НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

"КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ"

Роман Віктор Васильович

УДК 621.375.826

ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ ЛАЗEРНОЇ ОБРОБКИ ВИКОРИСТАННЯМ СПЕЦІАЛЬНИХ СИСТЕМ ФОКУСУВАННЯ НА БАЗІ СФЕРИЧНИХ ДЗЕРКАЛ

Спеціальність 05.03.07- Процеси фізико-технічної обробки

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ-2001

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано на кафедрі лазерної технології, конструювання машин та матеріалознавства Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут”, Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник | доктор технічних наук, професор Головко Леонід Федорович, Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”.

Офіційні опоненти: | доктор технічних наук, професор Котельніков Дмитрo Іванович, Чернігівський технологічний інститут, завідуючий кафедрою;

кандидат технічних наук Осіпенко Василь Іванович, Черкаський інженерно-технологічний інститут, доцент кафедри обробки матеріалів за спецтехнологіями.

Провідна установа | Фізико-технологічний інститут металів і сплавів НАН України, відділ плавки та рафінування сплавів (м. Київ).

Захист дисертації відбудеться 17грудня 2001 р. о 15.00 на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.002.15 при Національному технічному університеті України “Київський політехнічний інститут” Міністерства освіти і науки України, 03056, Київ-56, пр. Перемоги 37, корп. 19, ауд. 417.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці НТУУ “КП” за адресою: 03056, Київ-56, пр. Перемоги 37.

Автореферат розіслано “16 ” листопада 2001 р.

Виконуючий обов’язки

вченого секретаря ради

д.т.н., проф. Фомічов С.К.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Одними з основних факторів, які суттєво впливають на тепловий стан матеріалу під час обробки лазерним променем, є розподіл потужності пучка на опромінюваній поверхні, розміри та форма його перерізу. Вдалий вибір цих характеристик дозволяє більш ефективно використовувати енергію випромінювання та значно розширити технологічні можливості лазерної обробки. Окрім цього, необхідно враховувати ще й те, що для кожного її виду існує своя, найбільш оптимальна просторова структура променя.

Приймаючи до уваги існуючу зараз тенденцію до інтеграції обладнання, а саме, використання лазерних центрів, які могли б виконувати всі необхідні операції обробки матеріалів на базі одного випромінювача, виникає необхідність застосування універсальної системи для керування просторовими характеристиками променя як доцільного додатку до цих центрів. При цьому бажаним є мінімальна кількість оптичних елементів на шляху випромінювання, що дозволяє легко настроювати або змінювати оптичні характеристики системи, зменшити небажані втрати та викривлення променя.

Але в теперишній час не існує дешевих, зручних в експлуатації приладів, здатних задовільнити наведеним вище вимогам.

Відомо, що для фокусування потужних лазерних пучків широко використовують сферичні дзеркала. При цьому виникають неминучі викривлення (аберрації) просторової структури випромінювання, які, як правило, намагаються мінімізувати. В роботі, з метою підвищення ефективності лазерної обробки шляхом керування просторовою структурою випромінювання, пропонується навпаки, керовано змінювати ці аберрації.

Зв'язок роботи з науковими програмами університету: дослідження проводилися у рамках державних проектів “Розробка дослідного зразка лазерної установки для нанесення на деталі технічної інформації” (номер державної реєстрації 0196V009805 від 1997 року) та “Розробка наукових основ лазерного багатовимірного формоутворення різноманітних виробів та розробка промислового варіанту лазерного устаткування для машинобудування, медицини” (номер державної реєстрації 197V009828 від 1999 року).

Мета роботи: підвищити ефективність лазерної обробки матеріалів шляхом керування просторово-часовими характеристиками випромінювання використовуючи аберрації, які виникають при фокусуванні лазерного пучка сферичним дзеркалом, завдяки застосуванню спеціально розроблених фокусуючої системи та алгоритму для розрахунку її оптичних параметрів.

Завдання дослідження. Для досягнення поставленої мети необхідно виконати слідуючі завдання:

-

-

-

-

-

-

-

-

Об'єкт і методи дослідження. На осніві теоретичних моделей й експериментів вивчалися аберрації лазерного випромінювання під час його фокусування сферичним дзеркалом, їх вплив на тепловий стан тіла, що опромінюється та на ефективність лазерної обробки.

Наукова новизна одержаних результатів полягає у наступному:

-

-

-

-

Практичне значення одержаних результатів полягає в слідуючому:

-

-

-

-

Реалізація результатів роботи. Уникнуто утворення тріщин, збільшенo твердість у 1,2-1,3 та глибина у 1,4-2 рази зміцненого шару при лазерному зміцненні пресформ на ВАТ "Хіммаш" (м. Коростень).

Апробація роботи. Результати дисертації оприлюднені на чотирьох міжнародних конференціях, на засіданнях кафедри лазерної технології, конструювання машин та матеріалознавства ММІ НТУУ “КПІ”.

Публікації. По темі дисертаційної роботи опубліковано 12 наукових праць, з них 5 статей, 1 патент 3 тези та 3 анотації наукових конференцій.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, шости розділів, висновків, списку використаних джерел із 76 найменувань та додатків. Робота містить 148 сторінок машинописного тексту, 64 рисунка і 7 таблиць.

Основний зміст роботи

У вступі обгрунтовується актуальність теми дисертаційної роботи, формулюються основні положення, що виносяться на захист, доводиться новизна та практична цінність досліджень.

Перший розділ містить аналіз доцільності оптимізації просторової структури випромінювання при лазерній обробці, обговорюються способи керування просторовими характеристиками пучка, розглядаються різні види лазерного технологічного обладнання, системи фокусування та методи розрахунку їх параметрів. Виходячи з літературного обзору, зроблено висновок, що для кожного виду обробки існують свої найбільш оптимальні характеристики лазерного випромінювання.

Оскільки існуюче технологічне обладнання принципово не дозволяє змінювати форму перерізу та розподіл потужності вихідного з резонатора пучка, а також, зважуючи на існуючу тенденцію до виконання всіх операцій обробки на базі одного випромінювача, зроблено висновок про необхідність розробки зручної в експлуатації, дешевої системи для керування просторовою структурою променя, яка могла б бути доцільним додатком до лазерного комплексу. Для вирішення цієї проблеми запропоновано фокусуючу оптичну систему на базі сферичного дзеркала. На відміну від існуючих, вона дозволяє керовано змінювати аберрації, що виникають при фокусуванні лазерного пучка сферою, з метою отримання бажаних просторових характеристик випромінювання.

У другому розділі на підставі попередніх теоретичних та експериментальних досліджень визначені фактори та параметри, що характеризують просторову структуру променя, сфокусованого сферичним дзеркалом (рис.1), та виявлені ті з них, які необхідно враховувати при створенні математичної моделі.

Фактори, які впливають на просторову структуру сфокусованого сферичним дзеркалом лазерного пучка, можна поділити на три групи: характеристики променя, характеристики дзеркала та умови взаємоположення. До першої групи відносяться (рис. 1.): первинний розподіл потужності у пучку випромінювання W(x,z) (приймався довільний розподіл, який можна отримати на установках- Гаусовий, рівномірний, кільцевий); форма й розміри перерізу променя (коло з діаметром D, кільце з відношенням зовнішнього та внутрішнього діаметрів D/d, прямокутник з розмірами сторін аb); довжина хвилі випромінювання та вид поляризації. Довжина хвилі пучка визначає розбіжність та коефіцієнт відбивання випромінювання. Вважалося, що розбіжність променя дорівнює нулю, коефіцієнт відбивання дзеркала- 1, а коефіцієнт поглинання поверхні деталі, внаслідoк використання покриття, незмінний. Поляризація пучка приймалася круговою, що дало змогу виключити її вплив на просторові характеристики променя на поверхні деталі.

До другої групи параметрів відносяться радіус кривини R дзеркала (рис. 1) та його коефіцієнт відбивання, який при розрахунках дорівнює 100%.

До третьої групи відносяться кут падіння лазерного променя на дзеркало та відстань між дзеркалом та площиною фокусування Р (риc. 1).

Параметри, які відображують просторову структуру сфокусованого лазерного променя, можна поділити на дві групи: параметри форми перерізу (рис. 1.в) та параметри розподілу потужності (рис. 1.г, 1.д) випромінювання.

До першої групи відносяться (рис. 1.в):

-

-

-

-

та , (1)

-

До другої групи відносяться (рис. 1.г, 1.д):

-

-

-

, . (4)

Часова структура випромінювання на поверхні обробки визначається швидкістю руху променя та часовою структурою первинного пучка.

Для визначення викривлень, що виникають при фокусуванні променя сферичним дзеркалом, базуючись на принципах геометричної оптики та схемі “променевого пакету”, отримана методика, яка дозволяє розраховувати форму й розміри перерізу сформованого променя та розподіл потужності по ньому.

Розрахунок просторової структури виконується за такою послідовністю:

-

-

-

-

-

-

-

У третьому розділі наведено результати ряду однофакторних експериментів, які дозволили довести точність розрахункової моделі (15-25 %) та можливість її використання для аналізу викривлень просторової структури променя під час його фокусування сферою (рис. 2, 3).

Як видно з графиків та рисунку 2, розміри перерізу променя, отримані за допомогою розрахункової моделі, менші, ніж експериментальні. Це може бути пояснено тим, що при розрахунках вважалося, що лазерне випромінювання обмежується ефективним діаметром Гаусового пучка, а розбіжність променя дорівнює нулю, хоча в експериментальній установці вона дорівнює 0,75 мрад. Якісно результати експериментів та розрахунків добре узгоджуються між собою.

Базуючись на розрахунковій моделі та на результатах попередніх експериментів, визначено факторний простір, в якому доцільно проводити експериментальне моделювання процесу фокусування випромінювання сферою (табл. 1). Для зменшення кількості експериментів, внаслідок суттєвого зміщення положення зони, в якій відбуваються викривлення пучка при зміні радіусу кривини дзеркала (фактор х1) та кута падіння променя на сферу (фактор х2) було прийнято, що границі варіювання відстані від дзеркала до площини фокусування Р1-Р2 (фактор х4) залежать від значень двох попередніх факторів:

(5)

де - х1, х2, Х1, Х2- кодовані та натуральні значення першого та другого факторів, відповідно.

Таблиця 1.

Факторний простір експерименту.

Фактор | Умовні

позначення | Границі зміни факторів | Кількість рівнів

Радіус кривини дзеркала R, мм | X1 | 900-1600 | 3

Кут падіння променя на сферу , о | X2 | 10-31 | 8

Діаметр променя D, мм | X3 | 25-41 | 5

Відстань від дзеркала до площини фокусування Р, мм | X4 | Р1-Р2 | 16

Базуючись на розробленому плані, використовуючи Гаусов пучок, проведено багатофакторний експеримент, в результаті якого отримані моделі, які характеризують зміну параметрів просторової структури лазерного променя (розділ 2). Моделі уявляють собою поліноми четвертого ступеня.

Четвертий розділ. Базуючись на багатофакторних, однофакторних та чисельних експериментах визначені закономірності зміни просторової структури випромінювання внаслідок його формування сферою (рис. 2, 3, 4) та доведено, що вони можуть змінюватися у широкому діапазоні.

П'ятий розділ. Для оптимального використання лазерних пучків з різноманітними просторово-часовими структурами при обробці матеріалів доцільно визначити їх вплив на тепловий стан деталі, що опромінюється. Для цього розрахуємо темпертуру тіла, яке має форму прямокутного паралелепіпеда (рис. 5) та первинну температуру Тн. Його поверхні знаходяться у процессі теплообміну з навколишнім середовищем, температури Тс. На верхню поверхню деталі (поверхню обробки) діє лазерний промінь, що рухається зі швидкістю V та має довільний розподіл потужності по перерізу.

Введемо ортогональну систему координат XOYZ так, як це показано на рис. 5. Характер розподілу температур всередині тіла описується диференційним рівнянням:

, (6)

де с- тепломісткість, - густина матеріалу заготовки.

Начальними умовами при вирішенні задачі будуть:

. (7)

Крайові умови мають вигляд:

в зоні дії лазерного випромінювання:

, (8)

поза зони дії випромінювання:

, (z=0, Lz); (9)

; (10)

, (y=0, Ly); (11)

де Т(x,y,z,t)- температура в точці з координатами (x,y,z,) в момент часу t, - коефіцієнт теплопроводності, - коефіцієнт тепловіддачі.

Для розв'язку задачі, базуючись на методі кінцевих різниць, розроблено відповідну методику, яка дозволяє розраховувати температурні поля, що виникають внаслідок дії променя з будь-якими просторовими характеристиками за умовами температурної залежності властивостей матеріалу, часової залежності потужності променя та при поширенні випромінювання всередину тіла. Методика може бути використана для тіла довільної форми. Точність розробленної методики ілюструють два слідуючих приклада.

Відомо, що коли , де rf- радіус плями фокусування пучка, амах- максимальний для даного матеріалу коефіцієнт температуропроводності, поширення тепла всередені тіла можна вважати одномірним. Тоді поставлена задача теплопроводності зводиться до визначення розподілу температур у пластині, до верхньої поверхні якої підводиться потік тепла. Точний розв'язок цієї задачі відомий і дає можливість оцінити точність розрахунків методом кінцевих різниць. Порівняння результатів розрахунків температури пластини, отриманих методом кінцевих різниць та за допомогою точного рішення показує, що їх максимальна похибка дорівнює 0,044 і зменшується за часом.

Значення температур, розрахованих методом кінцевих різниць, також були порівняні з відомими даними, що отримані за допомогою методу чисельного інтегрування. З цією метою розраховано температурне поле, яке створюється у півнескінченному сталевому тілі, на верхню поверхню якого діє рухомий Гаусовий лазерний промінь. Температурні поля, отримані методами чисельного інтегрування (рис. 6.а) та кінцевих різниць (рис. 6.б) добре узгоджуються між собою.

На основі розробленної методики розраховані температурні стани (рис. 7.а-г) півнескінченних тіла та клина під дією пучка з різними характеристиками (рис. 7.д). Використовуючи розроблену методику, можна зробити висновок про можливість керування в широкому діапазоні тепловим станом деталі, використовуючи викривлення лазерного променя, які виникають при його фокусуванні сферичним дзеркалом.

У шостому розділі наведені рекомендації щодо підвищення ефективності лазерної обробки завдяки раціональному застосуванню сферичних дзеркал.

Для використання наведених рекомендацій у промисловості розроблена відповідна система (рис. 8), яка може керовано змінювати свої оптичні параметри, а значить, й просторові характеристики лазерного пучка. В системі сферичне дзеркало виконує одразу дві функції: перша, традиційна,- фокусує пучок у пляму з заданою густиною потужності, друга, нетрадиційна,- керує просторовою структурою променя. Розрахунок оптичних параметрів системи виконується за допомогою розроблених алгоритма та програмного забезпечення.

Ефективність розробленої оптичної системи та рекомендацій по її застосуванню були перевірені на прикладі лазерного зміцнення, легування та наплавлювання. При цьому для порівняння використовувалися промені з рівномірним розподілом потужності по перерізу та з розподілом, максимум якого зміщений від центру (деталь розміщена поблизу меридіонального фокусу сфери).

Застосування пучка з максимумом у передньому фронті та пологим заднім фронтом, внаслідок зменшення швидкості охолодження, дозволило отримати більш гомогенний шар обробки й уникнути утворення в ньому тріщин при зміцненні сталі У10 (Wp=1,9104 Вт/см2, V=33 мм/с) (рис. 9.а-б) та при легуванні лопатки газової турбини (сталь ЖС6К) порошком ХТН (12Х18Н10Т, TiB2, CrB2).

При поверхневому зміцненні зубчастих коліс масляного насосу, виготовлених з чавуна ВЧ50 (густина потужності лазерного променя Wp=6103 Вт/см2, коефіцієнт поглинання поверхні 0,75, V=8,5 мм/с) використання аналогічної схеми обробки, внаслідок зменшення швидкості охолодження та збільшення витримки матеріалу при температурі, що перевищує точку Ас3, призвело до більш повного розподілу вуглецю і, як наслідок, утворенню гомогенного аустеніту на більшій глибині та менш різкій зміні твердості у перехідній області, ніж при використанні пучка з рівномірним розподілом (рис. 9.в-г). Твердість зміцненого шару дорівнює 9000-95000 МПа.

Використання променя з нерівномірним розподілом потужності дозволяє також уникнути утворення тріщин та знизити у 1,4 рази стискаючі та у 2,2 рази розтягуючі напруження у наплавлених на сталеву основу (сталь 45) шарах самофлюсуючихся сплавів (ХТН та ПГ-СР4).

Надані рекомендації та сконструйована фокусуюча система, завдяки використанню пучка зі зміщеним від центру максимумом потужності, дозволили також отримати гомогенний зміцнений шар у деталі клиновидної форми.

Загальні висновки

Розроблено спосіб керування просторовими характеристиками пучка, який базується на аберраціях сферичних дзеркал і дозволяє шляхом оптимізації просторової структури лазерного променя значно підвищити ефективність обробки: розширити її технологічні можливості- обробка деталей з обмеженими умовами тепловідводу; підвищити її якість- отримання більш гомогенного зміцненого, легованого та наплавлюваного шару, уникнення утворення тріщин та зменшення термонапружень; підвищити швидкість обробки.

Визначені фактори (розміри та форма перерізу первинного пучка, розподіл інтенсивності по ньому, радіус кривини сфери, кут падіння випромінювання на неї та відстань від сфери до площини фокусування), які впливають на викривлення лазерного променя під час його фокусування сферичним дзеркалом.

Розроблено модель, яка дозволяє розраховувати форму перерізу сфокусованого сферичном дзеркалом променя та розподіл інтенсивності по ньому в залежності від факторів, що характеризують фокусуючу систему. Запропоновані параметри (площа перерізу й розміри променя, еліптичність, трикутність, зміщення вісі пучка відносно його геометричного центру, максимальне значення інтенсивності у сформованому промені, відношення максимальних значень інтенсивності вздовж сагітальної та меридіональної вісей до інтенсивності на вісі поширення променя, відстані між віссю поширення променя і точками з максимальним значенням інтенсивності вздовж сагітальної та меридіональної вiсей), які описують просторову структуру пучка випромінювання, сфокусованого сферою.

Отримані експериментальні й математичні залежності між факторами й параметрами, що визначають аберрації пучка при його фокусуванні сферою.

Удосконалено методику розрахунку розподілу температур у матеріалі, на який діє рухаючийся лазерний промінь з різноманітними розподілами потужності, яка може бути використана для деталі довільної форми за умови пoширення променя в її середину, зміни потужності випромінювання від часу та температурної залежності теплофізичних властивостей матеріалу.

Доведенo можливість отримання біля меридіонального фокусу сферичного дзеркала плями фокусування з формою, близькою до прямокутної, з майже рівномірним розподілом потужності вздовж сагітальної та з крутим переднім та пологим заднім фронтами вздовж меридіональної вісей. Використання такої плями (радіус кривини сфери R=1600 мм, діаметр променя D=42 мм, кут падіння лазерного випромінювання на сферу =30о, відстань від сфери до площини фокусування Р=660-665 мм) дозволяє обробляти (зміцнювати, наплавлювати, легувати) широкою полосою та уникати утворення концентраторів напружень у зонах відпуску. Завдяки пологому задньому фронту зменшується швидкість охолодження деталі, подовжується час витримки при обраній температурі, що запобігає утворенню тріщин в обробленому шарі, зменшує його неоднорідність та напруженість. При R=1600 мм, D=42 мм, варіювання від 5о до 65о дозволяє змінювати ширину ізотерми закалки від 0,3 до 20 мм та збільшувати її глибину у 1,5-2,5 рази при майже незмінній формі.

Показано, що внаслідок зміни кута між меридіональною віссю перерізу променя та напрямком його руху можливо керувати швидкостями охолодження (від 500 до 3104 К/с) .

Різання та прошивку отворів доцільно проводити при розміщенні деталі поблизу меридіонального фокусу сфери, але необхідно мінімізувати кут падіння пучка на дзеркало (R=1600 мм, D=42 мм, =5-7о, Р=796-798 мм), а при прошивці отворів бажано, щоб деталь ще й оберталась відносно променя.

Обробку деталей з обмеженими умовами тепловідводу, зварювання матеріалів з відрізняючимися теплофізичними властивостями необхідно здійснювати поблизу першого або другого фокусів сфери, де спостерігається зміщення максимуму потужності від центру плями фокусування (R=1600 мм, D=42 мм, =30о, Р=650-690 або 920-945 мм).

Термосколювання бажано проводити при розміщенні деталі поблизу сагітального фокусу дзеркала (R=1600 мм, D=42 мм, =5о, Р=803 мм).

Для практичного застосування розроблених рекомендацій щодо ефективного використання сферичних дзеркал при лазерній обробці запропоновано спеціальну фокусуючу систему, а також алгоритм і програму розрахунку її оптичних параметрів.

Наведені рекомендації та працездатність розробленої оптичної системи перевірені. У порівнянні з результатами обробки променем з рівномірним розподілом потужності при наплавці уникнуто утворення тріщин, зменшені у 1,5-2,2 рази термонапруження; при зміцненні збільшенo твердість у 1,2-1,3 та глибина у 1,4-2 рази зміцненого шару.

ДРУКОВАНІ ПРАЦІ ПО ТЕМІ ДИСЕРТАЦІЇ

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.

11.

12.

Особистий внесок здобувача: отримання експериментальних та теоретичних моделей процесу фокусування лазерного випромінювання сферичним дзеркалом; доведення можливості керування просторовою структурою променя, використовуючи аберрації сфери; розробка фокусуючої системи для керування просторовими характеристиками пучка, рекомендацій по її використанню; дослідження процесу гіпертермії біотканин; експериментальне та теоретичне вивчення властивостей напівпрвідників.

Анотація

Роман В.В. Підвищення ефективності лазерної обробки використанням спеціальних систем фокусування на базі сферичних дзеркал. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю: 05.03.07- процеси фізико-технічної обробки. - Національний технічний університет України, “Київський політехнічний інститут”, Київ, 2001.

Робота присвячена підвищенню ефективності лазерної обробки шляхом керування просторово-часовою структурою лазерного випромінювання.

В роботі доведена можливість керування в широкому діапазоні розподілом потужності та формою перерізу лазерного променя, а значить й тепловим станом деталі, використовуючи аберрації сферичного дзеркала. Для цього були розроблені відповідні теоретичні та експериментальні моделі.

Базуючись на отриманих експериментальних та математичних залежностях, надані рекомендації щодо підвищення ефективності лазерної обробки шляхом оптимального використання сферичних дзеркал.

Для застосування наведених рекомендацій розроблені спеціальна фокусуюча система та, для отриманння на виході з неї променя з оптимальними просторовими характеристиками, алгоритм розрахунку її оптичних параметрів.

Ефективність наведених рекомендацій, працездатність розробленної фокусуючої системи та алгоритму підбору її оптичних параметрів доведені на прикладі лазерного наплавлювання зміцнення та легування.

Ключові слова: просторово-часова структура випромінювання; сферичне дзеркало; тепловий стан тіла, що опромінюється; фокусуюча система; ефективність лазерної обробки.

Аннотация

Роман В.В. Повышение эффективности лазерной обработки использованием специальных систем фокусирования на базе сферических зеркал.- Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.03.07 – процессы физико-технической обработки. Национальный технический университет Украины “ Киевский политехнический институт”, Киев, 2001.

Работа посвящена повышению эффективности лазерной обработки путем управления пространственно-временной структурой излучения.

Проведенный литературный обзор показал целесообразность управления пространственно-временными характеристиками излучения при лазерной обработке. Однако, в настоящее время не существует дешевых, удобных в управлении и настройке систем, которые способны изменять форму сечения и распределение интенсивности пучка в широком диапазоне.

В работе доказана возможность использования для этой цели аберраций сферических зеркал. Для этого выявлены факторы и параметры, которые определяют пространственную структуру излучения, сфокусированного сферическим зеркалом, получены соответствующие математическая и экспериментальные модели, которые хорошо соответствуют друг-другу. Они позволили выявить основные закономерности изменения пространственной структуры излучения, сфокусированного сферой.

С цельюю оптимального использования аберраций пространственно-временных характеристик лазерного излучения при обработке материалов на основе метода конечных разностей пoлучена методика исследования теплового состояния твердого изотропного однородного тела, подверженного воздействию подвижного лазерного пучка с произвольной пространственной структурой. Методика применима для тела любой формы при условии проникновения излучения в его середину, температурной зависимости свойств материала и временной зависимости мощности излучения. Ее точность и эффективность проверены сравнением полученных результатов с известными точным и численным решениями. Разработанная методика показала, что использование лазерного излучения с характеристиками, которые можно получить при его фокусировке сферическим зеркалом, позволяет эффективно управлять тепловым состоянием детали.

Основываясь на полученных зависимостях даны рекомендации, которые, благодаря рациональному использованию сферических зеркал, дают возможность повысить качество лазерной обработки, уменьшить энергоемкость и расширить ее технологические способности.

Для использования приведенных рекомендаций в промышленности разработана специальная фокусирующая система на базе сферического зеркала, которое выполняет одновременно две функции: фокусирует излучение в пятно с заданной плотностью мощности и управляет его пространственной структурой. Разработан алгоритм подбора оптических характеристик системы, который позволяет получать на выходе луч с оптимальной структурой.

Эффективность приведенных рекомендаций, работоспособность разработанной фокусирующей системы а также алгоритм подбора ее параметров проверены на примере лазерной наплавки самофлюсующихся порошков ПГСР-4 и ХТН на основу, выполненную из Стали-45, лазерного упрочнения стали У10 и чугуна ВЧ50, легирования стали ЖС6К порошком ХТН.

Обработка пучком излучения со смещенным от центра максимумом интенсивности позволило также получить гомогенный упрочненный слой в детали клиновидной формы.

Ключевые слова: пространственно-временная структура излучения, сферическое зеркало, тепловое состояние облучаемого тела, фокусирующая система, эффективность лазерной обработки.

Summary

Roman V.V. The increasing of the efficiency of laser processing, using the special focusing system with the spherical mirror on a base.

Thesis for the degree of candidate of technical science, speciality 05.03.07.- the processes of physical and technical processing.

This thesis is devoted to increase the efficiency of laser processing using the control of time-dimensional structure of laser radiation.

In this thesis the possibility to control in wide range the intensity distribution, the shape of the laser beam and therefore the heat condition of the irradiated boby, using the aberrations, which arise during the focusing of the laser beam with the spherical mirror are proved. For this purpose some mathematical and experimental models are obtained.

They give possibility to elaborate the recommendations in order to increase the efficiency of laser processing due to the optimum using of the aberrations of the spherical mirror.

In order to use this recomendation, special focussing system is elaborated. It based on the spherical mirrror and gives possibility to obtaine on the processing area the laser radiation with the optimum dimensional structure. The algorithm, which can calculate an optical parameters of this system is worked out.

The efficiency of the recommendations, optical system and algorithm elaborated, are proved during laser alloying, strengthening and weld-pad.

Key words: time dimentional structure of the radiation; spherical mirror; heat condition of the iradiated body; focusing system; efficiency of the laser processing.