Підвищення ефективності лазeрної обробки використанням спеціальних систем фокусування на базі сферичних дзеркал

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

"КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ"

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ ЛАЗEРНОЇ ОБРОБКИ ВИКОРИСТАННЯМ СПЕЦІАЛЬНИХ СИСТЕМ ФОКУСУВАННЯ НА БАЗІ СФЕРИЧНИХ ДЗЕРКАЛ

Роман Віктор Васильович

Київ-2001

Анотація

Роман В.В. Підвищення ефективності лазерної обробки використанням спеціальних систем фокусування на базі сферичних дзеркал. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю: 05.03.07- процеси фізико-технічної обробки. - Національний технічний університет України, “Київський політехнічний інститут”, Київ, 2001.

Робота присвячена підвищенню ефективності лазерної обробки шляхом керування просторово-часовою структурою лазерного випромінювання.

В роботі доведена можливість керування в широкому діапазоні розподілом потужності та формою перерізу лазерного променя, а значить й тепловим станом деталі, використовуючи аберрації сферичного дзеркала. Для цього були розроблені відповідні теоретичні та експериментальні моделі.

Базуючись на отриманих експериментальних та математичних залежностях, надані рекомендації щодо підвищення ефективності лазерної обробки шляхом оптимального використання сферичних дзеркал.

Для застосування наведених рекомендацій розроблені спеціальна фокусуюча система та, для отриманння на виході з неї променя з оптимальними просторовими характеристиками, алгоритм розрахунку її оптичних параметрів.

Ефективність наведених рекомендацій, працездатність розробленної фокусуючої системи та алгоритму підбору її оптичних параметрів доведені на прикладі лазерного наплавлювання зміцнення та легування.

Ключові слова: просторово-часова структура випромінювання; сферичне дзеркало; тепловий стан тіла, що опромінюється; фокусуюча система; ефективність лазерної обробки.

1. Загальна характеристика роботи

випромінювання лазерний дзеркало деталь

Актуальність теми. Одними з основних факторів, які суттєво впливають на тепловий стан матеріалу під час обробки лазерним променем, є розподіл потужності пучка на опромінюваній поверхні, розміри та форма його перерізу. Вдалий вибір цих характеристик дозволяє більш ефективно використовувати енергію випромінювання та значно розширити технологічні можливості лазерної обробки. Окрім цього, необхідно враховувати ще й те, що для кожного її виду існує своя, найбільш оптимальна просторова структура променя.

Приймаючи до уваги існуючу зараз тенденцію до інтеграції обладнання, а саме, використання лазерних центрів, які могли б виконувати всі необхідні операції обробки матеріалів на базі одного випромінювача, виникає необхідність застосування універсальної системи для керування просторовими характеристиками променя як доцільного додатку до цих центрів. При цьому бажаним є мінімальна кількість оптичних елементів на шляху випромінювання, що дозволяє легко настроювати або змінювати оптичні характеристики системи, зменшити небажані втрати та викривлення променя.

Але в теперішній час не існує дешевих, зручних в експлуатації приладів, здатних задовольнити наведеним вище вимогам.

Відомо, що для фокусування потужних лазерних пучків широко використовують сферичні дзеркала. При цьому виникають неминучі викривлення (аберрації) просторової структури випромінювання, які, як правило, намагаються мінімізувати. В роботі, з метою підвищення ефективності лазерної обробки шляхом керування просторовою структурою випромінювання, пропонується навпаки, керовано змінювати ці аберрації.

Зв'язок роботи з науковими програмами університету: дослідження проводилися у рамках державних проектів “Розробка дослідного зразка лазерної установки для нанесення на деталі технічної інформації” (номер державної реєстрації 0196V009805 від 1997 року) та “Розробка наукових основ лазерного багатовимірного формоутворення різноманітних виробів та розробка промислового варіанту лазерного устаткування для машинобудування, медицини” (номер державної реєстрації 197V009828 від 1999 року).

Мета роботи: підвищити ефективність лазерної обробки матеріалів шляхом керування просторово-часовими характеристиками випромінювання використовуючи аберрації, які виникають при фокусуванні лазерного пучка сферичним дзеркалом, завдяки застосуванню спеціально розроблених фокусуючої системи та алгоритму для розрахунку її оптичних параметрів.

Завдання дослідження. Для досягнення поставленої мети необхідно виконати слідуючі завдання:

оцінити доцільність та провести аналіз методів керування просторовими характеристиками випромінювання при лазерній обробці;

розробити спосіб керування формою перерізу лазерного променя та розподілом інтенсивності по ньому за допомогою оптичної системи на базі сферичного дзеркала та визначити залежності між основними факторами та параметрами системи;

отримати та експериментально перевірити математичні моделі фокусування лазерного випромінювання сферичним дзеркалом;

використовуючі розроблені моделі, дослідити закономірності аберрацій лазерного випромінювання та визначити факторний простір, в якому доцільно виконати повнофакторні експерименти;

отримати статистичні моделі процесу фокусування лазерного випромінювання сферичним дзеркалом, створити відповідну базу даних;

дослідити вплив просторової структури лазерного випромінювання на тепловий стан поверхневого шару деталі;

розробити на базі сферичного дзеркала фокусуючу систему та алгоритм розрахунку її оптичних параметрів, яка була б спроможна керовано змінювати форму перерізу променя та розподіл потужності по ньому в зоні обробки;

розробити рекомендації щодо ефективного використання сферичних дзеркал при лазерній обробці конкретних виробів та апробувати деякі з них.

Об'єкт і методи дослідження. На основі теоретичних моделей й експериментів вивчалися аберрації лазерного випромінювання під час його фокусування сферичним дзеркалом, їх вплив на тепловий стан тіла, що опромінюється та на ефективність лазерної обробки.

Наукова новизна одержаних результатів полягає у наступному:

вперше розроблено метод керування просторовими характеристиками лазерного випромінювання шляхом використання викривлень, які виникають при його фокусуванні сферичним дзеркалом;

виявлені фактори та запропоновані параметри, які визначають просторові характеристики лазерного променя, сфокусованого оптичною системою;

отримані теоретичні та експериментальні залежності, які характеризують зміну просторової структури променя, сформованого цією системою;

удосконалена методика розрахунку впливу просторово-часової структури рухомого лазерного випромінювання на тепловий стан обробляємої деталі довільної форми за умови пoширення променя всередину тіла, зміни потужності випромінювання з часом, а також температурної залежності теплофізичних властивостей матеріалу.

Практичне значення одержаних результатів полягає в слідуючому:

базуючись на математичних та експериментальних моделях, розроблено методику, яка може бути використана для інженерного розрахунку просторової структури лазерного променя, сформованого сферичним дзеркалом;

доведено можливість підвищення ефективності лазерної обробки за рахунок використання оптимального просторового розподілу потужності випромінювання (збільшення глибини поширення ізотерми закалки та часу витримки при заданій температурі на 40-100%, порівняно зі звичайним, багатомодовим; можливість одержання плями фокусування прямокутної форми з розмірами, які можна змінювати від 0,5 до 50 мм; значне збільшення діапазону змінювання швидкості охолодження поверхневого шару, від 200 К/с до 410⁴ К/с);

наведені у роботі рекомендації щодо оптимального використання сферичних дзеркал при лазерній обробці дозволяють: розширити її технологічні можливості (ефективно обробляти деталі з обмеженими умовами тепловідводу, одержувати за один прохід широкі "доріжки" зміцненого матеріалу без зон відпуски, зварювати матеріали з відрізняючимися теплофізичними властивостями); підвищити якість обробки (уникнути тріщиноутворення, зменшити напруження й отримати більш гомогенний шар обробки порівняно з опромінюванням пучком з рівномірним розподілом потужності при лазерному зміцненні високоміцних чавунів та вуглицевих сталей, легуванні та наплавлюванні самофлюсуючихся порошків);

запропоновано оптичну систему та алгоритм розрахунку її параметрів, яка може бути на практиці використана для керування просторовою структурою променя.

Реалізація результатів роботи. Уникнуто утворення тріщин, збільшенo твердість у 1,2-1,3 та глибина у 1,4-2 рази зміцненого шару при лазерному зміцненні пресформ на ВАТ "Хіммаш" (м. Коростень).

Апробація роботи. Результати дисертації оприлюднені на чотирьох міжнародних конференціях, на засіданнях кафедри лазерної технології, конструювання машин та матеріалознавства ММІ НТУУ “КПІ”.

Публікації. По темі дисертаційної роботи опубліковано 12 наукових праць, з них 5 статей, 1 патент 3 тези та 3 анотації наукових конференцій.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, шість розділів, висновків, списку використаних джерел із 76 найменувань та додатків. Робота містить 148 сторінок машинописного тексту, 64 рисунка і 7 таблиць.

2. Основний зміст роботи

У вступі обгрунтовується актуальність теми дисертаційної роботи, формулюються основні положення, що виносяться на захист, доводиться новизна та практична цінність досліджень.

Перший розділ містить аналіз доцільності оптимізації просторової структури випромінювання при лазерній обробці, обговорюються способи керування просторовими характеристиками пучка, розглядаються різні види лазерного технологічного обладнання, системи фокусування та методи розрахунку їх параметрів. Виходячи з літературного обзору, зроблено висновок, що для кожного виду обробки існують свої найбільш оптимальні характеристики лазерного випромінювання.

Оскільки існуюче технологічне обладнання принципово не дозволяє змінювати форму перерізу та розподіл потужності вихідного з резонатора пучка, а також, зважуючи на існуючу тенденцію до виконання всіх операцій обробки на базі одного випромінювача, зроблено висновок про необхідність розробки зручної в експлуатації, дешевої системи для керування просторовою структурою променя, яка могла б бути доцільним додатком до лазерного комплексу. Для вирішення цієї проблеми запропоновано фокусуючу оптичну систему на базі сферичного дзеркала. На відміну від існуючих, вона дозволяє керовано змінювати аберрації, що виникають при фокусуванні лазерного пучка сферою, з метою отримання бажаних просторових характеристик випромінювання.

У другому розділі на підставі попередніх теоретичних та експериментальних досліджень визначені фактори та параметри, що характеризують просторову структуру променя, сфокусованого сферичним дзеркалом, та виявлені ті з них, які необхідно враховувати при створенні математичної моделі.

Фактори, які впливають на просторову структуру сфокусованого сферичним дзеркалом лазерного пучка, можна поділити на три групи: характеристики променя, характеристики дзеркала та умови взаємоположення. До першої групи відносяться: первинний розподіл потужності у пучку випромінювання W(x,z) (приймався довільний розподіл, який можна отримати на установках - Гаусовий, рівномірний, кільцевий); форма й розміри перерізу променя (коло з діаметром D, кільце з відношенням зовнішнього та внутрішнього діаметрів D/d, прямокутник з розмірами сторін аb); довжина хвилі випромінювання та вид поляризації. Довжина хвилі пучка визначає розбіжність та коефіцієнт відбивання випромінювання. Вважалося, що розбіжність променя дорівнює нулю, коефіцієнт відбивання дзеркала - 1, а коефіцієнт поглинання поверхні деталі, внаслідoк використання покриття, незмінний. Поляризація пучка приймалася круговою, що дало змогу виключити її вплив на просторові характеристики променя на поверхні деталі.

До другої групи параметрів відносяться радіус кривини R дзеркала (рис. 1) та його коефіцієнт відбивання, який при розрахунках дорівнює 100%.

До третьої групи відносяться кут падіння лазерного променя на дзеркало та відстань між дзеркалом та площиною фокусування Р.

Параметри, які відображують просторову структуру сфокусованого лазерного променя, можна поділити на дві групи: параметри форми перерізу та параметри розподілу потужності випромінювання.

До першої групи відносяться:

площа перерізу променя S;

розміри перерізу променя L_x, L_y вздовж вісей Х_е та У_е, відповідно, (О_еХ_еУ_еZ_е- ортогональна система координат, з початком О_е в точці перетину вісі поширення пучка з площиною О_еХ_еУ_е, яка співпадає з площиною фокусування, та з віссю О_е Х_е, паралельною вісі ОХ;

еліптичність - відношення розмірів L_y до L_x;

трикутність: , причому значення СD і АВ визначаються при:

та , (1)

зміщення вісі променя від його геометричного центру: . (2)

До другої групи відносяться:

максимальне значення інтенсивності у сформованому промені maxI;

відношення максимальних значень потужності вздовж вісей (Imaх_x, Imaх_y) до потужності на вісі поширення променя I_o:

; ; (3)

відношення відстані між віссю поширення променя і точкою з максимальним значенням інтенсивності вздовж вiсей Х_е (x) та У_е (y) до розмірів променя вздовж відповідних напрямків:

, . (4)

Часова структура випромінювання на поверхні обробки визначається швидкістю руху променя та часовою структурою первинного пучка.

Для визначення викривлень, що виникають при фокусуванні променя сферичним дзеркалом, базуючись на принципах геометричної оптики та схемі “променевого пакету”, отримана методика, яка дозволяє розраховувати форму й розміри перерізу сформованого променя та розподіл потужності по ньому.

Розрахунок просторової структури виконується за такою послідовністю:

первинний лазерний пучок представляється у вигляді пакету променів;

визначається напрямок поширення кожного з променів пакету після їх відбивання від сферичного дзеркала;

задається рівняння площини фокусування;

знаходиться положення точок перетину кожного променя з площиною фокусування (їх сукупність визначить форму перерізу сфокусованого пучка);

розраховується потужність, сконцентрована у кожному промені з пакету;

площина фокусування розбивається на рівні елементи;

визначивши, в які з елементів площини фокусування спрямовується кожен з променів пакету, знаходиться потужність у будь-якій її точці.

У третьому розділі наведено результати ряду однофакторних експериментів, які дозволили довести точність розрахункової моделі (15-25 %) та можливість її використання для аналізу викривлень просторової структури променя під час його фокусування сферою.

Розміри перерізу променя, отримані за допомогою розрахункової моделі, менші, ніж експериментальні. Це може бути пояснено тим, що при розрахунках вважалося, що лазерне випромінювання обмежується ефективним діаметром Гаусового пучка, а розбіжність променя дорівнює нулю, хоча в експериментальній установці вона дорівнює 0,75 мрад. Якісно результати експериментів та розрахунків добре узгоджуються між собою.

Базуючись на розрахунковій моделі та на результатах попередніх експериментів, визначено факторний простір, в якому доцільно проводити експериментальне моделювання процесу фокусування випромінювання сферою (табл. 1). Для зменшення кількості експериментів, внаслідок суттєвого зміщення положення зони, в якій відбуваються викривлення пучка при зміні радіусу кривини дзеркала (фактор х1) та кута падіння променя на сферу (фактор х2) було прийнято, що границі варіювання відстані від дзеркала до площини фокусування Р1-Р2 (фактор х4) залежать від значень двох попередніх факторів:

(5)

де - х1, х2, Х1, Х2- кодовані та натуральні значення першого та другого факторів, відповідно.

Таблиця 1. Факторний простір експерименту.

Фактор	Умовні позначення	Границі зміни факторів	Кількість рівнів
Радіус кривини дзеркала R, мм	X1	900-1600	3
Кут падіння променя на сферу , о	X2	10-31	8
Діаметр променя D, мм	X3	25-41	5
Відстань від дзеркала до площини фокусування Р, мм	X4	Р1-Р2	16

Базуючись на розробленому плані, використовуючи Гаусов пучок, проведено багатофакторний експеримент, в результаті якого отримані моделі, які характеризують зміну параметрів просторової структури лазерного променя (розділ 2). Моделі уявляють собою поліноми четвертого ступеня.

Четвертий розділ. Базуючись на багатофакторних, однофакторних та чисельних експериментах визначені закономірності зміни просторової структури випромінювання внаслідок його формування сферою та доведено, що вони можуть змінюватися у широкому діапазоні.

П'ятий розділ. Для оптимального використання лазерних пучків з різноманітними просторово-часовими структурами при обробці матеріалів доцільно визначити їх вплив на тепловий стан деталі, що опромінюється. Для цього розрахуємо темпертуру тіла, яке має форму прямокутного паралелепіпеда та первинну температуру Т_н. Його поверхні знаходяться у процессі теплообміну з навколишнім середовищем, температури Т_с. На верхню поверхню деталі (поверхню обробки) діє лазерний промінь, що рухається зі швидкістю V та має довільний розподіл потужності по перерізу.

Характер розподілу температур всередині тіла описується диференційним рівнянням:

, (6)

де с - тепломісткість,

- густина матеріалу заготовки.

Начальними умовами при вирішенні задачі будуть:

. (7)

Крайові умови мають вигляд:

в зоні дії лазерного випромінювання:

, (8)

,(z=0, L_z); (9)

; (10)

, (y=0, L_y); (11)

де Т(x,y,z,t)- температура в точці з координатами (x,y,z,) в момент часу t,

- коефіцієнт теплопроводності,

- коефіцієнт тепловіддачі.

Для розв'язку задачі, базуючись на методі кінцевих різниць, розроблено відповідну методику, яка дозволяє розраховувати температурні поля, що виникають внаслідок дії променя з будь-якими просторовими характеристиками за умовами температурної залежності властивостей матеріалу, часової залежності потужності променя та при поширенні випромінювання всередину тіла. Методика може бути використана для тіла довільної форми. Точність розробленної методики ілюструють два слідуючих приклада.

Відомо, що коли , де r_f - радіус плями фокусування пучка, а_мах - максимальний для даного матеріалу коефіцієнт температуропроводності, поширення тепла всередені тіла можна вважати одномірним. Тоді поставлена задача теплопроводності зводиться до визначення розподілу температур у пластині, до верхньої поверхні якої підводиться потік тепла. Точний розв'язок цієї задачі відомий і дає можливість оцінити точність розрахунків методом кінцевих різниць. Порівняння результатів розрахунків температури пластини, отриманих методом кінцевих різниць та за допомогою точного рішення показує, що їх максимальна похибка дорівнює 0,044 і зменшується за часом.

Значення температур, розрахованих методом кінцевих різниць, також були порівняні з відомими даними, що отримані за допомогою методу чисельного інтегрування. З цією метою розраховано температурне поле, яке створюється у півнескінченному сталевому тілі, на верхню поверхню якого діє рухомий Гаусовий лазерний промінь. Температурні поля, отримані методами чисельного інтегрування (рис. 6.а) та кінцевих різниць (рис. 6.б) добре узгоджуються між собою.

На основі розробленної методики розраховані температурні стани півнескінченних тіла та клина під дією пучка з різними характеристиками. Використовуючи розроблену методику, можна зробити висновок про можливість керування в широкому діапазоні тепловим станом деталі, використовуючи викривлення лазерного променя, які виникають при його фокусуванні сферичним дзеркалом.

У шостому розділі наведені рекомендації щодо підвищення ефективності лазерної обробки завдяки раціональному застосуванню сферичних дзеркал.

Для використання наведених рекомендацій у промисловості розроблена відповідна система, яка може керовано змінювати свої оптичні параметри, а значить, й просторові характеристики лазерного пучка. В системі сферичне дзеркало виконує одразу дві функції: перша, традиційна,- фокусує пучок у пляму з заданою густиною потужності, друга, нетрадиційна, керує просторовою структурою променя. Розрахунок оптичних параметрів системи виконується за допомогою розроблених алгоритма та програмного забезпечення.

Ефективність розробленої оптичної системи та рекомендацій по її застосуванню були перевірені на прикладі лазерного зміцнення, легування та наплавлювання. При цьому для порівняння використовувалися промені з рівномірним розподілом потужності по перерізу та з розподілом, максимум якого зміщений від центру (деталь розміщена поблизу меридіонального фокусу сфери).

Застосування пучка з максимумом у передньому фронті та пологим заднім фронтом, внаслідок зменшення швидкості охолодження, дозволило отримати більш гомогенний шар обробки й уникнути утворення в ньому тріщин при зміцненні сталі У10 (W_p=1,910⁴ Вт/см², V=33 мм/с) (рис. 9.а-б) та при легуванні лопатки газової турбини (сталь ЖС6К) порошком ХТН (12Х18Н10Т, TiB₂, CrB₂).

При поверхневому зміцненні зубчастих коліс масляного насосу, виготовлених з чавуна ВЧ50 (густина потужності лазерного променя W_p=610³ Вт/см², коефіцієнт поглинання поверхні 0,75, V=8,5 мм/с) використання аналогічної схеми обробки, внаслідок зменшення швидкості охолодження та збільшення витримки матеріалу при температурі, що перевищує точку Ас₃, призвело до більш повного розподілу вуглецю і, як наслідок, утворенню гомогенного аустеніту на більшій глибині та менш різкій зміні твердості у перехідній області, ніж при використанні пучка з рівномірним розподілом (рис. 9.в-г). Твердість зміцненого шару дорівнює 9000-95000 МПа.

Використання променя з нерівномірним розподілом потужності дозволяє також уникнути утворення тріщин та знизити у 1,4 рази стискаючі та у 2,2 рази розтягуючі напруження у наплавлених на сталеву основу (сталь 45) шарах самофлюсуючихся сплавів (ХТН та ПГ-СР4).

Надані рекомендації та сконструйована фокусуюча система, завдяки використанню пучка зі зміщеним від центру максимумом потужності, дозволили також отримати гомогенний зміцнений шар у деталі клиновидної форми.

Загальні висновки

Розроблено спосіб керування просторовими характеристиками пучка, який базується на аберраціях сферичних дзеркал і дозволяє шляхом оптимізації просторової структури лазерного променя значно підвищити ефективність обробки: розширити її технологічні можливості- обробка деталей з обмеженими умовами тепловідводу; підвищити її якість - отримання більш гомогенного зміцненого, легованого та наплавлюваного шару, уникнення утворення тріщин та зменшення термонапружень; підвищити швидкість обробки.

Визначені фактори (розміри та форма перерізу первинного пучка, розподіл інтенсивності по ньому, радіус кривини сфери, кут падіння випромінювання на неї та відстань від сфери до площини фокусування), які впливають на викривлення лазерного променя під час його фокусування сферичним дзеркалом.

Розроблено модель, яка дозволяє розраховувати форму перерізу сфокусованого сферичном дзеркалом променя та розподіл інтенсивності по ньому в залежності від факторів, що характеризують фокусуючу систему. Запропоновані параметри (площа перерізу й розміри променя, еліптичність, трикутність, зміщення вісі пучка відносно його геометричного центру, максимальне значення інтенсивності у сформованому промені, відношення максимальних значень інтенсивності вздовж сагітальної та меридіональної вісей до інтенсивності на вісі поширення променя, відстані між віссю поширення променя і точками з максимальним значенням інтенсивності вздовж сагітальної та меридіональної вiсей), які описують просторову структуру пучка випромінювання, сфокусованого сферою.

Отримані експериментальні й математичні залежності між факторами й параметрами, що визначають аберрації пучка при його фокусуванні сферою.

Удосконалено методику розрахунку розподілу температур у матеріалі, на який діє рухаючийся лазерний промінь з різноманітними розподілами потужності, яка може бути використана для деталі довільної форми за умови пoширення променя в її середину, зміни потужності випромінювання від часу та температурної залежності теплофізичних властивостей матеріалу.

Доведенo можливість отримання біля меридіонального фокусу сферичного дзеркала плями фокусування з формою, близькою до прямокутної, з майже рівномірним розподілом потужності вздовж сагітальної та з крутим переднім та пологим заднім фронтами вздовж меридіональної вісей. Використання такої плями (радіус кривини сфери R=1600 мм, діаметр променя D=42 мм, кут падіння лазерного випромінювання на сферу =30^о, відстань від сфери до площини фокусування Р=660-665 мм) дозволяє обробляти (зміцнювати, наплавлювати, легувати) широкою полосою та уникати утворення концентраторів напружень у зонах відпуску. Завдяки пологому задньому фронту зменшується швидкість охолодження деталі, подовжується час витримки при обраній температурі, що запобігає утворенню тріщин в обробленому шарі, зменшує його неоднорідність та напруженість. При R=1600 мм, D=42 мм, варіювання від 5^о до 65^о дозволяє змінювати ширину ізотерми закалки від 0,3 до 20 мм та збільшувати її глибину у 1,5-2,5 рази при майже незмінній формі.

Показано, що внаслідок зміни кута між меридіональною віссю перерізу променя та напрямком його руху можливо керувати швидкостями охолодження (від 500 до 310⁴ К/с).

Різання та прошивку отворів доцільно проводити при розміщенні деталі поблизу меридіонального фокусу сфери, але необхідно мінімізувати кут падіння пучка на дзеркало (R=1600 мм, D=42 мм, =5-7^о, Р=796-798 мм), а при прошивці отворів бажано, щоб деталь ще й оберталась відносно променя.

Обробку деталей з обмеженими умовами тепловідводу, зварювання матеріалів з відрізняючимися теплофізичними властивостями необхідно здійснювати поблизу першого або другого фокусів сфери, де спостерігається зміщення максимуму потужності від центру плями фокусування (R=1600 мм, D=42 мм, =30^о, Р=650-690 або 920-945 мм).

Термосколювання бажано проводити при розміщенні деталі поблизу сагітального фокусу дзеркала (R=1600 мм, D=42 мм, =5^о, Р=803 мм).

Для практичного застосування розроблених рекомендацій щодо ефективного використання сферичних дзеркал при лазерній обробці запропоновано спеціальну фокусуючу систему, а також алгоритм і програму розрахунку її оптичних параметрів.

Наведені рекомендації та працездатність розробленої оптичної системи перевірені. У порівнянні з результатами обробки променем з рівномірним розподілом потужності при наплавці уникнуто утворення тріщин, зменшені у 1,5-2,2 рази термонапруження; при зміцненні збільшенo твердість у 1,2-1,3 та глибина у 1,4-2 рази зміцненого шару.

Друковані праці по темі дисертації

Л.Ф. Головко, В.В. Роман, Кансо Зіяд. Нетрадиційне використання сферичних дзеркал при лазерній обробці. Наукові вісті Національного Технічного Університету України “КПІ”. N2, 1999, сс. 85-90.

Головко Л.Ф., Роман В.В., Валид Нусірат. Підвищення ефективності лазерної обробки керуванням розподілу потужності випромінювання на поверхні фокусування. Експрес-Новини. Наука, техніка, виробництво. N5-6, 1999, с.15-17.

Головко Л.Ф.,Валід Нусейрат, Кансо Зияд, Роман В.В. Безконтактне лазерне нагрівання локальних ділянок середовищ органічного походження. Експрес-Новини, Наука, техніка, виробництво. N15, 1999, сс. 23-26.

Л.Ф. Головко, Коваленко В.С., Роман В.В., Кансо Зіяд. Використання лазерного випромінювання для безопераційної гіпертермії біотканей всередині организма. Наукові вісті Національного Технічного Університету України “КПІ”. N1, 1999. cc.121-126.

Головко Л.Ф., Коваленко В.С., Валид Нусейрат, Роман В.В.. Формирование износостойких поверхностей в условиях лазерной наплавки. Технологические системы.-К., 7, 1, 2001, с.25-32.

Пат. України. Пристрій для фокусування лазерного випромінювання у пляму з заданими характеристиками./ Л.Ф. Головко, В.В. Роман, НТУУ - №42237А; Заявл. 29.11.2000, бюлетень №9 "Промислова власність", кн. 1, с.4.58.

K.V. May, I.V. Fekeshgazi, V.M. Mitsa, V.V. Roman. Diagnostics of glassy semiconductors by non-linear absorptive methods. International Conference on Optical Diagnostics of Materials and Devices for Opto-, Micro- and Quantum Electronics, Proceedings SPIE 1995, v.2648, Kyiv, Ukraine, pp.257-261.

K.V. May, I.V. Fekeshgazi, V.M. Mitsa, V.V. Roman. Diagnostics of glassy semiconductors by non-linear absorptive methods. Abstr. of International Conference on Optical Diagnostics of Materials and Devices for Opto-, Micro- and Quantum Electronics "OPTDIM 95". Kiyv, Ukraine, May 1995, p.72.

I.V. Fekeshgazi, K.V. May, V.M. Mitsa and V.V. Roman. Optical properties of ternary Ge-As-S glasses at high light intensities. Abstr. of 1st International Conference on Materials for Optoelectronics. Sheffield, UK, 1995, p.123.

I. Fekeshgazi, K. May, V. Mitsa, V. Roman, A. Vakaruk. Light absorption and structure correlation in ternary Ge-As-S glasses. Proceedings, SPIE. Optical Organic Semiconductor Inorganiс Materials.1996, Riga, v.2968, pp.256-259.

I. Fekeshgasi, K. May, V. Mitsa, V. Roman, A. Vakaruk. Light absorption and structure correlation in ternary Ge-As-S glasses. Abstr. of The International Conference "Advanced Optical Materials and Devises". Riga, August 1996. р.47.

L.F. Golovko, V.V. Roman. The using of aberrations, which arise during focusing of laser beam by spherical mirrors, in laser processing. Proceedings, SPIE. 5th Congress on modern optics. September 1998. Budapest, Hungary.

Размещено на Allbest.ru

...