Диссертация (Обоснование параметров лазерной маркировки деталей машин и агрегатов для их идентификации и учета), страница 11

Чемниже будет расположена точка на графике, относящаяся к данному химическомуэлементу, тем выше будет его относительное «сродство к кислороду». Например,в соответствии с рисунком 2.15 (а), при изотерме Т = 2000ºК относительное«сродство к кислороду» представленных химических элементов возрастает вследующейпоследовательностиNiFeVMnCrMoSiTi.Длякомпонентов цветных сплавов из рисунка 2.15 (б) видно, что во всемрассматриваемомтемпературноминтервалеотносительноекислороду» увеличивается в ряду CuZnMgAl.«сродствок66а)б)Рисунок 2.15 – Графики зависимости стандартных энергий Гиббса оттемпературы для реакций окисления сталей (а) и цветных сплавов (б).Химическое сродство рассмотренных металлов к кислороду можно считатьих термодинамической характеристикой избирательности в окислении элементов,входящих в состав легированных сталей и сплавов на основе железа.

При этомследует отметить, что перечисленные металлы, входящие в состав сплава,образуют сложные оксиды с различными колориметрическими характеристиками.67Причем стехиометрия оксидов зависит не только от состава исходного материала,но и от степени сродства к кислороду элементов, входящих в сплав.Такжеоказываютнеменееважноевлияниетакиефизическиехарактеристики материала, как теплопроводность и температуропроводностькаждого отдельного элемента, которые определяют степень оплавления металла и/ или степень его выгорания с поверхности.

Данные величины также вносят свойвклад в изменение состава и стехиометрической формулы сформированного наметаллической поверхности слоя оксидов.По результатам проведенных исследований можно привести в качестверекомендаций учитывать легирующие элементы, входящие в состав сплавов,химическое сродство к кислороду которых в условиях обработки импульснымлазером при соответствующих температурах процесса сродство к кислородубудет с наибольшей вероятностью обеспечивать образование оксидных пленокопределенного цветовых характеристик.Исходяизсведенийлитературныхисточников[72-76],пленки,образующиеся при окислении сплавов на основе железа, в основном будутсостоять из оксидных соединений на основе Fe и Сr, легирующие элементы Ni иCuсклонны к проявлению в форме металлических включений, а Ti, вероятнеевсего будет выгорать с поверхностного слоя [69, 77].2.2 Химический состав и свойства исследуемых материаловНа основе проведенной оценки для исследований выбраны следующиеметаллические материалы из ряда наиболее широко распространенных дляпроизводства деталей машин и агрегатов: коррозионностойкие стали (3различных марки), технический титан, медный сплав, алюминиевый сплав ицирконий.

Материалы для экспериментов использовались в состоянии поставкипосле проката.68В таблицах 2.3 – 2.7 приведены марки и химический состав сталей и сплавов,выбранных для проведения экспериментальных исследований, а в таблице 2.8 –физические свойства приведенных марок сплавов исследуемых материалов.Таблица 2.3 – Химический состав сталей для исследования, ГОСТ 5632-72 [78]Массовое содержание элементов, %МаркасталиCrNi08Х18Н10Т 17,0-19,012Х17 16,0-18,008Х13 12,0-14,0Ti9,0-11,0 (5 С - 0.7) *Ti0,600,60-не болееFeСSi Cu MnPS0,08 0,80 0,30 2,00 0,035 0,020 основа0,12 0,80 0,30 0,80 0,035 0,025 основа0,08 0,80 - 0,80 0,030 0,025 основаТаблица 2.4 – Химический состав титанового сплава, ГОСТ 19807 - 91 [79]Массовое содержание элементов, %МаркаFeВТ1-0до 0.25CSiNдо 0.07до 0.1Tiдо 0.04 99.24 - 99.7OHПримесейдо 0.2до 0.01прочих 0.3Таблица 2.5 – Химический состав латуни, ГОСТ 15527 - 2004 [80]Массовое содержание элементов, %МаркаЛ63FePCuPbZnSbBiПримесейдо 0.2до 0.0162 - 65до 0.0734.22 - 37.5до0.005до 0.002всего 0.5Таблица 2.6 – Химический состав алюминиевого сплава, ГОСТ 583 - 93 [81]Массовое содержание элементов, %МаркаАЛ2FeSiдо 0.25до 0.07MnTiAlCuMgZnZrПримесейдо 0.1 до 0.04 99.24 - 99.7 до 0.6 до 0.1 до 0.2 до 0.01 прочих 2.7Таблица 2.7 – Химический состав циркониевого сплава, ТУ 95.46-82 [82]Массовое содержание элементов, %МаркаZrС0,004Cr0,0031TiNi0,003 0,0079Si0,004HfFeCuZr Остальные0,034 0,0032 0,001 99,9до 0,0469Таблица 2.8 – Физические свойства материалов для исследования [83, 84]Физическая величина,размерностьТемпература плавления,СПлотность, кг/мЗКоэффициенттеплопроводности,Вт/(мС)Удельная теплоемкость,Дж/(кгС)Марка материала08Х18Н10ТВТ1-008Х1312Х17Л63АЛ2Zr1326132013601668906578185277607720785043208440265065112825262210516821462462504523377838291Практически все виды коммерческих пластиков и смол можно маркироватьс помощью лазера.

Хотя некоторые требуют специальных добавок, без которыхтакая маркировка невозможна [58]. В зависимости от используемых материалов идобавок, маркировка может иметь темную основу на светлой поверхности или женаоборот, светлый цвет на темной поверхности. Полимеры – ПВХ, ПЭТ и АБС,впитывают свет от лазерного оборудования без помощи добавок. Кроме того,добавки могут служить для улучшения свойств поверхности пластика иувеличения скорости лазерной маркировки (например, пигменты усиливаютцветовые контрасты для смол). Наиболее часто используемые в лазерноймаркировке добавки – это слюды, покрытые слоем оксидов металлов, глина,тальк, соли антимонита, медь и другие материалы.

Например, филосиликат идобавки из слюды более пригодны для лазерной маркировки на лазерныхустановках с СО2, а добавки из оксидов металлов – для работы с маркировщикамина основе неодима. Поэтому, при маркировке деталей, изготовленных изпластмассы, необходимо учитывать такие факторы, как например химическиеэлементы, которые присутствуют в составе пластмассы.Дляпроведениянеметаллическихэкспериментальных(полимерных)материаловпластмассы, представленные в таблице 2.9:исследованийпомаркировкеиспользовалисьследующие70Таблица 2.9 – Перечень исследуемых полимерных материалов и их свойства [85]№Наименование пластмассыρ, кг/м3tпл, °Сtразм, °Сtхр, °С1полиэтилен ВД (НП)948-959125-135128-134-602полипропилен3полистирол ударопрочный10604Поликарбонат (дифлон)5ГОСТГОСТ 1633895-100 -15…-8ТУ 6-05-11-05-73—85-95-40ОСТ 6-05-406-751200—150-160—ТУ 6-05-1668-74полиэтилентерефталат (ПЭТ)1320—160-180—ТУ 6-05-830-766поливинилхлорид (ПВХ)1380—70-85-75ГОСТ 96397капролон (полиамид-6)1130215190-200—ОСТ 6-06-С9-768фторопласт-4900-9102190-2200164-170327100-110—ГОСТ 100072.3 Оборудование, применяемое для маркировки изделийСпектр оборудования, используемого для лазерной обработки материалов,чрезвычайноширок.Большинствопроизводителейлазерныхустановокпоставляют на рынок не отдельные технологические лазеры, а лазерныетехнологические комплексы.

В них имеются устройства внешней оптики,управляемые столы, манипуляторы, роботы для перемещения изделия во времяобработки, а также программное обеспечение, необходимое для реализацииконкретной технологии.В первой главе диссертационной работы с использованием литературныхисточников [7, 39 - 41] достаточно подробно рассматриваются существующиетипы современных маркировочных лазерных комплексов, сравниваются ихтехнологические возможности и технические параметры, представлены моделилазерных установок, наиболее успешно себя зарекомендовавших для нанесениямаркировки на изделия посредством лазерного излучения.В диссертационной работе экспериментальные исследования по подбору иапробациитехнологическихпараметровпроцессалазерноймаркировкипроводились на прецизионном лазерном маркировочном комплексе Д'Марк-06 набазе твердотельного лазера Nd:YAG с диодной накачкой.

На рисунке 2.16представлен общий вид лазерной установки.71Основным элементом установки является лазерный излучатель. Онгенерирует непрерывное когерентное монохромное излучение с длиной волны1,064 мкм в инфракрасном диапазоне (рисунок 2.17 [41]).Для развертки луча в двух взаимно перпендикулярных направленияхслужит отклоняющая система (рисунок 2.18 [41]). Далее по ходу луча находитсяобъектив фокусирующей системы, предназначенной для сведения излучения вплоскости маркировки в пятно минимальных размеров с целью достижениявысокой плотности мощности в зоне обработки.Рисунок 2.16 – Общий вид лазерной установки Д'Марк-0672Рисунок 2.17 – Принцип работы лазеров с диодной накачкойРисунок 2.18 – Система преломления луча (отклоняющая система)73Фокусирующей системой комплекса является объектив, просветленный надлину волны лазерного излучения 1,064 мкм с фокусным расстоянием 216 мм.

Вфокальной плоскости объектив позволяет получить пятно диаметром 50 мкм.Основныехарактеристикипрецизионноголазерногомаркировочногокомплекса Д'Марк-06 представлены в таблице 2.10.Управление лазерным комплексом производится с помощью ЭВМ сприменением специального программного обеспечения: редактора для созданияуправляющей программы LTCEdit и программы-исполнителя Marker.Лазерный комплекс предназначен для нанесения текстовых и графическихизображений на поверхность изделий методом лазерной маркировки и гравировкисвысокойточностьюиразрешениемсвозможностьюинтеграциивтехнологические линии для работы в автоматическом режиме.Выбороборудованиядляпроведенияисследованийпонанесениюмаркировочных символов, апробации технологических режимов процессамаркировки и отработки методологических принципов определялся, с однойстороны, доступностью с точки зрения доступностью проведения эксперимента, сдругой – специфическими особенностями распределения плотности световогопотока по диаметру пучка излучения.Таблица 2.10 – Характеристики лазерного маркировочного комплекса Д'Марк-06Общие характеристикиРазмер зоны обработки100х100 ммСкорость обработкиот 1 до 2500 мм/секШирина линии с автоматическим заполнением0…3 ммТип шрифтаTrueType, векторныеКурсивНаклон вправо и влевоТип выводимых изображенийвекторные, растровыесталь, алюминий, титан,Маркируемые материалыполупроводники, бронза,резина, пластмасса и др.Потребляемая мощность (~220 В, 50 Гц)неболее 1200 ВтПараметры лазерного излучателяТип лазераNd:YAGДлительность импульсов излучения40 нсЧастота повторения импульсов0,1- 100 кГц74Средняя мощность при частоте повторения6 Вт (TEMoo)импульсов излучения (10 кГц)Диаметр пучка излучения80-100 мкмМасса излучателя2,4 кгГабаритны еразмерыø100 х 246 ммГабаритные размеры (без компьютера)Стойка управления и питания500х500х250 ммЛазерный излучатель в сборе с рамой и столом520х300х320ммМасса30 кгМасса в транспортной упаковке40 кгПараметры сканирующего устройства2 гальванометрическихТип сканирующего устройствасканатора с подвесными зеркаламиПрограммное разрешениеГлубина фокусировкиРабочее полеВоспроизводимость2,5 мкм2,5-3 мм100х100 мм2,5мкм (1,2 мкм)Представленный маркировочный комплекс обеспечивает широкий диапазонрегулирования пространственно-временных параметров лазерного излучения, этопозволяет наносить маркировочные символы на детали из различных материалов,не предъявляя высоких требований к параметру шероховатости поверхности.Однако при этом необходимо учитывать некоторые технологические особенностиустановки, в частности пространственное распределение энергии излучения.