Автореферат (1095071), страница 3

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 3)

Приведены технические характеристики маркировочного лазерного комплекса.Проведена общая оценка термодинамической возможности самопроизвольногопротекания окислительных реакций компонентов сплавов. На основе проведеннойоценки для исследований выбраны следующие материалы: коррозионностойкие стали(3 различных марки), технический титан, латунь, алюминиевый сплав и цирконий.Материалы для экспериментов использовались в состоянии поставки после проката.7В таблице 1 приведены марки и химический состав сталей, а в таблице 2 – маркии физические свойства всех исследуемых материалов.Таблица 1 – Химический состав сталей для исследования, ГОСТ 5632-72Массовое содержание элементов, %МаркасталиCr08Х18Н10Т 17,0-19,012Х17 16,0-18,008Х13 12,0-14,0NiTi9,0-11,0 (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 – Физические свойства исследуемых материаловПоказатель, размерность08Х13 12Х17 08Х18Н10Т ВТ1-01326 132013601668Температура плавления, СЗПлотность, кг/м7760 772078504320Коэффициент теплопровод28252622ности, Вт/(мС)Удельная теплоемкость,462462504523Дж/(кгС)Л63 АЛ2 Zr906 578 18528440 2650 651110516821377838291Приведена методика получения изображений на металлических и полимерныхматериалах, а также методика нанесения штриховых кодов на поверхность металлов иполимеров; проведены расчеты характеристик формируемых при лазерном окисленииметаллов оксидных пленок: контрастности получаемых цветных пленок, взаимосвязиих толщины с параметрами лазерной установки и свойствами исследуемых металлических материалов, изменение температуры поверхности металлов при маркировкеимпульсным лазером, количество линий при проходе лазерного луча для качественного нанесения изображения штрих-кода.Было выявлено, что основными параметрами процесса формирования оксиднойпленки с заданными цветовыми характеристиками при маркировке поверхности посредством лазерного облучения металла являются:- импульсная мощность лазерного излучения,- длительность импульса,- частота следования импульсов,- диаметр пятна в месте воздействия на материал,- скорость перемещения луча по поверхности материала,- количество строк на 1 мм.Также во второй главе представлены методы исследования структуры и свойствпленок, формирующих маркировочные изображения на металлических материалах.Определение фазового состава маркировочных символов, полученных в процессе лазерной обработки и представляющих собой тонкие слои оксидных пленок различногосостава и толщины, а также геометрические параметры среза этих пленок и измерение микротвердости получаемых покрытий проводились в лабораторных условиях наоборудовании ФГУП «ЦНИИ КМ «Прометей».В третьей главе установлены закономерности физико-химических процессов,происходящих на поверхности материалов при обработке импульсным лазером, ипредставлена физико-математическая модель взаимосвязи теплофизических свойствметаллов с параметрами процесса лазерной маркировки.

Определены условия форми8рования на поверхности металлических материалов посредством лазерного облученияотпечатков с заданными цветовыми характеристиками, представлена методика нанесения маркировочных изображений и закодированных символов на детали машин иагрегатов путем подбора технологических режимов лазерной установки.В результате обработки импульсным лазерным излучением на поверхности металлических изделий формируется оксидная пленка. Температурный режим образования оксидных структур находится ниже температуры плавления материала.

Зонавоздействия лазерного излучения чрезвычайно мала по сравнению с площадью поверхности образца, поэтому оксидная структура возникает только в пределах зоныдействия лазерного луча.Температурно-временной режим образования оксидных структур зависит отвзаимного расположения рядом стоящих импульсов:dx V,F(1)где dx – расстояние между импульсами, м; V- скорость перемещения луча, м/с; F – частота следования импульсов, Гц.При определенном соотношении технологических параметров, входящих вформулу (1), отпечатки могут накладываться друг на друга, если смещение последующего импульса (dx) меньше диаметра отпечатка (рисунок 1).Для проведения теоретических исследований тепловых условий процесса образования оксидной пленки в зоне воздействия лазерного излучения принята следующая схема (рисунок 2).

Оксидная пленка образуется от воздействия зоны распространения тепла следующего импульса на участке материала, предварительно активированного (очищенного от естественной оксидной пленки) предыдущим импульсом.Размер отпечатка зависит от величины тока накачки диодной линейки, то естьот мощности лазерной установки.

Оксидная пленка образуется на площади от предыдущего отпечатка лазерного луча. Для наращивания однородной оксидной пленки сцелью обеспечения процесса маркировки отпечатки следует накладывать друг на друга с некоторым сдвигом таким образом, чтобы область видимой цветной оксиднойпленки перекрывала зону воздействия последующего импульса.На рисунке 2 приняты следующие обозначения: D – диаметр отпечатка луча лазера на поверхности материала (м); dx – смещение следующего импульса по обрабатываемой поверхности (м); ta - температура нагрева металла в зоне воздействия луча лазера (С); tx – температура, до которой успела охладиться предыдущая зона нагрева передследующим импульсом (С), S - зона термического влияния от импульса (м).Температура поверхности от мгновенного сосредоточенного источника тепла,действующего на полубесконечной пластине, может быть описана выражением:2Qи K и,(2)tKr 2 gcгде  – коэффициент поглощения, Qи – мощность импульса (Вт), r – радиус отпечатка лазерного луча (м), K – теплопроводность материала (Вт/(мград)), и – время импульса (с), g – плотность материала (кг/м3), с – теплоемкость материала(Дж/(кгград)).Для активации поверхности перед образованием цвета температура активациив зоне отпечатка должна несколько превышать температуру плавления, т.е.

ta = tпл+t,тогда импульсную мощность можно определить из выражения (2) следующим образом:9Qи t ar 22Рисунок 1 – Вид поверхности, обработанной на лазерном комплексе ДМарк-06Kgcи.(3)Рисунок 2 – Схема к тепловому анализуобразования оксидной пленкиСредняя (4) и импульсная (3) мощности лазерного излучения связаны соотношением:Qcp  Qи F и ,(4)откуда можно определить частоту следования импульсов:F1 Qcp, и Qи(5)где F – частота следования импульсов (Гц), тогда21F  Qcp.(6)2tar  и KgcУчитывая, что время между импульсами, определяемое частотой следованияимпульсов, существенно больше времени цикла нагрева и охлаждения, охлаждениенагретого импульсным излучением участка полностью завершится до начала воздействия следующего импульса.

Таким образом, нагрев зоны образования оксиднойпленки может осуществляться только за счет зоны термического влияния (S на рисунке 2).Протяженность зоны термического влияния от точечного источника определятся из следующего выражения:2K и,(7)Scgа изменение температуры в этой зоне принимаем линейным.10Из (7) видно, что протяженность зоны термического влияния определяетсятолько физическими свойствами обрабатываемого материала и не зависит от технологических параметров лазерной установки.

Величина смещения последующего импульса может быть определена следующим образом. Средняя температура в зоне dx(рисунок 2) должна соответствовать температуре образования оксидной пленки, т.е.t'п=(ta+tx)/2, откудаtx=2t’п-ta,(8)где t'п=tп+t, tп – температура образования оксидной пленки с заданной колориметрической характеристикой.С другой стороны, в соответствии со схемой на рисунке 2,txt a .S  dx S(9)Подставляя (8) в (9), после несложных преобразований получим t' dx  2 S 1  п  . ta (10)Используя выражение (1), определим скорость перемещения лазерного луча tп'  tп'  2K иV  2 SF 1   или V  2 F 1  .(11)ta ta cgВыражения (6) и (11) определяют взаимосвязь технологических параметровпроцесса лазерной маркировки, теплофизических свойств обрабатываемого материала и образования оксидной пленки с требуемыми цветовыми характеристиками.Используя выражения (6) и (11), были рассчитаны технологические параметрыпроцесса формирования цветных оксидных пленок красного и синего цветов на трехметаллических материалах (таблица 3).Таблица 3 – Результат расчета режимов получения оксидных пленок с заданнымицветовыми характеристикамиПоказательТемпература плавления, СПлотность, кг/мЗТеплопроводность, Вт/(мград)Теплоемкость, Дж/(кгград)Температура активации, СКоэффициент поглощенияТок накачки диодной линейки, АИмпульсная мощность, ВтСредняя мощность, ВтЧастота следования импульсов,ГцСкорость перемещения луча, м/с08Х18Н10Т136012Х17136078502650422200,032546218600,0313,0107676,72156000,0100,0128469,436,7192155100,010155100,012ВТ1-0166843202252322680,0416,075309,86327400,036Фото образцаОпытная апробация полученной модели показала удовлетворительную сходимость с экспериментальными данными.

Теоретически рассчитанные режимы, воспро11изведенные на лазерном комплексе, позволили сформировать оксидные структуры сцветовыми характеристиками, близкими к заданным.Теоретический анализ тепловых условий формирования оксидных структур наповерхности металлических образцов показал следующее:1) Пленочные оксидные структуры видимого спектра формируются в ограниченном диапазоне изменения мощности излучения. Величина диапазона определяетсяусловиями образования оксидных пленок: физическими свойствами материала и технологическими параметрами излучателя.2) Изменение тока накачки ведет к изменению мощности излучения и определяет энерговклад в облучаемую локальную область.3) Скорость перемещения лазерного луча в основном определяет расстояниемежду импульсами и непосредственно влияет на толщину формируемого слоя оксидных структур металла.

Частота следования импульсов влияет на интенсивность получаемых оттенков, лимитируя время между импульсами и во взаимосвязи со скоростью перемещения лазерного луча, определяет расстояние между отпечатками импульсов.В результате исследований была установлена взаимосвязь технологических параметров процесса лазерной маркировки, теплофизических свойств обрабатываемогоматериала, параметров оксидной пленки и характеристик выводимого изображения,что позволяет определять температурно-временной режим формирования маркировочных символов в виде оксидных пленок на металлических материалах с заданнымицветовыми характеристиками.Полученные в результате теоретического анализа зависимости, описывающиетепловые условия формирования пленочных оксидных микроструктур на металлической поверхности под воздействием импульсного лазерного излучения, разработанына основании общих положений теории термодинамики.

Характеристики

Список файлов диссертации