Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

"КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ"

УДК 621.9.048

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук

ОСНОВИ РОЗРОБКИ ТЕХНОЛОГІЧНИХ ЗАСОБІВ ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ ЛАЗЕРНОЇ ОБРОБКИ

Спеціальність 05.03.07 - Процеси фізико-технічної обробки

АНЯКІН МИКОЛА ІВАНОВИЧ

Київ 2010

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному технічному університеті України «Київський політехнічний інститут» на кафедрі лазерної технології і фізико-технічних технологій

Науковий консультант: Доктор технічних наук, професор

Коваленко Володимир Сергійович,

НТУУ «КПІ», професор кафедри

Офіційні опоненти: Доктор технічних наук, професор

Ковальченко Михайло Савич,

Інститут проблем матеріалознавства ім. Францевича НАНУ, голова відділу

Доктор технічних наук, професор

Ляшенко Борис Артемович,

Iнститут проблем мiцностi iм. Г.С. Писаренка НАНУ, завідувач лабораторією

Доктор технічних наук,

Лихошва Валерій Петрович,

Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАНУ, в.о.завдуючого відділу

Захист дисертації відбудеться «21» червня 2010р. о 15 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д26.002.15 при Національному технічному університеті України «Київський політехнічний інститут» за адресою: 03056, Київ-56, пр.Перемоги 37, корп.19, ауд.435.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут» за адресою: 03056, Київ-56, пр.Перемоги 37.

Автореферат розісланий «21» травня 2010р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради

д.т.н., проф. Р.М.Рижов

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

лазерний нагрів продуктивність

Актуальність теми. Застосування, у якості інструменту сфокусованого пучку лазерного випромінювання, привело до революційних змін у загальній технології виробництва різноманітних виробів. Сучасна промисловість немислима без застосування лазерних технологій, які використовуються для виконання нано та макро операцій. Проте, незважаючи на разючі успіхи лазерної техніки, технології, сучасних систем для моделювання процесів та інше, перед розробниками устаткування та технології, як і за весь час існування лазерів, стоять питання підвищення ефективності та якості обробки, створення систем її контролю і т.д. Так, на приклад, підвищення ефективності обробки лише на 5%, при вирощенні (за допомогою технології Rapid Prototyping) деталі на протязі 3-х місяців, дозволить скоротити час обробки на декілька діб.

На основі аналізу робіт, які висвітлюють сучасний стан розвитку лазерної технології та устаткування, слід відмітити наступне:

· підвищення ефективності та якості обробки досягається за рахунок використання більш потужного, сучасного устаткування та введення у зону дії лазерного випромінювання додаткових джерел енергії;

· введення додаткових джерел енергії у зону дії лазерного випромінювання не є універсальним шляхом підвищення ефективності та якості лазерної технології;

· дослідження технологічних процесів (ТП) лазерної обробки матеріалів відбувається експериментальними методами та за допомогою комп'ютерного моделювання. При проведенні експериментальних досліджень все ширше використовується активна стратегія проведення експериментів;

· адекватний опис зони термічного впливу, який визначається за допомогою комп'ютерного моделювання технології, можливий лише при врахуванні всіх нелінійностей, які входять у модель процесу;

· існуючи методи визначення температурних залежностей оптичних властивостей матеріалів потребують дорого устаткування та великого обсягу досліджень;

· підвищення ефективності та якості лазерної обробки матеріалів можливе за рахунок сканування лазерного випромінювання;

· при дослідженні лазерної обробки матеріалів скануючим сфокусованим лазерним випромінюванням не визначається оптимальний закон взаємного переміщення деталі та лазерного випромінювання, яке сканує;

· не дивлячись на значний прогрес в розвитку випромінювачів технологічних лазерів, лазери на АІГ з накачкою за допомогою ламп спалаху, знаходять широке впровадження у технологічному застосуванні;

· для реалізації технології Rapid Prototyping використовуються вузько спеціалізовані системи, які оснащені лазерними випромінювачами з приблизно однаковими параметрами. Вказані системи оснащені сервісним устаткуванням та мають можливість реалізувати технологію лише по одній схемі виготовлення деталі. Робочі креслення деталі, яка буде виготовлятись, виконують в системах твердотільного проектування;

· для декомпозиції та ремонту ядерних об'єктів, у світі, все ширше використовують в якості інструменту, сфокусоване лазерне випромінювання;

· для визначення якості виконання операцій лазерної обробки матеріалів головне місце починає посідати телевізійний контроль результату обробки, з наступною математичною обробкою отриманих зображень, та зняття інформації з зони обробки за допомогою групи оптичних датчиків.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась в рамках Державних науково-технічних програм “Високоефективні технологічні процеси в машинобудуванні”, “Нові наукомісткі технології на основі досягнень мікроелектроніки, напівпровідників і оптики” і відповідно до завдань Міністерства освіти і науки України (тема №2220, номер держ.реєстрації 198V002509, тема №2174, номер держ.реєстрації 197V009828, тема №2554, номер держ.реєстрації 0100U002574), проектів Українського Науково-Технологічного Центру №2379, №3350, договору з “Об'єктом “Укриття” ЧАЕС та інших.

На основі аналізу літературного огляду, який присвячений сучасному стану лазерної обробки матеріалів, зазначимо, що розробка ефективних лазерних технологій та устаткування для їх реалізації є актуальною задачею, а для її реалізації можна сформулювати наступні задачі досліджень:

Мета і задачі досліджень. Основною метою роботи є розробка основ підвищення продуктивності і якості лазерної технології (Rapid Prototyping, зварювання, різання, срайбування та інших) без залучення до зони обробки додаткових джерел енергії.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні задачі:

1. розробити методологію та виконати комплекс досліджень, спрямованих на підвищення продуктивності та якості лазерної технології за рахунок керуванням положенням у часі та просторі джерела лазерного нагріву;

2. встановити та дослідити зв'язок між технологічними факторами та продуктивністю і якістю лазерної технології, які є загальними для більшості технологічних процесів;

3. розробити і дослідити засоби і системи для удосконалення процесу лазерної обробки матеріалів, які придатні підвищити продуктивність та якість різноманітних лазерних операцій;

4. розробити і дослідити засоби контролю результатів і якості виконуваних технологічних операцій;

5. розробити сучасне лазерне устаткування, яке може бути інтегроване в різноманітні технологічні комплекси (на приклад, для реалізації технології Rapid Prototyping, різання та інше);

6. розробити технологічні процеси і необхідну оснастку для підвищення продуктивності і якості обробки матеріалів

Об'єктом досліджень є лазерні технологічні процеси та устаткування для їх реалізації.

Предметом досліджень є вивчення процесу взаємодії сфокусованого лазерного випромінювання з матеріалами та вплив режимів обробки на продуктивність та якість технології.

Основними методами досліджень є чисельне моделювання технологічних операцій з наступною експериментальною перевіркою отриманих результатів та методи планування експериментів.

Наукова новизна одержаних результатів. При рішенні поставлених задач автором вперше:

1. Встановлено новий загальний універсальний шлях підвищення ефективності та якості лазерної технології - мікросканування пучку в межах зони обробки.

2. Проведено комплексне (теоретичне та експериментальне) дослідження різноманітних лазерних технологічних операцій (свердлення, різання, скрайбування, зварювання, Rapid Prototyping та інших) з застосуванням додаткового мікросканування лазерного випромінювання

3. Розроблена методика та алгоритми визначення параметрів додаткового мікросканування для окремих технологічних операцій лазерної обробки.

4. Створено явні та неявні математичні моделі лазерної обробки з додатковим скануванням інструменту

5. Виконано комплексне поліпшення показників деяких технологічних операцій (свердлення, різання, скрайбування, зварювання, Rapid Prototyping та інших), в яких застосовується розроблений принцип опромінення, та створено формалізовані методи їх промислового проектування.

Практичне значення одержаних результатів. Розроблені способи і пристрої для їхньої реалізації були випробувані та впровадженні на ряді підприємств України (Київська діамантова фабрика “Ізумруд”, з-д “Старт”, НВО ім.С.Корольова, м. Київ, ЗАТ «Вторполімермаш» м. Київ, ТОВ “Аквітек”, ТОВ “Юніком”) і Росії (НВО “Енергія”, м.Краснодар, НВО “Дальняя связь” (м.Петербург), та інших. Також, розроблені технологія та устаткування були випробувані для виготовлення повітряохолоджувальних отворів у лопатках газотурбінних двигунів (ДП Запоріжське МКБ “Прогрес” ім.академіка Івченко) та при моделюванні процесу декомпозиції елементів «Об'єкту «Укриття»» Чорнобильської АЕС.

Особистий внесок здобувача. Автором дисертації особисто запропоновано використовувати мікросканування лазерного випромінювання для підвищення ефективності та якості обробки матеріалів, методики визначення поглинальних здібностей матеріалів, з відповідним математичним забезпеченням. Також, автором роботи особисто розроблено оригінальне технологічне устаткування, пристрої для лазерної обробки, розроблені методики і проведені експерименти по дослідженню технології лазерної обробки, розроблене програмне забезпечення.

Апробація результатів дисертації. Результати роботи доповідалися на Міжнародних науково-технічних конференціях “Лазерні і фізико-технічні методи обробки матеріалів” у м. Алушта в 1996, 1997р.м., на міжнародних конгресах “International Congress Lasers and Electro-Optics” (“ICALEO”), “ICALEO-97”, у м.Сан-Дієго, США, у 1997р., “ICALEO-2000” у м.Деарборн, США, у 2000р. “ICALEO'2002”, “ICALEO'2006”, у м.Скотсдеіл, 2002р. та 2006р, США, “ICALEO'2003”, у м.Джексонвілл, США у 2003р., “ICALEO'2007”, у м.Орландо, США у 2007р., “International Symposium for Electromachining” (“ISEM”), “ISEM”-XII” у м. Аахен, Німеччина, 1998р., “ISEM”-XIIІ” у м. Більбао, Іспанія, 2001р., “ISEM”-XV” у м. Пітсбург, США, 2007р., 35^th CIRP International Seminar on Manufacturing Systems “Manufacturing Technology in the Information Age”, у м. Сеул, Корея, 2002, CIRP 57 General Assembly м Дрезден, Німеччина 2007р.,“5th International Conference on Laser Assisted Net Shape Engineering LANE 2007” у м.Ерлангер, Німеччина, “6th International Symposium on Nanomanufacturing (ISNM 2008), Aphene, Greece 2008, “International Conference on Laser Technologies in Welding and Materials Processing”. у м.Кацивелі у 2003, 2005, 2007 та 2009р.

Публікації. За результатами виконання дисертаційної роботи опубліковано понад 70 наукових праць, в т.ч. 1 монографія, 16 статей у вітчизняних та іноземних наукових журналах, які є фаховими та входять до переліку ВАК України, та 11 Авторських свідотств СРСР

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається з введення, шести глав, висновків, списку використаних джерел із 283 найменувань. Дисертаційна робота містить 269 сторінок машинописного тексту, 145 рисунка і 8 таблиць.

ЗМІСТ РОБОТИ

У введенні до роботи обґрунтована актуальність теми і сформульовані основні положення, що подаються на захист, обґрунтовані наукова новизна і практична цінність роботи.

У першому розділі аналізується сучасний стан лазерної техніки та технології, методи які застосовуються для її моделювання. Показано, що експериментальні дослідження лазерної технології проводяться по пасивній (у переважній більшості) та активній стратегії реалізації експериментів. Сучасні розрахункові експерименти, з високою ефективністю дозволяють проводити дослідження процесів зміцнення, відпалу, зварювання та наплавлення. Але, результат моделювання цілком і повністю залежить від врахування усіх нелінійностей, які входять у моделі процесу. Саме тому, велика кількість досліджень спрямована на визначення оптичних властивостей матеріалів, які обробляються. Встановлено, що продуктивність та якість ТП, які виконуються залежать не тільки від параметрів технологічного устаткування, а на сам перед від уміння та кваліфікації працюючого персоналу. В даний час, однією з самих сучасних технологій є технологія Rapid Prototyping, яка використовує у якості інструменту сфокусований лазерний промінь. За короткий відрізок часу, дана технологія зробила крок від виготовлення моделей (із полімерів, ламінованого паперу та інше) до безпосереднього створення виробів (штампів, прес-форм та інше), без додаткової, механічної обробки. Завдяки високій надійності та якості, дана технологія використовується для виготовлення за несучих конструкцій літальних апаратів. Це дозволяє скоротити їх час виготовлення у декілька разів (1 місяць проти 6). Для цього використовується лише спеціалізоване устаткування.

Підвищення продуктивності та якості лазерної технології (за умов встановлених оптимальних режимів обробки) відбувається по ряду напрямків: підвід додаткових джерел енергії у зону дії лазерного випромінювання (вода, електрична дуга, абразив та інше), зміна розподілу густини потужності в плямі фокусування за рахунок спеціальних систем, які фокусують, та додаткове сканування сфокусованого лазерного випромінювання В останньому випадку використовують лише кругове сканування сфокусованого променя, або його сканування в напрямку, перпендикулярному вектору швидкості переміщення деталі.

Для контролю якості обробки використовуються пневмо, фото, піро датчики, та засоби телебачення. При використанні найбільш простих систем (фото, піро датчиків) дослідники відмічають трудність врахування всього віддзеркаленого від поверхні яка обробляється лазерного випромінювання.

На основі розгляду сучасного стану лазерної техніки та технології були сформульовані мета та задачі досліджень.

В другому розділі приведено опис експериментального устаткування, зокрема устаткування, яке розроблене для реалізації технології Rapid Prototyping. Дане обладнання складається з лазерного випромінювача з сервісними вузлами, які дозволяють реалізувати технологію по двом схемам обробки: спікання порошкового матеріалу “шар-за шаром” (з його ущільненням за допомогою валків) та спікання порошкового матеріалу з безпосереднім “вдуванням” його в пляму фокусування лазерного випромінювання.

Також, у даному розділі, наведені методики визначення енергетичних, часових і просторових параметрів пучку лазерного випромінювання та сформований об'єктивами з різноманітними фокусними відстанями. Приводиться опис спеціально розробленого пристрою (із методикою і результатами його тарування), який дозволяє фіксувати весь віддзеркалений від деталі, що обробляється, лазерний промінь. Крім того, у другому розділі, приведений загальний математичний апарат, який був застосований при статистичній обробці експериментальних даних, розрахунку коефіцієнтів рівняння регресії та статистичної обробки моделей, які отримані методами повно факторного експерименту (ПФЕ).

Третій розділ присвячений дослідженню процесу взаємодії сфокусованого лазерного випромінювання з різноманітними матеріалами: монолітними (сталі, сплави, напівпровідники та інше) та порошковими, визначенню температурних залежностей їх поглинальних здібностей. При дослідженні взаємодії сфокусованого лазерного випромінювання з матеріалами, у якості моделі процесу використовували нелінійне нестаціонарне багатомірне рівняння теплопровідності (1) з неявною схемою урахування фазових перетворень (2) з початковими та граничними умовами (3) та тепловим джерелом (4). Вказана система рівнянь замінялось кінцево-різницевим аналогом на рухомій (зв'язаній з джерелом нагрівання) нерівномірній сітці та вирішувалась методом прогонки. При моделюванні процесу лазерної обробки порошкових або композиційних (порошок - монолітний матеріал) залежності теплофізичних властивостей системи враховували за допомогою рівнянь адитивності (5). Залежності теплофізичних властивостей (теплоємності c(T), густини (T), і теплопровідності (T)) оброблюваного матеріалу від температури T інтерполювали кубічними сплайнами.

Для визначення температурних залежностей поглинальних здібностей матеріалів була розроблена спеціальна методика, яка основана на знанні залежностей теплофізичних властивостей матеріалу від температури T та знанні залежності потужності лазерного випромінювання яке вийшло з резонатору P_out(t), віддзеркалилось від зразка P_refl(t) та пройшло його наскрізь P_exit(t) від часу t, діаметру плями фокусування d_p, розмірів зразка та інше. Встановлено, що знаючи вищенаведене, використовуючи чисельне рішення (1)-(5), можливо: розраховувати температуру в зоні обробки; визначити залежності оптичних властивостей матеріалу, який обробляється, від температури; вести моніторинг процесу та проводити високоякісне адекватне моделювання технології.

При розрахунку залежностей коефіцієнта відбивання R і поглинання від температури T (для об'ємного джерела нагрівання), процес нагрівання заготовки описувався системою (1)-(4) в одномірній постановці з використанням методів нелінійного програмування, причому:

- у якості функції цілі використовували min квадрату різниці між розрахованою ( за допомогою рішення системи (1)-(4) у момент часу t) і виміряною приймачем, потужності пучка лазерного випромінювання, яка пройшла досліджуваний зразок наскрізь P_exit(t) у відповідний момент часу t (6);

- у якості рівняння зв'язку використовували нелінійне, нестаціонарне, з урахуванням фазових переходів, одномірне рівняння теплопровідності (1)-(4), розв'язуване методом прогонки;

-в якості методу-організатора пошуку незалежних перемінних використовували метод Хука-Дживса, який не потребує явного завдання похідних функції мети і має високу збіжність.

Q_HEAT(x,y,z,t,T) - джерело нагрівання; x,y,z,t - просторові і часові координати; - об'ємна теплоємність; - функція Дірака; HX, HY, HZ - габарити деталі; R(T), (T) - залежності коефіцієнтів відбивання і поглинання лазерного випромінювання від температури Т; C_ij, ._ij, _ij - залежності теплоємності, теплопровідності та густини i-го компоненту композиційного матеріалу; k_ij - кількість i-го компоненту; j - кількість слоїв

(6)

Процес обчислень залежностей R(T) і (T) продовжувався до рівності “нулю” потужності пучку випромінювання, яка пройшла наскрізь зразок та була виміряна . При цьому, даний метод дозволив визначити температурні залежності оптичних властивостей R(T) і (T) моно і полікристалічного кремнію в діапазоні температур 20⁰,...,1000⁰С. При визначенні залежності R(T) (яка розраховувалася для всієї тривалості імпульсу лазерного випромінювання) вважали, що розрахована раніше залежність коефіцієнта поглинання від температури (T) зберігала свій градієнт до моменту фазового перетворення, і при плавленні коефіцієнт дорівнював відомому (з літературних джерел) значенню 1.5*10⁶см¹.

На Рис.1 приведені розраховані результуючі (за допомогою розробленої методики) залежності коефіцієнта відбивання R і поглинання від температури T для моно і полікристалічного кремнію (довжина хвилі випромінювання =1.06мкм), причому, заштрихованою областю позначено точний розрахунок залежностей R і від температури T при їхньому одночасному визначенні. Ділянка приведених залежностей, що залишилася, встановлена при допущенні, що при плавленні коефіцієнт поглинання дорівнював 1.5*10⁶см^-1.

Як видно з приведених залежностей, коефіцієнти відбивання R (залежність 1, Рис.1) і поглинання (залежність 2, Рис.1) від температури T для моно і полікристалічного кремнію зі збільшенням температури монотонно зростають. Крім того, значення R і у моно і полікристалу при низьких температурах протилежні: коефіцієнт відбивання полікристалу менше R монокристалічного кремнію, а коефіцієнт поглинання , навпаки. Це пов'язано із наявністю великої кількості домішок, окислів і ін., що з'являються на поверхні полікристалу в процесі його росту. Причому, із збільшенням температури, розходження в значеннях значення R і нівелюються.

При прийнятих допущеннях, у діапазоні температур плавлення спостерігається «стрибкоподібна» зміна коефіцієнта відбивання R, що досягає 0.77. Це пов'язано з «металізацією» кремнію в розплавленому стані. “Стрибко” подібні зміни коефіцієнта відбивання (під час плавлення зразка) позначаються на виміряних залежностях P_refl(t).

Як показали досліди, незважаючи на низьку ефективність поглинання кремнієм пучку лазерного випромінювання з =1.06мкм, збільшення W_E до 2.24Дж/мм² веде до нівелювання різниці оптичних властивостей моно та полікристалів (в інтервалі температур 200⁰-1000⁰С) і їх плавленню на глибину до 3мкм. Дане явище пояснюється тим, що у випадку високої густини енергії сфокусованого лазерного випромінювання, відвід тепла з зони лазерного впливу (за рахунок природної теплопровідності) недостатній, що веде до збільшення швидкості нагрівання і, відповідно, до збільшення швидкості нівелювання оптичних властивостей зразків із моно і полікристалічного кремнію. Таким чином, у випадку лазерної розмірної обробки (скрайбування, різання й ін.), яка характеризується високою густиною енергії сфокусованого лазерного випромінювання, залежності між результатом лазерного впливу на зразки з моно та полікристалічного кремнію будуть мати однаковий якісний та кількісний характер. Вказане припущення підтвердилось при проведенні подальших досліджень.

Зазначимо, що використання розробленої методики для визначення температурних залежностей поглинальних здібностей металів та сплавів (з-за поверхневого джерела нагрівання) значно простіше, ніж вище наведене, бо теплове джерело буде дорівнювати (7):

У даному випадку, залежність коефіцієнта поглинання лазерного випромінювання від температури A(T) визначається шляхом заміни систем координат у залежностях P_out(t) та P_Refl(t) (відповідно коефіцієнта поглинання лазерного випромінювання від часу t): час t на розраховану температуру поверхні T(0,t) (8).

Скориставшись, для узагальнення теплофізичних та оптичних властивостей порошкового матеріалу рівняннями адитивності (5), використовуючи розроблений пристрій та попередній математичний апарат, ми маємо можливість визначити залежності поглинальних здібностей порошкових матеріалів від температури. Так, на Рис.2 приведені результуючі залежності коефіцієнтів поглинання суцільних та порошкових матеріалів від температури T, які були встановлені під час проведення досліджень. Аналізуючи залежності, що наведені на Рис.2 слід відмітити, що при зростанні температури поверхні, поглинаюча здібність матеріалів зростає. Повторна лазерна обробка деяких матеріалів (Cu, Zr) більш ефективна, що пояснюється знищенням поверхневих забруднень котрі мають місце на їх поверхні. Також, зазначимо, що поглинання лазерного випромінювання порошковими матеріалами при низькій температурі є більш ефективним ніж у суцільних аналогів, але, поглинальні здібності матеріалів вирівнюються зі зростанням температури (Рис.2). Дане явище можливо пояснити протіканням процесу хімічної реакції з навколишньою атмосферою (в нашому випадку утворенням окислів), котрі нівелюють оптичні властивості матеріалів.

Відчутна різниця в коефіцієнті поглинання лазерного випромінювання порошковими та суцільними аналогами робить можливим застосування вказаного пристрою для моніторингу лазерних технологічних процесів (зміцнення, легування, наплавлення, Rapid Prototyping та інше).

При проведенні початкових досліджень (відбір технологічних факторів (ТФ) та розміру простору проектування) розроблена система була використана для контролю якості формування шарів матеріалу заготовки за допомогою технології Rapid Prototyping. З-за обмеженості об'єму пам'яті АЦП, вимірювання потужностей (інтервал опитувань між P_out(t) та P_Refl(t) складав 5мкс) проводились через 1с. Моніторингу підлягали процеси, що відбуваються в порошкових та спечених (або сплавлених) зразках (Рис.3-Рис.5). Так, на Рис.3 приведені залежності, що описують рівні потужностей лазерного випромінювання що надійшли до зразка P_out(t) та віддзеркалилась від нього P_Refl(t) при обробці порошкових матеріалів сфокусованим лазерним випромінюванням з різною густиною енергії. При обробці порошкової суміші на наведених режимах (крок між доріжками дорівнює 0.04мм, густина енергії сфокусованого лазерного випромінювання відповідно складає 47,7Дж/мм² та 28.65Дж/мм²) відбувається нагрів порошкової суміші до різних температур.

Як видно з залежностей, котрі приведені на Рис.4, при швидкості обробки, що дорівнює 1.67мм/с відбувається легке “підплавлення” порошку, що позначається малою глибиною та часом існування ванни розплаву (залежність 2 на Рис.5а, та Рис.5с). При зменшенні швидкості переміщення променю температура поверхні зростає до 2000⁰С, збільшується глибина проплаву та час його існування (залежність 1, Рис.5а, Рис.5б). Обробка на останньому режимі, за рахунок значних деформацій розплаву, що охолоджується, веде до утворення “хвиль” з кроком 1мм. Різна температура поверхні відзначається на залежностях, що наведені на Рис.3. Температура поверхні суміші, що сягає 500⁰С, відповідає коефіцієнту поглинання, що рівний 0.7, а коефіцієнти поглинання 0,74 та 0,75 відповідають температурам 1600⁰С та 2000⁰С відповідно.

Головною відзнакою ТП Rapid Prototyping від споріднених технологій (наплавлення, спікання) є кероване (згідно з 3-вимірним кресленням деталі) її пошарове вирощування. Як і для будь-якої лазерної технології, головними ТФ процесу Rapid Prototyping є фактори, які безпосередньо впливають на густину енергії та густини потужності сфокусованого лазерного випромінювання (середня потужність P_m, швидкість переміщення V_x, пляма фокусування радіусом r_p та інше). Серед відгуків процесу, котрі можливо визначати, впливаючи на (або ) за допомогою розрахункових експериментів (вирішуючи систему (1)-(7)) є:

· параметри рідкої ванни (глибина h_m, ширина W_m та час існування t_m) яка утворилась під дією сфокусованого лазерного випромінювання;

· закон переміщення сфокусованого променя по поверхні деталі;

· коефіцієнт перекриття доріжок C_Cr та крок нарощування по вертикальній координаті Step_Z .

При цьому, параметри рідкої ванни визначають:

· мінімальну товщину стінок майбутньої деталі. Так, товщина стінки (без додаткової обробки та, не враховуючи коефіцієнт усадки розплаву) не може бути менша ніж ширина W_m рідкої ванни;

· крок нарощування по вертикальній координаті, який менший, або дорівнює глибині рідкої ванни;

· час існування рідини повинен бути достатній для проходження дифундуючих процесів та створення деталі із заданими фізико-механічними властивостями.

Таким чином, у процесі виготовлення деталі (за допомогою технології Rapid Prototyping) необхідно визначати та керувати параметрами рідкої ванни, що утворилась під дією сфокусованого лазерного випромінювання. Саме тому, для вивчення впливу параметрів сфокусованого лазерного випромінювання на результат обробки була проведена серія розрахункових експериментів, в якій досліджувався процес вирощування деталей з порошків на основі Ni (порошок марки ПГСР-3) та Co (порошок марки ПГ-10К-01) зі вмістом атмосфери 5-15%. Зазначимо, що в даному випадку (теплофізичні властивості порошкових сумішей узагальнені за допомогою (5)), не зважаючи на значну різницю у кількісному та якісному поводженні теплофізичних залежностей компонентів порошку від температури, головний вплив на густину , теплопровідність , та теплоємність композиції справляє матеріал матриці, тобто для порошку ПГСР-3 Ni - 95,9%, а для порошку ПГ-10К-01 - Co - 44,9%. Присутність легуючих елементів (не зважаючи на їх низький уміст) помітно лише на залежності теплоємності композиції при високих температурах (в області фазових перетворень складових).

Збільшення процентного вмісту атмосфери (тобто зменшення щільності порошку, що накачується) у порошковій суміші веде до зменшення її теплопровідності, густини та збільшенню теплоємності. Вказані зміни відзначаються при лазерному нагріву порошку з різною концентрацією атмосфери (Рис.6)

Очевидно, що відповідно до різних теплофізичних та оптичних властивостей порошкових сумішей на основі ПГСР-3 та ПГ-10К-01, за однакових умов обробки (однакові режими, однаковий вміст атмосфери), параметри ванн розплаву, що виникають у зразках, з указаних порошків, під дією лазерного випромінювання, різні. Але, не зважаючи на більш ефективне поглинання порошком ПГ-10К-01 лазерного випромінювання (Рис. 2), за однакових умов їх лазерної обробки, параметри ванни розплаву, у порошку на основі Ni більші ніж аналогічні параметри розплаву, що має місце у порошку ПГ-10К-01 (Рис.7, Рис.8).

Це пояснюється:

- більшою теплопровідністю Co (в порівнянні з Ni) при високих температурах (матеріали основ порошків), і відповідно сумішей;

- впливом Cr (21%) з великою питомою теплотою плавлення, на фазові перетворення якого витрачається лазерна енергія (Cr є складовим порошку ПГ-10К-01).

Вважаючи на значний уміст Ni у порошку ПГ-10К-01, його спікання (сплавлення) можливе за рахунок дифузії у рідкій фазі не тільки матеріалу основи (Co), але й легуючого матеріалу - Ni. Тому на Рис.7, Рис.8 також наведено залежність глибини ванни розплаву h_m Ni від швидкості обробки для порошку ПГ-10К-01. Як видно з наведених залежностей, формоутворення виробів з порошку ПГСР-3 можливе з більшою продуктивністю, ніж із порошку ПГ-10К-01. Причому, при збільшенні швидкості обробки, ймовірність спікання виробу з порошку ПГ-10К-01, за рахунок плавлення лише легуючого елементу Ni збільшується.

Слід зазначити, що при першому технологічному циклі процесу Rapid Prototyping (не розглядаючи процес вирощування “стовпчика”, який фіксує, при необхідності, майбутню деталь на робочому столі), або при формоутворенні виробів з «нависаючими» над порожнинами елементами, відбувається опромінення шару порошкового матеріалу, який має значну товщину. Наступні технологічні цикли процесу характеризуються обробкою багатошарової системи: шар порошку товщиною h_p та шар монолітного матеріалу. При цьому, параметри рідкої ванни, котра утворюється при обробці вказаної композиції матеріалів, змінюється, в порівнянні з обробкою моно системи. Так, на приклад, при обробці системи, що складається з шару порошку ПГСР-3 з умістом атмосфери 10%; та шару сплаву на основі вказаного порошку (Рис.9), по мірі зростання товщини шару порошку h_p, параметри рідкої ванни, що утворюється при обробці композиції, глибина h_m та час її існування t_m (Рис.10) зменшуються. Вказане явище пояснюється збільшенням об'єму матеріалу з низькою теплопровідністю, який локалізує тепло у поверхневому шарі та прилягає до моно матеріалу. Це не дозволяє ефективно рухатись фронту фазового перетворення у глибину та веде до зменшення об'єму рідкої ванни і, відповідно, часу її існування.

При створенні виробів з заданими фізико-механічними властивостями, шари майбутньої деталі могуть бути виготовлені з різноманітних матеріалів. На приклад, послідовно з шарів матеріалів ПГСР-3 та ПГ-10К-01. В порівнянні з виготовленням деталі з моно матеріалу (при лазерній обробці на однакових режимах), для вказаних композицій глибина ванни розплаву (Рис.10) змінюється. Так у композиції порошок ПГСР-3 та сплав ПГ-10К-01 параметри ванни розплаву збільшуються (Рис.10a) а композиція порошок ПГ-10К-01 та сплав ПГСР-3, навпаки: викликає зменшення глибини проплаву (Рис.10б).

Вказані явища пояснюються тим, що, в першому випадку збільшується теплопровідність нижнього шару сплавленого матеріалу, що сприяє проникненню фронту плавлення Ni на більш значну глибину. Також зменшується процентний вміст Ni у сплаві ПГ-10К-01, що також сприяє зростанню глибини фронту плавлення. Як відмічалось раніше, що матеріали, які є складовими та основою порошку ПГ-10К-01 мають значну питому теплоту плавлення та акумулюють значну кількість енергії, які поступово витрачається на рух розплаву Ni. Саме тому, в другому випадку, зменшення глибини проникнення h_m пояснюється збільшенням сумарної питомої теплоти плавлення порошкового матеріалу, який покриває сплав ПГСР-3. Слід зазначити, що при зростанні швидкості лазерної обробки понад 0.006м/с (P_m=150Вт, r_p=0.4мм), густини енергії сфокусованого лазерного випромінювання не достатньо для плавлення основи нижнього шару матеріалу, що обробляється. В даному випадку з'єднання шарів матеріалу можливе за рахунок дифузії у рідкій фазі Ni (компоненту порошку ПГ-10К-01) зі сплавом ПГСР-3.

Таким чином, аналізуючи результати експериментів і розрахунків, які наведені у третьому розділі дисертаційної роботи відзначимо, що:

· розроблена методика та устаткування для її реалізації, які дозволяють не тільки контролювати якість лазерної обробки, але і визначати залежності оптичних властивостей металів, порошкових та напівпровідникових матеріалів від температури;

· встановлені залежності коефіцієнтів відбивання і поглинання моно і полікристалічного кремнію, різноманітних порошкових матеріалів та їх суцільних аналогів (для довжини хвилі лазерного випромінювання 1.06мкм) від температури;

· при обробці напівпровідників, збільшення густини енергії сфокусованого пучку лазерного випромінювання (довжина хвилі 1.06мкм), на поверхні деталі, веде до зниження ефективності обробки;

· встановлено, що при низькій температурі коефіцієнти поглинання порошкових матеріалів перевищують коефіцієнти суцільних аналогів в середньому у 1.5раз. При температурі, що перевищує 800⁰С коефіцієнт поглинання порошкових матеріалів знижується та нівелюється із значенням коефіцієнту поглинання їх суцільних аналогів;

· при реалізації технології Rapid Prototyping, тобто формуванні багатошарових деталей, для забезпечення постійної товщини проплавленої зони (і, відповідно, товщини сформованого шару виробу) можливе при зміні густини енергії сфокусованого лазерного випромінювання , шляхом врахування властивостей матеріалу порошку та отриманого (на попередньому технологічному циклі) сплаву, тобто врахування анізотропії теплофізичних властивостей матеріалу деталі, яка утворюється.

Четвертий розділ дисертаційної роботи присвячений дослідженню та покращенню лазерних технологічних процесів за рахунок оптимізація режимів обробки та розподілу густини енергії W_E(x,y) сфокусованого лазерного випромінювання. Даний метод застосовується для зовсім різноманітних ТП - зміцнення, зварювання, наплавлення, різання та інше.

При дослідженні лазерного різання гібридних (Al-B) одно направлених композиційних матеріалів (КМ), відсівові експерименти дозволили встановити технологічні фактори (ТФ), котрі статистично значимо впливають на продуктивність та якість лазерної обробки КМ: x₁ - швидкість переміщення деталі V_x; x₂ - величина розфокусування оптики, що фокусує F; x₃ - тиск робочого газу Pg; x₄ - кут між вектором швидкості переміщення деталі та напрямком волокон бору b та їх нелінійний вплив на відгуки процесу: ширина різу на вході S_ent, виході S_exit та шорсткість поверхні стінок різу R_z. Попередні досліди також дозволили встановити, що лазерну обробку гібридних КМ найбільш доцільно проводити з використанням інертних газів (Ar, He), бо використання активних газів (О₂, повітря) веде до зниження якості різу (Рис.11). Це пов'язано, з утворенням тугоплавких окислів у зоні різу, наступне плавлення (випар) яких потребує значних витрат лазерної енергії, яка локалізована у плямі фокусування. При зменшенні швидкості різання збільшується ЗТВ, кількість розплаву, грату та інше. Крім того, при обробці гібридних КМ розплав, котрий видувається робочим газом, “чіпляється” за зруйновані волокна бору та хаотично застигає, що значно погіршує якість обробки (Рис.11).

Для побудови квадратичних моделей процесу лазерного різання КМ Al-B був вибраний та реалізований несиметричний, майже насичений план Хартлі на кулі з дрібною реплікою 2^4-1 та визначаючим контрастом 1=х₁х₂х₃. В результаті проведення та обробки результатів експериментів (у факторному просторі, що досліджується) отримані адекватні моделі процесу лазерної різки КМ Al-B. При оцінці величини коефіцієнтів рівнянь регресії встановлено, що на параметри різу, крім режимів обробки значний вплив здійснює кут між вектором швидкості переміщення деталі та напрямком волокон бору . Для мінімізації анізотропії теплофізичних властивостей матеріалу, що обробляється на якість різання деталей по контуру, отримані моделі процесу можуть бути використані в лазерних системах з числовим програмуванням для генерації керуючих впливів на найменш інерційні технологічні фактори (Рис.12). Це дозволяє значно покращати обробку внутрішніх контурів, отворів під заклепки та інше. Так на Рис.13 приведено зовнішній вигляд лазерного різу КМ Al-B товщиною 2.15мм на оптимальних режимах.

Звичайно ефективність та час обробки (для заданого рівня якості) визначається швидкістю виконання операції. Для розмірної обробки продуктивність визначається найбільш просто, тобто залежить лише від швидкості різання (скрайбування), формоутворення отвору та інше. Очевидним є те, що при виконанні розкрійних операцій час обробки також залежить від сумарного шляху переміщення сфокусованого променя. Останнє мінімізується за рахунок оптимального розміщення майбутніх заготовок на листі (з врахуванням максимально можливої їх кількості). Від швидкості переміщення сфокусованого променя, формуючого окрему доріжку, також залежить і продуктивність інших лазерних технологій: Rapid Prortotyping, зварювання, зміцнення та інших. Крім того, продуктивність вказаних технологій також залежить від ширини окремої доріжки та коефіцієнту їх перекриття. Особливим, для ТП Rapid Prortotyping є те, що час виготовлення деталі визначається схемою реалізації процесу (векторна або площинна) та оптимальним розміщенням групи деталей на робочій плиті; режими обробки та параметри порошку (розмір частинок порошку, його теплофізичні властивості) визначають величину відступу від границь контуру креслення майбутньої деталі та крок підйому по вертикальній координаті.

Таким чином, фактичне підвищення ефективності технології Rapid Prototyping (для заданого лазерного випромінювача, порошкової суміші, глибині ванни розплаву та інше) може бути досягнуте за рахунок збільшення швидкості руху сфокусованого лазерного променя (з максимальною шириною окремої доріжки) та зменшення сумарного шляху його переміщення. Ширина окремої доріжки (при заданому коефіцієнті перекриття) впливає на сумарний шлях переміщення променя і, відповідно, на час виконання операції. При чому, якість процесу буде визначатись як і вимогами до точності виготовлення деталі, шорсткості поверхні та інше, так і міцністю з'єднання окремих її шарів. Тобто, для ТП Rapid Prototyping, який реалізує схему спікання наперед ущільнених шарів порошкового матеріалу, режими обробки повинні забезпечувати:

· температуру поверхні, яка повинна бути меншою температури випаровування матеріалу, що обробляється;

· при охолодженні, розплав не повинен деформувати створювану деталь;

· залишкові напруги не повинні розривати спечні шари.

Данні вимоги є цілком природними, бо в першому та другому випадку відбувається пошкодження геометрії поверхні виробу, який створюється з-за:

· «розлітання» ущільненого порошкового шару та його вилучення з зони дії лазерного випромінювання під дією тиску плазмової хмари;

· «спотворення» вже спечених шарів з-за неконтрольованого утворення «хвиль», «кульок» та ін.. під час охолодження розплаву,

що веде до неможливості отримання якісного з'єднання шарів матеріалу та отримання деталі в відповідності до її креслень. А руйнування виробу за рахунок напруг під час проходження процесу, або після його завершення, робить повністю марною вже виконану роботу. Тому, в даному випадку, густина енергії сфокусованого лазерного випромінювання повинна забезпечувати температуру поверхні, яка не значно перевищує температуру плавлення матеріалу, який обробляється та підтримувати її заданий час. При цьому виключається утворення значна кількість рідкої фази, а з'єднання шарів відбувається за рахунок незначного їх «підплавлення», дифузії у рідкій (а можливо у твердій фазі). Мінімальна кількість рідкої фази гарантує, при застиганні, відсутність деформації поверхні, яка створюється.

Як показали дослідження, найбільш діючим механізмом, котрий впливає на продуктивність та якість обробки є оптимізація розподілу густини потужності W_P(x,y) (9) (або інтегральної характеристики - густини енергії W_E(x,y) лазерного випромінювання у плямі фокусування.

Дослідження впливу W_E(x,y) на продуктивність та якість лазерних ТП вели за допомогою комп'ютерного моделювання та засобами ПФЕ. Так, моделювання та оптимізацію ТП лазерного прототипування та зварювання магнітопроводу вели за допомогою обчислювальних експериментів, а моделювання та оптимізацію процесу лазерного різання напівпровідників здійснювали методами ПФЕ. В останньому випадку, в якості відгуків використовували: ширину різу на вході ; ширину різу на виході ; шорсткість поверхні різу R_z. Для побудови моделей процесу використовували насичений план Рехтшафнера для 6 технологічних факторів: V_x - швидкість переміщення деталі (Х₁); - частота проходження імпульсів (Х₂); F- фокусна відстань об'єктива, що фокусує (Х₃); F - величина розфокусування об'єктива, що фокусує (Х₄); - частота сканування (Х₅); - амплітуда сканування (Х₆).

У випадку сканування сфокусованого лазерного променя по гармонійному закону й переміщенні деталі, що оброблюється уздовж осі OX, координати центру пучку x_c і y_c дорівнюють (10), а розподіл густини енергії сфокусованого випромінювання, відповідно, (11). Для визначення максимальної потужності імпульсу P_max, при моделюванні процесу в імпульсному режимі роботи лазера використовували співвідношення (12), що враховує рівність середньої потужності випромінювання P_m і енергії випромінювання в різних режимах генерації.

Аналізуючи залежності (9)-(11) відмітимо, що при додатковому скануванні сфокусованого лазерного випромінювання, вплив на результат обробки можливий не тільки за рахунок зміни P_m, V_x, r_p, але й при зміні амплітуди As,Bs та частоти сканування .

Як і раніше, при аналізі результатів обчислювальних експериментів якість обробки визначалась за часом існування t_m, глибині проникнення h_m та ширини W_m ванни розплаву.

Для заданого випромінювача (потужності, режиму генерації та інше), збільшення швидкості руху сфокусованого лазерного променя може бути досягнуте за рахунок зменшення плями фокусування, тобто збільшення W_P. Про те, зміна розміру плями фокусування викликає не однозначний вплив на розміри та час існування ванни розплаву, що особливо помітно при лазерному легуванні, зварюванні, швидкому прототипуванні. Розрахований (за допомогою рішення (1)-(3), (5), (7) результат дії сфокусованого лазерного випромінювання на композицію шар порошку ПГСР-3 товщиною 30мкм (уміст атмосфери 10%) та сплаву на основі ПГСР-3 для різних умов обробки наведено на Рис.14. Очевидно, що для даного значення W_P, збільшення швидкості переміщення сфокусованого лазерного випромінювання викличе зменшення розмірів ванни розплаву (Рис.10, Рис.14б).

Як видно з наведених залежностей (Рис.14а), при фокусуванні лазерного випромінювання у пляму радіусом r_p 0.1-0.2мм, температура поверхні зразка перевищує температуру випарювання матеріалу основи порошкової суміші. Очевидно, що при обробці лазерним випромінюванням, сфокусованим у пляму r_p=0.1мм (P_m=150Вт, V_x=20мм/с), відбувається руйнування матеріалу покриття, що не дозволяє отримувати якісний виріб. Фокусування лазерного випромінювання у пляму r_p=0.2мм (на вказаних вище режимах) веде до початку випару поверхні матеріалу, при цьому розміри (ширина та глибина) ванни розплаву збільшуються, в порівнянні з попереднім випадком. Поступове збільшення плями фокусування веде до зменшення розмірів ванни розплаву, причому зменшення глибини h_m та часу існування t_m відбувається більш інтенсивно.

При переміщенні сфокусованого лазерного променю з низькою швидкістю, температура поверхні зростає, збільшується глибина проплаву та час його існування (Рис.4, Рис.5, Рис. 14б). При цьому, за рахунок значних деформацій розплаву, що охолоджується, на поверхні виробу можливе утворення “хвиль” (Рис.5), або можливий випар матеріалу покриття (Рис. 146). Збиткова кількість енергії сфокусованого лазерного випромінювання позначається і при лазерній розмірній обробці: зростає ширина лазерного різу, зона термічного впливу.

Зміна розподілу W_E(x,y) за рахунок додаткового сканування сфокусованого лазерного променя та її вплив на результат обробки найбільше наочно демонструється при порівнянні W_E(x,y) сфокусованого лазерного випромінювання на поверхні деталі з зовнішнім виглядом лазерного скрайбу або різу (Рис.15).

Як видно з наведених залежностей (Рис.15), форма лазерного скрайбу цілком повторює закон зміни W_E(x,y) від просторових координат. Так, у моменти зустрічного руху сфокусованого пучку лазерного випромінювання і деталі, коли їхня сумарна швидкість V дорівнює, або близька “нулеві”, спостерігається різкий ріст W_E(x,y) і, відповідно, глибини скрайбу, аж до наскрізної перфорації зразка.

Вплив додаткового сканування сфокусованого лазерного променя на результат обробки спостерігається і при лазерному швидкому прототипуванні та зварюванні. Зміна W_E(x,y), як показує чисельне рішення системи (1)-(3), (5), (7)-(11), веде до зміни термічних циклів, глибини нагрівання, часу існування рідкої фази й ін. (Рис.16, Рис.17). Причому, при виконанні операцій швидкого прототипування, легування, наплавлення, як і у випадку розмірної обробки, необхідно враховувати умови появи різких «сплесків» на залежності W_E(x,y), які можуть вести до зниження якості операції, яка виконується.

На приклад, додаткове сканування лазерного випромінювання з W_P =9.5*10⁵Вт/см² (r_p=0.1мм, P_m=150Вт) не дозволяє уникнути випаровування порошкового шару зразка (Рис.14, Рис.16), коли густина енергії сягає лише 18.2Дж/мм². Зменшення «сплесків» на залежності W_E(x,y) можливо шляхом відключення генерації лазерного випромінювання у задані моменти часу, які визначаються з кінематичного рівняння (10). Так, на Рис.16 наведено залежності W_E(x,y) на поверхні деталі та розподіл температур у її тілі, за умов обробки сфокусованим лазерним випромінюванням, яке сканує з різною частотою (As=Bs=0.2мм), причому на Рис.16в у «вершинах» амплітуди сканування, потужність лазерного випромінювання дорівнює «нулю»

Слід відзначити, що даний метод обробки (з керуванням потужності лазерного випромінювання у процесі сканування) має певні вади

· збільшується розмір файлу, який обробляється системою керування;

· можливе збільшення часу виконання операції з-за необхідності врахування часу на операції «вмикання» - «вимикання» лазерного випромінювання. Це пов'язано з інерційністю систем, які перекривають випромінювання потужних СО₂ лазерів та лазерів на АІГ з ламповою накачкою. Мінімальні витрати часу на цикли «вмикання» - «вимикання» випромінювання буде у лазерних систем, які мають ланцюг джерело живлення - лазерне випромінювання з мінімальною інерційністю, тобто у лазерів з напівпровідниковою накачкою та лазерів на оптичному волокні.

...