Воздействие мощного излучения со₂-лазера на гранит и мрамор

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 СаС03Са0+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.