Lazer delme - Laser drilling
Lazerle delme , bir malzeme üzerinde odaklanmış lazer enerjisini tekrar tekrar titreştirerek "açılmış" delikler veya "darbeli delinmiş" delikler olarak adlandırılan açık delikler oluşturma işlemidir. Bu deliklerin çapı 0,002 ”(~ 50 μm) kadar küçük olabilir. Daha büyük delikler gerekliyse, lazer, istenen çap oluşturulana kadar “açılmış” deliğin çevresinde hareket ettirilir; bu tekniğe "trepanning" denir.
Uygulamalar
Lazerle delme, yüksek en boy oranına sahip delikler (derinlik-çap oranı 10: 1'den çok daha büyük olan delikler) üretmek için kullanılan birkaç teknikten biridir.
Lazerle delinmiş yüksek en-boy oranına sahip delikler, bazı motor bloklarının yağ galerisi , havacılık türbin motoru soğutma delikleri, lazer füzyon bileşenleri ve baskılı devre kartı mikro yolları dahil olmak üzere birçok uygulamada kullanılmaktadır .
Uçak itme gücü ve güç üretimi için türbin motoru üreticileri, dökme, sac levha ve işlenmiş parçalarda 15–90 ° 'lik küçük (0,3–1 mm çaplı tipik) silindirik delikler açmak için lazerlerin üretkenliğinden faydalandı . Saniyede 0,3 ila 3 delik arasındaki hızlarda yüzeye sığ açılarda delikler delme yetenekleri, gelişmiş yakıt verimliliği , daha az gürültü ve daha düşük NOx ve CO emisyonları için film soğutma delikleri içeren yeni tasarımlara olanak sağlamıştır .
Lazer süreci ve kontrol teknolojilerindeki artan gelişmeler, türbin motorlarında kullanılan soğutma deliklerinin sayısında önemli artışlara yol açmıştır. Bu iyileştirmelerin ve lazerle delinmiş deliklerin artan kullanımının temeli, işlem parametreleri ile delik kalitesi ve delme hızı arasındaki ilişkinin anlaşılmasıdır .
Teori
Aşağıda, lazer delme süreci ve proses parametreleri ile delik kalitesi ve delme hızı arasındaki ilişki hakkındaki teknik içgörülerin bir özeti verilmektedir.
Fiziksel olaylar
Silindirik deliklerin lazerle delinmesi genellikle, odaklanmış bir lazer ışınından enerji emilmesi yoluyla iş parçası malzemesinin eritilmesi ve buharlaştırılması (" ablasyon " olarak da adlandırılır ) yoluyla gerçekleşir .
Malzemeyi eriterek çıkarmak için gereken enerji, aynı hacmi buharlaştırmak için gereken enerjinin yaklaşık% 25'i kadardır, bu nedenle malzemeyi eriterek uzaklaştıran bir işlem genellikle tercih edilir.
Lazerle delme işleminde erimenin veya buharlaşmanın daha baskın olup olmadığı birçok faktöre bağlıdır ve lazer darbe süresi ve enerji önemli bir rol oynar. Genel olarak konuşursak, Q-anahtarlı Nd: YAG lazer kullanıldığında ablasyon hakimdir. Öte yandan, malzemenin eritilmesi yoluyla bir delik yaratma yöntemi olan eriyik atma, bir elektronik flaş lambası pompalı Nd: YAG lazer kullanıldığında hakimdir . Bir Nd Q-anahtarlı: YAG lazer normal sırasına göre darbe süresine sahip nanosaniye , MW / cm yüz on mertebesinde yüksek güç 2 ve kazıma oranı bir kaç mikrometre puls başına. Bir flaş lambası Nd pompalı Nd: YAG lazer normal yüzlerce mertebesinde bir darbe süresine sahip mikro a milisaniye , alt MW / cm amacıyla en yüksek güç 2 ve puls başına yüzlerce mikrometreye kadar on kazıma. Her lazerle işleme prosesleri için, ablasyon ve eriyik çıkarma tipik olarak bir arada bulunur.
Buharlaşmanın yarattığı bir boşlukta gaz basıncının (geri tepme kuvveti) hızlı bir şekilde oluşmasının bir sonucu olarak eriyik atılması ortaya çıkar . Eriyik atımının meydana gelmesi için, bir eriyik katmanın oluşması ve buharlaşmadan dolayı yüzey üzerinde etkili olan basınç gradyanlarının , yüzey gerilimi kuvvetlerinin üstesinden gelmek ve erimiş malzemeyi delikten dışarı atmak için yeterince büyük olması gerekir .
"Her iki dünyanın en iyisi" hem "ince" hem de "kaba" eriyik atma yeteneğine sahip tek bir sistemdir. "İnce" eriyik atma , mükemmel duvar tanımına ve ısıdan etkilenen küçük bölgeye sahip özellikler üretirken , darbeli delme ve tezgâhlamada kullanılan "kaba" eriyik atma , malzemeyi hızlı bir şekilde kaldırır.
Geri tepme kuvveti, tepe sıcaklığın güçlü bir fonksiyonudur . T değeri cr geri tepme ve yüzey gerilimi kuvvetlerinin eşit olan sıvı tahliyesi için kritik sıcaklığı. Örneğin , deliğin merkezindeki sıcaklık 3780 K'yi aştığında titanyumdan sıvı çıkışı gerçekleşebilir.
Erken çalışmalarda (Körner, vd., 1996), eriyik çıkarılmasıyla çıkarılan malzeme oranının yoğunluk arttıkça arttığı bulunmuştur. Daha yeni çalışma (Voisey ve diğerleri, 2000), eriyik çıkarma fraksiyonu (MEF) olarak adlandırılan eriyik çıkarma fraksiyonu olarak adlandırılan materyal fraksiyonunun, lazer enerjisi daha da arttığında düştüğünü göstermektedir. Kiriş gücünün yükseltilmesiyle eriyik atılmasındaki ilk artış, geçici olarak buharlaşma ile delik içinde oluşturulan basınç ve basınç gradyanındaki bir artışa atfedilmiştir.
Eriyik ince damlacıklar halinde püskürtülürse daha iyi bir sonuç elde edilebilir. Genel olarak, damlacık boyutu artan darbe yoğunluğu ile azalır. Bu, artan buharlaşma hızından ve dolayısıyla daha ince bir erimiş tabakadan kaynaklanmaktadır. Daha uzun darbe süresi için, daha fazla toplam enerji girişi, daha kalın bir erimiş tabaka oluşturmaya yardımcı olur ve buna karşılık gelen daha büyük damlacıkların dışarı atılmasıyla sonuçlanır.
Önceki modeller
Chan ve Mazumder (1987), sıvı tahliyesini dahil etmek için bir 1-D sabit durum modeli geliştirmiştir, ancak 1-D varsayımı, yüksek en-boy oranlı delik delme için uygun değildir ve delme işlemi geçicidir. Kar ve Mazumder (1990), modeli 2-D'ye genişlettiler, ancak eriyik atma açıkça dikkate alınmadı. Eriyik atmanın daha titiz bir muamelesi Ganesh ve diğerleri tarafından sunulmuştur. (1997), lazer delme sırasında katı, sıvı, sıcaklık ve basıncı birleştirmek için 2-D geçici genelleştirilmiş bir modeldir, ancak hesaplama açısından zordur. Yao, vd. (2001), bir Knudsen katmanının eriyik buhar cephesinde ele alındığı ve modelin daha kısa darbe ve yüksek tepe güçlü lazer ablasyonu için uygun olduğu bir 2-D geçici model geliştirdi.
Lazer enerji emilimi ve eriyik buhar önü
Eriyik buhar cephesinde, Stefan sınır koşulu normal olarak lazer enerjisi absorpsiyonunu tanımlamak için uygulanır (Kar ve Mazumda, 1990; Yao ve diğerleri, 2001).
- (1)
nerede absorbe lazer yoğunluğu, β lazer dalga boyuna ve hedef malzemeye bağlı lazer absorpsiyon katsayısıdır ve I (t) , puls genişliği, tekrarlama oranı ve puls geçici şekli dahil olmak üzere geçici giriş lazer yoğunluğunu tanımlar. k olan ısı iletkenliği , T sıcaklığı, Z ve R , eksenel ve radyal yönde mesafeleri, s olan yoğunluğu , hacim hızı , L hacim gizli buharlaşma ısısı. Alt simgeler l , v ve i sırasıyla sıvı fazı, buhar fazı ve buhar-sıvı arayüzünü belirtir.
Lazer yoğunluğu yüksekse ve darbe süresi kısaysa, Knudsen tabakasının , durum değişkenlerinin katman boyunca kesintili değişikliklere uğradığı eriyik buhar cephesinde var olduğu varsayılır. Knudsen katmanındaki süreksizliği göz önünde bulundurarak, Yao, et al. (2001) , farklı zamanlarda radyal yön boyunca yüzey girinti hızı Vv dağılımını simüle etti , bu da malzeme ablasyon oranının Knudsen tabakası boyunca önemli ölçüde değiştiğini gösteriyor.
Eriyik atma
Buhar basıncı p v elde edildikten sonra , eriyik tabakası akışı ve eriyik atımı, hidrodinamik denklemler kullanılarak modellenebilir (Ganesh ve diğerleri, 1997). Eriyik atımı, sıvı içermeyen yüzeye buhar basıncı uygulandığında meydana gelir ve bu da eriyiği radyal yönde uzaklaştırır. İnce eriyik atımı elde etmek için, eriyik akış modelinin, özellikle deliğin kenarındaki eriyik akış hızının çok hassas bir şekilde tahmin edilmesi gerekir. Bu nedenle, 2-B eksenel simetrik geçici model ve buna göre momentum ve süreklilik denklemleri kullanılır.
Ganesh'in eriyik çıkarma modeli kapsamlıdır ve delik delme işleminin farklı aşamalarında kullanılabilir. Ancak, hesaplama çok zaman alır ve Solana, et al. (2001), eriyik atma hızının sadece delik duvarı boyunca olduğunu varsayan ve minimum hesaplama çabasıyla sonuçlar verebilen basitleştirilmiş bir zamana bağlı model sunmuştur.
Sıvı, dikey duvarlar boyunca basınç gradyanının bir sonucu olarak u hızıyla yukarı doğru hareket edecektir; bu, sırasıyla ablasyon basıncı ile yüzey gerilimi arasındaki farkın penetrasyon derinliğine x bölünmesiyle elde edilir .
Sondaj cephesinin sabit bir hızda hareket ettiğini varsayarsak , dikey duvardaki sıvı hareketinin aşağıdaki doğrusal denklemi , delmenin ilk aşamasından sonra eriyik atılmasını modellemek için iyi bir yaklaşımdır.
- (2)
burada p , eriyik yoğunluğu, μ olan viskozite , sıvı, bir P (t) = (AP (t) / x (t)) , sıvı tabaka boyunca basınç farkı olan, AP (t), buhar arasındaki farktır basınç P v ve yüzey gerilimi .
Darbe şekli etkisi
Roos (1980), 0.5 µs'lik darbelerden oluşan 200 µs'lik bir dizinin, metalleri delmek için 200 µs'lik düz şekilli palslardan daha üstün sonuçlar verdiğini göstermiştir. Anisimov, vd. (1984), darbe sırasında eriyiği hızlandırarak işlem verimliliğinin arttığını keşfetti.
Grad ve Mozina (1998), darbe şekillerinin etkisini daha da göstermiştir. 5 ms'lik bir darbenin başlangıcına, ortasına ve sonuna 12 ns'lik bir artış eklendi. Uzun lazer darbesinin başlangıcına eriyik üretilmediği yerde 12 ns artış eklendiğinde, çıkarma üzerinde önemli bir etki gözlenmedi. Öte yandan, uzun darbenin ortasına ve sonuna diken eklendiğinde, delme verimliliğindeki iyileşme sırasıyla% 80 ve% 90 oldu. Darbeler arası şekillendirmenin etkisi de araştırılmıştır. Low ve Li (2001) , doğrusal olarak artan büyüklükte bir darbe dizisinin tahliye süreçleri üzerinde önemli bir etkiye sahip olduğunu göstermiştir .
Forsman, vd. (2007), çift darbeli bir akımın, önemli ölçüde daha temiz delikler ile artan delme ve kesme hızları ürettiğini göstermiştir.
Sonuç
Üreticiler , lazerle delme işlemini daha iyi anlamak ve kontrol etmek için süreç modelleme ve deneysel yöntemlerin sonuçlarını uygulamaktadır . Sonuç, daha yüksek kaliteli ve daha verimli süreçler olup, bu da daha yakıt verimli ve daha temiz uçaklar ve güç üreten türbin motorları gibi daha iyi son ürünlere yol açar .