Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор развития импульсных ЛПМ и ЛСПМ и их возможности для микрообработки материалов 22
1.1. Обзор развития импульсных ЛПМ и ЛСПМ 22
1.1.1. Открытие, первые отечественные исследования и pазpаботки ЛПМ 22
1.1.2. Развитие ЛПМ и ЛСПМ в зарубежных странах 36
1.1.3. Развитие ЛПМ в ФГУП «НПП «Исток» 44
1.2. Возможности импульсных ЛПМ и ЛСПМ для микрообработки материалов 53
1.2.1. Состояние современного лазерного технологического оборудования для обработки материалов и место в нем импульсного ЛПМ 53
1.2.2. Анализ возможностей импульсного ЛПМ для микрообработки металлических и неметаллических материалов 55
1.2.3. Технологическая установка МР200Х фирмы «Охford Lasers» для микрообработки 63
1.2.4. Основные результаты первых отечественных исследований по микрообработке на ЛСПМ «Карелия», технологических установках ЭМ-5029 и ЭЛТУ «Каравелла» 65 Выводы и результаты по главе 1 77
ГЛАВА 2. Разработка и исследование нового поколения высокоэффективных и долговечных промышленных отпаянных АЭ
2.1. Разработка и исследование нового поколения высокоэффективных и долговечных промышленных отпаянных АЭ импульсного ЛПМ средней мощностью излучения 1-100 Вт со стабильными параметрами з
2.1.1. Анализ базовой и первых саморазогревных конструкций АЭ импульсного ЛПМ и выбор направлений развития нового поколения промышленных отпаянных АЭ 84
2.1.2. Внешний вид, габаритные размеры и масса нового поколения промышленных отпаянных АЭ импульсного ЛПМ серии «Кулон» мощностью излучения 1-20 Вт и «Кристалл» мощностью 30-100 Вт 91
2.1.3. Конструкция, технология изготовления и тренировки и основные параметры нового поколения промышленных отпаянных саморазогревных АЭ ЛПМ серии «Кулон» мощностью 1-20 Вт и серии «Кристалл» мощностью 30-100 Вт 94
2.2. Исследование и разработка высокоселективных оптических систем по формированию в ЛПМ и ЛСПМ однопучкового излучения дифракционного качества и со стабильными
параметрами 166
2.2.1. Отличительные свойства и особенности формирования излучения в импульсном ЛПМ 167
2.2.2. Экспериментальные установки и методики исследований 169
2.2.3. Структура и характеристики излучения ЛПМ в однозеркальном режиме. Условия формирования однопучкового излучения с высоким качеством 174
2.2.4. Структура и характеристики излучения ЛПМ в режиме с НР с двумя выпуклыми зеркалами. Условия формирования однопучкового излучения с дифракционной расходимостью и стабильными параметрами 185
2.2.5. Структура и характеристики излучения ЛПМ в режиме с телескопическим НР. Условия формирования и выделения пучка излучения с дифракционной расходимостью 194
2.3. Исследования по повышению мощности в ЛСПМ и свойств активной среды ЛПМ 201
2.3.1. Исследование условий формирования в ЛСПМ типа ЗГ – УМ мощного однопучкового излучения с дифракционной расходимостью 201
2.3.2. Исследование свойств АС импульсного ЛПМ с применением ЛСПМ 225 Выводы и результаты по главе 2 227
ГЛАВА 3. Разработка промышленных технологических ЛПМ и ЛСПМ на базе нового поколения отпаянных АЭ и новых оптических систем 238
3.1. Первое поколение промышленных ЛПМ 238
3.1.1. Промышленный ЛПМ «Криостат» 238
3.1.2. Первый мощный промышленный ЛПМ «Курс» 240
3.2. Новое поколение промышленных ЛПМ серии «Кулон» 250
3.2.1. Промышленные ЛПМ «Кулон-01», ЛПЗ «Кулон 02», ЛПМЗ «Кулон 03» и ЛПМ «Кулон 04» 251
3.2.2. Промышленные ЛПМ «Кулон 05» и «Кулон 06» с высокоскоростной импульсной модуляцией 260
3.3. Двухканальная ЛСПМ «Карелия» с высоким качеством излучения 267
3.4. Двухканальная ламповая ЛСПМ «Кулон-15» 281
3.5. Трехканальная ЛСПМ «Карелия-М»
3.6. Мощные ЛСПМ Выводы и результаты по главе 3 288
ГЛАВА 4. Создание современного технологического оборудования типа АЛТУ «Каравелла» для прецизионной микрообработки материалов ИЭТ 290
4.1. Требования к импульсному ЛПМ и ЛСПМ для применения в современном технологическом оборудовании 290
4.2. Промышленные АЛТУ «Каравелла-1» и «Каравелла-1М» на базе ЛСПМ 4.2.1. Состав, конструкция и принцип действия .
4.2.2. Принцип построения и структура СДУ 4.2.3. Основные технические параметры и характеристики Стр.
4.3. Промышленные АЛТУ «Каравелла-2» и «Каравелла-2М» на базе ЛПМ 314
4.3. 1. Основы создания промышленных АЛТУ «Каравелла-2» и «Каравелла-2М» 314
4.3. 2. Состав, конструкция и принцип действия АЛТУ 315
4.3. 3. Основные технические параметры и характеристики 320
Выводы и результаты по главе 4 325
ГЛАВА 5. Разработка технологии прецизионной микрообработки фольговых и тонколистовых материалов ИЭТ на созданном технологическом оборудовании АЛТУ «Каравелла» 328
5.1. Пороговые плотности пиковой и средней мощности излучения ЛПМ для испарения теплопроводных и тугоплавких материалов, кремния и поликристаллического алмаза 328
5.2. Влияние толщины материала на скорость и качество лазерной микрообработки 332
5.3. Разработка технологии химической очистки металлических прецизионных деталей от шлака и грата после лазерной микрообработки 335
5.4. Исследование качества поверхности лазерного реза и структуры ЗТВ 340
5.5. Разработка технологии микрообработки при производстве многослойных керамических плат LTCC для изделий СВЧ электроники 348
Выводы и результаты по главе 5 354
ГЛАВА 6. Применение промышленного технологического оборудования: АЛТУ «Каравелла-1», «Каравелла-1М», «Каравелла 2» и «Каравелла-2М для изготовления прецизионных деталей ИЭТ ... 356 Стр.
6.1. Возможности применения АЛТУ «Каравелла» для изготовления прецизионных деталей 356
6.2. Примеры изготовления прецизионных деталей для ИЭТ на АЛТУ «Каравелла» 359
6.3. Преимущества лазерного способа микрообработки материалов на АЛТУ «Каравелла» перед традиционными методами обработки 370
6.4. Перспективные направления технологического применения АЛТУ «Каравелла» 371
Выводы и результаты по главе 6 376
Основные выводы и результаты 377
Список основных сокращений и обозначений 380
Список литературы 3
- Возможности импульсных ЛПМ и ЛСПМ для микрообработки материалов
- Анализ базовой и первых саморазогревных конструкций АЭ импульсного ЛПМ и выбор направлений развития нового поколения промышленных отпаянных АЭ
- Двухканальная ЛСПМ «Карелия» с высоким качеством излучения
- Разработка технологии химической очистки металлических прецизионных деталей от шлака и грата после лазерной микрообработки
Введение к работе
Актуальность работы. Развитие мирового рынка промышленных лазеров показывает, что объём выпуска лазерных источников излучения для создания современного технологического оборудования за последние годы непрерывно возрастает. Применение технологического оборудования чрезвычайно разнообразно: размерная обработка, раскрой материалов, сварка, поверхностная обработка, легирование и наплавка, маркировка и гравировка. Особое место занимают лазерные технологии для прецизионной микрообработки, микросверления, микросварки и маркировки изделий электронной техники (ИЭТ). В качестве источников излучения для этих целей могут эффективно использоваться и уже используются короткоимпульсные, высокочастотные, с малой энергией в импульсе и малым коэффициентом отражения лазеры видимого и ультрафиолетового спектра излучения: твердотельные, эксимерные и, в частности, лазеры на парах меди (ЛПМ).
ЛПМ и создаваемые на его основе мощные лазерные системы на парах меди (ЛСПМ) с длинами волн излучения = 510,6 и 578,2 нм, по сравнению с другими лазерами, остаются на сегодня самыми мощными с наносекундной длительностью импульсными источниками когерентного излучения в видимой области спектра. Они обладают большим усилением активной среды – k = 101-102 Дб/м и короткой длительностью импульсов – имп. = 20-40 нс, высокими частотой повторения импульсов (ЧПИ) – f = 5-30 кГц и съёмом мощности с одного активного элемента (АЭ) – Р = 1-100 (750) Вт при КПД 0,5-2%, но относительно низкой энергией в импульсе – W = 0,1-10 мДж и дифракционным качеством пучка – = (1-2)дифр., При этих параметрах плотность пиковой мощности в пятне сфокусированного излучения (d = 5-20 мкм), даже при относительно малых значениях средней мощности (Ризл = 1-10 Вт), достигает очень высоких значений – = 109-1012 Вт/см2, достаточных для эффективной микрообработки металлических материалов и большого круга диэлектриков и полупроводников для ИЭТ. Внедрение технологии прецизионной микрообработки излучением ЛПМ в производство ИЭТ позволяет сократить цикл подготовки производства, на порядок и более увеличить производительность по сравнению с традиционными способами обработки, исключить механическое давление инструмента и термическое воздействие, как при электроискровой обработке, повысить качество и ресурс выпускаемой продукции.
Для реализации лазерной технологии по микрообработке и микросверлению материалов и других современных технологий требуются ЛПМ и ЛСПМ с высокой надежностью, эффективностью, качеством и стабильностью параметров выходного излучения. Поэтому исследования, направленные на создание промышленных ЛПМ и ЛСПМ с высоким качеством излучения и на их основе современного технологического оборудования являются актуальными.
Целью данной диссертационной работы является создание современных промышленных, с высокими эффективностью и качеством излучения, ЛПМ и ЛСПМ, работающих в смеси паров меди, неона и водорода, с мощностью излучения 1-100 Вт; и на их основе современного технологического оборудования для прецизионной микрообработки материалов ИЭТ и других применений.
Для достижения поставленной цели необходимо было выполнить следующие задачи.
1. Провести обзор зарубежной и отечественной литературы о состоянии и развитии ЛПМ, работающих в режиме генератора, и мощных ЛСПМ, работающих по эффективной схеме задающий генератор – усилитель мощности (ЗГ – УМ).
2. Сделать анализ конструкции, технологии тренировки и условий возбуждения первого поколения промышленных отпаянных саморазогревных АЭ ЛПМ с рабочей температурой 1500-1600С и причин их низкой надежности, КПД, мощности и качества излучения.
3. Провести экспериментальные исследования по определению путей повышения долговечности, КПД, мощности и стабильности параметров излучения отпаянных саморазогревных АЭ ЛПМ.
4. Разработать и исследовать новое поколение промышленных отпаянных саморазогревных АЭ ЛПМ «Кулон» малого (1-20 Вт) и «Кристалл» среднего (30-55 Вт) уровней мощности излучения с идентичной конструкцией и технологией.
5. Провести оптимизацию по КПД и мощности промышленных АЭ «Кулон» и «Кристалл» ЛПМ от температуры разрядного канала, давления буферного газа неона и водорода, частоты следования и характеристик импульсов тока накачки.
6. Разработать экспериментальные установки и методики измерений для исследований пространственных, временных и энергетических характеристик излучения ЛПМ и ЛСПМ.
7. Провести экспериментальные и теоретические исследования структуры, пространственных, временных и энергетических характеристик выходного излучения ЛПМ в режиме сверхсветимости и генератора с известными типами оптических резонаторов.
8. Создать и исследовать новые оптические системы, обеспечивающие формирование в ЛПМ в режиме генератора однопучкового излучения с дифракционной расходимостью.
9. Провести исследования по повышению КПД, мощности и плотности мощности излучения в ЛСПМ, работающей по схеме ЗГ – пространственный фильтр-коллиматор (ПФК) – УМ.
10. Разработать на базе нового поколения отпаянных АЭ «Кулон» и «Кристалл» и новых оптических систем современные промышленные ЛПМ и ЛСПМ мощностью излучения до 100 Вт с высокими надежностью, эффективностью и качеством излучения.
11. Разработать на базе промышленных ЛПМ и ЛСПМ современные автоматизированные лазерные технологические установки (АЛТУ) для прецизионной микрообработки материалов ИЭТ, в частности, приборов СВЧ-техники и других применений.
Методики исследований. Для экспериментальных исследований использованы стандартные и специально разработанные электрические, оптико-физические, масс-спектральные, химические и микрометрические методы, осуществляемые на созданных экспериментальных стендах с помощью стандартных приборов, устройств и элементов.
Основные эксперименты проводились с использованием собственного производства промышленных отпаянных саморазогревных АЭ ЛПМ с рабочей температурой 1500-1700 С моделей ГЛ-204, ГЛ-206Д и ГЛ-206И с уровнем мощности 5-20 Вт (серия «Кулон») и моделей ГЛ-201, ГЛ-205А, ГЛ-205Б и ГЛ-205В мощностью 30-55 Вт (серия «Кристалл») и экспериментальных АЭ типа ГЛ-201Д, ГЛ-201Д32, «Кристалл LT-75» и «Кристалл LT-100» мощностью 40-100 Вт, неустойчивых резонаторов телескопического типа и с двумя выпуклыми зеркалами и одного выпуклого зеркала. Разогрев и возбуждение АЭ осуществлялись от высоковольтных импульсных ИП с применением в модуляторе тиратронных, ламповых и транзисторных коммутаторов.
Экспериментальные исследования характеристик высоковольтных импульсов накачки АЭ: импульсов напряжения и тока разряда производились с помощью калиброванных делителя напряжения и трансформатора тока и осциллографов типа С1-75 и цифрового GDS-840S, температуры разрядного канала – оптического пирометра «Проминь», давления газов неона и водорода – манометра ЭКВМ-1У и U-образного калиброванного манометра, энергетических, пространственных и временных характеристик выходного излучения – датчика мощности лазерного излучения ТИ-3 с подключенным к нему милливольтметром М136, фотоэлемента типа ФЭК-14К с наносекундным разрешением и осциллографа GDS-840S, частотомера Ч3-34А, запоминающего осциллографа С7-8А, анализатора пучка излучения Beam Star-FX, фокусирующих зеркал и линз, поворотных зеркал, светоделительных пластин и ослабителей мощности. Исследования изменения состава активного вещества меди в отпаянном АЭ после длительных испытаний проводились методом химического анализа и с помощью масс спектрометров типа МС-7201М и МИ-1201. Анализ качества микрообработки материалов импульсным излучением проводился с помощью современных микроскопов: измерительного VMM-200 и проекционного PV-5100. Теоретические исследования физических процессов формирования пространственно-временной структуры импульсного излучения ЛПМ основывались на законах геометрической оптики.
Научная новизна работы заключается в следующих положениях:
1. Максимальные КПД, мощность и долговечность, стабильность мощности и стабильность оси диаграммы направленности пучка излучения и устранение паразитной связи с активной средой в промышленных отпаянных саморазогревных АЭ импульсного ЛПМ обеспечиваются за счет:
– выполнения керамического разрядного канала с глухими пазами, в каждом из которых устанавливается генератор паров меди в виде молибденовой подложки с отверстиями, смачиваемой активным веществом – расплавленной медью, и перфорированными концевыми трубками;
– разработанной технологии восстановления чистоты поверхности генераторов паров меди в атмосфере водорода с неоном при Траб = 1600 С после полного обезгаживания АЭ при Т = 1700 С длительностью 30…60 ч;
– создания безнакального автотермоэмиссионного металлопористого вольфрам-бариевого (W-Ba) катода кольцевой конструкции с кольцевой проточкой на внутренней поверхности;
– применения выходных просветленных окон с углом наклона к оптической оси АЭ, не превышающем значений
где a = Dк/lк (Dк – диаметр и lк – длина разрядного канала), b = Dк/lок (lок – расстояние от торца разрядного канала до окна вдоль оптической оси.
2. В импульсном ЛПМ в режиме отдельного генератора при оптических режимах с одним выпуклым зеркалом, резонатором с двумя выпуклыми зеркалами и телескопическим резонатором, формируются пучки с дифракционной и близкой к ней расходимостью, когда в пятне сфокусированного излучения диаметром 5-20 мкм достигаются плотности пиковой мощности 109-1012 Вт/см2, достаточные для эффективной микрообработки металлических материалов.
3. В импульсном ЛПМ в режиме отдельного генератора формирование однопучкового излучения с дифракционной расходимостью возможно только с резонатором с двумя выпуклыми зеркалами при выполнении следующих условий:
R1(гл) < l/(101…102),
R2(вых) > R1(гл),
где l1 и l2 – расстояния от зеркал до разрядного канала, lк – длина разрядного канала, инв – время существования инверсии населенностей, с – скорость света, R1(гл) и R2(вых) – радиусы кривизны глухого и выходного зеркал резонатора.
4. Максимальные КПД, мощность излучения и плотность пиковой мощности (1013-1014 Вт/см2) в лазерной системе на парах меди (ЛСПМ), работающей по схеме задающий генератор – пространственный фильтр-коллиматор – усилитель мощности (ЗГ – ПФК –УМ), достигаются за счет:
– выделения из выходного излучения ЗГ дифракционной составляющей;
– пространственного согласования выделенного дифракционного пучка с апертурой разрядного канала УМ;
– обеспечения уровня плотности мощности излучения на входе УМ не менее 0,2…0,3 Вт/см2;
– синхронизации (совмещения) во времени световых сигналов ЗГ и УМ с точностью не хуже ±2 нс;
– достижения стабильности положения оси диаграммы направленности пучка излучения дифр/10.
5. Активная среда ЛПМ в отношении к собственному излучению имеет четыре, последовательно идущие друг за другом и повторяющиеся от импульса к импульсу, характерные временные зоны: слабого поглощения ( = 30…50 нс), усиления ( = 20…40 нс), полного поглощения ( > 1000 нс) и максимальной прозрачности ( > 1000 нс). Знание этих свойств активной среды позволило создать методы и устройства оперативного управления мощностью излучения в современных ЛПМ, ЛСПМ и на их базе в автоматизированных лазерных технологических установках (АЛТУ) «Каравелла» для прецизионной микрообработки материалов.
Новизна технических решений подтверждена 12 патентами РФ и 1 авторским свидетельством СССР.
Практическая значимость работы. Результаты работы были использованы при разработке, исследовании и производстве промышленных отпаянных саморазогревных АЭ на парах меди, оптических резонаторов и систем, коммерческих импульсных ЛПМ и ЛСПМ, технологического и медицинского оборудования на их основе:
АЭ на парах меди первого поколения моделей «Криостат-1» (ГЛ-202 – по ТУ), «Кристалл-1» (ГЛ-201), «Квант» (УЛ-102) и «Кулон» (ГЛ-204);
Двухканального излучателя «Карелия-1» (ИЛГИ-201) и на его основе ЛСПМ «Карелия»;
Технологической установки «ЭМ-5029» на базе ЛСПМ «Карелия» для скоростного изготовления фотошаблонов;
Экспериментальной технологической установки ЭЛТУ «Каравелла» на базе ЛСПМ «Карелия» для исследований по обработке материалов ИЭТ;
Излучателя «Клен» (ИЛГИ-202) с АЭ ГЛ-201 и на его основе ЛПМ «Курс» (ЛГИ-202) (пат. № 1813307);
Медицинских установок первого поколения «Янтарь-2Ф» и «Янтарь-2 » на базе ЛПМ «Курс» для применения в ангиопластике, дерматологии и косметологии, оториноларингологии, гинекологии, проктологии, урологии;
Нового поколения АЭ на парах меди малого уровня мощности (1-20 Вт) серии «Кулон» – ГЛ-206А, ГЛ-206Б, ГЛ-206В, ГЛ- 206Г, ГЛ-206 Д и ГЛ-206И, на парах золота (0,5-1,5 Вт) – ГЛ-206Е и ГЛ-206Ж (пат. № 20617, №2191452);
Нового поколения АЭ на парах меди среднего уровня мощности (30-55 Вт) серии «Кристалл» – ГЛ-205А, ГЛ-205Б и ГЛ-205В, на парах золота – ГЛ-205Г (пат. № 20617, № 2191452, № 30468, и № 35177);
Экспериментальных АЭ на парах меди повышенного уровня мощности (50-100 Вт)– ГЛ-201Д, ГЛ-201Д32, «Кристалл LT-75» и «Кристалл LT-100»;
Разных типов устойчивых и неустойчивых резонаторов и на их основе оптических систем для формирования качественных пучков излучения (А.с. № 1438549, пат. № 44004 № 1565320 и № 2432652);
Коммерческих ЛПМ и ЛПЗ серии «Кулон» на основе нового поколения АЭ ГЛ-206 в ООО «НПП «ВЭЛИТ», г. Истра МО (пат. № 2226022 и № 2251179);
Мощных ЛСПМ типа ЗГ – УМ на основе нового поколения АЭ ГЛ-205А, ГЛ-205Б и ГЛ-205В для разделения изотопов в РНЦ «Курчатовский институт» (Москва), Институте физики полупроводников (г. Новосибирск), ООО «Медицинские стерилизационные системы» (г. Одинцово МО) (пат. № 2264011)
Многофункциональных лазерных медицинских установок типа «Яхрома-Мед» и «Кулон-Мед» для научной и практической медицины в области онкологии, лазерной низкоинтенсивной терапии и хирургии, дерматологии и косметологии в Физическом институте им П.Н. Лебедева РАН (Москва) и ООО «НПП «ВЭЛИТ» (г. Истра МО);
Автоматизированных лазерных технологических установках (АЛТУ) «Каравелла-1» и «Каравелла-1М» для прецизионной микрообработки материалов толщиной 0,05-1 мм для ИЭТ, в частности, ЭВП СВЧ-техники и точного приборостроения (пат. № 2264011);
Автоматизированных лазерных технологических установках (АЛТУ) «Каравелла-2» и «Каравелла-2М» для прецизионной микрообработки материалов толщиной 0,02-0,3 мм для ИЭТ, в частности, ЭВП СВЧ-техники и точного приборостроения (пат. № 2251179).
Общий объем выпуска промышленных отпаянных АЭ импульсного ЛПМ серии «Кулон» и «Кристалл» составил около 1200 шт., импульсных ЛПМ «Курс» и «Кулон» – 30 шт., ЛСПМ «Карелия» – 15 шт., медицинской аппаратуры типа «Янтарь-2Ф», «Яхрома-2» и «Яхрома-Мед» – более 100 шт., технологических установок «Каравелла» – 7 шт.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы и отдельные её положения доложены и обсуждены на всероссийских и международных научно-технических конференциях, семинарах и симпозиумах:
Семинарах и симпозиумах «Лазеры на парах металлов и их применение» (г. Ростов-на-Дону, 1991 г., 1993 г., 1996 г., 1998 г., 2000 г., 2002 г., 2004 г., 2006 г., 2008 г., 2010 г.);
Международной конференции «Физпром-96» (г. Звенигород, 1996 г.);
2-7, 9, 10, 12, 14-ой Международных научных конференциях «Физико-химические процессы при селекции атомов и молекул» (г. Звенигород, 1997-2002 гг., 2004 г., 2008 г., 2010 г.);
VIII, XII , XIV-XIX, XXII-ой Международных научно-технических конференциях «Лазеры в науке, технике, медицине» (г. Пушкинские Горы-1997 г., Сочи - 2001 г., Адлер-2003-2008 гг., Геленджик-2011 г., Туапсе-2013 г.);
III Международной конференции «Импульсные лазеры на переходах атомов и молекул» (г. Томск, 1997 г.);
Международной конференции «Комбинационное рассеяние – 70 лет исследований» (Москва, 1998 г.);
The International conference «Lasers’98» (Tucson, Arizona, 1998 г.), «Lasers’99» (Quebec, Canada, 1999 г.), «Lasers’2000» (Albuquerque, New Mexico, 2000 г.);
Научно-техническом семинаре ЛАС «Лазерные технологии и технологическое оборудование» (Москва, 1999 г.);
The International conference «Atomic and molecular pulsed lasers» (Tomsk, 1999 г., 2003 г., 2010 г.);
Международной конференции по люминесценции (Москва, 2001 г.);
Международной конференции «Перспективные направления лазерной медицины» (Москва, 1992 г.);
Международной научно-практической конференции «Лазерная медицина» (Москва 2004 г.);
VIII симпозиуме «Электротехника 2010» (Москва, 2005 г.);
Technical Digest ICONO (Minsk, Belarus, 2007 г.);
Международной научно-технической конференции «Инновационные технологии в науке, технике и образовании» (г. Кемер, Турция, 2008 г., г. Таба, Египет, 2009 г.);
Молодежной школе-конференции с международным участием «Лазеры и лазерные технологии» (г. Томск, 2010 г.);
Международной оптической выставке «OVC Expo'2006» и «OVC Expo'2011» (г. Ухань, Китай, 2011 г.);
Научно-технических конференциях и семинарах по «СВЧ-электронике» ФГУП «НПП «Исток» (г. Фрязино, 2005-2013 гг.);
Сессии-симпозиуме «Московский межотраслевой альянс главных сварщиков и главных специалистов по резке и металлообработке» (Москва, 2013 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 130 научных работ, в том числе 1 монография, 27 статей в ведущих рецензируемых журналах по перечню ВАК РФ, 4 статьи в журнале SPIE. Получено 12 патентов РФ и 1 авторское свидетельство СССР.
Структура и объем диссертации
Возможности импульсных ЛПМ и ЛСПМ для микрообработки материалов
Во вторых, в передовых зарубежных странах (США, Англия, Франция, Япония) основные усилия были направлены на исследования и pазpаботку высокомощных ЛСПМ типа ЗГ – УМ в обеспечении пpогpамм лазерного разделения изотопов по AVLIS технологии для нужд ядерной энергетики [15, 20, 22, 23]. Таким образом, pазpаботки наиболее популярных коммерческих ЛПМ, к которым относятся лазеры малого (1-20 Вт) и среднего (30-100 Вт) уровней мощности, оставались как бы в стороне. В-третьих, за последние 10-15 лет лазерный рынок был представлен относительно большим количеством ЛПМ и его разновидностей с низким уровнем надежности и качества излучения, что снизило пользовательский спрос на данный тип лазера. Тем не менее, сегодня можно выделить несколько организаций и фирм, которые продолжают работы по усовершенствованию старых и созданию новых коммерческих моделей ЛПМ и ЛСПМ и на их основе современного технологического оборудования для микрообработки материалов и разделению изотопов, а также медицинских установок и другой аппаратуры. К ним, в первую очередь, относятся ОАО «НПП «Исток» им. Шокина» (г. Фрязино МО) совместно с ООО «НПП «ВЭЛИТ» (г. Истра МО) и ЗАО «Чистые технологии» (г. Ижевск) при научной поддержке Физического института им П.Н. Лебедева РАН, Oxford Lasers (Англия), университет Маккуари (Австралия) и «Pulse Light» (Болгария). По мощным ЛСПМ, предназначенных для технологии разделения изотопов, лидируют Ливерморская национальная лаборатория им. Лоуренса (США), где средняя мощность доведена до 72 кВт и РНЦ «Курчатовский институт». Исследования продолжаются в Институте общей физики РАН им. А.Н. Прохорова (Москва), ТГУ и Институте оптики и атмосферы СО РАН (г. Томск), Институте физики полупроводников (г. Новосибирск), ООО «НПО «Мехатрон», Санкт-Петербургском государственном Политехническом Университете, Санкт-Петербургском национальном исследовательском университете информационных технологий, механики и оптики, МГТУ им. Н.Э. Баумана и Объединенном институте высоких температур РАН (Москва) [15, 16, 20, 33, 34, 41, 42, 52, 53, 70-72].
Для реализации преимуществ импульсного излучения ЛПМ в технологии по прецизионной микрообработке материалов и других современных технологий необходимо создание нового поколения высокоэффективных промышленных ЛПМ и ЛСПМ. Внедрение технологии лазерной микрообработки в производство ИЭТ позволяет, по сравнению с традиционными способами обработки, включая электроэрозионную обработку (ЭЭО), сократить цикл подготовки производства, на порядок и более увеличить производительность, исключить механическое давление инструмента и термическое воздействие, повысить качество и ресурс выпускаемой продукции.
Поэтому исследования, направленные на создание современных промышленных ЛПМ и ЛСПМ с высоким качеством излучения и на их основе технологического оборудования и технологий прецизионной микрообработки являются актуальными. Целью диссертационной работы является создание современных промышленных, с высокими эффективностью, надежностью и качеством излучения импульсных ЛПМ и ЛСПМ со средней мощностью излучения 1-100 Вт; и на их основе технологического оборудования и технологий прецизионной микрообработки материалов ИЭТ.
Для достижения поставленной цели необходимо было выполнить следующие задачи.
1. Провести обзор зарубежной и отечественной литературы о состоянии и развитии ЛПМ, работающих в режиме отдельного генератора, и мощных ЛСПМ, работающих по эффективной схеме ЗГ – УМ, и создаваемого на их основе технологического оборудования для микрообработки материалов ИЭТ.
2. Разработать и исследовать новое поколение высокоэффективных, долговечных и со стабильными параметрами промышленных отпаянных лазерных АЭ на парах меди со средней мощностью излучения 1-100 Вт. Провести оптимизацию АЭ по мощности излучения и КПД от потребляемой мощности, давления буферного газа и добавок водорода, ЧПИ и характеристик импульсов тока накачки.
3. Создать и исследовать высокоэффективные и надежные схемы исполнения высоковольтного модулятора ИП с наносекундной длительностью импульсов накачки.
4. Исследовать и разработать высокоселективные оптические резонаторы и системы по формированию в ЛПМ и мощных ЛСПМ однопучкового излучения дифракционного качества и со стабильными параметрами для достижения высоких пиковых плотностей мощности (109-1012 Вт/см2).
5. Исследовать свойства АС ЛПМ и разработать на их основе методы и устройства для оперативного управления мощностью и ЧПИ излучения.
6. Разработать на базе нового поколения отпаянных АЭ, новых высокоселективных оптических систем, электрических схем и методов управления параметрами излучения промышленные технологические ЛПМ и ЛСПМ мощностью излучения 1-100 Вт с высокими надежностью, эффективностью и качеством излучения.
7. Создать современное автоматизированное лазерное технологическое оборудование (АЛТУ) типа «Каравелла» на базе промышленных ЛПМ и ЛСПМ и современных прецизионных трехкоординатных столов XYZ для производительной и качественной прецизионной лазерной микрообработки материалов.
8. Определить оптимальные плотности пиковой и средней мощностей излучения ЛПМ для эффективной микрообработки фольговых (0,01-0,2 мм) и тонколистовых (0,2-1 мм) материалов. Исследовать зависимости скорости обработки от толщины материала. 9. Разработать методы химической обработки для очистки зоны лазерного реза от шла ков и грата для высокотеплопроводных и тугоплавких металлов, сплавов и других материалов, широко применяемых в ИЭТ.
10. Исследовать качество поверхности лазерного реза и структуру зоны термического воздействия для тугоплавких и высокотеплопроводных материалов от параметров обработки: скорости, числа проходов и мощности излучения.
11. Показать на конкретных примерах преимущества лазерной микрообработки на АЛТУ «Каравелла» перед традиционными способами изготовления прецизионных деталей ИЭТ.
Методики исследований. Для экспериментальных исследований использованы стандартные и специально разработанные электрические, оптико-физические, химические, масс-спектральные методы и методы оптической и электронной микроскопии, осуществляемые на созданных экспериментальных стендах с помощью стандартных приборов, устройств и элементов.
Основные эксперименты проводились с использованием собственного производства промышленных отпаянных саморазогревных АЭ импульсного ЛПМ с рабочей температурой 1500-1700 С моделей ГЛ-204, ГЛ-206Д и ГЛ-206И с уровнем мощности 5-20 Вт (серия «Кулон») и моделей ГЛ-201, ГЛ-205А, ГЛ-205Б и ГЛ-205В мощностью 30-55 Вт (серия «Кристалл») и экспериментальных АЭ типа ГЛ-201Д, ГЛ-201Д32, «Кристалл LT-75» и «Кристалл LT-100» мощностью 40-100 Вт, неустойчивых оптических резонаторов. Разогрев и возбуждение АЭ осуществлялись от высоковольтных импульсных ИП с применением тиратронных, ламповых и транзисторных коммутаторов.
Экспериментальные исследования характеристик высоковольтных импульсов накачки АЭ: импульсов напряжения и тока разряда производились с помощью калиброванных делителя напряжения и трансформатора тока и осциллографов типа С1-75 и цифрового GDS-840S, температуры разрядного канала – оптического пирометра «Проминь», давления газов неона и водорода – манометра ЭКВМ-1У и U-образным калиброванного манометра, энергетических, пространственных и временных характеристик выходного излучения – датчика мощности лазерного излучения ТИ-3 с подключенным к нему милливольтметром М136, фотоэлемента типа ФЭК-14К с наносекундным разрешением и осциллографа GDS-840S, частотомера Ч3-34А, запоминающего осциллографа С7-8А, анализатора пучка излучения Beam Star-FX, фокусирующих зеркал и линз, поворотных зеркал светоделительных пластин и ослабителей мощности. Исследования изменения состава активного вещества меди в отпаянном АЭ после длительных испытаний проводились методом химического анализа и с помощью масс спектрометров типа МС-7201М и МИ-1201.
Анализ базовой и первых саморазогревных конструкций АЭ импульсного ЛПМ и выбор направлений развития нового поколения промышленных отпаянных АЭ
Другими существенными недостатками ЭЛТУ «Каравелла» являются, во-первых, то, что источники питания ИП-18 не обеспечивают автоматический режим работы ЛСПМ и требуется непрерывная ручная подстройка потребляемой мощности и синхронизации каналов и, во-вторых, низкая точность позиционирования по каждой оси трехкоординатного стола XYZ, что ограничивает возможности изготовления прецизионных деталей. К недостатку ЭЛТУ можно отнести и относительно большое время выхода на рабочий режим ЛСПМ, что связано с разогревом разрядного канала теплоемких АЭ «Кристалл» ГЛ-201 до 1600 С. Время готовности АЭ можно незначительно уменьшить за счет форсированного режима разогрева. Время выхода на номинальный уровень по мощности излучения всегда меньше времени установления положения оси диаграммы направленности пучка излучения. Последнее связано с более длительным установлением стационарного теплового режима во всей (массивной) установке
В ЭЛТУ «Каравелла» характеристиками выходного двухпучкового излучения можно в определенных пределах управлять за счет рассинхронизации импульсов излучения ЗГ относительно импульсов УМ. В случае опережения сигнала ЗГ преимущественное усиление получает дифракционный пучок, а мощность в пучке с большей расходимостью (0,15 мрад) становится минимальной. Но полностью избавиться от влияния пучка с = 0,15 мрад за счет рас-синхронизации не удается, так как пучки частично перекрываются во времени. Эту проблему можно решить либо за счет подавления интенсивности пучка с большей расходимостью методом пространственной селекции (что оказалось невозможным в ЭЛТУ из-за нестабильностей оси диаграммы направленности дифракционного пучка, соизмеримых с его расходимостью), либо применением нового резонатора, позволяющего сформировать однопучковое излучение с дифракционной расходимостью и со стабильными параметрами. Пути решения этой проблемы показаны в главе 2 настоящей работы.
Основные результаты и выводы по обработке материалов. За период эксплуатации ЭЛТУ «Каравелла» проведен большой объем исследований по контурной резке и сверлению методом прямой прошивки различных материалов. Было изготовлено большое количество экспериментальных деталей, применяемых в приборах СВЧ-техники и других ИЭТ. Но из-за низких качества лазерного излучения (как было показано выше) и точности перемещения координатных столовХYZ эти детали обычно не соответствовали заданным допускам, шероховатости и ЗТВ, поэтому в конкретных приборах они не использовались. Зато были показаны перспективные возможности использования излучения ЛПМ с наносекундной длительностью импульсов для производительной микрообработки большого круга как металлических, так и неметаллических материалов. Основные результаты исследований опубликованы в работах [16, 26, 33, 190, 242-251, 271, 312].
Средняя скорость сверления тонких ( 0,6 мм) металлических пластин составила 2,5-3,0 мм/с, для более толстых (1-2 мм) – 0,2-0,25 мм/с. При этом коэффициент формы канала с ростом глубины отверстия возрастает практически линейно и достигает значений 30-100. На скорость обработки существенно влияют плотность пиковой мощности в сфокусированном пятне и ЧПИ. Но из-за малой величины энергии в импульсе зависимость от толщины материала является наиболее весомой и однозначной. Снижение производительности при росте толщины связано с диафрагмированием пучка на формирующемся отверстии, что подтверждается сходным видом зависимости доли мощности, прошедшей через отверстие, от толщины [33, 250].
На рис. 1.7 представлены изображения металлических пластин в процессе формирования в них отверстий, которые свидетельствуют о преимущественно испарительном механизме удаления материала. а б в
Рис. 1.7. Процесс формирования отверстий в металле под действием сфокусированного излучения ЛПМ с телескопическим НР с увеличением М = 180 при уровне средней мощности 20 Вт и длительности импульсов излучения по полувысоте тимп = 20нс (f = 10 кГц): воздействие единичных импульсов (а), воздействие в течение t = 0,2 с - 200 имп. (б) и t 2 с - 20000 имп. (б)
Как видно из рис. 1.7 размеры пятен на поверхности металлической пластины (а) и отверстий в ней (б и в), сформированных под воздействием сфокусированного излучения, не со-ответсвуют его расходимости. При максимальной расходимости в = 0,15 мрад (Рис. 1.6,а) и фокусном расстоянии объектива 7 =100 мм диаметр сфокусированного пятна должен составлять 15... 20 мкм, а реально полученные размеры пятен и отверстий составили 70…100 мкм. Пятна и отверстия имеют неровные края и некруглую форму, расплав металла по периметру отверстий. Такая картина на входе отверстий обусловлена, во-первых, нестабильностью положения осей диаграммы направленности пучков, соизмеримой с их расходимостью, и, во-вторых, неравномерным распределением интенсивности в сфокусированном пятне (перетяжке).
Все эксперименты проводились в обычных условиях в атмосфере воздуха. На эффективность процесса обработки в определенной степени оказывает влияние и поддув активных технологических газов. В ЭЛТУ «Каравелла» в основном использовались кислород и воздух, подаваемые в зону обработки через аксиальное сопло диаметром 0,8-1,0 мм. Применение активного газа, интенсифицирующего процессы разрушения, оказывается наиболее выгодным в случае, когда качество поверхности реза обрабатываемой детали на этом этапе не имеет существенного значения: например, если в дальнейшем предусмотрены операции химической травления или электроискровой доводки этих деталей. Так например, скорость сверления пластины из углеродистой стали Ст.10 толщиной 0,6 мм оказалась максимальной при поддуве воздуха.
При лазерной обработки тонких металлических пластин на ЭЛТУ средняя ширина сквозного реза обычно составляла 30-50 мкм на всей длине образца, что в 5-10 раз меньше предельных возможностей излучения ЛПМ. Одной из особенностей резки импульсным излучением является появление эффекта канализации. Этот эффект выражается в увлечении дифракционного пучка (имеющего максимальную плотность мощности) в сформированный предыдущими импульсами канал посредством переотражения от его стенки. Формирование нового канала начинается после смещения всего дифракционного пучка за контуры предыдущего. Этот процесс канализации и нестабильности диаграммы направленности пучка определяют предельную шероховатость стенки реза, которая может стабилизироваться при многопроходной обработке. При этом шероховатость обычно составляла 4…6 мкм, что можно считать для данной установки вполне удовлетворительным значением. И следует ожидать, что при получении в ЛПМ од-нопучкового излучения дифракционного качества со стабильными параметрами и применении современных прецизионных координатных столов XYZ точность и шероховатость обработки может быть уменьшена на порядок - 1 мкм.
Особую проблему в производстве ИЭТ при традиционные способах обработки представляет сокращение сроков подготовки и выпуска единичных, малых и средних партий деталей из молибдена, меди, вольфрама, алюминия, серебра и т. д. Расширение номенклатуры сложных деталей приводит к тому, что используемые для их изготовления традиционные способы ЭЭО и микроштамповки становятся неэффективными, а в ряде случаев – неприемлемыми, так как требуют дополнительных затрат времени и труда. Как покали эксперименты на ЭЛТУ «Каравелла», прецизионная микрообработка тонких металлических деталей лазерным излучением более оперативна и является перспективным, так как не требует изготовления специального инструмента и оснастки, а этап технологической подготовки состоит в основном в составлении и отладке управляющей программы. Пример количественного сопоставления характерных затрат времени и труда (в нормо-часах) на изготовление одних и тех же типов деталей с применением лазерного метода обработки и других методов представлен в табл. 4. Лазерная обработка производительнее других (включая и ЭЭО) более чем на порядок [16, 101].
Предварительные исследования на ЭЛТУ «Каравелла» показали, что импульсное излу чение ЛПМ перспективно и для формирования изображений в объеме прозрачных материалов [16, 20]. Воздействию сфокусированного излучения подвергались полированные образцы из оптического стекла К8, плавленого кварца марок КИ, КВ и КУ, сапфира, а также искусственного поликристаллического алмаза. При этом разрушение материала происходит как на поверхности, так и в объеме без выхода на поверхность. При обработке внутри объема имеет место эффект «накопления» энергии, после чего начинается разрушение. Время такого «накопления» связано и с расстоянием до поверхности образца, что позволяет предположить возможность влияния приповерхностных дефектов на процесс разрушения. Плотность пиковой мощности, необходимой для разрушения исследованных материалов, возрастает в последовательности К8 - КИ - КВ - КУ - сапфир. Обработка стекла с помощью излучения ЛПМ находит практическое применение в основном в декоративно-художественной области, но может быть использована в технологических целях: для объемной маркировки серийных образцов и создания фиксированных дефектов в эталонных образцах диагностической аппаратуры [191, 193].
Отдельной важной практической задачей стоит обработка алмазных материалов. Актуальность ее связана и с появлением в последнее время искусственных поликристаллических алмазных пластин, получаемых осаждением из газовой фазы. Этот материал (ссТ = 1,1 10 град, Тпл = 4000 С) сохраняет свои размеры и механические свойства при высоких температурах, имеет высокую прозрачность (т = 98%) и границу поглощения излучения 0,2 мкм, электриче 107 Т
Двухканальная ЛСПМ «Карелия» с высоким качеством излучения
Промышленные отпаянные саморазогревные АЭ импульсного ЛПЗ. Базовыми конструкциями и технологией тренировки для АЭ импульсного ЛПЗ с длиной волны излучения = 0,628 мкм являются промышленные АЭ импульсного ЛПМ, в которые вместо активного вещества меди закладывается золото высокой чистоты марки Зл 999.9, при этом оптимальная температура возрастает на 100-150 С (до 1700-1800С). Для АЭ ГЛ-206Е («Кулон LT-1Au») с средней мощностью излучения не менее 1 Вт базовой конструкцией является АЭ ГЛ-206Г, для АЭ ГЛ-206Ж («Кулон LT-1.5Au») мощностью не менее 1,5 Вт – ГЛ-206Д (см. табл. 9), для АЭ ГЛ-205Г («Кристалл LT-4Au») мощностью не менее 4 Вт – ГЛ-205А (см. табл. 10). Мощность излучения ЛПЗ с АЭ указанных моделей примерно в шесть раз меньше, чем мощность лазера на парах меди.
На рис. 2.48 представлены зависимости средней мощности излучения АЭ ГЛ-205Г ЛПЗ, температуры его разрядного канала практического КПД и КПД АЭ от потребляемой мощности. Использовался ИП с высоковольтным модулятором, выполненном по схеме с емкостным удвоением напряжения и магнитным звеном сжатия (Рис. 2.27, г). ЧПИ составляла 16 кГц, давление неона в АЭ – 250 мм рт. ст. Максимальная мощность излучения (6-6,5 Вт) достигалась при температурах стенки разрядного канала 1750-1800 С. Использовался плоско-сферический резонатор
Зависимости средней мощности излучения (1) АЭ ГЛ-205Г («Кристалл LT-4АU») ЛПЗ, температуры его разрядного канала (2), практического КПД (3) и КПД АЭ (4) от мощности, потребляемой от выпрямителя ИП, при давлении неона 250 мм рт. ст. и ЧПИ 16 кГц
С изменением давления неона от 150 до 760 мм рт. ст. при ЧПИ 16 кГц мощность излучения снизилась с 6,7 до 5,4 Вт (кривая 1 на рис. 2.49), практический КПД – с 0,18% до 0,15% (кривая 2), КПД АЭ – с 0,34% до 0,25% (кривая 3). С увеличением ЧПИ спад мощности
Зависимости средней мощности излучения (1) АЭ ГЛ-205Г («Кристалл LT-4АU») ЛПЗ, практического КПД (2) и КПД АЭ (3) от давления неона при ЧПИ 16 кГц излучения при возрастании давления становится более резким. Например, при ЧПИ 21,5 кГц мощность снизилась уже на 41%. При постоянном давлении неона рNe = 250 мм рт. ст. с увеличением частоты от 10,5 до 21,5 кГц мощность излучения снизилась с 6,3 до 4,6 Вт (на 27%) (кривая 1 на рис. 2.50). Максимальная мощность излучения была достигнута при давлении неона рNe = 50 мм рт. ст. и давлении водорода рНe5 мм рт. ст. и для оптимизированных условий
Зависимости средней мощности излучения (1) АЭ ГЛ-205Г («Кристалл LT-4АU») ЛПЗ, практического КПД (2) и КПД АЭ (3) от ЧПИ при давлении неона 250 мм рт. ст. возбуждения составила 8,5 Вт. Для АЭ ГЛ-206Е изменение давления неона от 200 до 600 мм рт. ст. привело к двукратному падению мощности (от 1,5 до 0,75 Вт). Полученные результаты показывают также, что импульсный ЛПЗ достаточно эффективно работает при давлениях неона, близких к атмосферному; при этих условиях обеспечивается срок службы промышленного отпаянного АЭ на парах золота не менее 1000 ч.
Зависимости удельных характеристик промышленных отпаянных АЭ ЛПМ от объема активной среды. Приведенные в табл. 9 и 10 значения средней мощности излучения для новых моделей промышленных отпаянных саморазогревных АЭ серий «Кулон» и «Кристалл» импульсного ЛПМ получены при оптимизированных режимах накачки с эффективным тира-тронным ИП (см. рис. 2.27, д). При выборе рабочего давления буферного газа учитывалась не только выходная мощность излучения, но и срок службы АЭ. Для всех новых промышленных отпаянных моделей АЭ на парах меди минимальная наработка составляет не менее 1500 ч, что в 3 раза больше первых (старых) промышленных моделей. За время минимальной наработки, в соответствии с ТУ на АЭ, снижение средней мощности излучения не должно превышать 20% от номинального значения.
На основе табличных данных построены зависимости средней и удельной мощности излучения от объема АС (Рис. 2.51 и 2.52), весьма важных для оценки эффективности отпаянных АЭ.
Эти зависимости указывают возможные пути повышения мощности и КПД АЭ с большими объемами АС. На рис. 2.51 представлены кривые, соответствующие мощностям излучения в режиме ЗГ (1) и УМ (2). При изменении объема активной среды от VАС 4,2 см3 для АЭ ГЛ-206А («Кулон LT-1Сu») до VАС 900 см3 для АЭ ГЛ-205В («Кристалл LT-50Сu») средняя мощность излучения в режиме ЗГ возросла с 1,5 до 55 Вт, в режиме УМ – с 1,7 до 75 Вт. Если объем увеличился примерно в 215 раз (900/4,2), то мощность излучения – только в 44 раза (75/1,7). Таким образом, относительное увеличение мощности примерно в 4 раза меньше по сравнению с относительным увеличением объема АС.
Значения мощности излучения при работе АЭ в режиме УМ и мощности, вводимой в АЭ, использованы для построения кривых, отражающих изменение удельной мощности излучения (Ризл / VАС) и удельной вводимой мощности (Рввод / VАС) от объема АС (Рис. 2.52). Если в АЭ ГЛ-206А сVАС 4,2 см3 удельная мощность (съем мощности с единицы объема АС составляет 0,38 Вт/см3, то в АЭ ГЛ-205В с VАС = 900 см3 – 0,085 Вт/см3, что примерно в четыре раза меньше. Это свидетельствует о том, что потенциально возможно достичь суммарного съема мощности с прибора типа ГЛ-205В («Кристалл LT-50Сu») до 300 Вт (75х4=300 Вт). Для подтверждения этой возможности были рассмотрены кривые зависимости температуры стенки
Рис. 2.52. Зависимости удельной мощности излучения (Ризл/VАС) (1) промышленных отпаянных саморазогревных АЭ импульсного ЛПМ, удельной вводимой в АЭ мощности (Рввод.АЭ/VАС) (2), температуры разрядного канала (3) и концентрации атомов меди (4) от объема АС разрядного канала, где располагаются генераторы паров активного вещества меди (кривая 3 на рис. 2.52), и концентрации атомов меди (кривая 4) от объема активной среды АЭ. С одной стороны, кривая 2 свидетельствует о том, что в активную среду АЭ с небольшими объемами для обеспечения оптимального режима необходимо вводить удельную мощность порядка 80-100 Вт/см . Но, с другой стороны, столь высокий уровень удельной мощности для АЭ с большими объемами является избыточным, так как уже при удельной мощности выше 3-4 Вт/см происходит снижение мощности излучения из-за перегрева активной среды. В АЭ ГЛ-206А с VАС
Разработка технологии химической очистки металлических прецизионных деталей от шлака и грата после лазерной микрообработки
Срок службы промышленных отпаянных саморазогревных АЭ нового поколения серий «Кулон» и «Кристалл» импульсного ЛПМ, благодаря высокой надежности всех функциональных узлов и эффективной защите от запыления выходных окон, определяется лишь тремя факторами: массой запасенной меди в генераторах паров меди, рабочей температурой разрядного канала и давлением буферного газа неона и составляет не менее 3000 ч. Причиной снижения мощности за период после гарантированной наработки (1500 ч) является образование в расплавленной меди молибденовых структур (кластеров) с развитой поверхностью, увеличивающих энтальпию (необходимую энергию) испарения меди из системы.
Экспериментальные исследования по повышению мощности излучения и КПД импульсного ЛПМ от условий возбуждения АС с промышленными отпаянными АЭ серии «Кулон» и «Кристалл» проведены при ЧПИ в диапазоне 6-25 кГц, давлений буферного газа неона 50- 760 мм рт. ст., парциальном давлении водорода до 10 мм рт. ст.
ИП с высоковольтным импульсным модулятором накачки, выполненном по схеме ем костного удвоения напряжения со звеньями магнитного сжатия наносекундных импульсов тока и анодным реактором, по совокупности параметров остается на сегодня самым надежным и эф фективным импульсным генератором накачки ЛПМ. 6. Добавление водорода в активную среду ЛПМ с парциальным давлением 2…10 мм рт. ст. приводит к увеличению мощности излучения до 2 раз и КПД в 1,5 раза, в зави симости от параметров импульса тока накачки, ЧПИ, давления неона и диаметра разрядного канала,. Напуск водорода в АЭ осуществляется после проведения полного цикла обезгаживания и очистки АЭ и при оптимальных рабочих температурах ( 1600 0С).
С увеличением диаметра и длины разрядного канала АЭ и, соответственно, объема ак тивной среды, относительный спад мощности излучения при повышении давления буферного газа неона становится резче по причине ухудшения характеристик импульсов тока накачки. При изменении давления неона от 50 до 760 мм рт. ст. и ЧПИ 10 кГц средняя мощность излуче ния ЛПМ с АЭ «Кулон» модели ГЛ-206Д с диаметром и длиной разрядного канала 14 и 490 мм снижается с 15 до 10 Вт ( на 33%), АЭ «Кристалл» моделей ГЛ-205А с диаметром и длиной канала 20 и 930 мм – с 34 до 21 Вт ( на 38%), ГЛ-205Б с диаметром и длиной канала 20 и 1230 мм – с 44 до 25 Вт ( на 43%), ГЛ-205В с диаметром и длиной канала 20 и 1230 мм – с 56 до 30 Вт ( на 47%), ГЛ-205Г с диаметром и длиной канала 20 и 930 мм (на парах золота) – с 8,5 до 5,4 Вт ( на 36%). В диапазоне ЧПИ 6-20,5 кГц средняя мощность излучения АЭ «Кристалл» моделей ГЛ-205А, ГЛ-205Б и ГЛ-205В при рабочих давлениях неона и оптимизированных параметрах накачки ИП изменяется в пределах 25%.
КПД импульсного ЛПМ с промышленными отпаянными АЭ серии «Кулон» мощностью излучения 1-20 Вт с диаметрами разрядного канала Dкан = 7, 12 и 14 мм и объёмом АС (VАС ) от 4до 85 см3 составляет 0,2-1%, серии «Кристалл» мощностью 30-55 Вт с Dкан = 20 и 32 мм и VАС = 250-900 см3 – 1,1-1,2% и с уровнем мощности 60-100 Вт с Dкан = 32 и 45 мм и VАС = 1200-2200 см3 – 1,0-1,1%.
Для АЭ серии «Кристалл» более важными являются параметры при работе их в режиме усилителя, т. к. они преимущественно применяются в мощных ЛСПМ типа «ЗГ – УМ» в качестве УМ. В ЛСПМ при использовании в ЗГ АЭ модели ГЛ-205 средняя мощность излучения и КПД ЛСПМ и КПД АЭ ГЛ-205А в качестве УМ достигают значений соответственно 45 Вт, 1,5% и 3,0%, с ГЛ-205Б в качестве УМ – 60 Вт, 1,7% и 3,4%,с ГЛ-205В в качестве УМ – 75 Вт, 1,63% и 3,3%, с LT-50Cu-Д в качестве УМ – 80 Вт, 1,4% и 2,7%, с LT-75Cu в качестве УМ – клс 4,2 см (ГЛ-206А) до Dк = 32 мм с К с "00 см (ГЛ-205В) мощность излучения ЛПМ при работе в режиме генератора увеличивается от 1,4 до 55 Вт, в режиме УМ - с 1,7 до 75 Вт. При этом объем АС увеличился примерно в 215 раз (900/4,2), а мощность излучения - только в 44 раза (75/1,7). Это означает, что относительное увеличение мощности излучения примерно в 4 раза меньше по сравнению с относительным увеличением объема АС, которое в свою очередь свидетельствует о потенциальной возможности достижения съема мощности с одного АЭ типа ГЛ-205В до 300 Вт (75х4=300 Вт).
Из анализа проведенных в данной работе экспериментальных и теоретических исследований ЛПМ следует важный вывод, что для достижения высокой эффективности ЛПМ с большими объемами АС необходима такая конструкция АЭ и такие условия его возбуждения, которые обеспечивали бы рабочую температуру разрядного канала с генераторами паров меди на уровне 1700 С без перегрева АС, т.е. создавались оптимальные условия для инверсии насе-ленностей в АС при концентрации паров меди Wcu =10 см .
Промышленные отпаянные саморазогревные АЭ серии «Кулон» мощностью излучения 1-20 Вт и «Кристалл» мощностью 30-100 Вт по эффективности, гарантированной наработке и условиям эксплуатации по отношению к близким зарубежным аналогам более предпочтительны. Съем мощности излучения с единицы объема активной среды АЭ «Кулон» примерно в 2 раза выше, АЭ «Кристалл» - в 4 раза, минимальная наработка 4-5 раз больше, а отпаянное исполнение АЭ не требует дополнительных элементов жизнеобеспечения.
Суммарный объем продаж нового поколения промышленных отпаянных АЭ серии «Кулон» и «Кристалл» импульсного ЛПМ за период с 1994 по 2013 гг. (за 19 лет) составил около 560 шт., т.е. в среднем 30 шт./год. В последующие годы по объему продаж АЭ прогнозируется некоторый рост.
