелектриками.

3. Поясніть механізм поглинання лазерного випромінювання напівпровідниками.

4. Які лазери необхідно застосувати для обробки різних металів?

5. Як визначити поглинаючу здібність металевої поверхні?

6. Які характеристики поверхні впливають на поглинаючу здатність?

7. Наведіть основні хімічні покриття та технологію їх нанесення.

8. Наведіть основні вуглецеві та лакофарбові покриття та технологію їх нанесення.

9. Як впливають на характеристику лазерного випромінювання енергетичні та просторові характеристики лазерного випромінювання?

10. Як можна виміряти поглинаючу здатність поверхні?

11. Що можна запропонувати для підвищення поглинальної здатності поверхні металів?

Лабораторна робота №9