24. prelucrarea materialelor prin fascicul de fotoni ( laser)

8/12/2019 24. Prelucrarea Materialelor Prin Fascicul de Fotoni ( Laser)

1/10

24. PRELUCRAREA MATERIALELOR CU

FASCICUL DE FOTONI (LASER)

24.1. Introducere

Prelucrarea cu fascicul de fotoni (laser)a materialelor metalice prezint

la ora actual o arie din ce n ce mai larg de rspndire determinat de

utilizarea tot mai intensn industrie a materialelor dure i extradure, precum i

de creterea complexitii formelor constructive a diverselor repere ce intr n

construcia unor ansamble sau subansamble, aparate, utilaje etc.

Prelucrarea unor materiale cum sunt: carburile metalice, diamantele,

safirele, rubinele din care sunt confecionate filierele de extrudare pentru srm,

a lagrelor din construcia aparatelor de msuri control, ca i prelucrarea unor

microcomponente electronice, a sticlei, cuarului constituie probleme

tehnologice uor de rezolvat prin folosirea laserului datorit performanelor

ridicate realizate prin acest procedeu.

Trebuie menionat ns faptul c folosirea prelucrrilor cu laser prezint

nc limitri datoritcostului ridicat al unor astfel de instalaii, iar multitudinea

parametrilor electrotehnologici care influeneaz prelucrarea, face dificil

algoritmizarea proceselor. n aceste condiii, la adoptarea unor tehnologii de

prelucrare cu fascicule de fotoni trebuie sse aib n vedere eficiena tehnico-

economic, analizndu-se detaliat costul comparativ al acestor instalaii cu altele

clasice, n concordan cu calitatea, productivitatea i consumul energeticrealizabil.

24. 2. Principiul emisiei fasciculelor de fotoni

Explicaia fenomenelor care conduc la emisia laser se bazeazpe teoria

mecanicii cuantice elaboratde Max Plank, care aratcpunerea n libertate i

150


2/10

absorbia de energie radiantse produc n mod discontinuu n anumite cantiti

numite cuante de energie.

De exemplu, n cazul sticlei dopate cu neodim, dac acesta primete o

razde luminalbconsideratca fiind constituitdin foarte mici particule cu o

anumit cantitate de energie (fotoni), electronii corespunztori atomilor de

neodim absorb fiecare un foton i i cresc cantitatea de energie proprie. Aceast

cretere face ca electronul respectiv s treac de pe orbita staionar din jurul

nucleului, corespunztoare nivelului energetic fundamental pe o altorbitmai

ndeprtat, corespunztoare unui alt nivel energetic, atomul situndu-se ntr-o

stare nou numit stare excitat. Energia eliberat de electroni n momentul

trecerii pe orbita intermediar este transmis nucleului atomic, care, n aceste

condiii i accentueazvibraiile.

Ulterior, de pe orbita intermediar, electronii revin pe orbita de plecare

iniial (staionar), emind n aceste condiii la rndul lor, un foton, a crui

frecvendepinde de diferena de energie dintre nivelul de energie intermediar i

cel fundamental.

Trebuie menionat c pentru obinerea emisiunii laser toi aceti fotoni

emii de electroni trebuie s aib aceeai frecven (culoare), adic s

ndeplineasccondiia de monocromaticitate.

Trecerea unui foton prin apropierea unui electron, situat pe orbita

intermediarface ca acesta srevinpe nivelul energetic fundamental, emind

n acelai timp un alt foton care este n faz cu fotonul incident i de aceeai

energie, fiind ndeplinitastfel condiia de coeren.Aceasttrecere de pe orbita intermediarpe cea fundamental, nsoitde

emisie fotonicdatoritfotonului incident, poartnumele de emisie stimulat.

Trecerea electronului de pe orbita nestaionar pe orbita intermediar se

face ntr-un interval de timp de 10-7 secunde, fiind cu mult mai rapid ca

revenirea urmtoare de pe orbita intermediarpe cea staionar.

151


3/10

Succesiunea acestor faze creeaz premisele realizrii unei inversiuni de

populaie, adic situarea unui numr mai mare de electroni pe orbita

intermediarn comparaie cu cea fundamental.

Etapele acestui fenomen de transfer, spontan sau stimulat al electronilor

de pe un nivel energetic pe altul sunt corespunztoare schemei de principiu a

producerii razei laser ntr-un laser cu mediu activ solid (sticl dopat cu

neodim), prezentatn figura 24.1.

Fig. 24.1. Etapele fenomenului de transfer al electronilor ntre nivele energetice

Din punct de vedere constructiv laserul cu sticl dopat cu neodim are

urmtoarea componen(fig. 24.2):

Fig. 24.2. Elemente componente ale laserului cu mediu activ solid

1 - oglindcu indice de reflexie ridicat; 2 - oglindcu indice de reflexie redus;

3 - barde sticldopatcu neodim; 4 - incinta de oscilaie a fotonilor emii.

152


4/10

Sub aciunea unei raze de lumin, bara de sticl dopat cu neodim va

produce o emisie fotonic, care se va amplifica prin oscilarea ntre cele dou

oglinzi reflectorizante.

Cnd energia acestor raze va ajunge la o anumitvaloare, va fi strpuns

oglinda cu indicele de reflexie mai sczut, rezultnd raza laser.

La aceste tipuri de instalaii laser inversiunea se realizeaz prin pompaj

optic cu ajutorul lmpilor cu xenon sau a tuburilor flash, radiaia laser avnd

lungimea de und= 1,06 m.

Sticla utilizat la confecionarea acestor medii active prezint valori

extrem de sczute ale indicelui de refracie, precum i posibilitatea de

predeterminare a acestui indice funcie de structura i de compoziia sticlei. De

asemenea, se poate prelucra uor n diferite forme i mrimi. n afara acestor

avantaje, sticla prezintdezavantajul unei conductiviti termice foarte sczute,

fapt ce impune anumite limitri constructive mediului activ.

Folosirea sticlei dopate cu neodim n construcia laserilor permite

obinerea unei puteri ridicate, de circa 500 Kw/puls, cu durata de circa 10-3s i n

regim de cteva pulsuri pe minut.

24.3. Aparatura utilizat

Generatorul de fascicul laser folosit este de tip Kwant 9, care lucreaz

numai n impulsuri singulare (fig. 24.3). Mediul activ este format dintr-o barde

sticldopatcu neodim, iar pompajul optic se face cu un tub flash.

24.4. Aciunea fasciculului laser asupra materialelor

Dirijarea unui fascicul laser asupra unui material, prin absorbia luminii va

produce o modificare a strii termice a materialului, fenomen care se explic

astfel: la incidena fasciculului laser cu materialul, datorit interaciunii dintrecmpul radiant i atomii substanei n cadrul ciocnirilor ce se produc ntre fotoni

153


5/10

i electroni, energia luminoas se transform n energie caloric, ce se va

transmite ctre nodurile reelei cristaline prin intermediul electronilor,

modificnd starea termic a materialului. Energia luminoas se transform

instantaneu n energie caloric. Viteza de difuzie a cldurii n material va fi cu

att mai mare, cu ct conductibilitatea termica materialului va fi mai mare.

Fig. 24.3. Elemente componente ale laserului cu mediu activ solid

1 - sistem de generare a fascicolului laser; 2 - maspentru prelucrare;

3 - microscop de poziionare; 4 - instalaie electric;

5 - instalaie de rcire; 6 - suport.

Dacse noteazcu conductibilitatea termica materialului, adncimea

de penetraie a frontului termic dupdirecia z, ntr-un timp t, se exprimprin

relaia:

t2Z t , [m] (24.1)

Pentru un timp t = 210-7 s i = 10-5... 10-2 m2 rezult o ptrundere a

frontului termic Z = 2( 10-6

...10-5

) m.

154


6/10

Dacse comparcu adncimea de penetraie a undei laser care are valori

de 10-8...10-9m, se constatcptrunderea frontului termic este cu 2...3 ordine

de mrime mai mic.

Modificrile strii termice a materialului vor fi determinate de densitatea

de energie absorbitpe unitatea de suprafa. Dacdensitate este mic, astfel c

nu atinge limita caracteristicschimbrii de faz(topirea) se va produce numai o

nclzire a materialului.

Aceastsituaie apare atunci cnd radiaia laser, continusau n impulsuri,

are o duratde aciune mai mare de 10-6...10-9s. n acest caz se poate considera

ctransmiterea energiei fotonilor n reea se face mai rapid (10-12...10-13s) dect

durata impulsului, ca urmare masa materialului se nclzete.

Dacimpulsul are o duratmai mici anume de ordinul picosecundelor

(10-13 s) atunci difuzia nu se mai poate realiza instantaneu, legea corespunztoare

unui echilibru termic nu mai este valabili deci urmeaz a se aplica alte legi

privind modul de intervenie i modificare a strii termice a materialului.

Pentru unele cazuri de utilizri tehnologice ale laserului intereseaz

limitele superioare ale temperaturii n stadiul de nclzire a materialului TPi a

fluxului luminos maxim corespunztor q 0 . Pentru TPT0i q q0 structura

materialului se distruge i acesta se evapor.

Densitatea de prag energetic a fluxului luminos pentru majoritatea

materialelor se cuprinde ntre limitele 105...106W/cm2.

La densiti mari de putere (109 W/cm2) primul strat de material se

supranclzete i se volatilizeazcu vitezfoarte mare. Particulele de metal vor

prelua i transporta n acest fel o parte din energia cinetic a fasciculului

incident, ceea ce va atrage dupsine micorarea cantitii de material prelevat pe

unitatea de putere, astfel cprelevarea de material va fi mai micdect n cazul

folosirii unor energii incidente mai mici.

Fenomenul se produce datorit faptului c vaporii de material volatilizat

se deplaseazn sens opus fascicolului laser, ceea ce face sse producun fel deecranare care conduce la scderea randamentului.

155


7/10

24.5. Regimuri de prelucrare cu radiaii laser

Prelucrrile diferitelor materiale metalice i nemetalice cu ajutorul

fascicolelor laser constituie aa numitele aplicaii energetice cuprinznd:

sudarea, gurirea, topirea, depunerea straturilor subiri, vaporizarea etc.

n funcie de energia fascicolului laser se poate prelucra practic orice

material ncepnd de la vaporizare pn la prelucrare dimensional, gurire,

tiere, cantitatea de material ndeprtat fiind dependent de energia radiat

(fig. 24.4). n cazul diferitelor tipuri de prelucrare la stabilirea regimurilor de

lucru trebuie s se in seama de anumite caracteristici ale cuplului dispozitiv

laser material de prelucrat, dintre care cele mai importante sunt:

- tipul instalaiei utilizate (cu mediu activ solid sau gazos);- tipul emisiunii laser (impulsuri sau continu);- lungimea de unda radiaiei laser;- gradul de absorbie a suprafeei materialului care se prelucreaz i

rugozitatea suprafeei iniiale;

- caracteristicile termice ale materialului de prelucrat (coeficientul dedifuzie termic, rezistena la ocuri termice).

n cadrul proceselor tehnologice de prelucrare se impune analiza a dou

elemente definitorii i anume: diametrul spotului care poate fi obinut n focarul

unei lentile i densitatea maximde putere rezultatn focar.

Diametrul spotuluise poate calcula cu relaia:

d =0 Df4 [m] , (24.2)

unde: f este distana focala lentilei, mm;

D deschiderea lentilei, mm;

- lungimea de unda radiaiei emise, m.

156


8/10

Fig. 24.4. Tipuri de prelucrri cu fascicul laser n funcie de energia absorbit

Densitatea maximde putere n focarse determincu relaia:

W p 2210P

[W/cm ], (24.3)2

unde: P este puterea emisde laser prin radiaie, W.

Analiza celor dou caracteristici prezentate ale radiaiei (diametrul

spotului i densitatea de putere) evideniaz faptul c laserul se poate utiliza

cu succes n microprelucrri, energia dezvoltat fiind suficient pentru topirea

n unitatea de timp a unor cantiti de ordinul miligramelor dintr-un

material metalic.

Productivitatea prelucrrii este funcie de caracteristicile impulsului i ale

materialului prelucrat. n cazul unui laser cu impulsuri productivitatea se poate

determina cu relaia:

Q = t0t0

imip LC

nCE

[cm 3 /s] (24.4)

unde: este un coeficient de absorbie;p

E i - energia impulsului;

C - coeficient de material;m

n i - numrul de impulsuri n unitatea de timp;

- densitatea materialului prelucrat;

157


9/10

C 0 - conductibilitatea materialului;

t - temperatura de topire a materialului de prelucrat;

0 - temperatura iniiala materialului prelucrat;

L t - energia specificde topire.n tabelul 24.1 sunt prezentate, pentru diferite materiale, valorile

temperaturilor critice i valorile energiilor specifice necesare atingerii punctelor

de topire i vaporizare.

Tabelul 24.1.

Temperaturi critice i energii specifice de topire i vaporizare

Energia specificMetal Temperat.de topire t[K]

Temperat.de topire v[K]

la nclzire la topire lavaporizare

Al 935 2.600 1.540 2.610 33.060Cu 1.356 2.868 3.650 5.480 53.600Co 1.766 3.370 5.950 8.350 73.570Fe 1.808 3.008 5.310 8.040 62.030W 3.650 6.225 8.570 12.270 114.511

n timpul procesului de topire adncimea de ptrundere a frontului termic

este diferit de adncimea de ptrundere a radiaiei laser i modificarea strii

termice a materialului se va face n funcie de energia absorbitpe unitatea de

suprafa. Topirea materialului se face la nivelul unui crater, dimensiunile

acestuia (adncime i raz) determinndu-se funcie de caracteristicile energetice

ale radiaiei i de timpul de iradiere.

Adncimea crateruluicu material topit:

h =00

t

Lr

tW

[mm] (24.5)

unde: W este puterea transmisde laser;

t - durata de prelucrare;

r - raza feei luminate pe suprafaa materialului;0

L - energia specificde evaporare a materialului metalic la temperatura0

de 0 K.

158


10/10

Raza craterului:

r =0

20

0t0 Lr

tWr

[mm] (24.6)

unde: este unghiul ntre direcia de ptrundere a radiaiei i tangenta la supra-

faa craterului.

Pentru realizarea unor microorificii n material (fig. 24.5), n condiiile

utilizrii unei anumite energii a impulsului adncimea alezajului prelucrat se

poate determina cu relaia:

h =

03

v

30 dL

E3d

tg

1 [mm] (24.7)

unde: este unghiul conului de focalizare;

d 0 - diametrul iniial al fascicolului laser;

E - energia impulsului;

L - energia specificde vaporizare.v

Diametrul alezajului prelucrat este:

d = 2 3 v30 tgL

E3d [mm] (24.8)

Fig. 24.5. Dimensiunile craterului

159

24. prelucrarea materialelor prin fascicul de fotoni ( laser)

Documents