Формирование лазерных пучков и исследование процессов контурной обработки материалов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

АКАДЕМИЯ НАУК БЕЛАРУСИ Ордена Трудового Красного Знемвни , . Институт физики км. 5.И.Степанова

' ' 0/} •

с 7 ' ' • " На правах рукописи

• ШШКОВЕЦ Виктор Николаевич

ФОРМИРОВАН!® ЛАЗЕРНЫХ ПУШИВ И ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ . КОНТУРНОЕ! ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ

01.04.05 оптика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Минск - 1994

Работа вшкшзенв в Гомельском государственном университете им. Ф. Скоривд.

Научные руководители: доктор физико-математических наук,

профессор, академик АН Беларуси Бохуть Б.В.;

доктор физико-математических наук, профессор Сэрдаков А.Н.

Офщиальшэ оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Гусак H.A.

кандидат физико-математических наук, отерший научшй сотрудник Валявко В.В.

Ведущая организация: Белорусский государственный университет

Защита состоится " " О-^СНШ. 1994 г. в jO часов на заседании специализированного совета "к ообМ 01 по защите диссортаций на соискание ученой степени кандидата наук в Институте физики им.Б.И.Степанова АН Беларуси (220602, г.Шпек, пр.Скориш, 70).

С диссертацией мокио ознакомиться в библиотеке Института фгаики АНБ.

Автореферат разослан & ?

Учений секретарь специализированного совета канд. физ.- мат. наук / Кунцевич Б.Ф.

СТО

ОНЦАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА. РАБОТЫ

Актуальность те!Ды исследования определяется практической необходимость» увеличения эффективности суцествуодих методов лазерной технологии обработки материалов, включая сварку, термоупрочнение и резку. Это вызвано, с одной стороны, постоянно растущими требованиями к точности и качеству обработки изделий, выполнением обработки сверхпрочных материалов, поверхностей, наиболее подвергающихся износу, а такке имеющих сложную конфигурацию и в труднодоступных местах. О другой стороны, необходимость исследования продиктована увеличением производительности процессов лазерной обработки. Особое значение исследование приобретает з связи с необходимостью равномерной обработки рабочих контуров изделий, уменьшением деформаций деталей к нзкелагольпых структурных изменэнкй. Эти требования наиболее полно могут быть удовлетворены при проведении обработки рабочих контуров за один лазерный импульс. Так, например, при термоупрочнснии протякенких участков, по сравнению с контурно-лучевой обработкой, осуществляемой за счет перемещения детали и наложения лазерных пятен друг на друга с некоторкм коэффициентом нерекрития кх на поверхности обрабатываемого материала, обработка за один кмзульс лазера позволяет исключить гоявлешга зон отпуска. При СЕарнэ изделий, например, при гермэтизацни корпусов ЙО по прямоугольному контуру и полупроводниковых диодов с кольцв-внм контуром обработки, исключаются деформации поверхностей изделия. Кроме того, обпзй энергетический вклад при таком способе обработки меньше. Для выполнения обработки за один лазерннй шяульс необходимо налятае оптических систем, обэспечивеяпцзс формирование лазерного излучения по ¡задвтюму контур?. Все а то, в конечном итоге, приводи? к увеличений зшчостаа обработка а процента выхода годных изделий.

Цель работа. Настоящая работа посвящена разработка к создала оптических систем для формирования лазерного излучения по заданному контуру обработки материалов, построению на кх основе лазерного оборудования для выполнения технологических процессов за один кипу льс лазера, исследованию процессов лазерной обработки материалов, разработке расчэгшх я акспоримонтальтта методов определения оптимальных технологических рвавмов. Немаловажным фактором.который необходимо учитывать при разработке такого специализированного лазерного оборудования, являмтся методы контроля за ориентацией деталей и процессом их обработки в заданных коордапатах. Эта задача такта решается в данной работе. В основу vaúoru положены иетолв

построения новых оптических систем, обеспечивающих формирование лазерных пучков различной геометрии, имеющих, например, в поперечном свчетзи прямоугольную,кольцевую Форш; способ обработки материалов за один лазерный щ,¡пульс. Построение оптических систем базируется па использовании элементов асферической оптики, в частности, конической, цилиндрической, а также их комбинаций со сферическими оптическими элементами. Изготовление таких оптических элементов требует специального оборудования и методов контроля их качества.

Научная значимость. В работе предложены и экспериментально реализованы ноше различные оптические системы, с помощью когорт: производится обработка за один лазерный импульс. Прохождение лазерного пучка через оптические системы описывается с помощью законов геометрической опиши. В основу расчета положена гесметроопти-ческая модель лазерного пучка. Лазерной пучок представлен в виде лучевого пакета прямолинейных лучей. Эти лучи преломляются и отражается на оптических поверхностях согласно законов геометрической оптики. Формз лазерного пучка в фокальной плоскости оптической система формируется на основе построения лучевого пакета, состоящего из прямолинейных лучей.

Для увеличения к.п.д. преобразования лазерного излучения оптической системой предложены различные варианты выполнения выходного резонаторного зеркала лазера, одновременно служащего для перераспределения энергии излучения по сечении пучка. Особый интерес представляют оптические системы для формирования лазерного пучка в контур прямоугольной формы. В работе эта задача решена для двух случаев: I. преобразование лазерного излучения в прямоугольный контур,когда в излучателе лазера используется активный элемент цилиндрической форш; 2. преобразование лазерного пучка прямоугольного сечения в прямоугольный либо квадратный контуры в случае пр1.:..енения активного элемента, имеющего форму прямоугольного параллелепипеда .

Значительное место в работе занимают оптические системы для получения кольцевых лазерных пучков. Формирование лазерного излучения по кольцевому контуру - это один из случаев, когда требуется получить распределение с нулевой интенсивностью в центральной часта пучка. Эта задача в данной работе решена с помощью оптических систем, содержащих оптические элементы с конической поверхностью и их комбинации с элементами сферической форш. Следует отметить также целесообразность использования в ряде случаев активного эле-

нента лазера, выполненного в форма полого цилиндра или цилиндра с зьматировашгой центральной часть». Рассмотренные в работе оптические систем для преобразования лазерного излучения по кольцевому контуру обеспечивают плавную перестройку диаметров кольцевых контуров и возмояшостъ изменения их вирши.

С использованием указанных оптических систем построено лазерное оборудование для технологических процессов сварки, термоупрочнения, прошивки отверстий и резки.Обработка материалов по заданному контуру осуществляется за один лазерный импульс. Для обеспечения возмояюсти установки деталей в заданных координатах к оперативного контроля за процессом обработка лэзершэ установки снабжэ-нн новыми оптическими системам визуального наблюдения.

Оптические фэрмнрувдие систега для Ясхусировки излучения по контуру построена на использования асферической оптики, в частности, конической, цшшндической, а такке комбинаций конических, цилиндрических и сферических оптических элементов. Поэтому градационные известные оптические систекн визуального наблюдения в данном случае непосредственно использовать нельзя. В работе предлагай новый способ для проведения визуального оперативного контроля за процессом обработка через зону свободную от лазерного излучения я, соответственно, построена оптические системы визуального наб.гаде-

Ю1Я.

Большое место в работе отведено исследованию Т8хпологичес:та процессов сварки и торкоупрочнония по заданному контуру за один лазерный импульс. В работе получены ноше научные данные, раскрывающие ограниченность известного способа лазерной обработки материалов, осуществляемого за счет относительного нзремоэдкия детали и пучка лазера и яолотання лазерных пятой друг на друга с некоторым коэффициентом перекрытия, для пог^ения производительности а точности обработки материалов.

На основе иссперименгалышх и теоретических исследований сп-редел91ш оптимальнее ре ты лазерного контурного тэркоупрочнения за один импульс технологической оензеткл из материалов У8, ХБГ, PI8, ШХ15, Ст.45, сплава ЕИ. Установлена зависимость распределения кикротвердости по поверхности материала, характеризующаяся отсутствием гон отпуска с поникешюй мккротвордсстьа.

Приведен!! результаты исследования процесса сварки но прямоугольному контуру корпусов КС, а техке результата сварки изделий но кольцевому контуру.

Сделано математическое описание процесса лазерного термоу-

прочнания пучками прямоугольного сечения. Получены расчетные данные, хорошо согласующиеся с экспериментальными результатами.

Исследована проблема высокоточной отрезки трубок для массового выпуска ноша электровакуумных и полупроводниковых приборов. Показано, что метод лазерного управляемого термораскалывания позволяет обеспечить высокую точность и качество отрезки.

Практическая ценность. Проведенные исследования позволили создать оптические систещ для формирования- лазерных пучков по заданному контуру обработки материалов, построить на их основа лазерное оборудование для технологических процессов сварки, термоупрочнения .1 резки, разработать ряд технологических процессов и дать важные для практики рекомендации по выбору оптимальных режимов моноимпульсной обработки. Разработанное лазерное технологическое оборудование может найти широкое применение в электронной, радиотехнически, приборостроительной, машиностроительной и других отраслях народного хозяйства для сварки, например, при герметизации корпусов полупроводниковых приборов, конденсаторов; термоупрочнения технологического инструмента, а также для прошивки отверстий в различных материалах.

Новый метод лазерной обработки изделий пучками специальной геометрии обеспечивает при термоупрочнении равномерную обработку рабочих контуров, подвергающихся износу, за счет исключения зон отпуска с пониженной шщютвврдостью, возникающих в местах перекрытия лазерных пятен; при сварке исключаются деформации и нежелательные структурные изменения.

Обработка материалов по заданному контуру с помощью таких лазерных установок производится за одан импульс лазера вместо сотен импульсов на известных установках серии "Квант". Полученные результаты лазерного контурного термоупрочнения,сварки позволяют рекомендовать данный метод для обработки любых материалов с высоки требованиями к качеству и точности. Метод моноимпульсной лазерной обработки материалов обеспечивает повышение производительности труда, увеличений качества, сшпшние количества брака, а такгз возможна полная автоматизация процессов.

На основе проведенных в работа исследований разработаны принципы формирования лазерных пучков специальной геометрии, созданы оптические системы для формирования лазерного излучения в задан-тай прямоугольный либо квадратный контуры, а также в кольцевой контур с нулевой интенсивностью в центральной части. Предложен и реализован новый метод для ориентации деталей и оперативного конт-

роля их обработки в заданных координатах. Создано новое специализированное оборудование для обработки материалов по прямоугольному и кольцевому контурам. Разработаны и исследованы новые технологические процессы сварки,термоупрочнения и резки материалов.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. На основании проведанных исследований обоснованы и разработаны принципы формирования лазерных пучков специальной геометрии для обработки материалов за один импульс лазера.

С целью увеличения к.п.д. преобразования лазерного излучения в оптических схемах лазерных установок предложено использовать выходные резонаторнкэ зеркала, одновременно служащие для создания положительной обратной связи в резонаторе и выполняющие функции формирующего элемента. Такой способ позволяет деление лазерного пучка на несколько частичных пучков эллиптического сечения, в виде ленточного пучка, двух параллельных или пересекающихся пучков прямоугольного сечения заданных геометрических размеров.

2. С целью увеличения эффективности обработка! материалов, имеющих прямоугольные контуры разработана оптическая система для формирования двух лазерных пучков прямоугольного сечения, позволяющая изменять угол падения пучков на обрабатываемую деталь и расстояние мевду ними.

3. Оптические систеш для преобразования лазерного излучения в контур прямоугольной формы для двух случаев:

а) оптическая система для формирования лазерных цилиндрических пучков в прямоугольный контур, когда в излучателе лазера используется активный элемент цилиндрической форлы;

б) оптическая система для преобразования лазерного пучка прямоугольного сечения в контур прямоугольной формы, в случае применения активного элемента, имешего форму прямоугольного параллеле-гсшзда.

Произведен расчет параметров оптических формирующих систем. В основу метода расчета положена геометрооптичеекая модель лазерного пучка.

4. Оптические системы для формирования кольцевых лазерных пучков, обеспечивающие как дискретную ( за счет изменения геометрических параметров оптических элементов ), так л плавную перестройку диаметра кольцевого контура и его ширины. Отличительными особенностями систем являются использование оптических элементов конической форш, работящих на пропускания и охранении лазерного излучения, их комбинаций со сферическими линз8!,к и зеркалами, ак~

тивных элементов лазора, выполненных в форме полого цилиндра или цилиндра с заматированной центральной частью.

Исследовано распределение интенсивности лазерного излучения по сечению кольцевого лазерного пучка, произведен геометрический расчет параметров систем.

5. Исследован и реализован метод визуального наблюдения для установки деталей в заданных координатах и проведения оперативного контроля через зону свободную от лазерного излучения. Наблюдение производится в направлении, перпендикулярном оси оптической формирующей системы.

6. Разработаны и исследованы технологические процессы термо-упрочнешш и сварки материалов по заданному контуру за один лазерный импулье. При термоупрочнэшш за один импульс лазера отсутствуют зоны отпуска с полигонной микротвердостыо, повышается к.п.д. процесса; при сварке исключаются деформации рабочих поверхностей. Показано, что новый способ моноимпульсной лазерной обработки по контуру, т.е. выполнение термоупрочнения рабочей зоны или осуществление сварки по всему контуру за один импульс лазера, обеспечивает повыпение производительности процесса и качества обработки, увеличение выхода годных изделий по сравнении с традиционным методом обработки, осуществляемом за счет относительного перемещения детали и пучка лазера и наложения лазерных пятен с некоторым коэффициентом перекрытия на обрабатываемой поверхности.

Используя мзтод функции Грина уравнения теплопроводности, получен расчет температурных полой при термоупрочнашш материалов пучками прямоугольного сечения.

7. Исследован процесс высокоточной отрезки трубок малого диаметра (1-6 мм) из стекла С52-1 для кассового выпуска новых электровакуумных к полупроводниковых приборов лазерным пучком эллиптического сечошш.

Апробация работы. Основные результаты исследований использованы на Гомельском производственном объединении "Коралл" при разработке новых технологических процессов контурного термоупрочнения формообразующей технологической оснастки для получения оснований мвталлокэрамических корпусов интегральных схем типа "Схема-66" и "Схема-69" и для повышения стойкости ножей для отсечки горячей капли при штамповке экранов,нолей для отсечки траверса Д4 19105498 и Д4 19104312, питателя литьевой машины.

На этом ке предприятии проведаны исследования процессов моноимпульсной сварки доныапса и ободка корпуса интегральной схемы

в

"Сх.74" (материал - ковар типа 29НН) и высокоточной отрески стеклянных трубок малого диаметра (I - 6 мм) из стекла С52-1.

Результата работы использованы при выполнении хоздоговорнзгх работ: "Разработка оптических систем формирования лазерного пучка" (с предприятием п/я М-5049 г. Брянска), "Разработка принципов формирования специальных пучков лазерного излучения, создание технологии и модернизация оборудования для гермэтизвции корпусов полупроводниковых приборов " (с предприятием п/я Р-6028 г. Киева.ЮМ "Сатурн"), "Исследование возможностей создания оптических систем лазерного технологического оборудования специального назначения" (с предприятием п/я М-5174 г. Саратова. НПО "Волна"), а также при выполнетш договора о научно-техническом содружестве с МШО "Теш" г. Москвы.

Результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс в Гомельском госуниворслтото им. Фр. Скорины на кафедре оптики. Материалы диссертации зачтены шестью авторскими свидетельства.».«!, доложены на республиканской научно-технической конференции "Проблемы создания и применения в народной хозяйстве лазерной и оптико-электронной техники" в г. Мшске (1982 г.), на трех Всесоюзных семинарах "Лазерная технология в приборостроении" в г. Москве (1903 г., 1585 г.), "Лазерная технология и оборудование" в г.Бряп-ско (1991г.) я излокеш в десяти печатных работах.

Личный вклад. Диссертация отрзкаот личный вклад автора в разработке оптических систем для формирования энергетических потеков лазерного излучения и исследование технологических процессов контурной обработки материалов. Автором разработаны принципы формкро-вашш лазерных пучков заданной формы, предложена и зкеперимопталь-но реализованы оптачосгсю систскя для преобразования лазерного излучо'шя в контур прдаоуголькоЯ Форш а получения кольцевых лазерных пучков, яоетровнн системы гшуалмгаго нпбхкдовая для ораен-тации и контроля процесса обработки деталей к езденннх координатах. Проведет: рассчета юремвтров оптических сжстем. В представленной работо лично автору принадлежат гее зкепэрямоцтолыздэ исследования процессов контурного терьгаупротозния и сварки.

Научными руководителями Б.В.Богсутон и А.Н.Сорджковим опродо-лена цель исследования и осуществлялось обдае руководство работой.

В работах /1-3, 5-7» 9-10, 12-14, 16/ В.С.Кондратенко, А.Т.Мадащешо, Г.Л.Пакатеакишм, А.В.Максимзяко, В.А.Бвкаревичем, С.М.Чечко сказана кетодоческая помощь при проектировании оптических систем, дани пслэзшо консультации.

Также совместно с Кондратенко в,С./4, 8/ проведены экспериментальные исследования процесса лазерной резки стеклокапилляров. Соавтор работ /2, 6/ В.К.Филиппов оказал помощь при внедрении результатов работы по сварке корпусов КС на предприятии п/я М-5049 г.Брянска.(БЗТО).

В работах /II, 15/ Шалунаев C.B. и Шершнев Е.Б.содействовали в проведении рассчетов температурных полей при терюупрочнении пучками прямоугольного сечения.

ООьем и структура работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, выводов, списка использованной литературы,изложена на 150 стр. машинного текста, включает 53 рисунка и 12 таблиц.

Краткое содерканиа работы.

Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель работы, определены научная значимость и практическая ценность полученных результатов, приведена результаты апробации работы, дано краткое содержание глав диссертации, перечислены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен анализ существующих способов и систем формирования световых потоков лазерного излучения в заданный Контур. Рассмотрены контурно-лучевой, проекционный, контурно-проекционный, контактный, голографаческий методы формирования излучения по зоне обработки материалов и отдельно метод цифровой голографии. Приведены основные характеристики лазерного технологического оборудования для термоупрочнения и сварки материалов. Отмечены особенности контурного формирования излучения.

Показано,что эти метода не всегда обеспечивают необходимую производительность, точность и качество обработки. Проанализированы недостатки традиционных методов контурной обработки, выяснены принципиальные причины низких технологических параметров (скорость, точность и качество) обработки этими методами. Проведено рас мотрение особенностей лазерной шовной сварки и термоупрочнения с помощью лазеров, работающих в режиме одиночных импульсов милли-секундной длительности. Отмечены особенности оптических схем лазерных технологических установок, оптические системы которых содержат оптические элементы асферической формы и отражающие сферические зеркала, установленные с возможностью вращения вокруг оси, приведены способы и приемы лазерной обработки материалов по заданному контуру.

Произведена постановка задачи. Отмечены основные требования при проектировании оптических систем с лазерами. Указаны основные

направления исследований для решения доставленной задачи. Описаны методика и техника эксперимента. Даш рекомендации по выбору и расчету оптических формирующих систем для фокусировки лазерного излучения.

Основные направления исследований:

1.Разработка и создание оптических систем для формирования лазерного излучения с необходимым распределением плотности мощности по поперечному сечению пучка и заданной его формой, повторяющей контур обработки. Для проведения такой работы потребовалось расчетным и экспериментальным путем определить параметры таких систем. В частности, необходимо было решить задачу получения пучков специальной геометрии и преобразования лазерных пучков различной формы в зависимости от формы используемого активного элемента в прямоугольный либо квадратный, а такке кольцевой контуры. На основании этих исследований полагалось определить возможность использования разработанных оптических систем в лазерных технологических установках для обработки материалов по заданному контуру за один импульс лазера.

2.Поскольку построение таких оптических систем базируется на использовании элементов асферической оптики, необходимо было разработать оптические система для установки, ориентации деталей в заданных координатах и проведения оперативного контроля за процессом их обработки.

3.Разработка на основе новых оптических систем для фокусировки лазерного излучения специализированного технологического оборудования, позволяющего выполнение термоупрочнэния рабочей зоны деталей или осуществление процесса сварки по всему контуру за один лазерный импульс.

4.Исследование процессов сварки и термоупрочнения по заданному контуру обработки. В этой части работы следовало определить оптимальные режима обработки изделий из углеродистых сталей У8 и Ст.45, легированных сталей ХВГ, PI8, 1Ш5, сплава ВК при термоупрочнении; нержавеющей стали 06Х18Н10Т и ковара 29HR при сварке. Также необходимо было исследовать распределение микротвердости по поверхности материалов.

5.Расчет температурных полей при обработке материалов пучками прямоугольного сечения.

6.Исследование процесса высокоточной отрезки трубок малого диаметра (1-6 мм) из стекла C52-I методом управляемого термораска-лнвания.

Вторая глава посвящена разработке и созданию оптических систем для формирования лазерных пучков по заданному контуру обработки материалов.

С целью увеличения к.п.д. преобразования лазерного излучения в оптических схемах лазерных установок предложено использовать выходные резонаторные зеркала, одновременно выполняющие функции формиуюцаго элемента. Такой способ позволяет делание лазерного пучка на несколько частичных пучков, получение лазерных пучков эллиптического сечения, в виде ленточного пучка, двух параллельных или пересекающихся пучков прямоугольного сечения заданных геометрических размеров.

Приведет оптические системы для преобразования лазерного излучения в прямоугольный либо квадратный контуры для двух случаев:

I.оптическая система для формирования лазерных цилиндрических пучков в прямоугольный контур, когда в излучателе лазера используется активный элемент цилиндрической формы;

2.оптическая система для преобразования лазерного пучка прямоугольного сечения в прямоугольный либо квадратный контуры, в случае применения активного элемента, имеющего форму прямоугольного параллелепипеда.

Произведен расчет параметров оптических формирующих систем. В основу расчета положена геомотрооптичвская модель лазерного пучка.

Рассмотрены оптические системы для формирования кольцевых лазерных пучков, обаслечивавдае как дискретную (за счет изменения геометрических параметров оптических элементов), так и плавную перестройку диаметра кольцевого контура к его ширины.

Указаны методы ориентации деталей в заданных координатах и контроля за процессом их обработки.

Значительное место в главе отведено разработке оптических схем специализированных установок для лазерной контурной обработки материалов.

Для лазерной обработки деталей по кольцевому контуру предложены несколько вариантов лазерных установок. Оптические системы установок позволяют плавную перестройку диаметра кольцевого контура и изменение его ширины. Отличительными особенностями оптических схем а тих установок являются использование выходного конического зеркала в резонаторе, активного элемента, выполненного в форме полого цилиндра или цилиндра с заматированной центральной частью, оптического элемента, образованного тремя коническими поверхностями и усеченной конической линзы.

Рассмотрена лазерная установка для обработки материалов двумя пучками прямоугольного сечения. Б качестве выходного зеркала резонатора лазера используется бипризма. Она одновременно служит для создания положительной обратной связи в резонаторе и разделения лазерного пучка на два. В оптическую формирующую систему входит также цилиндрическая линза и шгоскопараллельные зеркала. Зеркала установлены с возможностью поворота их вокруг оси. Это позволяет изменять угол падения пучков на обрабатываемую деталь. Расстояшэ между лазерными пучкам* определяется углом при основании бипризмы и зависит от расстояния между цилиндрической линзой и плоскопарал-лвлышми зеркалами.

Также в этой главе приведена лазерная установка для обработют

материалов по прямоугольному контуру.

Оптическая схема установки вклочаат газовый лазер видимого диапазона излучения I, в частности, гелий-неоновый лазер типа ЛГ-78, телескопическую систему 2, диафрагму 3, лазер на стекле, активированном ионами неодима 4-6, оптическую формирующую систему 7-9, канал визуального наблюдения 10-12. Излучатель неодимового лазера содержит активный элемент прямоугольного'сечения б с геометрическими размерами 10x30x300 мм из стекла ГЛС-9П и резонаторные зеркала 4, 6.

Данная установка работает следувдим образом.

Неодимовый лазер генерирует пучок прямоугольного сечения, который пройдя элементы 7, 8 разделяется на четыре частичных пучка. Основным оптическим элементом в схеме является цилиндрическая билинза 9. На нее падают четыре пучка прямоугольного сечения, которые формируются в фокальной плоскости 13 билинзы 9 на поверхности обрабатываемой детали в заданный контур прямоугольной формы 15. Элементы 7, 8 оптической схемы установки подвижны и независимы друг от друга. Это позволяет изменять размеры прямоугольного контура. В случае, когда угол при основании бипризмы равен углу оптических клиньев, в фокальной плоскости билинзы получаем квадратный контур. Если ке угли не равны - прямоугольный контур.

Для получения в плоскости обработки двух полос заданных геометрических размеров исходный пучок разделяется на два за счет выведения из оптической схемы оптических клиньев 8 и увеличения геометрических размеров бипризмы 7. Расстояние между полосами будет определяться углом при основании бипризмы 7 и фокусным расстоянием билинзы 9. Чтобы получить в плоскости одну полосу прямоугольного сечения, из оптической схемы исключаются элементы 7, 8.

Визуальное наблюдение за процессом обработки осуществляется в направлении перпендикулярном оптической оси с помощью отдельного канала. Он содержит моно-или бинокулярный микроскоп 12, поворотную призму Ю- и сферическую отрицательную линзу II, расположенные в центральной нерабочей части цилиндрической билинзы 9. Вместо микроскопа 12 можно использовать телевизионную установку 14. Это позволяет устанавливать деталь в зоне обработки, контролировать степень фокусировки лазерного излучения.

Все предложенные лазерные установки для моноимпульсной обработки материалов по заданному контуру содержат оптические системы визуального наблюдения для контроля процесса обработки деталей.

Содержанке третьей главы связано с исследованием и разработкой технологических процессов контурного термоупрочнения и сварки.

Исследовавд и определены оптимальные рекимы лазерного моноимпульсного термоупрочнения по заданному контуру для углеродистых сталей У8, стали 45, легированных сталей ХВГ, PI8, ШХ15 и сплава ВК.

Исследовано распределение микротвердости по поверхности обрабатываемого материала вдоль продольного сечения контура. Установлено, что контурное гермоупрочнение обеспечивает равномерное распределение юпфотвэрдосги по всему рабочему контуру. Характерные зоны отпуска с пониженной микротвердостью, которые присутствуют при импульсном тэрмоупрочнении путем наложения лазерных пятен с перекрытием друг относительно друга, отсутствуют.

В главе также приведши результаты сварки по прямоугольному и кольцевому контурам изделий из ковара 29НК и нержавеющей стали 06XI8HI0T.

В данной главе решена задача определения температурного поля в материале, нагреваемом лазерным пучком прямоугольного сечения. Найденное методом функции Грина решение неоднородного уравнения теплопроводности имеет вид:

где: Р - эффективная мощность пучка; а - температуропроводность; Л - теплопроводность; х - длительность импульса; А и В -полуоси пучка в плоскости (Х,У) на поверхности материала. Найденное решение для Т(гД)позволило провести численные расчеты на ЭВМ температурных полей при лазерном нагреве в процессе термоупрочнения.

Научные результаты работы сформулирован« з виде выводов, изложенных в конце диссертации.

1. Проведен анализ известных методов формирования лазерного излучения.по зоне обработки материалов и показано, что эти методы не всегда обеспечивают необходимую производительность, точность и качество.

2. На основании анализа научно-технической, патентной литературы и проведения экспериментальных исследований определены основные требования к способам и системам формирования световых потоков

t,

'о

выводы

в лазерной технологии.

3. В результате проведенных исследований обоснованы и разработаны принципы формирования лазерных пучков заданной формы в соответствии с контуром обработки материалов.

4. О целью увеличения к.п.д. преобразования лазерного излучения в оптических схемах лазерных установок предложено использовать выходные резонаторнне зеркала, одновременно выполнявдие функции формирующего. элемента. Такой способ позволяет деление лазерного пучка на несколько частичных пучков, получение лазерных пучков эллиптического сечения, в виде ленточного пучка, двух параллельных или пересекающихся пучков прямоугольного сечения заданных геометрических размеров.

5. Разработаны и созданы оптические системы для формирования кольцевых лазерных пучков, обеспечивающие как дискретную (за счет изменения геометрических параметров оптических элементов), так и плавную перестройку диаметра кольцевого контура и его ширины. Отличительными особенностями систем является использование оптических элементов конической формы, работающих на пропускании и отражении лазерного излучения, та комбинаций со сферическими линзами и зеркалами, активных элементов лазера, выполненных в форме полого цилиндра или цилиндра с звматированной центральной частью. Исследовано распределение интенсивности лазерного излучения по сечения кольцевого лазерного пучка.

6. Предложены и экспериментально реализованы оптические системы для преобразования лазерного излучения в контур прямоугольной формы для двух случаев:

а) оптическая система для формирования лазерных цилиндрических пучков в прямоугольный контур, когда в излучателе лазера используется активный элемент цилиндрической формы;

б) оптическая система для преобразования лазерного пучка прямоугольного сечения в контур прямоугольной формы, в случае применения активного элемента, имеющего форму прямоугольного параллелепипеда.

Произведен расчет параметров оптических формирующих систем. В основу метода расчета положена геоыетрооптическая модель лазерного пучка.

7. Исследован и реализован метод визуального наблюдения для установки деталей в заданных координатах и проведения оперативного контроля через зону свободную от лазерного излучения. Наблюдение производится в направлении, перпендикулярном оси оптической форми-

рунцей системы.

8. На основе предложенных оптических формирующих систем разработаны оптические схемы специализированных установок для лазерной контурной обработки материалов:

- установка для лазерной обработки материалов пучками кольцевого сечения;

- лазерная установка для обработки материалов пучками прямоугольного сечения;

- установка для лазерной обработки материалов по прямоугольному контуру.

9. Разработаны и исследованы технологические процессы термоупрочнения и сварки материалов по задаотому контуру за один лазерный импульс. Исследованы и определены оптимальные режимы термоупрочнения для углеродистых сталей У8, стали 45, легированных сталей ХВГ, PI8, ШХ15 и сплава ВК. Показано, что новый способ лазерной обработки по контуру, т.о. выполнение термоупрочнения рабочей зоны или осуществление сварки по всему контуру за один импульс лазера, обеспечивает повышение производительности процесса и качества обработки, увеличение выхода годных изделий по сравнению с традиционным методом обработки, осуществляемым за счет относительного перемещения детали и пучка лазера и наложения лазерных пятен с некоторым коэффициентом перекрытия на обрабатываемой поверхности. При термоупрочнении за один импульс лазера отсутствуют зоны отпуска с пониженной микротвердоегьм, повышается к.п.д. процесса; при сварке исключаются деформации рабочих поверхностей.

10. Используя метод функции Грина уравнения теплопроводности, получен расчет температурных полей при термоупрочненш материалов пучками прямоугольного сечения.

11. Результаты проведенных »следований использованы на Гомельском производственном объединении "Коралл" при разработке новых технологических процессов термоупрочнения формообразующей технологической оснастки для получения оснований металлокерамических корпусов интегральных схем типа "Схема - 66" и "Схема - 69". Материалы, подвергавшиеся термоупрочнешш - углеродистая сталь У8 и легированная сталь ХВГ.

Процесс контурного лазерного термоупрочнения применялся также для повышения стойкости следующего технологического инструмента и оснастки: I. Нокей для отсечки горячей капли пр". штамповке экранов. Материал - легированная сталь PIS.

2. Ножей для отсечки чраверса Д4 19105498 и Д4 I9I043I2

Материалы - сплав ВК и легированная сталь ШХ15. 3. Питателя литьевой машины. Материал -'углеродистая сталь 45.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. А.с.1078773 СССР, МКИ В23К 26/06. Установка для лазерной обработки материалов по прямоугольному контуру /Б.В.Бокуть, В.С.Кондратенко, А.Т.Малащенко, В.Н.Мышковец, А.Н.Сердюков (СССР).

-» 3447388; Заявл.2.06.82.

2. A.c. 1078774 СССР, МКИ В23К 26/06. Установка для лазерной обработки материалов по прямоугольному контуру /Б.В.Бокуть,В.С.Кондратенко, А.Т.Малащенко, В.Н.Мышковец, А.Н.Сердюков, В.К.Филиппов (СССР). -» 3455244; Заявл.15.06.82.

3. Алешкевич Н.И., Базилеев М.В., Кондратенко B.C..Малащенко А.Т., Мышковец В.Н. Лазерное термораскалываниэ стеклокапилляров // В сб.: Тезисы докладов республиканской конференции по проблемам создания и применения в народном хозяйстве лазерной и оптико-электронной техники, ч.П. Минск.- 1982.- с.51 - 52.

4. Кондратенко B.C., Максименко A.B., Мышковец В.Н. Лазерное термораскалывание стеклянных и керамических изделий, имеюндах форму тел вращения // В сб.: Тезисы докладов Всесоюзного семинара по лазерной технологии в приборостроении. Москва.- 1983.- с.25 - 26.

5. Кондратенко B.C..Максименко A.B.,Малащенко А.Т., Мышковец Б.Н., Сердюков А.Н. Увеличение эффективности обработки материалов излучением лазера. // В сб.: Тезисы докладов Всесоюзного научно-технического семинара "Лазерная технология в приборостроении". Москва.

- 1983.- с.90.

6. А.с.1244859 СССР, МКИ В23К 26/06. Способ лазерной обработки /В.К.Филиппов, В.Н.Мышковец,А.Т.Малащенко,В.С.Кондратенко (СССР).

- № 3844034; 3аявл.30.12.84,

7.Мышковец В.Н.,Малащенко А.Т..Покаташкин Г.Л..Максименко А.В.Увеличение эффективности обработки материалов лазерным излучением //В сб.:Тезисы докладов Всесоюзного научно-технического семинара "Лазерная технология в приборостроении".-Москва.-1985.-с.74-75.

8. Мышковец В.H., Кондратенко B.C. Лазерная моноимпульсная обработка материалов. - Минск, 1985, - 42 с. (АН БССР. Ин-т физики. Препринт JS 402).

9. Бокуть Б.В., Кондратенко B.C., Мышковец В.Н., Сердюков А.Н., -Шершнев Е.Б. Лазерная установка для моноимпульсной обработки материалов //Электронная техника. Серия II, Лазерная техника и опто-электроника.- 1986.- внп.З(ЗЭ).- с. 15 - 18.

10. А.с.1343685 СССР, ШИ В23К 2S/00. Установка для лазерной обработки кольцевым лучом /В.А.Бекаревич, А.Т.Малащенко, В.Н.Мышковец, А.В.Макоименко, Г.Л.Покаташкин, А.Н.Сердюков (СССР). - Jé 40II976; Заявл.28.01.86.

11. Бокуть Б.В., Кондратенко B.C., Мышкоеоц В.Н,, Сердюков А.Н., Шалупаев C.B. Термоупругие поля в твердых телах при их обработке лазерными пучками специальной геометрии. - Минск, 1987. - 58 с.(АН БССР. Ин-т физики. Препринт).

12. A.c.1557845 СССР, МКИ В23К 26/00. Установка для лазерной обработки кольцевым пучком /А.Т.Малащенко, В.Н.Мышковец, А.В.Максимен-ко, Г.Л.Покаташкин (СССР). - Л 4379625; Заявл.17.02.88.

13. Положительное реше:ше по заявке J& 4884890/08 (СССР). МКИ В23К 26/00. Установка для лазерной обработки кольцевым пучком /А.Т.Малащенко, В.Н.Мышковец, Г.Л.Покаташкин, А.В.Максименко (СССР). -Заявл. 26.11.90.

14. Мышковец В.Н., Малащенко А.Г., Чечко С.М. Лазерное импульсное термоупрочнение пучками кольцевого сечения. //В сб.: Тезисы докладов Всесоюзного отраслевого семинара "Лазерная технология и оборудование". Брянск.-1991.- с.87-88.

15. Шалупаев C.B., Мышковец В.Н., Шершнев Е.В. Одноимпульсная закалка сталей лазерными пучками прямоугольного сечения //В сб.:Те-зисы докладов Всесоюзного отраслевого семинара "Лазерная технология и оборудование". Брянск.- 1991.- с.73-74.

16. Малащенко А.Т., Мышковец В.Н., Максименко A.B. и др. Лазерная прошивка отверстий в рубиновых заготовках часовых камней // В сб.: Тезисы докладов Всесоюзного отраслевого семинара "Лазерная техника и технология". Брянск.-I991.- с. 23 - 24.