Диагностика динамики процессов при воздействии мощного лазерного излучения на стекло, гранит и мрамор

• Автор: Перфильев, Владимир Олегович
• Шифр специальности: 01.04.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2000
• Место защиты: Барнаул
• Количество страниц: 120 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение
1 Объект исследования и обзор методов лазерной обработки неметаллических материалов
1.1 Способы производства и основные теплофизические свойства стекла
1.2 Образование и основные теплофизические свойства гранита и мрамора
1.3 Обзор исследований и методов лазерной обработки стекла, гранита и мрамора
1.4 Выводы из первой главы
2 Теоретическое описание методов лазерной обработки стекла, гранита и мрамора
2.1 Резка стекла методом управляемого лазерного термораскалывания излучением типа ТЕМ20
2.1.1 Резка листового стекла
2.1.2 Резка стеклянных труб
2.2 Сварка стеклянных труб лазерным излучением
2.3 Поверхностная обработка гранита и мрамора импульсным и непрерывным лазерным источником
2.4 Выводы из второй главы
3 Аппаратура для исследований взаимодействия мощного лазерного излучения со стеклом, гранитом и мрамором
3.1 Установка для термораскалывания и сварки стеклянных труб
3.2 Автоматизированная установка для обработки неметаллических материалов с помощью лазерного излучения
3.3 Автоматизированная установка цветовой пирометрии для измерения высоких температур при лазерном нагреве

3.3.1 Метод цветовой пирометрии
3.3.2 Автоматизированный цветовой пирометр
3.4 Выводы из третьей главы
4 Экспериментальные исследования лазерной обработки стекла, гранита и мрамора
4.1 Исследования управляемого лазерного термораскалывания листового стекла
4.2 Результаты экспериментов по разделению стеклянных труб методом термораскалывания
4.3 Исследования поверхностного воздействия на гранит и мрамор подвижным и неподвижным лазерным источником
4.4 Результаты экспериментов по сварке стеклянных труб лазерным излучением
4.5 Исследование динамики температуры на поверхности гранита и мрамора при воздействии мощного лазерного излучения
4.6 Выводы из четвертой главы
Заключение
Литература
Введение

Актуальность темы.
С момента появления первых лазеров в 1960 году прошло уже много лет, в течение которых совершенствование технологии изготовления лазеров позволило увеличить их долговечность, КПД и уменьшить их стоимость. Несмотря на это широкого применения лазерные источники, обладающие такими уникальными свойствами, как концентрация большой энергии в исключительно малой области пространства порядка длины волны лазерного излучения (от долей до сотен микрометров), малые потери энергии при передаче на значительные расстояния без необходимости канализирующих устройств, когерентность и высокая степень монохроматичности излучения, не получили.
В настоящее время существует много работ по воздействию лазерного излучения на металлы, в то время, как взаимодействие с неметаллическими материалами недостаточно изучено. К их числу относятся такие широко распространенные материалы, как стекло, гранит и мрамор, о чем говорит малое количество публикаций по данной проблеме. Существующие традиционные методы их обработки плохо поддаются автоматизации, наличие которой является неотъемлемой частью современного производства.
В настоящее время за рубежом интенсивно ведутся работы по совершенствованию существующих методов лазерной обработки стекла, на которые тратятся миллионы долларов. Также большой интерес проявляется к лазерной обработке гранита и мрамора благодаря высоким декоративным свойствам и долговечности. Например, первые признаки разрушения гранита, являющиеся результатом воздействия окружающей среды (перепады температуры, воздействие солнечных лучей, атмосферные осадки), наблюдаются только через 150 лет.

Суть первого метода состоит в нанесении на поверхность стекла перед раскалыванием тонкого слоя легкой углеводородной жидкости ( например, керосина ). Ширина зоны дефектов уменьшалась из-за того, что лазерный факел образовывался на поверхности жидкости и раскалывание происходило под действием гидроудара без образования кратера и ухудшения структуры поверхности.
При втором методе лазерное воздействие проводилось в атмосфере различных газов ( азот, кислород, различные виды фреонов ) при избыточном давлении до 0.5 -1 атм. Данные экспериментов показали, что этот метод дает уменьшение зоны микроразрушений в 2-3 раза
Одним из методов лазерной обработки стекла является полировка оптических поверхностей [41]. Процесс лазерного нагревания обычного стеклянного образца был промоделирован на компьютере численным решением одномерного уравнения теплопроводности. Это стандартное приближение имеет место при условии, что ширина зоны облучения много больше, чем глубина размягчения

Л(Т)()7 (д%/) Ох
+ 80,0 (1.21)
где g(x,t) тепло, подводимое к материалу лазерным лучом, А,(Т)=1.047+0.001489Т температурная зависимость коэффициента теплопроводности для температур ниже 900 °С. Механизмом конвекции и излучением нагретого тела пренебрегли.
Экспериментальная установка состояла из С02-лазера с максимальной мощностью 100 Вт. Лазерный луч имел поперечное распределение интенсивности, соответствующее ТЕМ00 моде, и был расширен оптической системой, в результате получилось пятно с постоянной интенсивностью по сечению пучка с площадью 80 мм