Помощь в учёбе, очень быстро...
Работаем вместе до победы

Разработка и исследование процесса бесконтактно-управляемой лазерной абляции слоистых материалов

Диссертация: Разработка и исследование процесса бесконтактно-управляемой лазерной абляции слоистых материалов
ДиссертацияПомощь в написанииУзнать стоимостьмоей работы

Очистка поверхностей востребована практических во всех отраслях современной промышленности. В настоящее время массово используется ряд химических, физических и физико-химических технологий, которые успешно выполняют свои задачи в этой области. Однако там, где появляется необходимость делать это прецизионно, традиционные технологии не всегда способны обеспечить требуемые характеристики процесса… Читать ещё >

Содержание

  • ГЛАВА 1. Современное состояние технологии очистки поверхностей ответственных конструкций
    • 1. 1. Введение
    • 1. 2. Химическая очистка
    • 1. 3. Электрохимическая очистка
    • 1. 4. Физическая очистка
    • 1. 5. Лазерная абляция
    • 1. 6. Выводы главы
  • ГЛАВА 2. Технологии бесконтактной и дистанционной неразрушающей диагностики
    • 2. 1. Введение
    • 2. 2. Активная неразрушающая тепловая диагностика
      • 2. 2. 1. Тепловое излучение
      • 2. 2. 2. Тепловые волны
      • 2. 2. 3. Методики определения параметров 45 2.1. Выводы главы
  • ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ
  • ГЛАВА 3. Теоретический анализ технологии бесконтактноуправляемой лазерной абляции
    • 3. 1. Введение
    • 3. 2. Теоретические модели тепловой диагностики
    • 3. 3. Коэффициенты чувствительности
    • 3. 4. Параметрический анализ теоретических моделей
      • 3. 4. 1. Однородное тело
      • 3. 4. 2. Слой на подложке
      • 3. 4. 3. Варьирование толщины слоя
    • 3. 5. Выводы главы
  • ГЛАВА 4. Экспериментальная установка
    • 4. 1. Установка лазерной абляции
    • 4. 2. Тепловой диагностики
      • 4. 2. 1. Детектор теплового излучения
      • 4. 2. 2. Источник нагрева
      • 4. 2. 3. Схема установки
    • 4. 3. Выводы главы
  • ГЛАВА 5. Экспериментальные результаты и обсуждение
    • 5. 1. Проверка работоспособности экспериментальной установки тепловой диагностики
    • 5. 2. Обработка листовых материалов
    • 5. 3. Обработка образцов поверхности камеры термоядерного реактора
    • 5. 4. Лазерная абляция лопатки турбины
    • 5. 5. Выводы главы
  • ГЛАВА 6. Технологические карты процесса бесконтактноуправляемой лазерной абляции и область применения
    • 6. 1. Технологическая карта бесконтактно управляемой лазерной абляции однородного слоя
    • 6. 2. Технологическая карта бесконтактно управляемой лазерной абляции неоднородного слоя
    • 6. 3. Область применения и точность способа
    • 6. 4. Перспективы исследований и применения технологии бесконтактно-управляемой лазерной абляции

Разработка и исследование процесса бесконтактно-управляемой лазерной абляции слоистых материалов (реферат, курсовая, диплом, контрольная)

Очистка поверхностей востребована практических во всех отраслях современной промышленности. В настоящее время массово используется ряд химических, физических и физико-химических технологий, которые успешно выполняют свои задачи в этой области. Однако там, где появляется необходимость делать это прецизионно, традиционные технологии не всегда способны обеспечить требуемые характеристики процесса. Кроме этого, контактный характер и наличие материального реагента в этих способах повышают опасность работы персонала и увеличивают сложность технологии утилизации отходов в случае использования в агрессивных средах и для очистки небезопасных материалов, в первую очередь радиоактивных.

Лазерная абляция, основанная на взаимодействии когерентного электромагнитного излучения с веществом, представляется в этом ключе качественно более эффективной альтернативой ввиду полностью бесконтактного и дистанционного характера воздействия, а также из-за возможности осуществлять обработку с недостижимыми для других способов точностью и гибкостью. Тем не менее, для полной реализации потенциала управляемой и бесконтактной очистки с помощью лазера требуется дополнить этот процесс соответствующим инструментом контроля и обратной связи. С этой целью в настоящей работе предлагается совместить лазерную абляцию и тепловую диагностику, основанную также на нагреве посредством лазера и регистрации теплового излучения фотодетектором. Следовательно, будет получен способ контролируемой очистки поверхности с абсолютным отсутствием физического контакта и, способный также применяться сквозь материальные ограничители (технологические окна, иллюминаторы и проч.).

Помимо того, компактность, надежность, неприхотливость в обслуживании и эксплуатации, а также возрастающий КПД современных лазеров, дают основание полагать, что предлагаемая технология будет иметь высокий промышленный потенциал.

Для достижения поставленной цели проведены теоретические и экспериментальные исследования, показывающие принципиальную реализуемость технологии бесконтактно-управляемой лазерной абляции. Разработаны методики выбора и корректировки режимов лазерного воздействия на основании данных тепловой диагностики. При этом важно отметить, что разработанные методики фактически исключают из процесса управления сложные математические расчеты физических моделей лазерной абляции и определения, необходимых для этого, теплофизических, оптических и иных характеристик материала.

Таким образом, разрабатываемая в представленной диссертации технология бесконтактно-управляемой лазерной абляции слоистых материалов, потенциально может использоваться на абсолютно неизвестном заранее материале, что отмечает ее практическую значимость и индустриализуемость.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

1. Выполненный анализ показывает, что современные способы и технологии удаления поверхностных слоев не позволяют осуществлять контролируемую по глубине очистку и не обеспечивают необходимую точность и надежность обработки высокотехнологичных промышленных изделий. Предложенное в диссертационной работе совмещение процесса лазерной абляции с тепловой диагностикой, основанной также на излучении лазера, дает возможность создания эффективного способа бесконтактно-управляемой лазерной очистки слоистых материалов толщиной до 5 мм.

2. Установлено, что разработанный способ определения только фактического изменения толщины слоя в процессе лазерной абляции с помощью тепловой диагностики позволяет исключить ресурсоемкое математическое моделирование физических механизмов удаления материала и требуемое для этого определение теплофизических, оптических и иных характеристик слоя и подложки.

3. Разработаны теоретические методики теплового контроля, позволяющие измерять абсолютную и относительную толщину однородного изотропного слоя без непосредственного измерения свойств материала (оптических и теплофизических). Установлено, что измерения абсолютной толщины слоя возможны для покрытий не тоньше 50 микрон, в то время как отслеживание относительной толщины слоя не имеет принципиальных теоретических ограничений.

4. Предложенная комбинация двух различных режимов нагрева слоя (сфокусированным и расфокусированным пятном) дает тепловые отклики, зависящие от разных сочетаний параметров, что позволяет исключить неизвестные тепловые параметры из расчетов.

Соответственно, с измерением только фазы теплового импеданса отпадает также необходимость и в определении оптических характеристик поверхности.

5. Предложены варианты экспериментального оборудования для реализации процесса бесконтактно-управляемой лазерной абляции с поверхностным разрешением 20 мм², на расстоянии порядка 10 см и возможностью применения на слоях толщиной до 5 мм;

6. Экспериментально подтверждена применимость разработанных методов для очистки различных материалов. Толщина исследованных слоев составляла от единиц до нескольких сотен микрометров. Материалами, использованными для изготовления образцов, были нержавеющая сталь, графит, керамика. Точность технологии по количественному отслеживанию изменения толщины составила порядка 10−15%.

7. Предложены технологические карты процесса бесконтактно-управляемой лазерной абляции для очистки однородных и.

3 6 неоднородных слоев с толщиной порядка 10″ -10″ м. В случае однородного слоя разработаны методики для количественного расчета режимов абляции для удаления слоя или его заданной части, а в случае неоднородного слоя имеется возможность качественно оценить протекание процесса очистки и однозначно определить полное удаление слоя.

Показать весь текст

Список литературы

  1. ГОСТ 9.402−2004. Единая система защиты от коррозии и старения. Покрытия лакокрасочные. Подготовка металлических поверхностей к окрашиванию. М.: Стандартинформ, 2005. 43 с.
  2. Leveque R. Traitements et revetements de surface des metaux. Paris: Dunod, 2007. 472 p.
  3. Cumo M.L. Reactor Dismantling and waste management (Part 1) // International School in nuclear engineering. Saclay (France), 2008. 320 p.
  4. Bonin B. Reactor Dismantling and waste management (Part 2) // International School in nuclear engineering. Saclay (France), 2008. 378 p.
  5. ГОСТ 20 286–90. Загрязнение радиоактивное и дезактивация. Термины и определения. М.: Изд-во стандартов, 1991. 11 с.
  6. ГОСТ Р 51 966−2002. Загрязнение радиоактивное. Технические средства дезактивации. М.: Изд-во стандартов, 2003. 11 с.
  7. Decontamination techniques used in decommissioning activities: Report by the NEA Task Group on Decontamination / Nuclear energy agency of Organisation for the economic co-operation and development (NEA OECD). Paris, 1999. 51 p.
  8. Справочник по электрохимическим и электрофизическим методам обработки / Г. Л. Амитан и др. Под общ. ред. В. А. Валосатого. Л.: Машиностроение Л., 1988. 719 с.
  9. Бластинг: Гид по высокоэффективной абразивоструйной очистке. Екатеринбург: ООО «ИД «Оригами», 2007. 216 с.
  10. М.А. Лазерная дезактивация металлических поверхностей: доклад // Конгресс Росатом-СЕА. Сакле (Франция), 2009. 25 с.
  11. Bauerle D. Laser processing and chemistry, 3rd ed. New York: Springer, 2000. 788 p.
  12. Miller J.C. Laser Ablation: Principles and Applications (Springer Series in Mater. Sci., Vol. 28). Berlin: Springer-Verlag, 1994. 788 p.
  13. Bulgakova N.M., Bulgakov A.V. Pulsed laser ablation of solids: transition from normal vaporization to phase explosion // Applied Physics A: Materials Science & Processing. 2001. Vol. 73, № 2. P. 199−208.
  14. Разрушение металлов под действием излучения оптического квантового генератора: Отчет / Институт физики АН БССР. Руководитель темы М. А. Ельяшевич. Исполнители М. А. Ельяшевич и др. Инв.№КЭ-14. Минск: Институт физики АН БССР, 1963. 56 с.
  15. Действие излучения большой мощности на металлы / С. И. Анисимов и др.- под ред. A.M. Бонч-Бруевича, М. А. Ельяшевича. М.: Наука, 1970. 272 с.
  16. Ready J.F. Effects of High-Power Laser Radiation. New York: Academic Press, 1971.433 p.
  17. Ю.В., Крохин O.H. Испарение вещества под действием излучения лазера // ЖЭТФ. 1967. Т.52 С. 966−975.
  18. А.Г., Шиганов И.Н, Мисюров А. И. Технологические процессы лазерной обработки / Под ред. А. Г. Григорьянца. М.: Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2006. 664 с.
  19. Tam А.С., Park Н.К., Grigoropoulos С.Р. Laser cleaning of surface contaminants // Applied Surface Science. 1998. Vol. 127−129. P. 721−725.
  20. Dupont A. Ablation de couches superficielles de materiaux metalliques par rayonnement laser impulsionnel. These de doctorat. 10.10.1994 / L’Universite d’Aix-Marseille II. Marseille (France), 1994. 162 p.
  21. Enhancement of material ablation using 248, 308, 532, 1064 nm laser pulse with a water film on the treated surface / A. Dupont et al. // Journal of Applied Physics. 1995. Vol. 78, № 3, P. 2022−2028.
  22. Laser ablation system, and method of decontaminating surfaces. U.S. Patent 5 780 806 / R. L. Ferguson, M. C. Edelson, H.-M. Pang. 14.07.98.
  23. Laser ablation and local deposition: physical mechanisms and application for decontamination of radioactive surfaces / V. P. Veiko et al. // Journal of the Korean Physical Society. 2007. Vol. 51, № 1. P. 345−351.
  24. Laser fluence, repetition rate and pulse duration effects on paint ablation / F. Brygo et al. // Applied Surface Science. 2006. Vol. 252, № 6. P. 2131−2138.
  25. ГОСТ 18 353–79. Контроль неразрушающий. Классификация видов и методов. М.: Изд-во стандартов, 2004. 12 с.
  26. Scruby C.B., Drain L.E. Laser Ultrasonics: techniques and applications. Bristol: Adam Hilger, 1990. 447 p.
  27. ГОСТ 25 314–82. Контроль неразрушающий тепловой. Термины и определения. М.: Изд-во стандартов, 2004. 7 с.
  28. Deem H.W., Wood W.D. Flash thermal-diffusivity measurements using a laser // Review of Scientific Instruments. 1962. Vol. 33, № 10. P. 1107−1117.
  29. Almond D.P., Patel P.M. Photothermal science and techniques. London: Chapman&Hall, 1996. 241 p.
  30. Rosencwaig A. Thermal wave imaging // Science. 1982. Vol. 218. P. 223 227.
  31. Herschel Discovers Infrared Light: Электронный ресурс. (http://Coolcosmos.ipac.caltech.edu) Проверено: 01.04.2012.
  32. М. Теория теплового излучения. М.: КомКнига, 2006. 210 с.
  33. Ibarra-Castanedo С. Quantitative subsurface defect evaluation by pulsed phased tomography: depth retrieval with the phase. Doctorat thesis. Quebec, 2005. 210 p.
  34. Maldague X.P. Theory and Practice of Infrared Technology for Nondestructive Testing. New York: John Wiley & Sons, 2001. 675 p.
  35. Д.Я. Оптические методы измерения истинных температу. М.: Наука, 1982.296 с.
  36. X., Егер Д. М. Теплопроводность твердых тел М., 1964. 488 с.
  37. В.П. Инфракрасная термография и тепловой контроль. М.: Спектр, 2009. 545 с.
  38. Thermophysical characterization of coatings by the front flash method / O. Faugeroux et al. // International Journal of Thermal Sciences. 2004. Vol. 43, № 4. P. 383−401.
  39. Measurement of coating physical properties and detection of coating disbonds by time-resolved infrared radiometry/ J.W. Maclachlan Spicer et al. //Journal of Nondestructive Evaluation. 1989. Vol. 8, № 2. P. 107−120.
  40. Source patterning in time-resolved infrared radiometry of composite structures / J.W. Maclachlan Spicer et al. // Thermosense XIV: SPIE Proc. 1991. Vol. 1467. P. 311−321.
  41. Surface heating by pulsed repetition rate nanosecond lasers / A. Semerok et al. // LTL Symposium Proceedings. Smolyan, 2006. P.76−83.
  42. Infrared active thermography for surface layer characterization (JW6-FT-4.8 DPC): rapport CEA / A. Semerok et al. NT DPC/SCP 07−225 indice A. Saclay, 2007. 29 p.
  43. Wu D., Busse G. Lock-in Thermography for NonDestructive Evaluation of Materials // Revue Generale de Thermique. 1998. Vol. 37. P. 693−703.
  44. Baumann J., Tilgner R. Determining photothermally the thickness of a buried layer // Journal of Applied Physics. 1985. Vol. 58, № 5. P. 1982−1985.
  45. Thermoreflectance technique to measure thermal effusivity distribution with high spatial resolution / K. Hatori et al. // Review of Scientific Instruments. 2005. Vol. 76, № 11. P. 114 901−114 910.
  46. Schmidt A. J., Cheaito R., Chiesa M. Characterization of thin metal films via frequency-domain thermoreflectance // Journal of Applied Physics. 2010. Vol. 107, № 2. P. 24 908−24 916.
  47. Influence of laser beam size on measurement sensitivity of thermophysical property gradients in layered structures using thermal-wave techniques / C. Wang et al. // Journal of Applied Physics. 2008. Vol. 103, № 4. P. 43 510−43 519.
  48. Melyukov D.V. Etude et developpement d’une methode de caracterisation in-situ et a distance de depots en couches minces par pyrometrie active laser. These de Doctorat. 05.10.2011 / ENISE. Saint-Etienne (France), 2011. 132 p.
  49. Phase Lock-In Laser Active Pyrometry For Surface Layer Characterisation: rapport CEA / A. Semerok et al. NT DPC/SCP 09−301 indice A. Saclay, 2009. 94 p.
  50. Thermal Quadrupoles: Solving the Heat Equation through Integral Transforms / D. Maillet et al. New York: John Wiley & Sons, 2000. 384 p.
  51. И.К. Параметрический анализ систем (базовый курс): Электронный ресурс., (http://bigor.bmstu.ru). Проверено 01.04.2012.
  52. Beck J.V., Arnold K.J. Parameters Estimation in Engineering and Science. New York: Wiley, 1977. 501 p.
  53. Rogalski A. HgCdTe infrared detector material: history, status and outlook // Reports on Progress in Physics. 2005. Vol. 68, № 10. P. 2267−2336.
  54. IR Detectors Catalogue: Электронный ресурс. (http://www.vigo.com.pl/index.php/en/content/download/2411/10 089/file/catalogu e%20 312.pdf). Проверено: 01.04.2012.
  55. Германий и приложения: Электронный ресурс. (http://www.geapplic.ru/GeApplic.files/product-r.htm). Проверено 01.04.2012.
  56. Opsal J., Rosencwaig A., Willenborg D.L.Thermal-wave detection and thin-film thickness measurements with laser-beam deflection // Applied Optics. 1983. Vol. 22, № 20. P. 3169−3176.
  57. Scofield John H. Frequency-domain description of a lock-in amplifier // American Journal of Physics (A APT). 1994. Vol.62, № 2. P. 129−133.
  58. П., Хилл У. Искусство схемотехники. М.: Мир, 1993. 720 с.
Заполнить форму текущей работой

Пора сдавать?