Содержание к диссертации
Введение
Часть 1. Явление капиллярной термоконцентрационной неустойчивости и его проявления при взаимодействии лазерного излучения с веществом 11
Глава 1.1. Разработка термодинамических принципов явления капиллярной термоконцентрационной шустойчивости 11
Глава 1.2. Роль капиллярной термоконцентрационной неустойчивости в процессах тепло- и массо-переноса при взаимодействии лазерного излучения с растворами 21
1.2.1. Общие наблюдения по разделению жидких смесей на компоненты при локальном тепловом действии лазерного излучения 21
1.2.2. Теоретическая модель расчетов процессов тепло- и массопереноса 27
1.2.2.1, Общая постановка задачи 27
1.2.2.2. Модель стационарных потоков 31
1.2.2.3. Расчет процессов массообмена в замкнутом объеме для компонентов с сильно отличающимися летучестями 37
1.2.2.4. Динамика процессов массообмена в замкнутой кювете в общем случае 46
1.2.3. Экспериментальные исследования по разделению жидких
смесей тепловым действием лазерного излучения 50
Глава 1.3. Использование явления капиллярной термо концентрационной неустойчивости для формирования изображения 62
1.3.1. Разработка теоретической модели перераспределения примесей в жидких пленках при неоднородном световом облучении. Обоснование возможности создания нового способа тепловой фотографии 64
1.3.2. Экспериментальные исследования нового способа
тепловой фотографии 83
Глава 1.4. Изучение особенностей конвективного движения жидкого расплава при лазерном легировании 87
1.4.1. Структурные изменения в легированных слоях 87
1.4.2. Роль конвекции при лазерном легировании 94
1.4.3. Влияние ПАВ на характер конвекции и процессы
массопереноса при лазерном легировании 101
Часть 2. Физические аспекты процессов лазерного упрочнения материалов 109
Глава 2.1. Фазовые превращения в сталях при лазерной закалке 109
Глава 2.2. Теплофизические модели лазерной закалки 120
2.2.1. Постановка тепловой задачи нагрева при лазерной закалке и примеры ее численного решения 120
2.2.2. Аналитическая модель приближенного решения обратной задачи теплопроводности. Оптимальные режимы лазерной закалки 125
2.2.3. Роль скорости изменения температуры. Максимально возможная глубина лазерной закалки 132
2.2.4. Теплофизическая модель закалки сканирующим лазерным пучком. Критические частоты сканирования. Оптимальные режимы 137
Глава 2.3. Исследование характеристик лазерного источника нагрева 147
2.3.1. Измерения пространственного распределения интенсивности излучения технологических СОг-лазеров 147
2.3.2. Измерения поглощательной способности покрытий для лазерной термообработки черных металлов 152
2.3.3. Изучение влияния флуктуации мощности излучения на лазерную закалку 160
2.3.4. Изучение нелинейных виброударных колебательных систем. Создание сканаторов с высокостабильным пилообразным законом колебаний для улучшения качества лазерной термической обр аботки 169
Глава 2.4. Изучение микроструктуры и свойств материалов в зоне лазерной обработки 177
2.4.1. Экспериментальная проверка расчетной модели термоупрочнения железоуглеродистых сплавов с помощью С02-лазеров непрерывного действия 177
2.4.2. Экспериментальные исследования сравнительной эффективности поглощающих покрытий при лазерной термообработке 192
2.4.3. Изучение деформаций и остаточных напряжений на поверхности сталей, закаленных непрерывным лазерным излучением 199
2.4.4. Оптимизация процесса лазерной закалки в условиях сканирования и разработка способов снижения остаточных деформаций 208
Глава 2.5. Создание компьютерных экспертных систем и систем поддержки принятия решений для оптимизации процессов лазерной обработки материалов 219
2.5.1. Компьютерная поддержка принятия решений 220
2.5.2. Экспертная система по лазерной резке материалов 226
2.5.3. Система поддержки принятия решений для оптимизации режимов лазерной закалки 232
Общие выводы 237
Список литературы 239
- Общие наблюдения по разделению жидких смесей на компоненты при локальном тепловом действии лазерного излучения
- Разработка теоретической модели перераспределения примесей в жидких пленках при неоднородном световом облучении. Обоснование возможности создания нового способа тепловой фотографии
- Аналитическая модель приближенного решения обратной задачи теплопроводности. Оптимальные режимы лазерной закалки
- Экспериментальные исследования сравнительной эффективности поглощающих покрытий при лазерной термообработке
Введение к работе
Актуальность проблемы.
Взаимодействие лазерного излучения с веществом носит комплексный и многосторонний характер. В силу уникальных особенностей лазерного излучения при его воздействии на материалы ярко проявляется множество совершенно разнообразных физических явлений, процессов и механизмов.
Исследование лазерной обработки материалов совершенно невозможно без изучения их физической сущности, без построения теоретических моделей и расчетов, без специально поставленных экспериментов. Знание физических явлений, их взаимовлияния и взаимодействия при разработке лазерных технологических процессов совершенно необходимо.
Потребности науки и промышленности в последние десятилетия стимулировали развитие лазерных технологий и создание разнообразных лазеров, предназначенных для использования в процессах лазерной обработки материалов (закалка, легирование, сварка, резка и др.), в системах записи информации, в лазерной фотохимии и селективных технологиях, а также во многих других областях.
В основе практического использования лазеров лежит физика явлений взаимодействия лазерного излучения с веществом. Во всем мире выполнено и опубликовано огромное количество работ в этой области. Тем не менее в силу объективных причин (в первую очередь - сложности, многообразия и комплексного характера явлений и процессов) многие аспекты требуют более подробного изучения, а некоторые вообще остались в стороне от внимания исследователей.
В частности, анализ предшествовавших работ по инициированной лазерным нагревом конвекции показал, что в них не уделялось достаточного внимания изучению первопричин конвективного тепло- и мас-
сопереноса при лазерном воздействии на жидкости и расплавы, так как при постановке задач как правило использовались традиционные общеизвестные зависимости поверхностного натяжения от температуры или от концентрации. При всем многообразии работ, связанных с лазерным упрочнением материалов, достаточно проблематично получить комплексное решение возникающих на практике задач по оптимизации всей технологической цепочки операций, так как большинство исследований касалось изучения (пусть и весьма подробного) какого-либо одного аспекта без конкретной привязки к целому.
На решение этих актуальных проблем и направлены исследования, результаты которых изложены в настоящей диссертации.
Целью работы является изучение особенностей и механизмов физических явлений и процессов при взаимодействии лазерного излучения с веществом, в частности, происходящих при лазерной обработке материалов. Работа направлена на теоретическое и экспериментальное определение потоков вещества и тепла при передаче энергии лазерного излучения в конденсированные фазы. В первую очередь это связано с исследованием явления капиллярной термоконцентрационной неустойчивости (КТКН). Далее автор будет касаться вопросов, связанных с лазерным термоупрочнением металлов (закалка, легирование). Будет обращено внимание и на другие практические приложения, имеющие тем не менее общие корни в физических механизмах протекания процессов.
Задачи исследования.
1. Исследование явления капиллярной термоконцентрационной неустойчивости (КТКН) и его проявлений при взаимодействии лазерного излучения с веществом. В частности:
а) разработка термодинамических принципов явления КТКН;
б) теоретическое и экспериментальное изучение роли КТКН в
процессах тепло- и массопереноса при взаимодействии лазерного излу
чения с веществом;
в) исследование проявления эффекта КТКН в процессах конвек
ции;
г) разработка расчетно-экспериментальных методик изучения ла
зерного разделения жидких смесей на компоненты и гидродинамики ла
зерного легирования металлов.
2. Создание физических моделей и постановка физических экспериментов для изучения и описания процессов лазерного упрочнения материалов. В частности:
а) разработка теплофизических моделей для расчета оптимальных
режимов лазерной закалки;
б) экспериментальное определение параметров, характеризующих
лазерный тепловой источник и передачу энергии лазерного излучения в
материал;
в) разработка алгоритмов и создание компьютерных экспертных
систем и систем поддержки принятия решений для задач оптимизации
процессов лазерной обработки материалов.
Научная новизна.
1. Раскрыты физические закономерности явления капиллярной термоконцентрационной неустойчивости (КТКН), связанные с особенностями поведения гетерогенных систем, состоящих из нескольких компонентов и имеющих несколько фаз, при неоднородном подводе энергии к ним. Впервые показано, что для бинарных растворов температурный коэффициент поверхностного натяжения является положительным в очень широком диапазоне температур и концентраций. Установлено, что указанное явление вызывает процессы массопереноса, перераспределения компонентов, появления новых фаз.
2. Впервые выявлен эффект локализации и концентрации вещества
при прохождении лазерного пучка через жидкие пленки растворов. Тео
ретически предсказаны и экспериментально установлены физические
механизмы процессов, кардинально меняющих характер капиллярных
потоков и конвективных течений, меняющих их направленность или
приводящих к колебательным и релаксационным процессам. Основным
критерием проявления подобных процессов является наличие в жидкой
фазе вещества примесей и микропримесей, как поверхностно активных,
так и поверхностно инактивных.
3. Установлены и систематизированы основные закономерности
закалки железоуглеродистых сплавов излучением технологических не
прерывных лазеров мощностью 1... 10 кВт. Разработана замкнутая взаи
мосогласованная аналитическая модель расчетов оптимальных режимов
лазерной закалки, подтвержденная серией экспериментальных исследо
ваний.
Предметом защиты являются:
Разработанные физические и математические модели, описывающие возникновение неравновесных состояний в гетерогенных системах при воздействии лазерного излучения на вещество, приводящих к перераспределению и разделению компонентов, к инициированию колебательных процессов массопереноса, к изменению характера конвекции.
Результаты экспериментальных исследований по выявлению новых физических эффектов при взаимодействии лазерного излучения с жидкими пленками, наблюдению их особенностей и измерению их характеристик.
Разработанные модели расчетов оптимальных режимов лазерной закалки и подтверждающие их результаты экспериментальных исследований.
4. Разработанные методики и алгоритмы создания экспертных систем и систем поддержки принятия решений для оптимизации лазерных технологических процессов, реализованные в конкретных программных продуктах.
Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием фундаментальных физических законов, положенных в основу разработанных математических моделей, экспериментальной проверкой теоретических результатов на модельных и контрольных экспериментах, постановкой специальных частных физических экспериментов для нахождения величин неизвестных значений и параметров процесса.
Практическая ценность работы заключается как в комплексном изучении и анализе физических процессов, лежащих в основе исследуемых явлений, так и во многих примерах их практической реализации. Так, в частности, практическую ценность представляют разработанные автором
способ разделения жидких смесей на компоненты тепловым действием лазерного излучения;
способ тепловой бессеребряной фотографии;
метод управления конвективными потоками при лазерном легировании с использованием ПАВ;
методика аналитических расчетов оптимальных режимов лазерной закалки, в том числе с использованием сканаторов;
разработка вьтсокостабильньтх высокочастотных виброударных колебательных систем и сканаторов на их основе;
способ снижения остаточных деформаций длинномерных изделий после лазерной закалки;
экспертная система по лазерной резке материалов и компьютерная система поддержки принятия решений для оптимизации режимов лазерной закалки.
Апробация работы.
Результаты работы докладывались на Всесоюзной конференции по когерентной и нелинейной оптике [41], на Всесоюзных совещаниях по применению лазеров в народном хозяйстве [4, 70, 71, 85], на Всесоюзной конференции по взаимодействию лазерного излучения с веществом [58], на VII международной конференции "Лазерные и лазерно-информа-ционные технологии" ПХА-2001 [60, 73], International conference and school "Laser and applications" [113], International Conference on Industrial Lasers and Laser Applications [103, 136], и других научных конференциях и симпозиумах [35, 39, 76].
Публикации.
По теме диссертации опубликовано 56 печатных работ, в том числе 3 отечественных авторских свидетельства и 4 зарубежных патента.
Личный вклад автора.
Изложенные в диссертации результаты исследований получены лично автором (16 публикаций без соавторов) или в соавторстве при непосредственном его участии. Экспериментальная часть выполнялась лично автором или при его ведущем участии. Автору принадлежит формулирование теоретических задач, нахождение методов и путей их решения, постановка экспериментальных исследований и их непосредственное проведение.
Структура и объем работы.
Диссертационная работа состоит из введения, первой части из четырех глав, второй части из пяти глав, общих выводов, списка литературы. Работа содержит 94 рисунка и графиков, 13 таблиц, список литературы из 143 наименований. Общий объем работы - 253 страницы.
Общие наблюдения по разделению жидких смесей на компоненты при локальном тепловом действии лазерного излучения
Неоднородный нагрев материальных веществ лазерным излучением вызывает ряд эффектов: изменение оптических характеристик сред, появление в твердых телах термических напряжений, деформации поверхности и т.д.
В нашей работе [41] сообщалось о наблюдении нового явления -образования локализованного сгустка (капли) в месте прохождения лазерного пучка через слой жидкого (расплавленного) йода. Капли конденсата устремлялись в центр пучка и перемещались вслед за ним, тогда как капли обычного расплава при этом испарялись. Было установлено, что неоднородный нагрев вещества может при некоторых условиях приводить к увеличению конденсации примесей в области с более высокой температурой, т.е. в области прохождения света. Примеси эти могут возникать как в результате оптического или фотохимического действия света, так и присутствовать в незначительных концентрациях в исходном веществе в виде продуктов загрязнения.
Для изучения этого явления были поставлены специальные эксперименты [11]. Вначале опыты проводились с йодом, бромом и тетраце-ном, имеющими полосы поглощения в области Х=0,5 мкм . Небольшое количество вещества помещалось в кювету, замораживалось жидким азотом, а затем кювета откачивалась до давления 10"2 торр и отпаивалась (герметизировалась). При проведении исследований кювета находилась в термостате Т, рабочая температура которого превышала точку плавления вещества (рис. 1.2.1).
Через две плоскопараллельные стенки кюветы с зазором около 1 мм пропускался слабо сфокусированный линзой Л1 пучок аргонового лазера (Х.=0,49 и 0,51 мкм, ТЕМ0о, Р 0,5 Вт, сечение пучка в фокусе 0,4 мм). Рабочий объем кюветы значительно превышал область эффективного действия пучка, что позволяло пренебречь изменением давления в кювете под влиянием теплового действия излучения.
Лампа накаливания ЛН с конденсором (ЛЗ, Л4) через полупрозрачное (диэлектрическое с селективным отражением на длине волны лазера) зеркало Ml освещала всю зону наблюдения. Изображение исследуемой части кюветы проецировалось на экран Э объективом Л2. Зеркало М2 введено для удобства наблюдения. Экран Э снабжен координатной сеткой, позволяющей производить измерения размеров объектов в исследуемой зоне кюветы. Изображение на экране наблюдалось визуально или регистрировалось кинокамерой КК.
При действии лазерного излучения сначала в месте прохождения пучка, в затем и вокруг него начиналось испарение жидкости и эта область просветлялась (рис.1.2.2,а). В ряде случаев одновременно с этим наблюдалось образование капли в центре светового пучка размером в наших опытах до 1 мм (рис. 1.2.2,б). Если капля образовывалась, то поведение ее по отношению к световому пучку выглядело необычно. Ее положение в центре пучке было устойчивым; при резком смещении лазерного пучка капля следовала за ним, стремясь остаться в центре (рис.1.2.2,в). При повышении рабочей температуры кюветы подвижность капли возрастала. При резком изменении мощности лазерного излучения (модулировании) с интервалом 1-2 с размер проекции капли на экране Э менялся, уменьшаясь с увеличением мощности. При монотонном увеличении мощности капля не испарялась - ее вязкость начинала увеличиваться, она густела, застывала на месте, испаряясь или возгоня-ясь лишь в отдельных местах. При больших значениях мощности излу чения на стенке кюветы, как правило, оставалась часть этой капли - хотя бы видимый глазом след от нее (опыты с йодом). Тот факт, что образование капли в центре пучка и ее необычное поведение связано именно с наличием температурного профиля в среде, в опытах доказывалось следующим.
Во-первых, при резком смещении светового пучка на расстояния, на порядок превышающие сечение пучка или капли, последняя все же следует за ним как целое и занимает в конечном счете положение в новом центре (рис.1.2.2,в). Действие светового поля ТЕМоо волны при таком смешении должно быть ничтожным.
Во-вторых, все характеристики аномальной капли (скорость движения за пучком, предельные размеры и т.д. ) определялись не плотностью мощности излучения, а долей поглощенной мощности (рис. 1.2.3, 1.2.4) [57], что вообще характерно для тепловых процессов.
Наконец, если прикоснуться к стенке кюветы нагретым стержнем, то, несмотря на то, что величина температурного градиента оказывается меньше (излучение нагревает непосредственно вещество, а стержень -вещество через стенку кюветы), капля с трудом, но все-таки образовывалась и собралась вблизи нагретого места.
В экспериментах исследовалось много различных смесей. Так, в качестве растворителей использовались: вода, ацетон, бензол, муравьиная кислота, четыреххлористый углерод, спирты метиловый и этиловый, гексан, ксилол, ортоксилол, формамид и др. В качестве примесей использовались: различные соли (Ni(N03)2, Co(N03)2, KMn04, FeCl, CuBr2 и др.), йод, бром, фурфурол, антрацен, тетрацен, фенил-1,3-индандион, О-ванилал-нитрофениламин, О-тетрахлорбензохинон и др.
Разработка теоретической модели перераспределения примесей в жидких пленках при неоднородном световом облучении. Обоснование возможности создания нового способа тепловой фотографии
Серия экспериментов с различными веществами показала, что в области прохождения лазерного луча концентрируется малолетучая поверхностно инактивная примесь в виде капли или сгустка. При этом остальной раствор, естественно, будет от примеси очищаться [11, 41, 43, 64]. Исследования закономерностей процесса очистки можно было провести на примере многих разобранных ранее смесей, например, йода с бромом. Но в этом случае большая ошибка спектральных измерений не позволила бы перекрыть сколько-нибудь значительный диапазон изменения концентраций. К тому же спектральная фотографическая методика кропотлива и трудоемка, а поэтому неудобна для измерения большого числа экспериментальных точек. Оказывается возможным значительно упростить процесс спектральных измерений концентрации для определенного класса смесей: бесцветный (прозрачный в видимой области) растворитель и окрашенная примесь. Тогда можно применить фотоэлектрическую регистрацию интенсивности излучения без разложения в спектр.
В качестве объекта для измерений был выбран раствор йода в ацетоне. Эффект разделения компонентов в нем сильно выражен [43]. Физико-химические свойства как йода, так и ацетона хорошо известны. Необходимые данные по поверхностному натяжению этой смеси (см. рис. 1.1.8) были измерены автором и приведены в [61], а методика измерений изложена в [57]. Относительная летучесть ацетона и йода а 100, поэтому в соответствии с рис. 1.2.11 для сравнения эксперимента с теорией можно пользоваться приближением абсолютно нелетучей (а — со) примеси.
Принципиальная схема экспериментов практически аналогична изображенной на рис. 1.2.1, где часть проходящего света через диафрагму направляется на регистрирующий фотодиод. Вытянутая плоскопа-раллельная (зазор около 1-2 мм) кювета К частично заполнена раствором так, что он собирается в одном ее конце (для этого кювета немного наклонена). Температура кюветы поддерживается постоянной с помощью термостата Т. Центральная область кюветы сквозь диэлектрическое зеркало Mi освещается плоскопараллельным пучком света от стабилизированной лампы накаливания ЛН. Сфокусированное линзой Лі излучение аргонового лазера с помощью диэлектрического зеркала Мь отражающего в области 450-520 нм, направляется в кювету. На ее нижней поверхности в месте прохождения лазерного пучка начинает собираться сгусток, имеющий характерный темно-бурый цвет йода. Остальная же часть раствора становится все более и более прозрачной (рис. 1.2.12). Эта картина объективом Лг проецируется на экран Э [43, 64]. Экран снабжен миллиметровой сеткой, что позволяет измерять диаметр сгустка по его изображению.
Концентрация йода в растворе определяется по оптической плотности смеси. Участок раствора, заключенного между параллельными стенками кюветы и имеющего поэтому фиксированную толщину, фокусируется на отверстие (диафрагму) в экране, за которым расположен фотодиод. Этот фотодиод регистрирует интегральную в области 520-800 нм интенсивность света, прошедшего через раствор. Как уже отмечалось, ацетон в этой спектральной области прозрачен, и поглощение обусловлено только йодом. Оптическая плотность этого слоя D=kcd, где к -интегральный в области 520-800 нм коэффициент экстинкции йода, с -концентрация йода в растворе и d - толщина раствора (расстояние между стенками кюветы).
Если обозначить черед D0 оптическую плотность раствора с начальной концентрацией йода с0, то в дальнейшем концентрацию можно определить из соотношения c(f) = CQ-D(t)/Do, где D(t) -оптическая штотность раствора в момент времени t. Как известно, оптическая плотность D(t) есть логарифм отношения интенсивностей падающего /пад и прошедшего 1(f) через слой света: D(t) = lg[InajJ ДО]- Поэтому для определения концентрации получаем выражение c(t) = CQ-lg[InJ l(t)] I lg[lnaj Ы , где /о -интенсивность света, прошедшего в момент / = 0 через раствор с концентрацией с0 . Начальная концентрация со задается в процессе заполнения кюветы раствором и точно известна. Ошибка в измерении c(i) определяется лишь точностью измерения интенсивности света с помощью фотоэлемента. В наших условиях она составляла 10"5 молярных долей. Измерение временных зависимостей процесса разделения для раствора йода в ацетоне Для измерений с помощью установки, описанной в предыдущих разделах, была изготовлена следующая серия кювет (табл. 1.2.1): На рис. 1.2.13 приведены зависимости концентрации раствора от времени для этих кювет при одинаковой мощности лазера. Во всех кюветах при — оо концентрация йода в растворе падает до нуля ( в пределах ошибок эксперимента) примерно по экспоненциальному закону. Как и следует из теоретической модели (1.2.50), скорость процесса практически не зависит от начальной концентрации (кривые 1,2,3 на рис. 1.2.13) и обратно пропорциональна общей массе вещества в кювете (кривые 2 и 4). Массу примесного сгустка можно определить по его геометрическим размерам, зная удельный вес вещества.
Аналитическая модель приближенного решения обратной задачи теплопроводности. Оптимальные режимы лазерной закалки
Использование явления КТКН в области фотографической регистрации изображений открывает новые возможности. Напомним о ряде известных способов записи информации на жидких слоях с использованием теплового действия света. В эвапорографии [52, 106, 127] для получения изображения использовалось явление интерференции в неоднородных по толщине масляных пленках, неоднородность в которых, как считалось, образуется в результате неравномерного испарения различных участков в соответствии с характером освещенности. Впоследствии [53, 122] высказывались предположения, что в формировании изображения участвуют силы поверхностного натяжения. Нами была построена расчетная модель процесса (см. предыдущий параграф) и было показано, что в эвапорографии основную роль играют конвективные потоки, вызванные градиентами поверхностного натяжения [14]. Эта модель подходит и для описания методов Хайнца по ИК-фотографии [52, 128], хотя причиной формирования изображения их автор считал термогравитационную конвекцию. В работе [14] были получены результаты, показывающие ігоиниипиальньїе ограничения возможностей методов Хайнца и эвапорографии, в частности, по их разрешающей способности ( 10...20 лин/мм).
На основе явления КТКН был разработан и опробован принципиально новый способ тепловой фотографии [12, 13]. Его теоретическая модель изложена в предыдущем параграфе и опубликована автором в [63].
Практически предложенный способ реализуется следующим образом. Приготовляется бинарный раствор нелетучего поглощающего вещества (назовем его красителем) в прозрачном летучем растворителе, причем краситель должен быть поверхностно инактивен по отношению к растворителю. Раствор наносится на прозрачную подложку так, чтобы образовалась однородная пленка смачивания. Если затем на эту пленку проецировать оптическое (в том числе ИК) изображение, то благодаря неоднородности освещенности в пленке возникнут градиенты температуры. Это вызовет появление градиентов поверхностного натяжения (1.1.3) и инициирует процесс КТКН в бинарной системе. В силу поверхностной инактивности красителя возникает поток раствора F(r), направленный в более нагретую область. Более быстрое испарение растворителя в нагретой области приводит к увеличению в ней концентрации красителя и, в конечном счете, к появлению негативного изображения. При полном испарении растворителя перераспределившийся краситель образует фиксированное на подложке изображение, позитив с которого может быть получен на обычной фотобумаге (рис. 1.3.9). Изображение получается четким, с хорошо проработанными мелкими деталями (разрешающая способность достигала 100... 1000 лин/мм и могла быть еще повышена) и достаточно контрастное (контраст в среднем составлял 1,2... 1,5). Если в качестве красителя выбрать вещество, поверхностно активное по отношению к растворителю, можно получить непосредственно позитивное изображение.
При неполном испарении растворителя изображение также может быть получено, однако через некоторое время после прекращения действия света оно пропадает. На рис. 1.3.10 показана динамика образования изображения. Спектральный диапазон чувствительности пленки раствора определяется областью поглощения красителя. Например, в случае раствора CuBr2 в этаноле изображение можно получить в видимой и ближней ИК областях. Разрешающая способность этой пленки оказалась 20-30 линий/мм, контрастность изображения -1,2. Время экспозиции составляло несколько секунд.
Поскольку изображение формируется за счет перераспределения красителя, достигаемая плотность «почернения» негатива определяется общим количеством красителя в растворе и характером освещенности -порядком чередования и размером темных и светлых участков. С помощью предлагаемого способа удается получать не только штриховое, как это показано на рис. 1.3.9; 1.3.10, но и полутоновое изображение. Рельефность изображения на подложке допускает перенос его контактным путем на листовой материал (бумагу, ткань и т. д.), смачиваемый раствором и впитывающий его.
Относительно высокая разрешающая способность, свойственная данному способу, в сочетании с широтой выбора области спектральной чувствительности позволяет отметить перспективность метода для получения дифракционных изображений и использования в ИК голографии. Вопрос повышения чувствительности и уменьшения экспозиции при съемке также был решен [63] путем соответствующего использования дополнительных, сторонних источников подводимой к системе энергии. Кроме того, в работе [63] была сформулирована общая модель и дан расчет нового способа фотографии. Впоследствии некоторые из проведенных нами экспериментов были успешно повторены и другими исследователями [87]. Выводы по разделу. 1. На основе явления КТКН разработан и реализован принципиально новый способ тепловой фотографии. 2. Экспериментально подтвердились выводы теоретической модели о механизмах и закономерностях физических процессов, происходящих при неоднородном световом облучении тонких пленок бинарных растворов.
Экспериментальные исследования сравнительной эффективности поглощающих покрытий при лазерной термообработке
В настоящее время все большее распространение в технологических операциях получают мощные (Р 1 кВт) непрерывные СОг-лазеры. Одним из основных их применений является термообработка сталей и чугунов, имеющая ряд преимуществ перед традиционными способами закалки. Для определения режимов лазерной закалки необходимо (наряду с другими экспериментально измеряемыми параметрами - мощностью лазера и поглощательной способностью материала) знать радиальное распределение интенсивности излучения на детали и соответственно радиус пучка. Несмотря на большое число работ по лазерному упрочнению с помощью технологических СОг-лазеров, практически нет данных по измерению этих параметров. При обработке материалов в фокальной плоскости радиус пучка оценивается с учетом угловой расходимости излучения, которая вообще говоря тоже должна определяться экспериментально. Точность таких оценок невысока, что неприемлемо для расчета режимов лазерной термообработки (см. гл.2.2). Аналогичным недостатком обладает широко используемый на практике и описанный в некоторых работах метод определения поперечных размеров по глубине [115] или ширине испаренной зоны на материале с низкой теплопроводностью (как правило, на оргстекле). Под диаметром пучка в [115] понимается ширина испаренной зоны на уровне 1/е от максимальной глубины или на поверхности материала. Укажем в связи с этим, что данное определение вряд ли можно считать правильным, так как уровень 1/е определяет характерный размер уменьшения поля только для ТЕМоо моды, а не интенсивности излучения. В наших экспериментах размер пучка измерялся по уровню 1/е2 интенсивности. Очевидно, что еще большей погрешностью обладает данный способ применительно к измерению поперечных размеров излучения более сложной формы, например лазеров ЛТ1-2 или ТЛ-5 с неустойчивым резонатором [2, 102], имеющих кольцевое распределение интенсивности. Кроме того, вряд ли метод приемлем при использовании короткофокусной оптики, когда размеры пучка могут существенно изменяться на расстояниях порядка глубины испаренной зоны. Насколько известно, ни в одной работе по лазерному термоупрочнению корректно не измерялось радиальное распределение интенсивности.
В нашей работе [8] для указанных измерений используется фотоэлектрический метод с высоким пространственным и временным разрешением, позволяющий проводить эти измерения непосредственно в области обработки материала без ослабления пучка (плотность мощности порядка 104 Вт/см2). Изучалось пространственное распределение интенсивности излучения непрерывных С02-лазеров типа «Катунь» мощностью 1 кВт и ЛТ1-2 при мощности 3 кВт.
Излучение лазера направлялось на поверхность стальной консоли толщиной 5 мм, в которой на пути перемещения пучка проделаны играющие роль диафрагм отверстия диаметром 150-200 мкм, что обеспечивает точность определения размеров при диаметре пучка 5 мм не хуже 4%. При регистрации пучка меньших диаметров в принципе возможно использование диафрагмы соответствующих размеров. Излучение, прошедшее через диафрагму, попадало в изогнутую, полированную изнутри медную трубку, выполняющую роль световода и аттенюатора, и далее на охлаждаемое жидким азотом фотосопротивление «Свод». Указанные элементы схемы регистрации жестко закреплялись на платформе, которая перемещалась в перпендикулярном относительно пучка направлении с калиброванной скоростью, точность измерения которой была не хуже 1% в диапазоне 0,3-5 см/с. Сигнал с фотосопротивления регистрировался запоминающим осциллографом С8-13, запуск развертки которого был синхронизован с движением платформы. При измерениях необходимо избежать оплавления поверхности под действием пучка, что достигается выбором соответствующей скорости перемещения. Разрешение системы регистрации было не хуже 10"5 с, что позволяло одновременно наблюдать и временные флуктуации мощности.
На рис.2.3.1(3 показано радиальное распределение интенсивности несфокусированного излучения лазера «Катунь» (при этом использовалась диафрагма 1,0 мм), а на рис.2.3.16 - распределение сфокусированного линзой с F=420 мм сходящегося пучка на расстоянии 50 мм от фокальной плоскости. Ширина распределения определялась на уровне 0,5 от «максимального» значения интенсивности. В качестве «максимального» использовался сглаженный по пульсациям на вершине распределения уровень мощности. Диаметры пучка составили 50 и 4,7 мм соответственно для рис.2.3.1 а я б. Эти значения даны с учетом аппаратной функции используемых диафрагм. Хорошо видно, что распределение излучения лазера «Катунь» близко к прямоугольному и имеет сравнительно небольшую глубину пространственных и временных флуктуации.
Зависимость диаметра пучка от расстояния ALp до фокальной плоскости линзы приведена на рис.2.3.2 (кривая 1). Кривая 2 на этом рисунке соответствует измеренной ширине испаренной зоны на поверхности пластины из оргстекла. Отличие от данных фотоэлектрического метода составляет 25-30%, что приводит к заниженному значению плотности мощности на 50-70%. Наши результаты показывают, что с учетом зависимостей на рис.2.3.2 можно использовать данные кривой 2, вводя соответствующий поправочный коэффициент.
На рис.2.3.3 а, б представлены распределения интенсивности несфокусированного и сфокусированного пучков лазера Л1Т-2 с характерной кольцевой структурой (строго говоря, он не обладает азимутальной симметрией). Видно, что для таких пучков определить диаметр нельзя, поэтому приводим значения среднего диаметра кольца D и его ширину
АД определенную в указанном ранее смысле. Кроме существенной пространственной неоднородности распределения, которую следует учитывать в соответствующих математических моделях, в излучении лазера ЛТ1-2 наблюдаются значительные временные флуктуации, влияние которых на режимы обработки требует отдельного рассмотрения. Применение специально разработанного сканатора позволило сгладить неоднородности распределения излучения лазера ЛТ1-2 и в зависимости от амплитуды сканирования получать требуемые пространственные распределения интенсивности.
Похожие диссертации на Особенности и механизмы физических явлений и процессов, происходящих при лазерной обработке материалов
