Foratura laser

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Foratura laser è un processo in cui un laser è usato per fare fori, anziché convenzionale foratura .

Contenuto [ nascondi ] 1 Applicazioni 2 Teoria 2,1 fenomeni fisici 2,2 Modelli precedenti 2.2.1 Laser assorbimento di energia e melt-vapore frontale 2.2.2 espulsione Melt 3 impulsi effetto forma 4 Conclusione 5 Vedi anche 6 Riferimenti 7 Collegamenti esterni

[ modifica ] Applicazioni

I produttori di motori a turbina per la propulsione di aerei e per la produzione di energia hanno beneficiato della produttività del laser per la foratura di piccole dimensioni (0,3-1 mm di diametro tipico) cilindrici fori a 15-90 ° rispetto alla superficie in ghisa, lamiera e dei componenti lavorati. La loro capacità di praticare dei fori ad angoli poco profondi alla superficie a velocità comprese tra 0,3-3 fori al secondo ha permesso nuovi modelli che incorporano film fori di raffreddamento per una migliore efficienza del carburante , rumorosità ridotta e minori emissioni di NOx e CO.
Miglioramenti incrementali nel processo di laser e tecnologie di controllo hanno portato ad un notevole aumento del numero di fori di raffreddamento utilizzati nei motori a turbina. Fondamentale per questi miglioramenti e il maggior uso di fori laser è la comprensione del rapporto tra i parametri di processo e la qualità del foro e di perforazione di velocità.

[ modifica ] Teoria

Di seguito è riportato un riepilogo di approfondimenti tecnici sul processo di foratura laser e la relazione tra parametri di processo e la qualità del foro e velocità di foratura.

[ modifica ] Fenomeni fisici

Foratura laser di fori cilindrici avviene generalmente attraverso fusione e vaporizzazione (indicato anche come " ablazione ") del materiale del pezzo attraverso l'assorbimento di energia da un concentrato fascio laser .
L'energia richiesta per rimuovere il materiale di fusione è di circa il 25% di quella necessaria per vaporizzare lo stesso volume, quindi un processo che rimuove il materiale da fusione è spesso favorita. ^{[ citazione necessaria ]}
Se fusione o vaporizzazione è più dominante in un processo di foratura laser dipende da molti fattori, con impulsi laser durata e l'energia giocare un ruolo importante. In generale, quando una ablazione domina Q-switched Nd: YAG laser viene utilizzato. ^{[ citazione necessaria ]} D'altra parte, fondere espulsione, il mezzo attraverso il quale si crea un foro attraverso fusione del materiale, domina quando un tubo flash pompato Nd: YAG . laser è utilizzato ^{[ citazione necessaria ]} A Q-switched Nd: YAG ha normalmente durata dell'impulso dell'ordine di nanosecondi , potenza di picco dell'ordine di dieci a centinaia di mW / cm ² , e un tasso di asportazione di alcuni micrometri per impulso. Una lampada flash pompato Nd: YAG ha normalmente una durata dell'impulso dell'ordine di centinaia di microsecondi ad un millisecondo , potenza di picco dell'ordine di sub MW / cm ² , e di asportazione di dieci a centinaia di micrometri per impulso. Per i processi di lavorazione di ogni laser, ablazione e si fondono l'espulsione di solito coesistono. ^{[ citazione necessaria ]}
Melt espulsione sorge come risultato del rapido accumulo di pressione del gas (forza di rinculo) all'interno di una cavità creata dalla evaporazione . Per espulsione melt a verificarsi, uno strato fuso e devono formare i gradienti di pressione agenti sulla superficie a causa della vaporizzazione deve essere sufficiente a superare la tensione superficiale forze ed espellere il materiale fuso dal foro. ^{[ 1 ]}
Il "meglio dei due mondi" è un sistema unico in grado sia di "fine" e l'espulsione "grossolano" melt. Espulsione "Fine" fusione produce con caratteristiche di definizione muro eccellente e piccolo zona di influenza termica , mentre l'espulsione "grossolano" fuso, come quelli usati in percussione foratura e trapanazione , rimuove il materiale in fretta.
La forza di rinculo è una forte funzione del picco di temperatura . Il valore di T _cr ^{[ chiarificazione necessaria ]} per cui il rinculo e forze di tensione superficiale sono uguali è la temperatura critica per l'espulsione di liquido. Per esempio, l'espulsione di liquido dal titanio può avvenire quando la temperatura al centro del foro supera 3780 K.
Nei primi lavori (Körner, et al., 1996), ^{[ 2 ]} la percentuale di materiale asportato con l'espulsione di fusione è stato trovato per aumentare con maggiore intensità. Più recente lavoro (Voisey, et al., 2000) ^{[ 3 ]} indica che la frazione del materiale rimosso dalla espulsione fusione, denominato fondere come frazione di eiezione (MEF), scende quando aumenta ulteriore energia laser. L'aumento iniziale espulsione fusione di innalzare la potenza del fascio è stato provvisoriamente attribuito ad un aumento del gradiente di pressione e la pressione generata all'interno del foro per vaporizzazione.
Una migliore finitura può essere raggiunto se il fuso viene espulso in minuscole goccioline. ^{[ citazione necessaria ]} In generale, dimensione delle gocce diminuisce con l'intensità di impulso crescente. Ciò è dovuto al tasso di vaporizzazione maggiore e quindi uno strato più sottile fuso. Per la durata dell'impulso più, l'ingresso maggiore energia totale aiuta a formare uno strato più spesso risultati fuso e l'espulsione di goccioline corrispondentemente maggiore. ^{[ 4 ]}

[ modifica ] Modelli precedenti

Chan e Mazumder (1987) ^{[ 5 ]} sviluppato un modello 1-D stato stazionario per incorporare considerazione liquido espulsione ma l'1-D presupposto non è adatto per alte proporzioni foratura e la foratura è transitorio. Kar e Mazumder (1990) ^{[ 6 ]} ha esteso il modello a 2-D, ma l'espulsione di fusione non è stato esplicitamente considerato. Un trattamento più rigoroso di espulsione fusione è stata presentata da Ganesh, et ​​al. (1997), ^{[ 7 ]} , che è un 2-D modello transitorio generalizzato per incorporare solido, fluido, temperatura e pressione durante la foratura laser, ma è computazionalmente impegnativo. Yao, et al. (2001) ^{[ 8 ]} sviluppato un 2-D modello transitorio, in cui è considerato uno strato Knudsen al melt-vapore anteriore, e il modello è adatto per brevi impulsi e ad alta potenza di picco ablazione laser.

[ modifica ] assorbimento di energia laser e melt-vapore frontale

Al melt-vapore anteriore, la condizione al contorno Stefan viene normalmente applicato per descrivere l'assorbimento di energia laser (Kar e Mazumda, 1990;. Yao, et al, 2001).

(1)

in cui l'intensità del laser è assorbita, β è il coefficiente di assorbimento laser seconda laser di lunghezza d'onda e materiale bersaglio, e I (t) descrive temporale intensità del laser di ingresso comprese la larghezza di impulso, frequenza di ripetizione, e forma di impulso temporale. k è la conducibilità termica , T è la temperatura, z ed r sono distanze lungo direzioni assiale e radiale, p è la densità , v la velocità , L _v il calore latente di vaporizzazione. Il pedici L , v ed i denotano fase liquida, in fase vapore e vapore-liquido, rispettivamente.
Se l'intensità del laser è elevata e la durata dell'impulso è breve, il cosiddetto strato di Knudsen si presume al melt-vapore anteriore dove le variabili di stato subiscono cambiamenti discontinui attraverso il livello. Considerando la discontinuità attraverso lo strato di Knudsen, Yao, et al. (2001) ha simulato il ribassamento superficiale velocità V _v distribuzione, lungo la direzione radiale in tempi diversi, che indica il tasso di ablazione del materiale sta cambiando in modo significativo attraverso lo strato Knudsen. ^{[ citazione necessaria ]}

[ modifica ] Melt espulsione

Dopo aver ottenuto la tensione di vapore p _v , il flusso strato fuso e l'espulsione di fusione può essere modellata utilizzando equazioni idrodinamiche (Ganesh et al., 1997). Melt espulsione si verifica quando la pressione di vapore viene applicata sulla superficie libera del liquido che a sua volta spinge il sciogliersi nella direzione radiale. Per conseguire multa espulsione fuso, il modello di fluidità necessario prevedere con estrema precisione, in particolare la velocità di scorrimento a fusione al bordo del foro. Così, un 2-D assialsimmetrico modello transitoria viene utilizzato e di conseguenza la quantità di moto e di continuità equazioni utilizzate.
Modello Ganesh per espulsione melt è completo e può essere utilizzato per diverse fasi del processo di foratura. Tuttavia, il calcolo è molto dispendioso di tempo e Solana, et al. (2001), ^{[ 9 ]} presentato un modello semplificato tempo dipendente che assume che la velocità di espulsione melt è solo lungo la parete del foro, e può dare risultati con un minimo sforzo computazionale.
Il liquido si sposta verso l'alto con una velocità u come conseguenza del gradiente di pressione lungo le pareti verticali, che è dato a sua volta dalla differenza tra la pressione di ablazione e la tensione superficiale divisa per la profondità di penetrazione x .
Supponendo che il fronte di foratura si muove ad una velocità costante, la seguente equazione lineare del moto liquido sulla parete verticale è una buona approssimazione per modellare l'espulsione fuso dopo la fase iniziale di foratura.

(2)

dove p è la densità melt, μ è la viscosità del liquido, P (t) = (AP (t) / x (t)) è il gradiente di pressione lungo lo strato liquido, AP (t) è la differenza tra il vapore pressione P _v e la tensione superficiale .

[ modifica ] effetto forma di impulsi

Roos (1980) ^{[ 10 ]} ha dimostrato che un treno composto da 200 ms a 0,5 ms impulsi prodotto risultati superiori per i metalli di perforazione di un appartamento di impulso 200 ms forma. Anisimov, et al. (1984) ^{[ 11 ]} ha scoperto che l'efficienza del processo migliorato accelerando il fuso durante l'impulso.
Grad e Mozina (1998) ^{[ 12 ]} ulteriormente dimostrato l'effetto di forme di impulso. Un ns 12 picco è stato aggiunto all'inizio, al centro e alla fine di un impulso di 5 ms. Quando il ns 12 spike stato aggiunto all'inizio dell'impulso laser lungo, dove nessun scioglimento era stato prodotto, nessun effetto significativo sulla rimozione è stato osservato. D'altra parte, quando il picco è stato aggiunto a metà e la fine dell'impulso lungo, il miglioramento della foratura efficienza era 80 e 90%, rispettivamente. L'effetto di inter-pulse shaping è stato anche valutato. Basso e Li (2001) ^{[ 13 ]} ha mostrato che un treno di impulsi di grandezza linearmente crescente avuto un effetto significativo sui processi di espulsione.

[ modifica ] Conclusione

I costruttori si stanno applicando i risultati di modellazione dei processi e dei metodi sperimentali per meglio comprendere e controllare il processo di foratura laser. Il risultato è di qualità superiore e più processi produttivi che a sua volta portare a prodotti di fascia più come il combustibile più efficienti e meno inquinanti aerei e generazione di energia motori a turbina.