Диссертация (1095072), страница 15

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

Текст из файла (страница 15)

Подтверждением актуальностиданных работ является полученный коллективом авторов патент на изобретениеРФ № 2357844 от 10.02.2009 «Способ получения цветного изображения наметаллических поверхностях» [87]. Однако, данный патент распространяется наполучение цветныхизображенийдекоративногохарактера и не всегдаполучаемые цвета могут быть использованы для нанесения и безошибочногосчитывания зашифрованной информации.Для получения стабильности этогопроцесса получения устойчивых цветных изображений требуется детальноеизучениемеханизмаформированияцвета.Необходиморазработатьтехнологические режимы с целью возможности формирования контрастныхкодировочных символов для того, чтобы автоматизировать процесс маркировки иидентификации изделий.96Предложеннаяавторскимколлективоммодель[7,39,87]былаусовершенствована, на основании новых расчетов были скорректированы ирасширены режимы обработки деталей из металлических материалов.

Посравнению с предыдущей, модель в своем расчете учитывает больше физическиххарактеристиклазерногомаркируемогоимпульсанаматериала.поверхностьВремяматериалавоздействияединичногоразбитоинтервалы,нахарактерные физическому состоянию поверхности в определенный моменттемпературного цикла. Такая модель более точно позволяет рассчитатьтехнологические режимы обработки поверхности лазером для конкретной маркиметаллического материала.Для проведения теоретического анализа тепловых условий образованияоксиднойпленкивзоневоздействиялазерногоизлученияпринятынижеприведенные физические положения.Оксидная пленка образуется от воздействия зоны распространения тепласледующего импульса на участке материала, предварительно активированного(очищенного от естественной оксидной пленки) предыдущим импульсом.

Схема,поясняющая расчеты, представлена на рисунке 3.1.При определенном соотношении технологических параметров, входящих вформулу (2.4), отпечатки могут накладываться друг на друга, если смещениепоследующего импульса (dx) меньше диаметра отпечатка (рисунок 3.2).Как показано в предыдущей главе, воздействие лазерного излучения наметаллическую поверхность приводит к оплавлению последней. Размер отпечатказависит от величины тока накачки диодной линейки.Для общего понимания процесса необходимо представить схему ростаоксидной структуры в зоне воздействия лазерного излучения на металлическойповерхности.

Как было установлено в предыдущей главе, оксидная пленкаобразуется на площади отпечатка лазерного луча. Для наращивания однороднойоксидной пленки отпечатки следует накладывать друг на друга с некоторымсдвигом таким образом, чтобы область видимой цветной оксидной пленкиперекрывала область ванны расплава.97Рисунок 3.1 – Схема к тепловому анализу образования оксидной пленкиРисунок 3.2 – Вид поверхности, обработанной серий лазерных импульсовТемпература поверхности от мгновенного сосредоточенного источникатепла, действующего на полубесконечной пластине, может быть описанавыражением [30]:t2QиKr 2K и,gc(3.1)98где  - коэффициент поглощения,  - время импульса (с), Qи – мощностьимпульса (Вт), r – радиус отпечатка лазерного луча (м), K – теплопроводностьматериала (Вт/(мград)), g – плотность материала (кг/м3), с – теплоемкостьматериала (Дж/(кгград)).Для активации поверхности перед образованием цвета температура в зонеотпечатка должна несколько превышать температуру плавления, т.е.

ta = tпл+t,тогда импульсную мощность можно определить из выражения (3.1) следующимобразом:t ar 2Qи 2Kgcи.(3.2)Средняя (3.3) и импульсная (3.2) мощности лазерного излучения связанысоотношением:Qcp  Qи F и ,(3.3)откуда можно определить частоту следования импульсов:F1 Qcp, и Qигде F – частота следования импульсов (Гц), тогдаF  Qcp21.2tar  b Kgc(3.4)Время охлаждения с ta приближенно можно оценить по формуле [27]:tdtdt d. a илиt a 2 иd 2 и(3.5)В первом приближении выражение (2.3.5) можно записать: 20 t a  20 , откуда   2 и 1    2 и .ta2 и ta Учитывая,следованиячтовремяимпульсов,междусущественноимпульсами,большеопределяемоевременициклачастотойнагреваиохлаждения, охлаждение нагретого импульсным излучением участка полностьюзавершится до начала воздействия следующего импульса.99Например, при частоте 90000 Гц время между импульсами составит0,0000111 с, время одного цикла нагрева и охлаждения - 0,00000012 с, т.е.

времямежду импульсами в 93 раза больше, чем 1 термический цикл. На практикечастота следования импульсов существенно меньше рассмотренной в примере.Таким образом, нагрев зоны образования оксидной пленки можетосуществляться только за счет зоны термического влияния (S на рисунке 3.1).Протяженность зоны термического влияния от точечного источникаопределятся из следующего выражения:S2K и,cg(3.6)а изменение температуры в этой зоне примем линейное.Из (3.6) видно, что протяженность зоны термического влияния определяетсятолько физическими свойствами обрабатываемого материала и не зависит оттехнологических параметров лазерной установки.Величина смещения последующего импульса может быть определенаследующим образом.

Средняя температура в зоне dx (рисунок 3.1) должнасоответствовать температуре образования оксидной пленки, т.е. t'п=(ta+tx)/2,откудаtx=2t’п-ta,(3.7)где t'п=tп+t,tп – температура образования оксидной пленки с заданнойколориметрической характеристикой.С другой стороны (из рисунка 3.1),txt a .S  dx S(3.8)Подставляя (3.7) в (3.6), после несложных преобразований получим t' dx  2 S 1  п  . ta (3.9)Используя выражение (2.4), определим скорость перемещения лазерноголуча100 t'  t '  2K иV  2 SF 1  п  или V  2 F 1  п .cg ta  ta (3.10)Выражения (3.4) и (3.10) определяют взаимосвязь технологическихпараметров лазерной установки, теплофизических свойств обрабатываемогоматериалаипараметраобразованияоксиднойпленкистребуемымиколориметрическими характеристиками.Используя выражения (3.4) и (3.10) были проведены предварительныеисследования и рассчитаны технологические параметры формирования цветныхоксидных некоторого набора заданных цветов на основе оксидов железа (длясталей)иоксидовтитана(длятитановогосплава)(таблица3.1).Экспериментальная реализация этих режимов показала удовлетворительнуюсходимость.Таблица 3.1 – Результат расчета режимов маркировки с целью получения цветныхизображенийПоказательТемпература 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/с08Х18Н10Т136012Х17136078502650422200,032546218600,0313,0107676,72156000,0100,0128469,436,719215510155100,0100,012ВТ1-0166843202252322680,0416,075309,86327400,036Фото образца3.2 Расчет технологических режимов получения цветных изображенийна металлической поверхности и их апробацияОбработка металлической поверхности воздействием лазера проводилась вкислородной среде (на воздухе) при комнатной температуре.

С целью снижения101мощности лазерного излучения использовалась расфокусировка [52, 72], т.е.увеличение или уменьшение фокусного расстояния относительно фокальнойплоскости.Принанесениипосредствомлазерногоцветныхсимволовизлучениянаметаллическойизображениеразбиваетсяповерхностипрограммой,управляющей лазерным комплексом, на параллельные отрезки следованиявключенного лазерного луча. При перемещении от отрезка к отрезку лазернаходится в выключенном состоянии.

Таким образом, один участок изображенияпо габаритным размерам может содержать несколько отрезков, на которыхформируется оксидная пленка с заданными цветовыми характеристиками(рисунок 3.3).Рисунок 3.3 – Участок поверхности, обработанной несколькимипроходами лазерного луча в одинаковом режимеПеред включением лазера происходит позиционирование лазерного луча вначальные координаты формируемого отрезка. Затем производится непрерывноевоздействие импульсами с заданной частотой и одновременным перемещением лучадо окончания отрезка.

Перед сменой позиционирования в начало следующегоотрезка лазер отключается. Таким образом происходит постепенное заполнениеобрабатываемой площади. Пример тестовых таблиц, полученных при различнойсредней мощности импульса, которая определяется током накачки диодной линейкилазера, представлены на рисунке 3.4. При меньшей мощности изображение цветовойпалитры получилось менее насыщенным, а это значит, что при подборе цвета для102нанесениязакодированныхсимволовмыможетполучитьнедостаточнуюконтрастность изображения.В таблице 3.2 представлены подобранные режимы для получения цветныхпалитр на шести исследуемых металлических материалах, а на рисунке 3.5представлены фотографии полученных цветовых палитр на исследуемыхматериалах.а)б)Рисунок 3.4 – Изображения тестовых таблиц, полученных при различныхрежимах обработки образцов из стали 12Х17:а) I=13 А, F=15,00…16,35 кГц, V=0,004…0,013 м/с,б) I=16 А, F=19,50…22,10 кГц, V=0,010…0,028 м/сТаблица 3.2 Технологические режимы процесса лазерной маркировки№Диапазоны технологическихпараметровМатериал1Сталь08Х18Н10Т2Сталь12Х173ТитанВТ1-04ЛатуньЛ63IFVIFVIFVIFV14 A15...25 кГц5...25 мм/с13 A15...25 кГц10...40 мм/с18 A20...35 кГц5...25мм/с18 A50...70 кГц10...30 мм/с103№Диапазоны технологическихпараметровМатериал5СилуминАК12М26ЦирконийСталь 08Х18Н10ТСплав Л63IFVIFV18 A20...40 кГц5...30 мм/с16 A50...70 кГц10...50 мм/сСплав ВТ1-0Сплав АЛ2Сталь 12Х17ЦирконийРисунок 3.5 – Изображения тестовых таблиц, полученных при различныхтехнологических режимах работы лазерного комплекса для шести исследуемыхматериаловНаиболее насыщенную цветовую гамм полученной палитры имеютнержавеющие стали и сплав титана.

Для некоторых наиболее удачно104воспроизведенных и достаточно контрастных участков цветовой палитры дляэтих материалов приведены подробные режимы с указанием подбираемого цветапалитры, указанного в формате RGB.Можно отметить удовлетворительное соответствие полученных цветовзаданным «оригиналам». Цветовые палитры медного и алюминиевого сплавовпредставляют собой различные оттенки серых и черных тонов для алюминиевогосплава и желто-коричневую гамму для медного сплава.

Что касается циркония,устойчивый цвет оксида, который плотно прилегает к подложке, обычнонасыщенно черного цвета. Как известно из литературы [93], кинетикаобразования оксида циркония имеет свою особенность и формула, определяющаяколичество образовавшегося оксида, претерпевает в процессе увеличениятолщины изменения показателя массы, что авторы [93] называют "точкойперелома." С увеличением массы оксида цвет пленки меняется сначала на серый,а потом и вовсе на белый, который уже имеет не плотную структуру, апредставляет собой рыхлую, легко отслаивающуюся массу.ВПриложении2представленытаблицысрежимамиобработкиисследованных металлических материалов маркировочным лазерным комплексомдля воспроизведения на поверхности возможной цветовой палитры, которые былиполучены при участии автора в ходе выполнения ГК № 14.В37.21.1095 от07.09.2012 г.

Характеристики

Список файлов диссертации