СПОСОБ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ДЕТАЛИ ЛУЧОМ ЛАЗЕРА Российский патент 1995 года по МПК B23K26/18 

Изобретение относится к технологии лазерной обработки и может быть использовано в оптической промышленности при лазерной обработке металлических оптических деталей.

Известен способ обработки металлических деталей лучом лазера, включающий облучение поверхности лазерным излучением мощностью, соответствующей порогу плазмообразования детали, через фильтры, при этом первый фильтр ослабляет мощность лазерного излучения в 4-10 раз, а последующие фильтры постепенно увеличивают мощность лазерного излучения, облучающего поверхность детали, от минимального значения на 30% каждый (Архипова Ю.В., Белашкова И. Н. и др. Пороги оптического пробоя воздуха на полированной металлической поверхности. - Квантовая электроника, 1986, т. 13, N 1, с. 103).

Однако в известном способе обработки металлических деталей для повышения порога плазмообразования требуются специально подобранные фильтры, позволяющие уменьшить мощность лазерного излучения на определенную величину на определенной длине волны и инертные к воздействию лазерного излучения, а также необходимы большие энергетические затраты, связанные с длительностью обработки всей рабочей поверхности лазерным излучением высокой мощности. Кроме того, известный способ не обеспечивает модификацию в результате такой обработки окружающей газовой среды, повышающей порог плазмообразования оптической поверхности.

Наиболее близким по технической сущности (прототипом) является способ, описанный в Патента ФРГ N 2034341, кл. 49 L 1/32, 1973.

Однако известный способ не позволяет удалять с обрабатываемой поверхности технологические загрязнения, если тип загрязнений не известен, и не обеспечивает модификацию в результате обработки как оптической поверхности, так и окружающей газовой среды, позволяющей повысить порог плазмообразования поверхности.

Целью предлагаемого изобретения является улучшение эксплуатационных свойств при обработке оптических деталей путем повышения порога плазмообразования.

Поставленная цель достигается тем, что в способе обработки металлической детали лучом лазера, при котором на нее воздействуют жидкостью и фокусируют на ее поверхности лазерный луч, в качестве жидкости берут смесь фторсодержащего органического растворителя по крайней мере с одним органическим растворителем другого класса, при этом
δ₁- δ < +-

0,61,2 Дж^-1/2 см^-3/2 где δ₁ - параметр растворимости, характеризующий удельную энергию когезии фторсодержащего органического растворителя, соответствующего максимальной величине порога плазмообразования;
δ- аналогичный параметр растворимости органического растворителя.

В качестве органического растворителя другого класса может быть взят растворитель, образующий азеотропную смесь с фторсодержащим органическим растворителем.

Растворители могут быть смешанные в азеотропном соотношении.

Способ обработки металлической детали лучом лазера реализуют следующим образом.

В едином технологическом процессе обрабатывают оптическую деталь диаметром 0,5 м и образцы-свидетели диаметром 50 мм, все изготовленные из металла одной партии. Перед процессом эксплуатации крупногабаритной оптической детали обрабатывают образцы-свидетели последовательно соответствующими фторсодер- жащими органическими растворителями, относящимися к одному классу, по мере возрастания параметра растворимости δ₁, характеризующего удельную энергию когезии фторсодержащего органического растворителя.

Обработку образцов-свидетелей осуществляют в идентичных условиях, при этом образцы устанавливают под углом 70-80^о и обрабатывают оптическую поверхность методом полива при расходе фторсодержащего органического растворителя 5 л/м² поверхности. После обработки оптической поверхности загрязненный фторсодержащий органический растворитель собирают и определяют количество загрязнений, перешедшее в растворитель после очистки, флуорометрическим методом на электронном флуорометре ЭФ-ЗМА.

Очищенные образцы помещают на стенд "СТИС" и определяют порог плазмообразования в трех точках путем постепенного увеличения нагрузки на площади размером 0,2 см до появления устойчивого факела. Точность измерения составляет ±15%. С помощью металлографического анализа (увеличение 80-160^х) исследуют состояние отражающей поверхности образцов на участках с различным количеством воздействующих импульсов излучения пороговой интенсивности в присутствии факела. Определение проводят на длине волны 1,06 мкм.

Испытания по оценке величины порога плазмообразования парекращают после определения следующего после максимальной величины значения порога плазмообразования. Затем определяют диапазон между следующим после максимального и предыдущим перед максимальным значениями порога плазмообразования. После этого выбирают растворитель из другого класса органических растворителей (или растворители из других классов органических растворителей) с параметром δ, входящим в диапазон Δδ, смешивают его (их) с фторсодержащим органическим растворителем с параметром δ₁, обработка которым обеспечивает получение максимального порога плазмообразования до полной гомогенизации смеси, обрабатывают оптическую поверхность металлической детали методом полива по вышеописанной методике и определяют порог плазмообразования и оптической поверхности. Выбор органического растворителя из другого класса производят на основании табл. 1, предложенной Снайдером, в которой приведено разделение органических растворителей на 9 классов с учетом их донорно-акцептовых свойств.

Результаты испытаний порога плазмообразования оптической и химической чистоты оптической поверхности в зависимости от параметра δ растворителей и количества компонентов в жидкости представлены в табл. 2.

Параметр δ ряда растворителей известен.

Как показывают результаты испытаний, представленные в табл. 2, наибольшая величина плазмообразования 0,72, а также наименьшее количество загрязнений 2˙10^-5 мг/см³ достигаются при обработке оптической поверхности образцов-свидетелей представителем фторзамещенных органических растворителей - тетрахлорметаном (пример 4). Из оценки величины параметра δ при обработке оптической поверхности фторзамещенными органическими растворителями, ближайшими по параметру δ к тетрахлордифторэтану (примеры 3, 5) получаем, что параметр δ неизвестного загрязнения, присутствующего на оптической поверхности, лежит в диапазоне 15,2 - 17,0 Дж^-1/2 см ^-3/2.

С учетом табл. 1 и справочных величин параметра δ находим растворители, параметр которых лежит в диапазоне 15,2-17,0 Дж^-1/2 см ^-3/2 и которые не относятся к классу фторзамещенных углеводородов (V класс селективности).

Таким образом, разность параметров растворимости фторсодержащего органического растворителя δ₁ и органического растворителя δ должна соответствовать δ₁- δ < 16,4 - ++

15,217,0 < +-1,20,6 Дж^-1/2 см^-3/2
К таким растворителям относятся: диэтиламин ( δ= 16,4 Дж^-1/2см^-3/2, III класс селективности), метилаль ( δ= 16,9 Дж^-1/2 см ^-3/2, I класс селективности), диизобутилкетон ( δ) 16,0 Дж^-1/2 см ^-3/2) и изоамилацетат ( δ= 16,0 Дж^-1/2 см ^-3/2) IV класс селективности, гептан-1 (δ= 15,3 Дж^-1/2 см ^-3/2) и н-гептан (δ= 15,3 Дж^-1/2 см^-3/2) 0 класс селективности. Бинарные смеси, составленные из указанных растворителей с тетрахлордифторметаном (примеры 6-9), показали величину порога плазмообразования 0,85-0,96 отн. ед. при химической чистоте оптической поверхности (3-6˙10^-6 мг/см³, что в 3,5 раза выше, чем в прототипе, по величине порога плазмообразования и в среднем на 2 порядка - по химической чистоте.

Тройные смеси, составленные из указанных растворителей с тетрахлордифторметаном (примеры 10, 11), показали величину порога плазмообразования 1,0 отн. ед. при химической чистоте оптической поверхности 2˙10^-6 мг/см³, что в 4 раза выше по величине порога плазмообразования и на 2,5 порядка - по химической чистоте оптической поверхности.

Так как растворители с одинаковым или близким параметром растворимости легко смешиваются друг с другом в любых соотношениях, их смешение, например, в указанных пропорциях (примеры 6-11) не составляет труда. Учитывая необходимость многократного использования этих смесей для многократной очистки в замкнутом технологическом цикле для экономии и экологической безопасности, а также то, что растворители даже с близким параметром δ, но имеющие разные типы межмолекулярного взаимодействия, могут с течением времени расслаиваться, теряя свои физико-хими- ческие свойства, и что растворители, используемые для очистки, не должны содержать загрязнений свыше (1˙10^-5) - (1˙10^-6) мг/см³, что достигается ректификационной очисткой, наиболее пригодны азеотропные смеси, которые легко регенерируются в азеотропной смеси в азеотропном соотношении при ректификационной очистке и с течением времени не подвергаются расслоению, не изменяют своих физико-химических свойств.

Изобретение позволяет повысить эксплуатационные свойства деталей путем повышения величины их порога плазмообразования в 3,5-4 раза, что дает возможность эксплуатировать их в условиях высоких температур и высоких энергетических нагрузок; производить высокоэффективную очистку крупногабаритных оптических металлических деталей, в том числе от технологических загрязнений неизвестного типа, улучшая химическую чистоту оптической поверхности не менее чем на 2 порядка; энергетически модифицировать обрабатываемую поверхность и газовое пространство над ней, обеспечивая максимальную для данного материала величину порога плазмообразования, близкую к расчетной; использовать жидкость многократно длительное время в замкнутом технологическом цикле.

Использование: в оптической промышленности. Сущность изобретения: при обработке металлической детали лучом лазера на нее воздействуют жидкостью и фокусируют на ее поверхности лазерный луч. При этом для улучшения эксплуатационных свойств при обработке оптических деталей путем повышения порога плазмообразования в качестве жидкости берут смесь фторсодержащего органического растворителя, по крайней мере с одним органическим растворителем другого класса, причем δ₁-δ<+-

0,61,2 Дж^-1/2 см^-3/2, где δ₁ - параметр растворимости, характеризующий удельную энергию когезии фторсодержащего органического растворителя, соответствующего максимальной величине порога плазмообразования; δ - аналогичный параметр растворимости органического растворителя. В качестве органического растворителя другого класса берут растворитель, образующий азеотропную смесь с фторсодержащим органическим растворителем, растворители смешивают в азеотропном соотношении. 1 с. и 2 з.п. ф-лы, 2 табл.

1. СПОСОБ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ДЕТАЛИ ЛУЧОМ ЛАЗЕРА, при котором на деталь воздействуют жидкостью и фокусируют на ее поверхности лазерный луч, отличающийся тем, что, с целью улучшения эксплуатационных свойств при обработке оптических деталей путем повышения порога плазмообразования, в качестве жидкости берут смесь фторсодержащего органического растворителя по крайней мере с одним органическим растворителем другого класса, при этом
δ₁- δ < +-

0,61,2 Дж^-1/2·см^-3/2 ,
где δ₁ - параметр растворимости, характеризующий удельную энергию когезии фторсодержащего органического растворителя, соответствующего максимальной величине порога плазмообразования;
δ - аналогичный параметр растворимости органического растворителя другого класса. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве органического растворителя другого класса берут растворитель, образующий азеотропную смесь с фторсодержащим органическим растворителем. 3. Способ по п.2, отличающийся тем, что растворители смешивают в азеотропном соотношении.