Разработка и исследование процесса бесконтактно-управляемой лазерной абляции слоистых материалов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.07, кандидат технических наук Мелюков, Дмитрий Валерьевич

  • Мелюков, Дмитрий Валерьевич
  • кандидат технических науккандидат технических наук
  • 2012, Москва
  • Специальность ВАК РФ05.02.07
  • Количество страниц 140
Мелюков, Дмитрий Валерьевич. Разработка и исследование процесса бесконтактно-управляемой лазерной абляции слоистых материалов: дис. кандидат технических наук: 05.02.07 - Автоматизация в машиностроении. Москва. 2012. 140 с.

Оглавление диссертации кандидат технических наук Мелюков, Дмитрий Валерьевич

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

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 1

ГЛАВА 2. Технологии бесконтактной и дистанционной

неразрушающей диагностики

2.1. Введение

2.2. Активная неразрушающая тепловая диагностика

2.2.1. Тепловое излучение 3

2.2.2. Тепловые волны

2.2.3. Методики определения параметров 45 2.1. Выводы главы 2

ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ

ГЛАВА 3. Теоретический анализ технологии бесконтактно-

управляемой 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 3 69 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 4

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 5

ГЛАВА 6. Технологические карты процесса бесконтактно-

управляемой 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

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Рекомендованный список диссертаций по специальности «Автоматизация в машиностроении», 05.02.07 шифр ВАК

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование процесса бесконтактно-управляемой лазерной абляции слоистых материалов»

ВВЕДЕНИЕ

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.

Похожие диссертационные работы по специальности «Автоматизация в машиностроении», 05.02.07 шифр ВАК

Заключение диссертации по теме «Автоматизация в машиностроении», Мелюков, Дмитрий Валерьевич

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.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Мелюков, Дмитрий Валерьевич, 2012 год

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. Lévêque R. Traitements et revêtements de surface des métaux. 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 20286-90. Загрязнение радиоактивное и дезактивация. Термины и определения. М.: Изд-во стандартов, 1991. 11 с.

6. ГОСТ Р 51966-2002. 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. Полуэктов П.П., Черников М.А. Технология пенной дезактивации оборудования: доклад // Конгресс Росатом-СЕА. Сакле (Франция), 2009. 30 с.

-13511. Анисимов С.И., Лукьянчук Б.С. Избранные задачи теории лазерной абляции // Успехи физических наук. 2002. №3. С. 301-333.

12. Черников М.А. Лазерная дезактивация металлических поверхностей: доклад // Конгресс Росатом-СЕА. Сакле (Франция), 2009. 25 с.

13. Bauerle D. Laser processing and chemistry, 3rd ed. New York: Springer, 2000. 788 p.

14. Miller J.C. Laser Ablation: Principles and Applications (Springer Series in Mater. Sci., Vol. 28). Berlin: Springer-Verlag, 1994. 788 p.

15. 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.

16. 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.

17. 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.

18. Ready J.F. Effects of High-Power Laser Radiation. New York: Academic Press, 1971.433 p.

19. Афанасьев Ю.В., Крохин O.H. Испарение вещества под действием излучения лазера // ЖЭТФ. 1967. Т.52 С. 966-975.

20. Григорьянц 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.

21. Veyko V.P., Shakhno Е.А. Physical mechanisms of laser cleaning // Laser Cleaning / ed. B. Luk'yanchuk. Singapore: World Scientific, 2002. P. 311-340.

-13622. Взаимодействие лазерного излучения с веществом / В.П.Вейко [и др.]. Под ред. В.И. Конова. М.: ФИЗАМТЛИТ, 2008. 312 с.

23. Tam А.С., Park Н.К., Grigoropoulos С.Р. Laser cleaning of surface contaminants // Applied Surface Science. 1998. Vol. 127-129. P. 721-725.

24. Dupont A. Ablation de couches superficielles de matériaux métalliques par rayonnement laser impulsionnel. Thèse de doctorat. 10.10.1994 / L'Universite d'Aix-Marseille II. Marseille (France), 1994. 162 p.

25. 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.

26. Laser ablation system, and method of decontaminating surfaces. U.S. Patent 5780806 / R. L. Ferguson, M. C. Edelson, H.-M. Pang. 14.07.98.

27. 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.

28. 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.

29. ГОСТ 18353-79. Контроль неразрушающий. Классификация видов и методов. М.: Изд-во стандартов, 2004. 12 с.

30. Scruby C.B., Drain L.E. Laser Ultrasonics: techniques and applications. Bristol: Adam Hilger, 1990. 447 p.

31. Карабутов A.A., Пеливанов И.М., Подымова Н.Б. Неразрушающий контроль дефектов структуры графитоэпоксидных композитов лазерным ультразвуковым методом // Механика композитных материалов. 2000. Т. 36, №6. С. 831-838.

-13732. Maldague X.P. Infrared and Thermal Testing // Nondestructive Handbook on Infrared Technology, Volume 3, ASNT Handbook Series / P.O. Moore ed. Columbus: ASNT Press, 2001. 718 p.

33. ГОСТ 25314-82. Контроль неразрушающий тепловой. Термины и определения. М.: Изд-во стандартов, 2004. 7 с.

34. Deem H.W., Wood W.D. Flash thermal-diffusivity measurements using a laser // Review of Scientific Instruments. 1962. Vol. 33, № 10. P. 1107-1117.

35. Almond D.P., Patel P.M. Photothermal science and techniques. London: Chapman&Hall, 1996. 241 p.

36. Rosencwaig A. Thermal wave imaging // Science. 1982. Vol. 218. P. 223227.

37. Herschel Discovers Infrared Light: [Электронный ресурс]. (http://Coolcosmos.ipac.caltech.edu) Проверено: 01.04.2012.

38. Планк М. Теория теплового излучения. М.: КомКнига, 2006. 210 с.

39. Ibarra-Castanedo С. Quantitative subsurface defect evaluation by pulsed phased tomography: depth retrieval with the phase. Doctorat thesis. Quebec, 2005. 210 p.

40. Maldague X.P. Theory and Practice of Infrared Technology for Nondestructive Testing. New York: John Wiley & Sons, 2001. 675 p.

41. Свет Д.Я. Оптические методы измерения истинных температу. М.: Наука, 1982.296 с.

42. Карслоу X., Егер Д.М. Теплопроводность твердых тел М., 1964. 488 с.

43. Balageas D.L., Krapez J.-C., Cielo P. Pulsed photothermal modeling of layered materials// Journal of Applied Physics. 1986. Vol. 59, № 2. P. 348-357.

-13844. Krapez J.-С. Thermal effusivity profile characterization from pulse photothermal data // Journal of Applied Physics. 2000. Vol. 87, № 9, Part 1. P. 4514-4524.

45. Вавилов В.П. Инфракрасная термография и тепловой контроль. М.: Спектр, 2009. 545 с.

46. 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.

47. 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.

48. 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.

49. Surface heating by pulsed repetition rate nanosecond lasers / A. Semerok [et al.] // LTL Symposium Proceedings. Smolyan, 2006. P.76-83.

50. 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.

51. Wu D., Busse G. Lock-in Thermography for NonDestructive Evaluation of Materials // Revue Générale de Thermique. 1998. Vol. 37. P. 693-703.

52. Baumann J., Tilgner R. Determining photothermally the thickness of a buried layer // Journal of Applied Physics. 1985. Vol. 58, № 5. P. 1982-1985.

53. Reichling M., Gronbeck H. Harmonic heat-flow in isotropic layered systems and its use for thin-film thermal-conductivity measurements // Journal of Applied Physics. 1994. Vol. 75, № 4. P. 1914-1922.

-13954. Salazar A., Sanchez-Lavega A., Terron J.M. Effective thermal diffusivity of layered materials measured by modulated photothermal techniques // Journal of Applied Physics. 1998. Vol. 84, № 6. P. 3031-3041.

55. Thermoreflectance technique to measure thermal effusivity distribution with high spatial resolution / K. Hatori [et al.] // Review of Scientific Instruments. 2005. Vol. 76, № 11. P. 114901-114910.

56. 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. 024908-024916.

57. 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. 043510-043519.

58. Melyukov D.V. Etude et développement d'une méthode de caractérisation in-situ et à distance de dépôts en couches minces par pyrométrie active laser. Thèse de Doctorat. 05.10.2011 / ENISE. Saint-Etienne (France), 2011. 132 p.

59. 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.

60. Thermal Quadrupoles: Solving the Heat Equation through Integral Transforms / D. Maillet [et al.]. New York: John Wiley & Sons, 2000. 384 p.

61. Романова И.К. Параметрический анализ систем (базовый курс): [Электронный ресурс], (http://bigor.bmstu.ru). Проверено 01.04.2012.

62. Beck J.V., Arnold K.J. Parameters Estimation in Engineering and Science. New York: Wiley, 1977. 501 p.

63. Leontyev A.V. Laser decontamination and cleaning of metal surfaces: Experimental studies and modeling. Thèse de Doctorat. 08.11.2011 / Université Paris-Sud 11. Orsay (France), 2011. 144 p.

-14064. Photoconductive Mercury Cadmium Telluride Detectors: [Электронный ресурс]. (http://www.teledynejudson.com/mercadm_ pc.html). Проверено: 01.04.2012.

65. Rogalski A. HgCdTe infrared detector material: history, status and outlook // Reports on Progress in Physics. 2005. Vol. 68, № 10. P. 2267-2336.

66. IR Detectors Catalogue: [Электронный ресурс]. (http://www.vigo.com.pl/index.php/en/content/download/2411/10089/file/catalogu e%20312.pdf). Проверено: 01.04.2012.

67. Германий и приложения: [Электронный ресурс]. (http://www.geapplic.ru/GeApplic.files/product-r.htm). Проверено 01.04.2012.

68. 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.

69. Scofield John H. Frequency-domain description of a lock-in amplifier // American Journal of Physics (A APT). 1994. Vol.62, № 2. P. 129-133.

70. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. М.: Мир, 1993. 720 с.

Обратите внимание, представленные выше научные тексты размещены для ознакомления и получены посредством распознавания оригинальных текстов диссертаций (OCR). В связи с чем, в них могут содержаться ошибки, связанные с несовершенством алгоритмов распознавания. В PDF файлах диссертаций и авторефератов, которые мы доставляем, подобных ошибок нет.