Диссертация (1095072), страница 14

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

Текст из файла (страница 14)

Предел прочности нарастяжение подложки при температуре обработки берется из справочных данных.Таким образом, можно определить диапазон толщин, которые необходимоиметь оксидному слою, чтобы он с одной стороны, имел желаемую цветовую окраску,а с другой – устойчивое сцепление с подложкой. Данные, полученные в результатерасчета и исследования прочности оксидных пленок представлены в работе [65].Поскольку обработка изделия даже на средней мощности может приводитьк достаточно большому нагреву поверхностных слоев металла (температуры,сравнимые с температурой плавления), имеет смысл оценить общий нагревоблучаемого изделия для стабильного формирования поверхностных оксидныхслоев. Кроме того, можно оценить возможные структурные и физико-химическиепревращения, которые могут происходить в ходе обработки изделия призначительном перегреве и превышении температур химической активности.

Длярасчетов воспользуемся законом сохранения энергии. При этом будем считать,что вся поглощенная энергия лазерного излучения пойдет на нагрев, а изделиеявляется теплоизолированным. В результате, уравнение теплового баланса можнозаписать следующим образом:Cmt=PиN,(2.7)89где C – теплоемкость материала, Дж/(кг·ºС), m – масса изделия, кг; Δt –изменение температуры изделия в ходе маркировки, ºС; Ри – импульснаямощность лазера, Вт; τ– время воздействия лазерного излучения, с; N –количество импульсов.Преобразуем (2.7) к виду:t PиN.Cm(2.8)Учитывая, что Pcp  Pи F , после несложных преобразований, выражение (2.8)примет видt Pcp NFCm.(2.9)Для расчетов воспользуемся размерами штрих-кода ITF: 3810 мм, приэтом суммарная площадь штрих-кода S = 380 мм2.

При маркировке с количествомлиний (NL) на мм, путь L(мм), пройденный лазерным лучом по поверхностиизделия, можно рассчитать следующим образом:L=S·NL.Количествоимпульсов,соответствующее(2.10)пройденномупутибудетсоставлять:Nгде dx L,dx(2.11)V– расстояние между импульсами, мм.FТаким образом, количество импульсов, необходимое для формированияштрих-кода на поверхности изделия можно найти:NLF.V(2.12)После несложных преобразований выражение (2.1.9) примет вид:NS  NL  F.VПодставляя (2.13) в (2.9), получим:(2.13)90t Pcp SN LVCm.(2.14)При считывании штрих-кода излучение сканирующего устройства (сканера)падает на поверхность металлического изделия. При этом необработанные участкипочти полностью отражают падающее излучение, а участки, покрытые оксиднымслоем, отражают лишь частично, поглощая большую часть.

Отраженное излучениепопадает на светочувствительную матрицу сканера, которая фиксирует световойпоток отраженного излучения (рисунок 2.29).Рисунок 2.29 – Схема отражения сканирующего излученияпри считывании штрих-кода с поверхности деталиОтраженное излучение, которое имеет максимальную интенсивность,воспринимается сканером как белые штрихи, зоны со значительно меньшейинтенсивностью отраженного излучения воспринимаются как черные штрихи.Степень поглощения излучения оксидным слоем определяется исходя изкоэффициента затухания излучения в веществе по закону Бугера–Ламберта [92]:I(x) = I0exp(–αx),(2.15)где I(x) – интенсивность лазерного излучения, проникшего в материал наглубину x (поглощенного); I0 – интенсивность падающего на объект лазерногоизлучения (для простоты вклад отражения не учитывается), α – показательпоглощения (коэффициент затухания света в веществе для определенной длиныволны λ, м-1), x – глубина проникновения света, м.Для расчета степени контрастности изображения преобразуем выражение(2.15) к следующему виду:91I0 ex ,I(2.16)Таким образом, для определения степени контрастности необходимосравнить интенсивность поглощенного светового потока с интенсивностьюпадающего светового потока.

Светочувствительная матрица считывающегоустройства способна фиксировать разницу интенсивности отраженного излучения ве (число Эйлера) раз. Для определения контрастности сформированной оксиднойструктуры можно установить следующее условие: если при рассчитаннойтолщине окисного слоя справедливо соотношение I0/I>e, то можно считать, чтоокисный слой, образующийся на поверхности изделия в ходе обработки лазернымизлучением, обладает необходимой степенью контрастности для уверенногосчитывания и распознавания стандартным штрих-сканером.При толщине выполняется соотношение I0/I<e - такая пленка имеетнедостаточную поглощательную способность и, соответственно, штрих-кодможет некорректно считываться или не считываться вообще.

Слои, имеющиестепень контрастности I0/I ≥e, обеспечивают уверенное считывание штриховогокода.2.6 Методы исследования структуры и свойств пленок, формирующихмаркировочные изображения на металлических материалах.Рентгеноструктурные исследования фазового состава обработанных впроцессе лазерной маркировки поверхностей сталей 08Х13, 12Х17 и сплава наоснове титана ВТ1-0 проводились на многофункциональном рентгеновскомдифрактометре ULTIMA IV «Rigaku Corporation», Япония (рисунок 2.30).Дифрактометр снабжен специализированной СВО – оптикой на основемногослойных зеркал (патент № 3548556, Япония). На дифрагированном пучкебыл установлен плоский графитовый монохроматор.Рентгеноструктурныйанализисследуемыхобразцовпроводилсявфильтрованном CuK1 - излучении с использованием асимметричной геометрии92скользящего параллельного пучка с углом падения рентгеновского пучка наобразец, равным 2 градуса.

При соблюдении такой методики значительноувеличивается облучаемая поверхность и уменьшается глубина проникновениярентгеновского пучка в исследуемый образец. Эти два параметра остаютсянеизменными во время всей съемки, в то время как сцинтилляционный детекторфиксирует полный дифракционный спектр в диапазоне брэгговских угловдифракции 3º – 120º.Рисунок 2.30 - Дифрактометр ULTIMA IV «Rigaku Corporation», ЯпонияКачественное рентгеноструктурное исследование проводилось по полнымдифракционным спектрам, при этом экспериментальные дифракционные спектрыэкспериментальныхобразцов,являющиесясуперпозициейспектровприсутствующих фаз, сопоставлялись с данными американской картотекистандартов PDF-2 от 2009 года.Толщину и структуру поверхностной оксидной пленки, а также структуруприповерхностного слоя металла определяли электронно-микроскопически послеприготовления кросс-секции в перпендикулярной поверхности образца плоскости93с помощью травления ионами галлия.

Для проведения исследований использованрастровый двулучевой электронно-ионный микроскоп Quanta 200 3D FEG (фирмыFEI). Микроскоп оснащен системой прецизионного нанесения пленок сиспользованием специальной системы инжекции паров платиноорганическогосоединения.Привзаимодействииплатиноорганическогосоединенияускоренныхионовпроисходитгаллиясконтролируемоепарамиосаждениеметаллической платины на поверхности, облучаемой ионами.

Для защитыповерхностной пленки от «подтравливания» ионами при приготовлении сечениядляисключенияэффекта«заваливания»краясечениянаповерхностьпредварительно осаждался слой платины толщиной порядка 1 мкм. Сечение(кросс-секция) поверхности приготовлялось в зоне нанесения защитного слоя.Измерение микротвердости поверхности подложки (участки поверхности,не подвергшиеся лазерному импульсному излучению) и оксидной пленкипроводилось с помощью микротвердомера AFFRI, Италия, при нагрузке 50 гсметодом восстановленного отпечатка четырехгранной пирамидой с квадратнымоснованием (по Виккерсу) согласно ГОСТ 9450-76 [89].2.6 Выводы по второй главеПоокислениярезультатам проведенныхразличныхпромышленныхметаллов,сплавов,можнотермодинамических расчетоввходящихожидатьвсоставобразованиереакцийрассматриваемыхоксидовтакогостехиометрического состава, у которых при данной температуре процессасродство к кислороду будет с наибольшей вероятностью обеспечивать протеканиеокислительных реакций.

Основываясь на литературных данных и проведенныхрасчетах при окислении сплавов на основе железа, окисные пленки будутпреимущественно состоять из оксидных соединений на основе Fe и Cr.94Металлыобладаютвысокимкоэффициентомотражениялазерногоизлучения, поэтому для воздействия на них необходимы высокие плотностимощности лазерного излучения, что относительно легко может быть обеспеченопосредством импульсного воздействия лазерного луча.

Используя проведенныйанализ рынка лазерного оборудования, применяемого для целей маркировки, длянанесения маркировочных символов на детали машин и агрегатов былрекомендован прецизионный маркировочный лазерный комплекс Д'Марк-06,технические параметры которого оптимально подходят как для маркировкиметаллических материалов, так и пластмасс.Получение изображений с определенными цветовыми характеристиками наметаллических материалах в процессе их маркировки напрямую связано стехнологическими режимами обработки поверхности материала и от химическогосостава обрабатываемого материала. Корректная считываемость зашифрованныхсимволовбудетзависетьотконтрастностинанесенноймаркировкииобрабатываемой поверхности.Основнымипараметрамипроцессамаркировкибудутвыступатьтехнические характеристики лазерного комплекса, обеспечивающие получение наповерхности деталей маркировочные изображения требуемого качества.

К такимпараметрам в первую очередь относится средняя мощность импульса лазерноголуча, которая непосредственно задается током накачки диодной линейки лазера.Насыщенностьиконтрастностьполучаемыхизображенийбудиформироваться в зависимости от частоты следования импульсов лазерного луча искорости перемещения лазерного луча по поверхности обрабатываемогоматериала. Эти параметры для каждого материала должны подбиратьсяиндивидуально, цветовые оттенки будут обеспечиваться химическим составомоксидных пленок, образующихся на поверхности металлических материалов впроцессе из лазерной маркировки.

Качество нанесенного маркировочногоизображения также определяется разрешением лазерного комплекса и будетзависетьотколичествалиний,формируемыхперпендикулярного движению лазерного луча.вдольнаправления,953 ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РЕЖИМЫ ПРОЦЕССА МАРКИРОВКИЦВЕТНЫМИ ИЗОБРАЖЕНИЯМИ И ИХ АПРОБАЦИЯ НАМЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛАХ3.1 Математическая модель формирования многоцветных графическихизображений на металлической поверхностиДля получения однородных по толщине оксидных пленок обязательнымусловием является равномерное температурное поле в зоне воздействияизлучения, создаваемое движущимся поверхностным источником энергии.Неравномерность тепловыделения в зоне лазерного воздействия можно оценитьпо особенностям отпечатка лазерного импульса, учитывая его зависимость оттехнологических параметров и расфокусировки лазерного луча [39, 68].Для выбора технологических параметров лазерного комплекса длянанесения цветных логотипов и маркировочных надписей использовалисьтестовые таблицы, полученные в работах авторского коллектива [7, 39, 87, 88],обеспечивающие получение оксидных структур, заданных воспроизводимыхцветовых оттенков на поверхности образцов.

Характеристики

Список файлов диссертации