2 tgF2d ϕ = Воздействие мощного излучения СО2

ÔÈÇÈÊÀ
ÓÄÊ 535:621.373.836
Â.È. Áóêàòûé, Â.Î. Ïåðôèëüåâ
Âîçäåéñòâèå ìîùíîãî èçëó÷åíèÿ ÑÎ 2-ëàçåðà
íà ãðàíèò è ìðàìîð
Ââåäåíèå
 íàñòîÿùåå âðåìÿ ñóùåñòâóåò ìíîãî ðàáîò ïî
âîçäåéñòâèþ ëàçåðíîãî èçëó÷åíèÿ íà ìàòåðèàëû,
íàïðèìåð [1–5]. Áîëüøîé èíòåðåñ âûçûâàåò èçó÷åíèå äåéñòâèÿ ëàçåðíîãî èçëó÷åíèÿ íà ãðàíèò è
ìðàìîð. Ñ îäíîé ñòîðîíû, ýòè ìàòåðèàëû ÿâëÿþòñÿ î÷åíü øèðîêî ðàñïðîñòðàíåííûìè è ÷àñòî èñïîëüçóþòñÿ â ñòðîèòåëüñòâå â êà÷åñòâå äåêîðàòèâíûõ ìàòåðèàëîâ. Ñ äðóãîé ñòîðîíû, ïðè
âîçäåéñòâèè ëàçåðíîãî èçëó÷åíèÿ íà ãðàíèò íóæíî ó÷èòûâàòü, ÷òî îí ÿâëÿåòñÿ ìíîãîêîìïîíåíòíûì
ìàòåðèàëîì, à ïðè âîçäåéñòâèè íà ìðàìîð òî, ÷òî
ïðè íàãðåâàíèè åãî äî òåìïåðàòóðû 897o C ïðîèñõîäèò òåðìè÷åñêàÿ äèññîöèàöèÿ. Òàêèì îáðàçîì,
âîçäåéñòâèå ìîùíîãî ëàçåðíîãî èçëó÷åíèÿ ñ äàííûìè ìàòåðèàëàìè ÿâëÿåòñÿ äîñòàòî÷íî ñëîæíûì,
ìàëîèçó÷åííûì ïðîöåññîì, ñëàáî îñâåùåííûì â
ëèòåðàòóðå è ïîýòîìó òðåáóåò äîïîëíèòåëüíîãî
èññëåäîâàíèÿ.
Öåëüþ äàííîé ðàáîòû áûëî ïîëó÷åíèå ýêñïåðèìåíòàëüíûõ äàííûõ, õàðàêòåðèçóþùèõ îñíîâíûå
çàêîíîìåðíîñòè ïðè âîçäåéñòâèè ïîäâèæíîãî è
íåïîäâèæíîãî ëàçåðíîãî èñòî÷íèêà ìîùíîñòüþ
<100 Âò íà ãðàíèò è ìðàìîð è îöåíêà èõ äàëüíåéøåãî ïðàêòè÷åñêîãî ïðèìåíåíèÿ.
èçìåðÿëàñü èçìåðèòåëåì ñðåäíåé ìîùíîñòè è ýíåðãèè ÈÌÎ-2, ìàêñèìàëüíàÿ ïîãðåøíîñòü êîòîðîãî
ïðè èçìåðåíèè ìîùíîñòè íå ïðåâûøàåò 7%, à
øèðèíà è ãëóáèíà çîíû âîçäåéñòâèÿ – ñ ïîìîùüþ
èçìåðèòåëüíîãî ìèêðîñêîïà.
Èññëåäîâàëèñü äâà âèäà ãðàíèòîâ è îäèí ìðàìîðà. Ãðàíèò ðîçîâûé êàëèøïàòîâûé – ñðåäíåçåðíèñòîé ñòðóêòóðû, ìàññèâíîé òåêñòóðû è ãðàíèò
ñåðûé áèîòèòîâûé (ñ Âûñîêîãîðíîãî ìåñòîðîæäåíèÿ) – ñðåäíåçåðíèñòûé, ìàññèâíîé òåêñòóðû.
Ìðàìîð áåëîãî öâåòà (ñ Êàáèò-Êîðäîíñêîãî ìåñòîðîæäåíèÿ), ñðåäíåçåðíèñòîé ðàâíîìåðíî çåðíèñòîé ñòðóêòóðû, ìàññèâíîé òåêñòóðû [6–8].
Ðåçóëüòàòû è îáñóæäåíèå
Áûëè ïðîâåäåíû ýêñïåðèìåíòû ïî èçó÷åíèþ
âëèÿíèÿ ñêîðîñòè ïåðåìåùåíèÿ ëàçåðíîãî ëó÷à
(v, ìì/c) îòíîñèòåëüíî îáðàáàòûâàåìîãî ìàòåðèàëà è ìîùíîñòè ëàçåðíîãî èçëó÷åíèÿ (P, Âò) íà
øèðèíó (h, ìì) è ãëóáèíó (l, ìì) ïðîðåçàåìîé ëèíèè. Ðåçóëüòàòû ýêñïåðèìåíòîâ ïðèâåäåíû íà
ðèñóíêàõ 1–5.
h, ìì
4.00
Ìàòåðèàëû è ìåòîäèêà ýêñïåðèìåíòà
Ïðè ïðîâåäåíèè ýêñïåðèìåíòîâ èñïîëüçîâàëàñü
óñòàíîâêà ñ ïðîãðàììíûì óïðàâëåíèåì. Óñòàíîâêà ñîäåðæèò ÏÝÂÌ Pentium-166, äâóõêîîðäèíàòíûé ñàìîïèñåö ÝÍÄÈÌ 622.01 ñ îïòè÷åñêîé ñèñòåìîé, ñîñòîÿùåé èç äâóõ çåðêàë è ôîêóñèðóþùåé
ëèíçû (èñïîëüçîâàëèñü äâå ëèíçû ñ ôîêóñíûì
ðàññòîÿíèåì 7 è 14 ñì), ÑÎ2-ëàçåð íåïðåðûâíîãî
äåéñòâèÿ òèïà ËÃÍ-703 (ìîùíîñòü èçëó÷åíèÿ íå
áîëåå 100 Âò, âðåìÿ ñðàáàòûâàíèÿ ýëåêòðîìàãíèòíîãî çàòâîðà ëàçåðà 10 ìñ), ïðîãðàììíî-óïðàâëÿåìîå óñòðîéñòâî ñîïðÿæåíèÿ êîìïüþòåðà ñ ñàìîïèñöåì è ëàçåðîì.
Ïðè ïðîâåäåíèè ýêñïåðèìåíòîâ ïðîèçâîäèëàñü
ôîêóñèðîâêà ëàçåðíîãî ïó÷êà, ïðè êîòîðîé ôîêàëüíîå ïÿòíî ðàñïîëàãàëîñü íà ïîâåðõíîñòè ìàòåðèàëà. Äèàìåòð ïÿòíà df â ôîêàëüíîé îáëàñòè ëèíçû ïðè ôîêóñíîì ðàññòîÿíèè F = 14 ñì ðàâåí 0,6
ìì, à ïðè F = 7 ñì – 0,3 ìì. Åãî ðàçìåð íàõîäèëñÿ
92 Âò
50 Âò
3.00
2.00
1.00
0.00
0.00
20.00
40.00
60.00
80.00
v, ì ì /c
Ðèñ 1. Çàâèñèìîñòü øèðèíû ëèíèè îò ñêîðîñòè
ïåðåìåùåíèÿ ëàçåðíîãî ëó÷à.
Ñåðûé ãðàíèò (F = 14 ñì).
– 92 Âò, – 50 Âò
èçâåñòíûì îáðàçîì [1], ïî ñîîòíîøåíèþ
ϕ
d f = 2Ftg , ãäå j – ïîëíûé óãîë ðàñõîäèìîñòè
2
ñâåòîâîãî ïó÷êà. Ìîùíîñòü ëàçåðíîãî èçëó÷åíèÿ
82
Âîçäåéñòâèå ìîùíîãî èçëó÷åíèÿ ÑÎ2-ëàçåðà ...
h, ìì
h, ìì
2.50
4.00
105 Âò
80 Âò
60 Âò
105 Âò
80 Âò
57 Âò
3.00
2.00
1.50
2.00
1.00
1.00
0.50
0.00
0.00
0.00
20.00
40.00
60.00
80.00
0.00
100.00
10.00
20.00
30.00
v, ì ì/c
Ðèñ. 3. Çàâèñèìîñòü øèðèíû ëèíèè îò ñêîðîñòè
ïåðåìåùåíèÿ ëàçåðíîãî ëó÷à.
Ìðàìîð (F = 14 ñì).
– 105 Âò, – 80 Âò, – 60 Âò
Ðèñ. 2. Çàâèñèìîñòü øèðèíû ëèíèè îò ñêîðîñòè
ïåðåìåùåíèÿ ëàçåðíîãî ëó÷à.
Êðàñíûé ãðàíèò (F = 14 ñì).
+ – 105 Âò, – 80 Âò, – 57 Âò
h, ì ì
2.50
40.00
v, ìì/ñ
d, ìì
0.80
90 Âò
60 Âò
2.00
0.60
1.50
0.40
1.00
1
2
0.20
0.50
0.00
3
0.00
0.00
10.00
20.00
30.00
40.00
v, ì ì /c
0.00
20.00
40.00
60.00
80.00
100.00
v, ìì/ñ
Ðèñ 4. Çàâèñèìîñòü ãëóáèíû ëèíèè îò ñêîðîñòè
ïåðåìåùåíèÿ ëàçåðíîãî ëó÷à.
Ìðàìîð (F = 14 ñì).
– 90 Âò, – 60 Âò
Ðèñ 5. Çàâèñèìîñòü øèðèíû ëèíèè îò ñêîðîñòè
ïåðåìåùåíèÿ ëàçåðíîãî ëó÷à.
Ìðàìîð (F = 7 ñì).
– 85 Âò, – 60 Âò, – 50 Âò
Èç ðèñóíêîâ âèäíî, ÷òî ïðè F = 14 ñì è ìàëûõ ñêîðîñòÿõ ïåðåìåùåíèÿ ëàçåðíîãî ëó÷à (äî
10 ìì/c) øèðèíà ïðîðåçàåìîé ëèíèè ðåçêî
óìåíüøàåòñÿ, à çàòåì âûõîäèò íà ïîñòîÿííûé óðîâåíü, êîòîðûé îáðûâàåòñÿ ïðè äîñòèæåíèè ñêîðîñòè íåêîòîðîãî ïðåäåëà vï, ïîñëå êîòîðîãî ìàòåðèàë ïåðåñòàåò ðàçîãðåâàòüñÿ äî òåìïåðàòóðû
ïëàâëåíèÿ. Ïðè ïîíèæåíèè ìîùíîñòè óìåíüøà-
åòñÿ øèðèíà ïðîðåçàåìîé ëèíèè, ÷òî íà ðèñóíêàõ âûðàæàåòñÿ â ñìåùåíèè êðèâûõ âíèç è
óìåíüøåíèè vï.
Èçó÷àëîñü âëèÿíèå âðåìåíè âîçäåéñòâèÿ íåïîäâèæíîãî ëàçåðíîãî èñòî÷íèêà è ìîùíîñòè ëàçåðíîãî èçëó÷åíèÿ íà øèðèíó (d, ìì) è ãëóáèíó
îáðàçóåìûõ ïðè ýòîì ëóíîê. Ðåçóëüòàòû ýêñïåðèìåíòîâ ïðèâåäåíû íà ðèñóíêàõ 6–10.
83
ÔÈÇÈÊÀ
d, ì ì
2.50
d, ì ì
3.00
2.00
2.50
1.50
2.00
1.00
92 Âò
1.50
60 Âò
105 Âò
0.50
80 Âò
1.00
0.00
60 Âò
0.50
0.00
1.00
2.00
3.00
4.00
5.00
t, c
0.00
1.00
2.00
3.00
4.00
5.00
t, ñ
Ðèñ. 6. Çàâèñèìîñòü äèàìåòðà ïÿòíà îò âðåìåíè
âîçäåéñòâèÿ ëàçåðíîãî ëó÷à.
Ñåðûé ãðàíèò (F = 14 ñì).
– 92 Âò, – 60 Âò
Ðèñ. 7. Çàâèñèìîñòü äèàìåòðà ïÿòíà îò âðåìåíè
âîçäåéñòâèÿ ëàçåðíîãî ëó÷à.
Êðàñíûé ãðàíèò (F = 14 ñì).
– 105 Âò, – 80 Âò, – 60 Âò
d, ì ì
l, ì ì
1.20
2.00
1.00
1.60
0.80
1.20
0.60
90 Âò
50 Âò
90 Âò
0.80
0.40
50 Âò
0.40
0.20
0.00
1.00
2.00
3.00
4.00
5.00
t, ñ
0.00
1.00
2.00
3.00
4.00
5.00
t, ñ
Ðèñ. 8. Çàâèñèìîñòü äèàìåòðà ïÿòíà îò âðåìåíè
âîçäåéñòâèÿ.
Ìðàìîð (F = 14 ñì).
– 90 Âò, – 50 Âò
Èç ðèñóíêîâ ñëåäóåò, ÷òî âíà÷àëå ñ óâåëè÷åíèåì âðåìåíè âîçäåéñòâèÿ äèàìåòð ëóíêè äëÿ ãðàíèòîâ è ãëóáèíà äëÿ ìðàìîðà ðåçêî âîçðàñòàþò è
âûõîäÿò íà íåêèé ïîñòîÿííûé óðîâåíü.
Ïðè âîçäåéñòâèè êàê ïîäâèæíîãî, òàê è íåïîäâèæíîãî ëàçåðíîãî èñòî÷íèêà íà ïîâåðõíîñòü ãðàíèòîâ (ïðè F = 14 ñì) ïðîèñõîäèëî òîëüêî èõ
Ðèñ. 9. Çàâèñèìîñòü ãëóáèíû ïÿòíà îò âðåìåíè
âîçäåéñòâèÿ.
Ìðàìîð (F = 14 ñì).
– 90 Âò, – 50 Âò
ïëàâëåíèå. Òàê êàê òåìïåðàòóðà êèïåíèÿ îñíîâíûõ êîìïîíåíòîâ ãðàíèòîâ êâàðöà, îëèêîãëàçà, àëüáèòà áîëåå 1800î Ñ [8], òî ïðîöåññ êèïåíèÿ îòñóòñòâîâàë.
 îòëè÷èå îò ãðàíèòîâ äëÿ ìðàìîðà ïðè òåìïåðàòóðå 897î Ñ ïðîèñõîäÿò ðåàêöèÿ òåðìè÷åñêîé
äèññîöèàöèè ÑàÑÎ3→ÑàÎ+ÑÎ2 è âûäåëåíèå óã84
Âîçäåéñòâèå ìîùíîãî èçëó÷åíèÿ ÑÎ2-ëàçåðà ...
ëåêèñëîãî ãàçà ïðè äàâëåíèè 0,1 ÌÏà [8]. Êðàÿ
ëóíîê èìåþò ðîâíóþ ïîâåðõíîñòü.
Áûëî îáíàðóæåíî, ÷òî ïîñëå îáðàáîòêè ìðàìîðà ïðè áîëüøèõ âðåìåíàõ âîçäåéñòâèÿ è ìàëûõ
ñêîðîñòÿõ ïåðåìåùåíèÿ ëàçåðíîãî ëó÷à â îñíîâíîì íà òðåòèé äåíü ïðîèñõîäèò ñêàëûâàíèå êðàåâ â ìåñòàõ îáðàáîòêè. Ýòî ìîæíî îáúÿñíèòü íàëè÷èåì îñòàòî÷íûõ òåðìîíàïðÿæåíèé è òåì, ÷òî
îñòàòêè ÑàÎ ðåàãèðóþò ñ Í2Î, ïðîäóêòû ðåàêöèè
ðàñøèðÿþòñÿ.
d, ìì
1.00
0.80
0.60
1
2
3
4
5
0.40
Âûâîäû
Èç ïîëó÷åííûõ ðåçóëüòàòîâ ñëåäóåò, ÷òî èñïîëüçîâàíèå ÑÎ2-ëàçåðà îáåñïå÷èâàåò äîñòàòî÷íóþ
ñêîðîñòü ïîâåðõíîñòíîé îáðàáîòêè ãðàíèòà è ìðàìîðà. Îñîáåííî áîëüøàÿ ýôôåêòèâíîñòü äîñòèãàåòñÿ ïðè ëàçåðíîì âîçäåéñòâèè íà ìðàìîð.
Îñíàùåíèå óñòàíîâêè óñòðîéñòâîì ïðîãðàììíî-óïðàâëÿåìîãî ïåðåìåùåíèÿ ëàçåðíîãî ëó÷à ðàñøèðÿåò âîçìîæíîñòè îáðàáîòêè äàííûõ ìàòåðèàëîâ ïî ñëîæíîìó êîíòóðó.
0.20
0.00
4.00
8.00
12.00
t, c
Ðèñ 10. Çàâèñèìîñòü äèàìåòðà ïÿòíà îò âðåìåíè
âîçäåéñòâèÿ. Ìðàìîð (F = 7 ñì).
– 110 Âò, – 100 Âò, – 85 Âò,
– 60 Âò, + – 50 Âò
Ëèòåðàòóðà
1. Ðûêàëèí Í.Í. Ëàçåðíàÿ îáðàáîòêà ìàòåðèàëîâ. Ì., 1975.
2. Ãðèãîðÿíö À. Ã., Ñîêîëîâ À. À. Ëàçåðíàÿ îáðàáîòêà íåìåòàëëè÷åñêèõ îáðàçöîâ. Ì., 1988.
3. Ðýäè Äæ. Äåéñòâèå ìîùíîãî ëàçåðíîãî èçëó÷åíèÿ. Ì., 1974.
4. Ìà÷óëêà Ã.À. Ëàçåðíàÿ îáðàáîòêà ñòåêëà. Ì.,
1979.
5. Áåíäþêîâ Â.Â., Øåâöîâà Ë.À., Þíàê Þ.È.
Ðàçðóøåíèå êîìïîçèöèîííûõ òåïëîçàùèòíûõ ïîêðûòèé ëàçåðíûì èçëó÷åíèåì //ÔÕÎÌ. 1999. ¹3.
6. Íåìåòàëëè÷åñêèå èñêîïàåìûå ÑÑÑÐ / Ïîä
ðåä. À.Å. Ôåðñìàíà. Ò. 5. Ì., 1945.
7. Âåðòóøêîâ Ã.Í., Àâäîíèí Â.Í. Òàáëèöû äëÿ
îïðåäåëåíèÿ ìèíåðàëîâ ïî ôèçè÷åñêèì è õèìè÷åñêèì ñâîéñòâàì. Ì., 1980.
8. Ñâîéñòâà íåîðãàíè÷åñêèõ ñîåäèíåíèé: Ñïðàâî÷íèê / Ïîä ðåä. À.È. Åôèìîâà. Ë., 1983.
85