CC BY
63
УДК 535:621.373.836
В.И. Букатый, В.О. Перфильев Воздействие мощного излучения С02-лазера на гранит и мрамор
Введение
В настоящее время существует много работ по воздействию лазерного излучения на материалы, например [1-5] . Большой интерес вызнает изучение действия лазерного излучения на гранит и мрамор. С одной стороны, эти материалы являются очень широко распространенными и часто используются в строительстве в качестве декоративных материалов. С другой стороны, при воздействии лазерного излучения на гранит нужно учитывать, что он является многокомпонентным материалом, а при воздействии на мрамор то, что при нагревании его до температуры 897° С происходит термическая диссоциация. Таким образом, воздействие мощного лазерного излучения с данными материалами является достаточно сложным, малоизученным процессом, слабо освещенным в литературе и поэтому требует дополнительного исследования.
Целью данной работы бышо получение экспериментальных данных, характеризующих основные закономерности при воздействии подвижного и неподвижного лазерного источника мощностью <100 Вт на гранит и мрамор и оценка их дальнейшего практического применения.
Материалы и методика эксперимента
При проведении экспериментов использовалась установка с программным управлением. Установка содержит ПЭВМ Реп"Ыит-166, двухкоординатный самописец ЭНДИМ 622.01 с оптической системой, состоящей из двух зеркал и фокусирующей линзы (использовались две линзы с фокусным расстоянием 7 и 14 см), С02-лазер непрерывного действия типа ЛГН-703 (мощность излучения не более 100 Вт, время срабатывания электромагнитного затвора лазера 10 мс), программно-управляемое устройство сопряжения компьютера с самописцем и лазером.
При проведении экспериментов производилась фокусировка лазерного пучка, при которой фокальное пятно располагалось на поверхности материала . Диаметр пятна с1£ в фокальной области линзы при фокусном расстоянии Е = 14 см равен 0, 6 мм, а при Е = 7см-0,3мм. Его размер находился известным образом [1], по соотношению где j - полный угол расходимости светового пучка. Мощность лазерного излучения
измерялась измерителем средней мощности и энергии ИМ0-2, максимальная погрешность которого при измерении мощности не превышает 7%, а ширина и глубина зоны воздействия - с помощью измерительного микроскопа.
Исследовались два вида гранитов и один мрамора. Гранит розовым калишпатовым - среднезернистой структуры, массивной текстуры и гранит серый биотитовый (с Высокогорного месторождения) - среднезернистым, массивной текстуры. Мрамор белого цвета (с Кабит-Кордонского месторождения) , среднезернистой равномерно зернистой структуры:, массивной текстуры [6-8] .
Результаты и обсуждение
Были проведены эксперименты по изучению влияния скорости перемещения лазерного луча (V, мм/с) относительно обрабатываемого материала и мощности лазерного излучения (Р, Вт) на ширину (Ь, мм) и глубину (1, мм) прорезаемой линии. Результаты экспериментов приведены на рисунках 1-5.
Ь, мм
V, м м/с
Рис 1. Зависимость ширины линии от скорости перемещения лазерного луча.
Серым гранит (Е = 14 см) .
♦ - 92 Вт, ▲ - 50 Вт
И, мм
V, м м/с
Рис. 2. Зависимость ширины линии от скорости перемещения лазерного луча.
Красный гранит (Е = 14 см).
+ - 105 Вт, ■ - 80 Вт, • - 57 Вт
Ь, мм
V, м м /с
Рис 4. Зависимость глубины линии от скорости перемещения лазерного луча.
Мрамор (Е = 14 см).
▲ - 90 Вт, ♦ - 60 Вт
Из рисунков видно, что при Е = 14 см и малых скоростях перемещения лазерного луча (до 10 мм/с) ширина прорезаемой линии резко уменьшается, а затем выходит на постоянным уровень, которым обрывается при достижении скорости некоторого предела ^, после которого материал перестает разогреваться до температуры плавления. При понижении мощности уменьша-
И, мм
V, мм/с
Рис. 3. Зависимость ширины линии от скорости перемещения лазерного луча.
Мрамор (Е = 14 см).
▲ - 105 Вт, ♦ - 80 Вт, • - 60 Вт
^ мм
0.00 20.00 40.00 60.00 80.00 100.00
V, мм/с
Рис 5. Зависимость ширины линии от скорости перемещения лазерного луча.
Мрамор (Е = 7 см).
• - 85 Вт, ■ - 60 Вт, ♦ - 50 Вт
ется ширина прорезаемой линии, что на рисунках выражается в смещении кривых вниз и уменьшении ^.
Изучалось влияние времени воздействия неподвижного лазерного источника и мощности лазерного излучения на ширину (с1, мм) и глубину образуемых при этом лунок. Результаты экспериментов приведены на рисунках 6-10.
^ мм
6 м м
с
Рис. 6. Зависимость диаметра пятна от времени воздействия лазерного луча.
Серым гранит (Е = 14 см) .
▲ - 92 Вт, ♦ - 60 Вт
6, мм
Ъ С
Рис. 8. Зависимость диаметра пятна от времени воздействия.
Мрамор (Е = 14 см).
▲ - 90 Вт, • - 50 Вт Из рисунков следует, что вначале с увеличением времени воздействия диаметр лунки для гранитов и глубина для мрамора резко возрастают и выкодят на некий постоянным уровень.
При воздействии как подвижного, так и неподвижного лазерного источника на поверхность гранитов (при Е = 14 см) происходило только их
С
Рис. 7. Зависимость диаметра пятна от времени воздействия лазерного луча.
Красным гранит (Е = 14 см) .
А - 105 Вт, ♦ - 80 Вт, • - 60 Вт
I, мм
Ъ С
Рис. 9. Зависимость глубины пятна от времени воздействия.
Мрамор (Е = 14 см).
А- 90 Вт, • - 50 Вт плавление. Так как температура кипения основных компонентов гранитов кварца, сликоглаза, альбита более 1800° С [8], то процесс кипения отсутствовал!.
В отличие от гранитов для мрамора при температуре 897оС происходят реакция термической диссоциации СаС03®Са0+С02 и выщеление уг-
d, мм
t, с
Рис 10. Зависимость диаметра пятна от времени воздействия. Мрамор (F = 7 см) .
• - 110 Вт, ♦ - 100 Вт, ■ - 85 Вт,
- 60 Вт, +— 50 Вт
лекислого газа при давлении 0,1 МПа [ 8 ] . Края лунок имеют ровную поверхность.
Было обнаружено, что после обработки мрамора при больших временах воздействия и малых скоростях перемещения лазерного луча в основном на третий день происходит скалывание краев в местах обработки. Это можно объяснить наличием остаточных термонапряжений и тем, что остатки СаО реагируют с Н20, продукты реакции расширяются.
Выводы
Из полученных результатов следует, что использование С02-лазера обеспечивает достаточную скорость поверхностной обработки гранита и мрамора. Особенно большая эффективность достигается при лазерном воздействии на мрамор.
Оснащение установки устройством программно-управляемого перемещения лазерного луча расширяет возможности обработки данных материалов по сложному контуру.
Литература
1 Рыкалин H.H. Лазерная обработка материалов. М., 1975.
2. Григорянц А. Г., Соколов А. А. Лазерная обработка неметаллических образцов. М., 1988.
3. Рэди Дж. Действие мощного лазерного излучения. М., 1974.
4 МЬчулка Г .А. Лазерная обработка стекла. М., 1979.
5 Бендюков В.В., Шевцова Л.А., Юнак Ю.И.
Разрушение композиционных теплозащитных покрытий лазерным излучением //ФХ0М. 1999. №3.
6. Неметаллические ископаемые СССР / Под ред. А.Е. Ферсмана. Т. 5. М., 1945.
7. Вертушков Г. Н., Авдонин В. Н. Таблицы для определения минералов по физическим и химическим свойствам. М., 1980.
8. Свойства неорганических соединений: Справочник / Под ред. А.И. Ефимова. Л., 1983.
