Введение к работе
Актуальность темы исследования. Лазерные и плазменные методы обработки материатов относятся к числу самых быстро развивающихся технологий. Эти технологии обеспечивают высокую точность, возможность автоматизации технологических процессов, позволяют исключить загрязнение окружающей среды, значительно снизить потребление вредных, дорогостоящих или остродефицитных материалов. Лазерные и плазменные технологии активно внедряются в самые различные области индустрии. В частности, они показали свою высокую эффективность при решении задач полиграфического машиностроения.
В полиграфическом машиностроении в 90-х годах возрос интерес к прямой лазерной гравировке печатных форм излучением твердотельных лазеров . видимого и ближнего ИК диапазонов. Разрешающая способность этого технологического процесса может приближаться к дифракционному пределу на длине волны около 1 мкм. Возникает возможность исключить из цикла допечатной обработки дорогостоящий и экологически небезопасный фотографический процесс.
Применение плазменных технологий создания износостойких покрытий специальным образом профилированной(т.н. растрированной) поверхности валов для флексографской печати, лазерная гравировка профиля - растра, - являются ключевыми технологическими новшествами, обеспечивающими технический прогресс и быстрое расширение во второй половине 80-х - в 90-х годах сферы применения этого динамично развивающегося способа печати.
Лазерная гравировка и последующее ионно-плазменное напыление износостойкого покрытия позволили перейти к новому качеству при производстве форм глубокой печати для маркировки проводов в кабельной промышленности.
Быстрое развитие лазерных методов обработки материалов для задач полиграфического машиностроения, таких как лазерная гравировка растровых валов, лазерная гравировка форм глубокой печати, лазерная маркировка и нумерация пленочных полиграфических материалов, создание и быстрое совершенствование автоматов для прямой лазерной гравировки офсетных печатных форм, поиск и апробация различных вариантов новых материалов для производства печатных форм (т.н. формных материалов), делают актуальным изучение физических про-
цессов вблизи обрабатываемых поверхностей, взаимодействие возникающих газо-плазменной и аэрозольных сред с падающим интен сивным лазерным излучением.
Не менее актуальным оказывается изучение физических процсссої в самих формных материалах при лазерной обработке.
Применение вакуумной ионно-плазменной обработки специфичес ких технических объектов, таких как флексографские растровые валы, ( целью создания износостойких покрытий сделало актуальным исследо вание физико-химических и теплофизических процессов, приводящих і износу этих покрытий при эксплуатации.
Цель работы заключалась в исследовании:
1) пороговых условий возникновения оптического пробоя при вза
имодействии лазерного излучения с длиной волны 1.06 мкм с плазмой;
ударными волнами и аэрозольной средой, которые формируются пря
мощном лазерном воздействии на материалы;
2) повреждения прозрачных диэлектрических подложек пр>
лазерном удалении напыленных металлических пленок и влияни*
повреждения подложки на результат лазерной обработки пленок;
3) износа синтезированных в вакуумном ионно-плазменном процесса
тонких функциональных TiN-пленок на растровых валах.
Основными задачами работы были:
- создание установки и методики для измерения зависимости порог;
оптического пробоя воздуха на твердых аэрозольных частица)
микронных размеров от размера одиночных частиц;
- разработка теневой установки и зондовой методики да
исследования формирования оптического пробоя на ударных волнах
разрешающая процессы в объеме до 1 мм3 и во времени - 10"8-1СГ7с;
- исследование и построение физической модели механизма сниже
ния порога оптического пробоя воздуха на ударной волне(УВ), со
зданной очагом оптического пробоя в предшествовавшем лазерном им
пульсе;
1. экспериментальное исследование порогов, морфологии повреждени:
прозрачных диэлектрических подложек при лазерном разрушающе:
облучении поглощающих покрытий и влияния повреждения подложк
на результат лазерной обработкі
еталлизированных лавсановых пленок в процессе прямого получения })сетных печатных форм;
- получение практической методики оценки вероятного результата
азерной гравировки офсетных печатных форм для анализа
ерспективы применения новых формных материалов и лазерных
сточников;
-экспериментальное исследование и построение модели механизмов гзноса тонких покрытий из нитрида титана на поверхности с крупной, ю сравнению с толщиной покрытия, шероховатостью(профилем растро-;ых ячеек), применение лазерной обработки для моделирования процесів, приводящих к ускорению износа TiN-покрытий. Іаучная новизна.
- Впервые по единой методике и в одинаковых экспериментальных
'словиях для широкого спектра размеров твердых аэрозольных частиц
із одного материала получена зависимость порога оптического пробоя
ут диаметра одиночных частиц в наносекундных импульсах на длине
юлны 1.06 мкм.
- Исследовано явление снижения порога оптического пробоя
юздуха на фронте ударной волны, распространяющейся от очага пробоя
t предыдущем лазерном импульсе. Экспериментально определен
іасштаб возможного снижения порога оптического пробоя воздуха на
шине волны 1.06 мкм - до 102 раз, получены зависимости порога
гатического пробоя от скорости УВ, предложена физическая модель
механизма снижения порога оптического пробоя воздуха на УВ для
щапазона скоростей 1-10 Мах.
-Измерены пороговые плотности энергии удаления металлического гокрытия при лазерной обработке металлизированных лавсановых пленок с х)лщиной покрытия 0.1-0.35 мкм, которые являются новыми материалами щя изготовления офсетных печатных форм.
-Предложена схема численной оценки ожидаемых результатов лазерной >бработки формных материалов на основе металлизированных лавсановых [юрм, учитывающая тешюотдачу в полимерную подложку и пиролиз -іатсриала подложки, приводящий к удалению материала металлической гленки давлением продуктов пиролиза. Определен коэффициент геплопередачи из металлической пленки в лавсановую подложку, )6еспечш5ающий соответствие расчетной ширины зоны удалсішя покрытия жепериментальным результатам.
-Показано, что качество кромки линии лазерной гравировки металлических пленок на лавсане определяется возможностью удаления пленки в твердой фазе продуктами пиролиза подложки.
На лавсановой подложке и металлической пленке обнаружено формирование квазипериодических структур, которое объяснено разрушением лавсана под воздействием давления продуктов пиролиза.
Выявлена важная роль температурной вспышки и высокотемпературного оксидирования в кислородсодержащей атмосфере в ускорении износа упрочняющих пленок нитрида титана. Экспериментально I установлено, что температурная вспышка способствует ускоренному переходу к режиму' катастрофического износа истончившегося износостойкого покрытия на подложках из мягких металлов. Защищаемые положения.
-Полученная в работе зависимость пороговой интенсивности оптического пробоя воздуха на твердых аэрозольных частицах в диапазоне размеров 1-40 мкм в импульсах длительностью 15 не на длине волны 1.06 мкм;
-Зависимость порога оптического воздуха от скорости ударной волны в диапазоне 1-10 М в излучении Х,=1.06 мкм, 1:=15 не.
-Физическая модель механизма снижения порога оптического пробоя на фронте УВ.
-Методика численной оценки размеров зоны лазерной гравировки перспективных материалов офсетных печатных форм на основе металлизированных лавсановых пленок, учитывающая теплоотвод в полимерную подложку, пиролиз лавсана и тангенциальный к поверхности тепло- и массоперенос при смещении охлаждающихся слоев лавсана.
-Результаты исследования ускорения износа упрочняющих пленок нитрида титана на профилированных поверхностях растровых полиграфических валов по механизмам термомеханического растрескивания нитридной пленки и отслоения фрагментов, окисленных в зоне локального нагрева при трении на точечных контактных площадках трущихся тел. Применение полученных результатов к практическим задачам упрочнения поверхности растровых валов, лазерной гравировки и упрочнения форм глубокой печати.
Грактическая ценность.
Измеренная зависимость порога оптического пробоя воздуха от размера врозольных частиц может быть использована при анализе прохождения лощного лазерного излучения через атмосферу или в технологических ірименениях излучения лазера с длиной волны 1.06 мкм при обработке материалов с образованием аэрозоля микронных размеров: таких как збработка композитов, керамики, материатов с тонкопленочными покрытиями. Закономерности снижения порога оптического пробоя воздуха яа ударной волне могут использоваться при анализе технологий обработки материалов непрерывным или импульсным лазерным излучением с частотой следования импульсов порядка 1 МГц в условиях возникновения микровзрывов в приповерхностном слое обрабатываемого материала при лазерном нагреве.
Процессы лазерной гравировки металлизированных лавсановых, пленок апробированы на лазерном формном автомате ФАЛ "Крона", разработанном Лабораторией лазерных систем АО "НИИПолиграфмаш". Начато производство модели ФАЛ Транат-530".
Полученные в работе коэффициенты теплопередачи из металлической пленки в лавсановую подложку и методика расчета могут использоваться для оценки возможности применения новых перспективных формных материалов и для анализа результата гравировки при изменении технических данных лазерного источника и фокусирующей системы.
Рекомендации, данные по результатам исследования износа растровых поверхностей с покрытием из нитрида титана, использованы при выборе многослойных упрочняющих покрытий на растровых валах(анилоксах), изготавливаемых предприятием "Флексо" (бывший Отдел печати на таре и упаковке АО "НИИПолиграфмаш").
Исследование окисления атенок нитрида титана в окрестности зоны локального нагрева явилось основой разработки технологического цикла изготовления форм глубокой печати из стали У8 с износостойким нитридным покрытием методом лазерной гравировки. Формы используются в печатных модулях, машин, разработанных НИИ кабельной промышленности.
Апробация работы.
Материал, изложенный в диссертационной работе, ранее апробирован на следующих конференциях:
1) IV Всесоюзное совещание по распространению лазерного излучения в
дисперсной среде. Барнаул, 1988.
2) Всесоюзная конференция "Физика и применение твердотельных
лазеров". Москва, ИОФАН, 16-17 апреля 1990 г.
3) Международная конференция "Лазеры-90". Сан-Диего, США, декабрь
1990 г.
4) Международная конференция "Физика и технология плазмы", Минск,
сент. 1994 г.
-
Конференция "Покрытия, упрочнение, очистка. Экологически безопасные технологии и оборудование", Москва, ВИМИ, 18-21 апреля 1995 г.
-
IV Всероссийская конференция по модификации свойств конструкционных материалов пучками заряженных частиц. Томск, 13-17 мая 1996 г.
-
IV Международное совещание-семинар "Инженерно-физические проблемы новой техники". Москва, 21-23 мая 1996 г., Центр прикладной физики МГТУ им. Баумана.
-
Симпозиум "Синергетика, структура и свойства материалов, самоорганизующиеся технологии", Москва, 12-14 ноября 1996 г.
9) IV Межгосударственный семинар ''Структурные основы модификации
материалов методами нетрадиционных технологий МНТ-ГУ"', Обнинск, 17-
19 июня 1997 г.
