ПЕРВОЕ ВЫСШЕЕ ТЕХНИЧЕСКОЕ УЧЕБНОЕ ЗАВЕДЕНИЕ РОССИИ

ПЕРВОЕ ВЫСШЕЕ ТЕХНИЧЕСКОЕ УЧЕБНОЕ ЗАВЕДЕНИЕ РОССИИ
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ МИНЕРАЛЬНО-СЫРЬЕВОЙ УНИВЕРСИТЕТ «ГОРНЫЙ»
Согласовано
Утверждаю
Руководитель ООП
по специальности 150100
декан МФ
проф. Е.И. Пряхин
Зав. кафедрой МиХТО
проф. Е.И. Пряхин
ПРОГРАММА УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ
«Основы лазерной обработки»
(наименование по рабочему учебному плану)
Направление подготовки: 150100 Материаловедение и технологии материалов
Профиль подготовки: Материаловедение и технологии новых материалов
Квалификация (степень) выпускника: бакалавр
Форма обучения: очная
Составитель:
доцент
Е.В. Ларионова
САНКТ-ПЕТЕРБУРГ
2012
2
Составитель:
Научный редактор:
доцент Е.В. Ларионова
3
Цель курса — формирование у студентов уровня знаний в области современных методов и средств лазерной технологии, умения проводить инженерные оценки и расчеты лазерных технологических процессов и систем, в
том числе для медицины, поставить экспериментальный технологический
процесс и грамотно эксплуатировать лазерные технологические установки.
Задачи курса — изучение лазеров технологического назначения и оптических систем для работы с ними, технологии лазерной обработки различных материалов, физических предпосылок и технических реализаций разнообразных применений лазеров в технологиях приборо–, машиностроения,
практическое освоение технических средств и технологического оборудования современных лабораторий лазерных технологий.
Дисциплина «Обработка материалов лазерным излучением» входит в
специальную подготовку студента по данной специальности. Она опирается
на знания, полученные при изучении таких дисциплин, как физика, химия,
математика, информатика, материаловедение, и связана с последующими
дисциплинами: "Теория и технология термической и химико-термической
обработки", "Оборудование и автоматизация процессов тепловой обработки
материалов и изделий", "Наноматериалы и нанотехнологии".
Изучившие дисциплину должны:
– уметь использовать характеристики и технологические свойства лазерных установок для разработки техпроцессов термической обработки, изготовления деталей и узлов приборов с применением автоматизированных
систем;
– получить знания о физико–технических основах лазерных технологий, иметь представление о тенденциях развития лазерных технологий,
4
1. СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
1.1. Рабочая программа
(Объем дисциплины часов)
Введение (2 часа)
[3] с 3…6 ,[4] с 5…19.
История развития и современное состояние лазерных технологий.
Основные области применения лазерных технологий: металлообработка —
сварка, резка, упрочнение; микроэлектроника — обработка пленок, нанесение пленочных слоев, микрооптика, микромеханика, измерения и контроль в
технологичексих процессах, трехмерное моделирование; реклама, шоу–
бизнес и торговля.
1.1.1 Технологические лазеры и лазерное излучение (10 часов)
[1] с 6…19 , [3] с 4…11, [4] с. 68…98.
Основные характеристики технологических лазеров. Основные сферы
применения лазеров. Основные требования к параметрам технологических
лазеров: плотности светового потока, мощности, энергии, длительности и частоте следования импульсов, временным характеристикам излучения. Расчеты пороговых энергетических характеристик лазера — мощности излучения,
длительности воздействия, плотности мощности светового потока. Когерентность излучения и ее роль в технологических задачах. Пространственная когерентность и направленность излучения. Временная когерентность и монохроматичность.
Стабильность
параметров
излучения.
Технико-
эксплуатационные характеристики лазера. Пространственные характеристики лазерного излучения. Виды и роль оптических резонаторов в формировании лазерных пучков. Фокусировка лазерного излучения. Модели лазеров.
Сферы их применения.
5
Вопросы для самопроверки
1. Перечислите основные характеристики технологических лазеров.
2. Каковы основные требования к параметрам технологических лазеров?
3. Какие энергетические характеристики лазера называются пороговыми?
4. Что такое когерентность?
5. От чего зависит стабильность параметров излучения, как она влияет на
технико-эксплуатационные характеристики лазера?
6. Каким образом формируются лазерные пучки? Виды резонаторов.
1.1.2 Основные физические процессы лазерных технологий и
методы их изучения (20 часов)
[1] с 12…25 ,[3] с 65…122, [4] с. 224…246.
Лазерное нагревание и процессы, сопутствующие ему фазовые переходы, химические реакции, структурные превращения и другие термоактивируемые процессы. Скорости протекания процессов, градиенты температуры, термонапряжения. Тепловое последействие лазерного импульса. Специфика нагрева и остывания материала при действии сверхкоротких лазерных
импульсов. Теплофизический анализ процессов нагревания и испарения материалов под действием лазерного излучения. Уравнение теплопроводности
и краевые условия. Термохимический механизм лазерного нагрева окисляющихся металлов на воздухе. Основные экспериментальные закономерности.
Кинетика взаимосвязанных химических, оптических и теплофизических процессов.
Вопросы для самопроверки
1. Перечислите фазовые превращения, сопутствующие лазерному нагреванию.
2.Каковы структурные превращения при лазерном нагреве?
3. Какие напряжения возникают в материале при лазерной обработке? Их
особенности.
6
4. Объясните механизм лазерного окисления металлов.
1.1.3. Лазерное формообразование удалением материала (12часов)
[1] с 179…200 ,[3] с. 211…250.
Актуальность лазерного формообразования и его достоинства. Физико-технологические закономерности. Методы исследования, физические закономерности и технологические особенности процесса. Точность и качество
формируемых отверстий, приемы их повышения. Моноимпульсная обработка. Металлизация и изоляция отверстий. Области применения лазеров, лазерные технологические установки (ЛТУ) для изготовления отверстий. Лазерная
резка. Особенности физических процессов резки и разделения материалов,
процессы газификации и уноса различных материалов, управляемое термораскалывание. Резка материалов легкой и текстильной промышленности —
раскрой тканей, бумаги, кож, картона и т.п. Резка и скрайбирование полупроводниковых материалов. Технологические особенности процесса, удаление
продуктов разрушения. Лазерные установки для резки, разделения и скрайбирования различных материалов. Перспективы развития управляемого раскроя. Газолазерная резка (ГЛР), общая схема процессов. Физический и химический механизм ГЛР, классификация материалов по этому признаку. Управляемый и автогенный режим ГЛР металлов. ГЛР неметаллов и легковоспламеняющихся материалов. Основные сферы использования ГЛР в авиа– и автопромышленности, при изготовлении оснастки и инструмента, в деревообработке и изготовлении рекламы и т.п. Фигурная обработка поверхности
(ФОП), гравировка и маркировка, изготовление рельефных поверхностных
форм. Основные физические процессы ФОП - испарение, разложение, вжигание, термохимические реакции. Основные типы лазеров - СО2 и ИАГ и
сферы их применения. Основные оптические (сканирующие и проецирующие) и кинематические схемы. Сферы применения - маркировка инструмента
и оснастки, гравировка ювелирных изделий, сувенирная продукция и т.п.
7
Вопросы для самопроверки
1. Каковы физические закономерности лазерного формообразования?
2. Перечислите приемы повышения качества отверстий при лазерной обработке.
3. Перечислите лазерные технологические установки для изготовления отверстий.
4. Что такое абляция? При каких условиях она возникает? Особенности абляции при лазерном воздействии.
5. Какие особенности физических процессов резки и разделения материалов
присутствуют при лазерной обработке?
6. Перечислите основные физические процессы ФОП, их особенности.
7. Где применяются основные типы лазеров?
1.1.4 Лазерный нагрев, термообработка и сварка (20 часов)
[1] с 131…179 ,[3] с 194…211, 250…269.
Лазерная сварка и ее сравнение с другими видами соединения материалов. Основные виды сварных соединений. Определение критерия сварки.
Теплофизический анализ типовых технологических процессов сварки. Методика анализа процессов лазерной сварки, теплофизический анализ, выбор материалов и режимов. Металлургические аспекты сварки. Роль технологических факторов при сварке — шероховатости поверхности, величины зазора,
плотности контакта и т.п. Сварка металлов с неметаллами. Основные требования к сварным соединениям. Требования к параметрам сварочных лазеров
и особенности сварочных лазерных установок. Лазерная пайка — ее особенности и сферы применения. Лазерные установки для сварки и герметизации
приборов. Термоупрочнение материалов лазерным излучением. Основные
предпосылки и особенности. Физические основы процесса лазерного упрочнения, сдвиг критических точек. Теплофизические закономерности, глубина
зоны закалки. Виды лазерного упрочнения: в твердой фазе, с переплавом ма-
8
териала, с механическим воздействием импульса отдачи. Практическое применение лазерного сверхупрочнения. Установки для лазерной термообработки. Перспективы развития этого направления. Лазерная термообработка керамических и металлокерамических материалов. Лазерное управление структурой металлических и неметаллических материалов. Термохимическая обработка поверхности: микролегирование, аморфизация. Лазерная микрометаллургия.
Вопросы для самопроверки
1. Перечислите основные виды сварных соединений при лазерной обработке.
2. Опишите методику выбора технологических параметров при лазерной
сварке.
3. Какова методика анализа процессов лазерной сварки?
4. Укажите особенности лазерной сварки металлов с неметаллами.
5. Перечислите основные требования к параметрам сварочных лазеров.
6. Каковы особенности лазерной пайки? Перечислите сферы ее применения.
7. Каким образом происходит упрочнение металлов при лазерном воздействии? Виды лазерного упрочнения.
8. Укажите виды термохимической лазерной обработки.
1.1.5 Лазерная обработка излучением мощных лазеров (> 1 кВт)
(10 часов)
[1] с 179…200 , [3] с 122…194, [4] с. 236…274.
Особенности взаимодействия излучения мощных лазеров с материалами. Роль гидродинамических и плазменных процессов. Физика кинжального проплавления. Требования к качеству лазерного излучения при сварке и
резке мощными лазерами. Области практического применения непрерывных
и импульсно–периодических лазеров мощностью > 1 кВт для термообработки, сварки и резки. Проблемы техники лазерной обработки мощными лазерами. Основные типы мощных лазеров — СО2 и ИАГ. Схемы доставки излуче-
9
ния, системы транспортировки и фокусировки излучения.
Вопросы для самопроверки
1. Каковы особенности взаимодействия излучения мощных лазеров с материалом?
2. Какую роль играют плазменные процессы при лазерной обработке?
3. Укажите основные типы мощных лазеров, использующихся для сварки и
резки.
4. Перечислите основные схемы фокусировки излучения для мощных лазеров.
1.1.6 Лазерная обработка пленочных элементов (8 часов)
[1] с 25…54.
Основные понятия о пленочных элементах и технологии их получения. Особенности воздействия излучения на пленки. Возможности использования физико-химических процессов, протекающих в зоне воздействия, для
изменения свойств и параметров пленок, размеров и формы пленочных элементов. Основные сферы применения лазеров для обработки пленок. Лазерные технологические установки для обработки пленок.
Вопросы для самопроверки
1. Укажите особенности воздействия лазерного излучения на пленочные
элементы.
2. Какие физико-химические процессы протекают в зоне воздействия при лазерной обработке пленочных материалов?
3. Перечислите основные типы лазерных технологических установок для обработки пленок.
1.1.7. Лазерные технологии в микроэлектронике (8 часов)
[3] с 269…289.
Сущность и особенности лазерно-плазменного напыления. Напыления тугоплавких металлов, сложных полупроводников, получение много-
10
слойных структур типа сверхрешеток, высокотемпературных сверхпроводников, рентгеновских зеркал. Лазерное оборудование для нанесения пленок.
Лазерное модифицирование структуры полупроводников. Особенности поглощения и перераспределения лазерной энергии в полупроводниках. Особенности лазерного отжига. Перспективы применения лазерного отжига.
Управляемая кристаллизация и аморфизация кремния. Примеры применения
лазерных методов модификации структуры для создания полупроводниковых
материалов
Вопросы для самопроверки
1. Укажите особенности лазерного напыления.
2. Какое технологическое лазерное оборудование используется для напыления полупроводников?
3. Каковы особенности поглощения и перераспределения лазерной энергии в
полупроводниках?
4. В чем состоит суть лазерного отжига? Перспективы его применения.
1.1.8. Лазерная технология формирования оптических элементов и
обработки стекла (10 часов)
[2] с 10…191.
Основы воздействия лазерного излучения на стекло и стеклообразные
материалы: термический цикл, температура и критические скорости нагревания и охлаждения, термоупругие и остаточные напряжения. Закалка и изменение микроструктуры стекол, плавление и сварка, абляция и испарение стекол. Лазерная обработка стекла. Основные сферы применения лазеров в технологии обработки стекла. Лазерное скрайбирование, управляемое термораскалывание, гравировка и резка стекла. Сварка стекла лазерным излучением.
Практические применения лазеров для резки стеклянных труб, обрезки выдувных изделий, сварки стеклянных баллонов приборов и т.д.
11
Вопросы для самопроверки
1. Каковы особенности воздействия лазерного излучения на стекло и стеклообразные материалы?
2. Укажите критические скорости нагрева и охлаждения стекла.
3. Какие напряжения возникают в стеклообразных материалах при лазерной
обработке?
4. Укажите виды лазерных технологических установок, использующихся для
обработки стекла.
5. Привелите примеры практического применения лазеров для управляемого
термораскалывания, гравировки и резки стекла.
12
1.2. ТЕМАТИЧЕСКИЙ ПЛАН ЛЕКЦИЙ ДЛЯ СТУДЕНТОВ
ОЧНО-ЗАОЧНОЙ ФОРМЫ ОБУЧЕНИЯ (16 ЧАСОВ)
Темы лекций
Введение
1.1.1 Технологические лазеры и лазерное излучение
1.1.2 Основные физические процессы лазерных технологий и методы их изучения
1.1.3 Лазерное формообразование удалением материала
1.1.4Лазерный нагрев, термообработка и сварка
1.1.5 Лазерная обработка излучением мощных лазеров (> 1 кВт)
1.1.6 Лазерная обработка пленочных элементов
1.1.7. Лазерные технологии в микроэлектронике
1.1.8 Лазерная технология формирования оптических элементов и
обработки стекла
Объем,
ч
1
2
3
2
3
2
1
1
1
1.3. ТЕМЫ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ (8 ЧАСОВ)
№
п/п
1
3
4
Темы лабораторных работ
Окисление поверхности металлов под воздействием
лазерного излучения
Поверхностная лазерная обработка металлов: маркирование
Поверхностная лазерная обработка пластиков: маркирование и резка
Объем, ч
2
3
3
2. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
2.1 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
Основной:
1. Веденов, А. А. Физические процессы при лазерной обработке материалов / А. А. Веденов, Г. Г. Гладуш. - М.: Энергоатомиздат, 1985. - 205, [2]
с.: граф., ил., табл.
2. Григорьянц, А. Г. Лазерная обработка неметаллических материалов:
учеб. пособие для вузов / А. Г. Григорьянц, А. А. Соколов. - М.: Высш. шк.,
1988. - 187, [2] с.: ил.
3.Григорьянц, А. Г. Основы лазерной обработки материалов/ А. Г. Гри-
13
горьянц. - М.: Машиностроение, 1989. - 301 с.
4. Делоне, Н. Б. Взаимодействие лазерного излучения с веществом:
курс лекций/ Н. Б. Делоне. - М.: Наука, 1989. - 277, [3] с.: ил.
Дополнительный:
1. Вейко, В.П. Лазерная обработка / В.П. Вейко, М.Н. Либенсон - Л.:
Лениздат, 1973.
2. Лазеры в технологии / Под ред. М.Ф.Стельмаха. - М.: Энергия, 1975.
3. Григорьянц, А.Г. Технологические процессы лазерной обработки
[Текст] / А.Г. Григорьянц, И.Н. Шиганов, А.И. Мисюров; под ред. А.Г. Григорьянца – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008. – 664 с.
4. Афонькин, М.Г. Формирование цветных структур на поверхности металла лазерным излучением: монография / М.Г, Афонькин, Е.В. Ларионова.
– Спб.: изд. СЗТУ, 2010. – 205с.: ил.
2 .2. Средства обеспечения освоения дисциплины
Учебные занятия по дисциплине проводятся в форме:
- лекций по основным темам и разделам дисциплины в соответствии с
тематическим планом соответствующей формы обучения;
- лабораторных работ и практических занятий в соответствии с методическими указаниями к их выполнению;
- выполнения контрольной работы в соответствии с методическими
указаниями.
3. Материально-техническое обеспечение дисциплины
3.1 Специализированные учебные лаборатории (классы)
Материально-техническое
обеспечение
учебного
процесса
по
дисциплине «Методы исследования материалов и процессов» представлено
в таблицах №№:6,7
14
Специализированные учебные лаборатории (классы)
Аудитория № 116-2
Таблица 6
Наименование мебели и оргтехники
1. Доска аудиторная на основе
стального эмалированного листа
для написания мелом, см.
2. Стол преподавателя, ед.
3. Стул преподавателя, ед.
4. Стол аудиторный двухместный из прямоугольного, квадратного или круглого прута с
покрытием: ламинат, пластик
или шпон, ед.
5. Стулья аудиторные с сиденьями и спинками из фанеры, ед.
Учебная аудитория для чтения лекций
150х250
120х240
Учебные помещения для проведения
практических заня- лабораторных
тий
работ
150х150
150х150
90х120
90х120
1
1
25
1
1
10
1
1
10
50
20
20
3.2 Основное учебное оборудование
(Технические средства обучения)
Аудитория № 116-6
Таблица7
Наименование мебели и оргтехники
Учебная аудитория
для чтения лекций
1. Графопроектор «MEDIUM» 524 Р,
ед.
2. Проекционный экран «MEDIUM»,
мм.
1
Учебные помещения для
проведения практических
занятий
-
1
-
15
Приложение
Лист регистрации изменений,
вносимых в рабочую программу дисциплины
Номер
изменения
Дата
Страницы с
изменениями
Перечень и содержание откорректированных разделов рабочей программы
14-15
6.1. Рекомендуемая литература
6.1.1. Основная литература
6.1.2. Дополнительная литература
6.2. Средства обеспечения освоения дисциплины
7. Материально-техническое обеспечение дисциплины
7.1 Специализированные учебные лаборатории (классы)
7.2 Основное учебное оборудование