Реферати українською » Физика » Лазерна технологія


Реферат Лазерна технологія

тиск створюють за українсько-словацьким кордоном випаровування імпульс стискування понад десять6 атмосфер. Щільність речовини в периферійної частини мішені зростає до 102 — 103г/см3, а центральної — до 5 — 50г/см3. За цих умов в усій масідейтериево-тритиевой суміші виникає термоядерна реакція.

Тепло, здобуту у ході реакції, то, можливо перетворено на електроенергію чи використано безпосередньо. Для отримання енергії необхідно побудувати промисловий лазерний термоядерний реактор, але в шляху його створення є низка технологічних труднощів. За оцінками, лазери повинен мати ккд не нижче 5% при енергії випромінювання 1 — 3МДж, тривалості імпульсів (2 — 3)*10-8 секунди й частоти їх повторення 1 — 10 гц.Лазери мають стояти з відривом 30 — 50 метрів від реактори й забезпечувати фокусування випромінювання на мішень розміром 1 сантиметр. Неоднорідність інтенсивності опромінення мішені неспроможна перевищувати 5%, а сама мішень мусить бути виготовлена з точністю 1%. Мішені — ампули здейтериево-тритиевой сумішшю потрібно подавати в реактор кілька разів на секунду, з точністю фіксуючи в центрі реактора. Тільки за всіх таких умов коефіцієнт посилення реактора (ставленнявиделившейся термоядерну енергію до енергійності лазерів) може сягнути 102 — 103. Але сконструювати настільки складна система з такою кількістю серйозних вимог доки вдається.

>Нагрев плазми лазерним променем виявився ефективним методом отриманнямногозарядних іонів різних елементів. Вперше у лабораторних умовах отримані й досліджувано спектри низкимногозарядних іонів, особливо цікавлять астрофізики.

3.2ЛАЗЕРЫ У ТЕХНОЛОГІЇ

 

Схеми використання лазерів в технологічними процесами зазвичай є досить прості.Лазерное випромінювання фокусується у визначений ділянку оброблюваної деталі. Частину його ще з допомогою спеціального дзеркала, поставленого по дорозі променя, може виділяється на вимірювальну апаратуру контролю параметрів випромінювання у процесі опрацювання. Дзеркалополупрозрачно, тому більшість випромінювання проходить до котра фокусує системі.Фокусирующая система стискує лазерне випромінювання в пляма малих розмірів, часом одиниці мікрометрів, а більшості — частки міліметрів. Малий розмір плями і значна потужність випромінювання дозволяють отримати досить високу щільність потоку. Рекордні величини цього енергетичного параметра досягнуто під час використання лазерного випромінювання в дослідах з намаганнями здійснити термоядерну реакцію синтезу: величина щільності потоку (концентрації потужності) може становити 1016 >Вт/см2 і від. Щоб осягнути, наскільки великою є наведена величина, відзначимо, що фокусування сонячного випромінювання Демшевського не дозволяє отримати щільність потоку вище 5*103Вт/см2. Але із допомогою такого потоку променистої енергії можна плавити практично будь-які метали.

>Сфокусированное лазерне випромінювання, потрапляючи на непрозорі матеріали (метали та його сплави), поглинається у вузькому поверхневому шарі; енергія променя перетворюється на решта видів енергії, й у першу черга у теплову. Підкреслимо, що ні вся падаюча енергія променя перетворюється на тепло чи йде порушення механічних коливань тощо. буд. Частина випромінювання відбивається від поверхні тіла, і, зазвичай, безповоротно втрачається, знижуючи коефіцієнт використання випромінювання лазера і майже цілковитий енергетичний ККД процесу, який більшості типів лазерних технологічних установок невеликий. Частина енергії випромінювання (до 10%) втрачається за проходженні оптичнихдиафрагмирующих іфокусирующих систем. Що складніший оптичні системи для фокусування злучения, тим більше коштів втрата часу та нижче повний ККД. Висока концентрація випромінювання в пляма малих ж розмірів та, як наслідок, висока щільність потоку істотно знижують втрати енергії проти іншими джерелами, оскільки немає непотрібного нагріву великих обсягів речовини. Тут й полягає енергетичний виграш. З іншого боку, існують способи зниження втрат енергії на відбиток, скажімо, використання поглинаючих покриттів, не вичерпані резерви підвищення ККД. перетворення електроенергії у випромінювання лазерів з різними довжинами хвиль. Власне кажучи, щоб правильно оцінити роль лазерів у сприйнятті сучасних технологічними процесами обробки матеріалів, потрібно навчитися оцінювати енергетичні втрати випромінювання по дорозі від вихідного вікна лазерної установки до розсіювання цієї енергії в твердому тілі.

Більшість процесів обробки матеріалів променем лазера виробляється приплотностях потоку 103— 107Вт/см2. У цьому вся діапазоні залежно від тривалості впливу випромінювання тіло може нагріватися, плавитися чи інтенсивно випаровуватися. Що ж станеться з речовиною, якщо далі збільшувати щільність потоку випромінювання, зберігаючи решту умов досвіду незмінними? Починаючи з деякого значення щільності потоку (для металів 108—109 >Вт/см2 ), введені на метал тепло може бути відведено ні з допомогою теплопровідності, ні збільшенням обсягу випарувався речовини. Поверховий шар тіла у разі уподібнюєтьсявзривчатому речовини із високим удільної енергією (енергією, що припадає на одиницю маси речовини). Він буквально вибухає і розлітається дуже швидко, викликаючи ударну хвилю у довкіллі, і передаючи імпульс в обсяг тіла. Ударне хвиля починає поширюватися тілом. Якщо тіло є тонку пластину, то енергія ударної хвилі несуттєво розсіюється в речовині і по зворотного боку пластини доходить хвиля практично тієї ж амплітуди, як і поблизу поверхні.Отражаясь від зворотного боку пластини, ударна хвиля може викликати її механічне руйнація, оскільки тиск, чинне на зворотний бік пластини, практично подвоюється.

Якщо підвищувати далі щільність потоку, припускаючи, як і попереднього разі, умови в досвіді незмінними, то вже передній фронт імпульсу випромінювання створюватиме поблизу поверхні плазмовий згусток, мало що пропускає лазерне випромінювання до тіла. І тут енергія випромінювання лазера витрачатиметься здебільшого підвищення енергії плазмового згустку (збільшення його температури і швидкості розльоту). Ця сфера енергетичних параметрів лазерного випромінювання (вище 1011Вт/см2) в технологічними процесами звичайно використовується, крім низки спеціальних випадків.

Про лазерних технологічними процесами. Спочатку зупинимося на технологіях, у яких працюють лазери з імпульсної генерацією випромінювання. Процеси, у яких щільність потоку імпульсу лазерного випромінювання така, що за його дії речовина істотно не плавиться, ставляться до лазерноїтермообработке.

Найбільшого поширення набула у промисловості отримала гарт (з твердого і стану) певних марок стали, дію імпульсного лазерного випромінювання на поверхню виробів із яких підвищує твердість поверхневого шару завтовшки кілька десятків мікрометрів і як наслідок збільшує зносостійкість матеріалу.

Останніми роками реалізований процес, пов'язаний із застосуванням лазерного випромінювання для з так званогоотжига дефектів кристалічною структури речовини; дефекти ці творяться у ньому прилегировании тонкого (менше 1мкм) поверхневого шару речовини, найчастіше кремнію, з допомогою іонної імплантації.Ионная імплантація (широко застосовується у технології створення електронних схем) — посилка потоку прискорених іонів у визначений ділянку лежить на поверхні напівпровідникового матеріалу до створення областей із наперед заданими величиною електропровідності і типом провідності (електронної чидирочной). Дефекти, зазвичай звані радіаційними, виникають, коли прискорений потік іонів проходить через речовина. Вони негативно впливають на якість матеріалу, погіршуючи експлуатаційні характеристики приладів, потім із нього створюваних. Дія імпульсного лазерного випромінювання малої тривалості зменшує число таких дефектів; кажуть, відбувається їх відпал, хоча механізм зменшення кількості радіаційних дефектів який завжди ясний.

Процеси гарту сталей іотжига радіаційних недоліків у напівпровідниках, використовують лазерне випромінювання, далеко ще не рівнозначні в умовах їх здійснення, позаяк у кожному їх застосовується випромінювання з суттєво відміннимдлительностями імпульсів. Для гарту поверхневого шару в низько- ісреднеуглеродистих сталях застосовують імпульси, тривалість яких - кілька одиниць мілісекунд, аотжигаионно-имплантированних верств напівпровідникових матеріалів — імпульси тривалістю десятки або сотню мільярдних часткою секунди (10-8— 10-7з). Тому, аби парниковий ефект був істотним, щільність потоку випромінювання щодо останнього повинна сягати 108—109 >Вт/см2, тоді як із загартуванню вона звичайно перевищує 105 >Вт/см2. Суттєво різниться та глибина проникнення тепла у тих процесах.

>Закалку і відпал відрізняють високі швидкості нагріву (мільйони градусів в секунду і від) і охолодження. Якщо гарт робиться з тонкого шару розплаву, все одно настільки високі швидкості можуть призвести до утворення лежить на поверхні металу верств аморфного речовини (металевого скла, як у науковій літературі) чи метастабільних нерівноважних структур, які за низьких швидкостях затвердіння розплаву зазвичай отримати вдасться.

З тонкого шару розплаву лежить на поверхні речовини можна робити легування, створюючи в поверхневому шарі вироби тверді розчини з нерівновагової концентрацієюлегирующего речовини, наприклад розчину вольфраму в залозі.

Отже, процеси імпульсної лазерної термообробки виробляються як із відносно невеликихплотностях потоку (104—105Вт/см2), але за великихдлительностях імпульсів, порядку одиниць мілісекунд, і на великихплотностях потоку (108—109Вт/см2), але за малої тривалості імпульсу — 10 нс.

Зварювання виконується буде в діапазоніплотностей потоку 105—106Вт/см2, причому на нижній межі зварювання імпульсним лазером характером перебігу і розмірам зварювального сполуки аналогічна зварюванні, здійснювану джерелами енергії з відносно низькими енергетичними параметрами (електрична дуга тощо. буд.). У районі верхньої межі вдається процес з кинджальнимпроплавлением (званим як за формі перерізу шва), певною мірою аналогічний тому, що відбувається під час використання сфальцьованого електронного променя в вакуумі.

Якщо підвищити щільність потоку вище 106Вт/см2, те в більшості металів маса речовини буде віддалятися із зони впливу випромінювання. У металах (чи інших непрозорих для випромінювання речовинах) формуються отвори, глибина яких залежить від властивостей речовини, товщини пластини, тривалості впливу випромінювання та інших чинників.

Навколишня атмосфера може істотно проводити результат впливу лазерного випромінювання. Якщо обробка відбувається заплотностях потоку, які перевищують 106 >Вт/см2, то вплив на матеріал не супроводжується освітою плазми в навколишньому мішень газі. І тут лежить на поверхні мішені може статися хімічна реакція, істотно яка зраджує властивості поверхні. Такий процес зазвичай називаютьхимико-термической лазерним обробленням. Якщо ж щільність потоку перевершує 107>Вт/см2, то навколишньому мішень газі з'являється згусток плазми. Обробку поверхні мішені за спільної дії лазерного випромінювання та плазмового згустку, освіченого в газі, називаютьлазерно-плазменной.

Процеси термообробки. Основа більшості процесів лазерної термообробки — високі швидкості охолодження, що досягаються при імпульсному дії лазерів. Швидкості охолодження можуть перевищувати 1 мільйон градусів в секунду, що можна досягнути лише обмеженої кількості методів термічного на матеріали.

Лазерна гарт. Локальна гарт дозволяє зменшити деформацію виробів після впливу, скоротити і навіть виключити фінішну обробку поверхонь. Інше перевагу лазерної гарту — можливість обробки деталей складної форми, і навіть зміцнення деталей в важкодоступних місцях.Импульсную лазерну загартування використовують із обробки крайок ріжучого іштампового інструмента. Через війну істотно підвищується зносостійкість штампів — до 2—5 раз.

Для імпульсної лазерної гарту серійно випускається установка «>Квант-16», у якій як активної середовища використовується скло,легированноенеодимом. Її основні енергетичні параметри такі: енергія в імпульсі до 30 Дж, тривалість імпульсу 4—7 див, частота прямування імпульсів 0,5 гц, оптична система дає змогу отримувати розміри плям нагріву до 2—5 мм.

На величину зміцнення та інші параметри лазерної гарту інструментальної стали впливає велика кількість чинників: стан поверхні виробів після механічної чи хімічної обробки, вихідна структура, геометрія і кути заточення ріжучих крайок інструменту та ін.

Зупинимося на використанні лазерів з безупинної генерацією для гарту поверхневого шару матеріалів. Тут є низка особливостей проти загартованістю під час використання впливу імпульсних лазерів. По-перше, глибинаупрочненной зони може бути збільшена завдяки більш тривалого впливу. Можливість відносного переміщення променя лазера і деталі дозволяє думати скоріш про процесах, пов'язаних із скануванням променя поверхнею по заданому закону. "Варіюючи швидкість руху, і характер переміщення, можна домогтися оптимізації режиму обробки Для лазерної гарту безперервним випромінюванням зазвичай використовують ЗІ2-лазери, а деяких випадках — лазери наалюмоиттриевом гранаті (>АИГ). Нагадаємо, що довжина хвилі випромінювання У цих лазерів різна: 10,6мкм — у ЗІ2-лазера, 1,06мкм — уАИГ-лазеров. Застосування ЗІ2-лазерів для зміцнення чавунних деталей у машинобудуванні дозволяє підвищити їх зносостійкість в 5—10 раз. Променем утворюютьупрочненние доріжки шириною 1,5—2,5 мм, у своїй глибина зони гарту 0,25—0,35 мм. Між доріжками розташовується зона відпустки зі зниженою мікротвердістю до 0,5 мм.

Одне з найцікавіших режимів впливу лазерного випромінювання на деталі з чавуну — гарт поверхні з стану, отриманого оплавленням поверхневого шару на глибину до 50мкм, і наступне затвердіння. За такої режимі товщина шару розплаву мала, і рідкий метал не встигає під час затвердіння стягатися в краплі.

>Поверхностное зміцнення чавунних деталей з оплавленням поверхні при дії безперервного лазерного випромінювання можна припустити перспективним технологічним процесом. Воно різко збільшує довговічність виробів, причому якість поверхні опрацьованих деталей порівняно мало погіршується, немаєкоробления, навіть якщо використовувати випромінювання лазерних установок з більшою потужністю (більше однієї кВт), що дозволяє отримувати діаметри плям нагріву понад п'ять мм із достатньою по рівномірності розподілом потужності з радіусу.

На Московському автомобільному заводі використовувався потужнийСО2-лазерЛТ1-2 (потужністю 5 кВт) для зміцнення деталей вантажних автомобілів, зокрема, гільзи циліндрів автомобільного двигунаЗИЛ-130. Щоб розробити технологію лазерного зміцнення гільзи, довелося вивчити вплив енергетичних характеристик лазерної обробки на розміри зон лазерного впливу, і навіть низки технологічних параметрів (швидкості переміщення променя, типу яка поглинає покриття). Порівняльні випробування зносостійкості серійної біметалевої гільзи з чавунуСЧ 24-44 зі вставкою з сплаву «>нирезист» і монолітною гільзи із такого самого чавуну, поверхню якогоупрочнена лазерним випромінюванням, засвідчили їхню мале відмінність. Простіша технологію виготовлення серійних гільз, яка використовує лазерне зміцнення, дозволяє заощадити щороку близько 1100 т дефіцитного сплаву, що містить 16% нікелю.

Інша важлива у практичному відношенні робота з лазерного зміцнення голівки блоку циліндрів з ливарного алюмінієвого сплаву також виконано на ЗІЛі. У процесі використовувався лазерЛТ1-2. При потужності 1 — 5 кВт діаметр світлового плями лежить на поверхні металу становив 3 — 8 мм, а швидкість руху променя 0,5 — 4см/с.Плавление поверхневого шару металу і наступне затвердіння розплаву дуже швидко охолодження, дозволяють отриматимелкодисперсную структуру сплаву з розміром зерен 5 — 8мкм, що у

Схожі реферати:

Навігація