Исследование динамики физических процессов при адаптированном управлении параметрами лазерного излучения в процессе лазерной обработки

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Патентные исследования

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

СПРАВКА

о патентных исследованиях  по дипломной работе

"Исследование динамики  физических процессов при адаптированном  управлении параметрами лазерного  излучения в процессе лазерной  обработки"

Цель патентных исследований – установление уровня техники

 

1.Задание на проведение  патентного поиска:

Студент     Постникова Ксения Олеговна

Группа     ЛТ-107

Выдано    “   “                  2012 г.

Название предмета поиска, подлежащего патентной проработке:

 

Способы лазерной обработки с управлением параметрами излучения в процессе операции.

 

 

Страна и глубина поиска: Россия, с 1999 года

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Подпись научного руководителя:                            

Подпись консультанта:

Подпись студента:

2. Результаты проведения патентного поиска

 

 

Страна	Индекс МКИ	Перечень просмотренных  материалов	Название аналогов, библиографические данные достаточные  для их нахождения
Россия	B23K26/02 B23K26/38	Открытые реестры интернет ресурса http://www.fips.ru	СПОСОБ ЛАЗЕРНОЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ  ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ. патент № 2118925 1999 г. СПОСОБ ЛАЗЕРНОЙ ОБРАБОТКИ  МЕТАЛЛОВ. патент №2146989 2000 г. СПОСОБ ПРОШИВКИ ПРЕЦИЗИОННЫХ ОТВЕРСТИЙ ЛАЗЕРНЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ. патент №2192341 2000 г. УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ТЕКУЩЕГО КОНТРОЛЯ ЗОНЫ СВАРКИ, А ТАКЖЕ СИСТЕМА  И СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ СВАРКОЙ. Патент №2312745 2003 г.

 

 

 

 

 

 

3. Сравнительный анализ

     Известен способ лазерной технологической обработки материалов (патент№ 2118925), заключающийся в том, что направленный пучок лазерного излучения фокусируют на расстоянии от задней поверхности обрабатываемого материала и формируют требуемую конфигурацию обрабатываемого участка заготовки путем локального разрушения .

      Недостатком известного способа является экранирование лазерного излучения продуктами обработки, которые удаляются с заготовки путем подачи вспомогательного газа.

      Этого недостатка лишен способ лазерной обработки металлов (патент№2146989), при котором лазерное излучение с линейной поляризацией, выходящее из лазера, отражается от поворотного зеркала с фазосдвигающим четвертьволновым покрытием. Отраженное излучение имеет круговую поляризацию и направляется на обрабатываемый образец.

     Отсутствие экранирования лазерного излучения обеспечивает поглощение излучения и на переднем фронте, и на боковых стенках канала реза, материал равномерно разрушается по всей поверхности.

     Недостатком такого способа является то, что коэффициент поглощения при круговой поляризации и заданном угле падения K равен среднему арифметическому от коэффициентов поглощения S и P-волн K=(Ks + Kp)/2. При больших углах падения, наблюдаемых при сварке, резке, пробивке отверстий, коэффициент поглощения для P-волны значительно выше, чем для S-волны, то есть K≈0,5 Kp.

     Лучшим из всех выявленных в процессе поиска технических решений является  способ прошивки прецизионных отверстий лазерным излучением (патент №2192341) со следующей формулой изобретения:

      Способ прошивки прецизионных отверстий лазерным излучением, включающий генерирование лазерного излучения путем его возбуждения в одном или более активных элементах, модуляцию добротности резонатора и создание излучения в виде цугов импульсов с помощью лазерного затвора, коллимацию и фокусировку лазерного излучения на обрабатываемую заготовку и управление его интенсивностью в процессе обработки заготовки, отличающийся тем, что генерируют излучение с s- или p- поляризацией, направляют его в элемент, который пропускает излучение только в направлении обрабатываемой заготовки, а в процессе управления интенсивностью лазерного излучения увеличивают интенсивность импульсов в цуге по мере заглубления канала отверстия.

       Предлагаемый способ реализуется следующим образом. Лазерное излучение, возбуждаемое активными элементами , инжектируется в концевой отражатель на базе интерферометра Саньяка. Концевой отражатель осуществляет пространственно-угловую селекцию и создает затравочное излучение с близким к плоскому волновым фронтом. Кроме того, с помощью фазовой пластинки, установленной в петле интерферометра, управляют вектором напряженности лазерного излучения. Причем пластинку ориентируют под углом 45o, то есть таким образом, чтобы выполнялось разделение поляризаций встречных волн и тем самым исключалось взаимодействие опорных волн при четырехволновом смешении.

      Отраженное от концевого отражателя излучение вновь направляется в активные элементы, и затем на систему поворотных зеркал. С помощью поворотных зеркал создаются три пространственные петли так, что излучение пересекается в активных элементах  и лазерном затворе. По мере развития генерации, при четырехволновом взаимодействии излучение записывает в средах активных элементов и затвора пространственные голографические решетки, которые образуют динамический резонатор лазера, самообращающий волновой фронт излучения. Помимо ОВФ пассивный затвор осуществляет модуляцию добротности динамического резонатора и создает излучение в виде цугов коротких импульсов.

     Усиленное после многократного прохода по резонатору излучение направляется в зону воздействия и фокусируется с помощью объектива  на обрабатываемую заготовку . При необходимости излучение коллимируется с помощью коллиматора . Для исключения попадания излучения, отраженного от заготовки в процессе обработки, между лазером и объективом устанавливают невзаимный элемент.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.Гражданская оборона.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Организация гражданской  обороны на машиностроительном предприятии.

 

На сегодняшний день, при  кажущемся внешнем благополучии, ситуация в мире представляется очень  сложной.

Огромную роль в нагнетании напряженности в мире играют многочисленные конфликты, основанные на межнациональной  и межрелигиозной розни. С каждым годом очагов подобных конфликтов становится все больше. К ним можно отнести  ситуацию, сложившуюся в Албании, на Ближнем Востоке, на территории Чечни. Одним из следствий развития данных конфликтов является резкое увеличение количества террористических актов, которые  осуществляются не только на территории этих государств, но и по всему миру. Кроме того резко повысилась вероятность возникновения различных чрезвычайных ситуаций техногенного характера.

Исходя из всего вышесказанного, задачи по поддержанию системы гражданской  обороны и ее постоянному развитию на всех объектах народного хозяйства  являются приоритетными.

Гражданская оборона организуется на всех объектах народного хозяйства  в целях заблаговременной подготовки их к защите людей от ядерного, химического  и бактериологического оружия, обеспечения  максимального снижения потерь при  применении оружия массового поражения, создания условий, повышающих устойчивость работы предприятия в военное  время, при чрезвычайных ситуациях  и своевременного проведения спасательных и неотложных аварийно-восстановительных  работ на машиностроительном предприятии.

На гражданскую оборону возлагается:

• осуществление мероприятий по защите рабочих и служащих предприятия, прежде всего от ядерного, а также от химического и бактериологического оружия;
• проведение мероприятий, повышающих устойчивость работы предприятий промышленности, энергетики, транспорта и связи в военное время, а также при чрезвычайных ситуациях;
• обеспечение непрерывного управления службами и формированиями, подготовка надежно действующей системы оповещения и связи;
• создание, оснащение, подготовка сил гражданской обороны объекта и поддержание их в постоянной боевой готовности;
• всеобщее обязательное обучение рабочих и служащих мерам защиты от оружия массового поражения и действиям при чрезвычайных ситуациях;
• проведение мероприятий, обеспечивающих защиту продовольствия и источников водоснабжения от радиоактивного, химического и бактериального заражения;
• проведение спасательных и неотложных аварийно-восстановительных работ в очагах поражения.

 Предприятие будет работать  при чрезвычайных ситуациях и  в условиях нападения противника, если еще в мирное время  будет проведен сложный комплекс  подготовительных мероприятий. К  ним относятся: организация и  обеспечение управления гражданской  обороной; меры по защите рабочих  и служащих; меры по повышению  устойчивости работы предприятия  и защите ценного оборудования; создание и боевая подготовка  сил гражданской обороны; накопление  необходимых материальных средств.

Организация и обеспечение управления включают в себя создание органов  управления: штаба и служб, разработку и корректировку плана гражданской  обороны, подготовку и поддержание  в готовности пунктов управления, организацию системы связи и  оповещения.

Основу управления составляет план гражданской обороны предприятия, который разрабатывается заблаговременно. Это позволяет полно, организованно  и в наиболее короткие сроки решить задачи, поставленные перед гражданской обороной, более рационально использовать силы и средства. В документах плана отражают основные мероприятия, которые будут проведены с возникновением угрозы нападения противника, в военное время и при чрезвычайных ситуациях, порядок и сроки их проведения, их обеспечение и исполнителей.

Начальником гражданской  обороны объекта является его  руководитель. Он несет ответственность  за организацию и состояние гражданской  обороны, за постоянную готовность ее сил и средств к проведению спасательных и неотложных аварийно-восстановительных  работ.

На крупных объектах приказом начальника гражданской обороны  объекта назначаются его заместители  по рассредоточению, по инженерно-технической  части, материально-техническому снабжению.

На объектах создаются  штабы гражданской обороны, комплектуемые  из штатных работников и должностных  лиц, не освобождаемых от их основных обязанностей.

На крупном объекте  в состав штаба входят: начальник  штаба, его заместители (помощники) по оперативно-разведывательной части, боевой подготовке, жилому сектору, а  также другие специалисты (по усмотрению начальника гражданской обороны  объекта).

Штаб является органом  управления начальника гражданской  обороны объекта, на который возлагаются:

1. организация и обеспечение  непрерывного управления гражданской  обороной;

2. обеспечение своевременного  оповещения служб, формирований, рабочих и служащих;

3. разработка плана гражданской  обороны объекта, периодическая  корректировка и организация  его исполнения;

4.осуществление мероприятий  по защите рабочих, служащих  и производства от ядерного, химического  и бактериологического оружия  и проведение других мероприятий,  предусмотренных планом;

5. организация боевой  подготовки формирований гражданской  обороны, обучения рабочих, служащих  защите от оружия массового  поражения, и контроль за качеством  этой подготовки;

6. обеспечение постоянной  готовности сил и средств гражданской  обороны.

Начальник гражданской  обороны, главный инженер и начальник  штаба в условиях угрозы нападения  противника должны находиться там, где  удобнее осуществлять управление производством  и гражданской обороной.

В состав группы управления включаются работники штаба, начальники служб и связисты. Пункт управления располагается в защищенном сооружении и обеспечивается средствами связи.

После объявления об угрозе нападения противника руководящий  состав занимает свои места на пункте управления по указанию начальника гражданской  обороны (или начальника штаба), а  по сигналам – немедленно, без особых указаний. Сразу же вводится оперативное  дежурство на пункте управления. Дежурный назначается из числа работников штаба или начальников службы. Прибыв на пункт управления, он немедленно устанавливает связь с оперативными дежурными пунктов управления района (города, области) и соответствующего ведомства.

Оперативный дежурный следит за исправностью средств связи и  оповещения, организует сбор данных об обстановке и оповещает личный состав группы управления о сборе. По распоряжению начальника гражданской обороны (начальника штаба или оперативного дежурного  района, города, области) дежурный немедленно подает сигналы гражданской обороны  на территории предприятия.

До прибытия на пункт  управления начальника гражданской  обороны или его заместителей дежурный обязан приступить к проведению мероприятий предусмотренных планом и инструкциями.

Начальник гражданской  обороны при необходимости должен, пользуясь системой оповещения, обеспечить экстренное оповещение должностных  лиц, рабочих и служащих об угрозе нападения противника, а в период военных действий – о радиоактивном, бактериологическом и химическом заражении  местности, на затопляемой территории – об опасности затоплении при  разрушении гидротехнических сооружений.

Работники системы оповещения смогут выполнить эту задачу лишь в том случае, если сигналы будут  доводиться до нужного звена надежно  и быстро. Оперативность оповещения обеспечивается использованием технических  средств, а также натренированностью обслуживающего персонала.

Надежность оповещения обеспечивается комплексным применением  средств связи, созданием обходных направлений, защиты средств связи  и оповещения, использованием дублирующих  и резервных средств.

При возникновении угрозы нападения система оповещения вступает в действие немедленно, она должна быть готова к подаче сигналов гражданской  обороны. Оповещение предприятий, расположенных  в городах производится штабами  гражданской обороны районов  и городов с использованием прямых или городских линий телефонной связи, а отдельно расположенных  предприятий – штабами гражданской  обороны областей или районов  сельской местности по междугородним  телефонно-телеграфным линиям связи. Для подачи сигналов используют и  радиотрансляционные сети.

Важнейшим сигналом, подаваемым гражданской обороной, является сигнал “Воздушная тревога”. Этот сигнал означает, что нападение противника – свершившийся факт и возможно применение средств  массового поражения. Поэтому доведение этого сигнала до руководства и штаба гражданской обороны предприятия, до рабочих и служащих – одна из самых ответственных задач службы связи.

Сигнал “Воздушная тревога” подается с помощью всех средств  оповещения. Основные из них – сирены и радиотрансляционные сети, вспомогательные (дублирующие) – производственные гудки, ручные сирены, сирены пожарных, медицинских, аварийных машин, средства электросвязи и др.

Электросирены устанавливаются  на прочных зданиях и внутри особо  шумных цехов объекта, в которых  из-за интенсивного шума не слышны наружные сирены.

Для подачи сигналов гражданской  обороны по радиотрансляционной  сети тексты оповещения по различным  сигналам хранятся на радиоузле. Наиболее удобно, когда они записаны на магнитофонную  ленту.

Для контроля прохождения  сигналов на пункте управления устанавливают  радиоточки. Они включаются в радиотрансляционные  сети города и предприятия.

В рабочее время руководящий  и начальствующий состав оповещается  с помощью технических средств  связи внутри предприятия, в нерабочее  – с помощью городской телефонной связи, а также подвижных средств (автомашин, мотоциклов, велосипедов  и др.). Схема оповещения разрабатывается  заблаговременно.

При оповещении об угрозе нападения  и при подаче сигналов: “Угроза  радиоактивного заражения”, “Радиоактивное заражение”, “Бактериологическое  заражение”, “Угроза затопления”  оперативный дежурный приводит в  действие схему оповещения руководящего состава и передает сигнал по радиотрансляционной  сети. Сигнал “Радиоактивное заражение”, кроме того, дублируется звуковыми  сигналами.

При подаче сигнала “Воздушная тревога” он включает сирены и передает сигнал по радиотрансляционной сети, отдает распоряжения о дублировании сигнала вспомогательными средствами, проверяет, по всем ли звеньям проходит сигнал, и приводит в действие схему  оповещения руководящего состава.

Система связи должна обеспечить устойчивое управление гражданской  обороной в период развертывания  сил и при ведении спасательных и восстановительных работ, а  также управление производством.

Средства связи помогают поддерживать взаимодействие сил, получать и передавать информацию об обстановке. Они подготавливаются заблаговременно. Это обеспечивает бесперебойность, гибкость, надежность, хорошую слышимость, и, в конечном счете, успех выполнения задач.

Для обеспечения бесперебойной  и гибкой связи используются стационарные узлы и линии связи, оборудованные  в мирное время, а также необходимый  резерв средств связи (радиостанции, полевой кабель, полевые телефонные аппараты и т. д.), предназначенный  для работ в очагах поражения  на случай выхода из строя стационарных средств связи.

Узел связи должен обеспечить надежную связь с пунктом управления вышестоящего штаба, городской телефонной станцией, постами наблюдения и разведгруппами, цехами, отделами, со службами гражданской  обороны и пунктами сбора формирований. Таким образом, на пункте управления наиболее целесообразно организовать оперативную связь командования, прямые связи начальников служб  и прямую связь с разведкой.

К коммутатору на пункте управления подаются связи с лицами оперативного состава и руководителями производственных участков, находящимися на своих рабочих местах вне пункта управления. В него же включаются соединительные линии от заводской и городской  телефонных станций.

Связь с вышестоящим  штабом лучше всего обеспечивать подачей прямой телефонной линии. Телефонный аппарат этой связи устанавливают  на пункте управления в комнате командования. В мирное время он переключается  на рабочее место, обеспеченное круглосуточным дежурством.

Начальникам служб подаются прямые связи с их формированиями и учреждениями, обеспечивается связь  через внутреннюю телефонную станцию  предприятия.

Если на рабочем месте  должно быть 3 и более телефонных аппаратов, то целесообразно взамен их установить концентратор. С целью  дублирования прямой связи используют линии и аппараты телефонной станции  предприятия. Помимо телефонной связи  пункт управления должен иметь и  радиосвязь с пунктом управления вышестоящего штаба.

На крупных машиностроительных предприятиях организуют внутреннюю радиосвязь, предназначаемую для связи пункта управления с подразделениями разведки, с формированиями, работающими в  очагах поражениями, и с другими  пунктами.

Все радио данные (длина  волны, позывные, время работы, порядок  вхождения в радиосвязь) как для  радиостанций, работающих во внутренней радиосети, так и для радиостанций, работающих в радиосети вышестоящего штаба, устанавливаются вышестоящим  штабом.

При выходе из строя средств  радио- и проводной связи используют подвижные средства связи (автомобили, мотоциклы, велосипеды, пешие посыльные) и сигнальные средства (электрические  фонарики, флажки и др.). Сигнальные средства используются в основном для  оповещения и для связи в очагах поражения.

Связь в очагах поражения  организуется в соответствии с решением начальника гражданской обороны  на проведение спасательных и восстановительных  работ. Предполагается, что основным средством связи в очагах поражения, особенно на первом этапе спасательных работ, будет радиосвязь.

Управление составляет основу деятельности начальника гражданской  обороны объекта и его штаба  и заключается в осуществлении  постоянного руководства рабочими и служащими, формированиями гражданской  обороны объекта на всех этапах ведения  гражданской обороны.

На важных объектах народного  хозяйства при угрозе нападения  создаются две группы управления: одна непосредственно на предприятии, а вторая в загородной зоне, в  районе рассредоточения рабочих  и служащих.

Боевая подготовка личного  состава штабов, служб и формирований объекта – одна из основных задач  гражданской обороны. Ее назначение определяется необходимостью обучить  всех знакомых и служащих защите от оружия массового поражения, обеспечить постоянную готовность личного состава  к умелым и решительным действиям  в условиях чрезвычайных ситуаций.

Общая подготовка проводится со всеми рабочими и служащими  предприятия, специальная - с личным составом формирований и с начальствующим составом.

     Основным  документом, регламентирующим боевую  подготовку, является календарный  план. Он разрабатывается начальником  штаба и утверждается начальником  гражданской обороны предприятия  за две недели до начала  учебного года.

В соответствии с календарным  планом командиры формирований составляют расписания занятий с личным составом на месяц.

При обучении используют различные  способы и методы: лекции (беседы), групповые упражнения, тактико-строевые занятия, практическую работу, штабные  тренировки и учения.

Высшей формой практического  обучения всего личного состава  гражданской обороны являются учения. Им принадлежит главная роль в  совершенствовании знаний и приобретении практических навыков бойцами и  командирами, в повышении общей  боевой готовности формирований к действиям  в условиях ракетно-ядерной войны. Вот почему при проведении учений должна создаваться обстановка, наиболее приближенная к реальной, боевой.

По окончанию учения руководитель проводит его разбор.

Подготовка к защите от оружия массового поражения всего  коллектива предприятия далеко не исчерпывается  проведением занятий и учений со штабом, службами и формированиями гражданской обороны. В состав формирований включается только часть личного  состава машиностроительного предприятия. Однако к участию в спасательных работах должны быть подготовлены все  без исключения рабочие и служащие. Эта задача решается в ходе обучения рабочих и служащих способам защиты от оружия массового поражения.

Таким образом хорошо организованная и отлаженная структура гражданской  обороны машиностроительного предприятия  позволяет осуществлять непрерывную  работу завода, а также спасательно-восстановительные  работы при возникновении угрозы нападения противника с применением  оружия массового поражения, а также  при чрезвычайных ситуациях.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Литературный обзор.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

        Лазерная прошивка сверхглубоких микронных отверстий в различных материалах при программируемом управлении параметрами лазерной генерации

      В настоящее время лазерная прошивка отверстий субмиллиметровых диаметров успешно конкурирует с механическими, электроэрозионными, электрохимическими, электронно-лучевыми методами [1]. Этот метод особенно эффективен при коэффициенте к формы (отношение глубины отверстия Н к его диаметру d) менее 16 благодаря большей производительности, отсутствию расхода инструмента, возможности прошивки глубоких отверстий малого диаметра и произвольной пространственной формы под любым углом к обрабатываемой поверхности. Лазерная перфорация микронных отверстий представляет значительный интерес для микроэлектроники (перфорация печатных плат), для авиационной промышленности (обшивки самолетов, лопатки турбин) и для других отраслей машиностроения (инжекторы топлива, фильтры, фильеры, сопла и т. д.), а также для оптоэлектроники (узлы сопряжения волоконно-оптических систем передачи информации) [2, 3].

     Наибольший  коэффициент формы отверстий  (около 250) достигается при обработке  электроискровыми методами [3], однако  при этом диаметр отверстий  составляет несколько миллиметров.  Минимальный диаметр отверстия,  получаемого данным методом, равен  0.2 мм при коэффициенте формы к < 50. Однако прошивка отверстий большой глубины с d < 0.2 мм и к > 16 даже при обработке лазерным излучением представляет значительные трудности [3], поскольку это сопряжено с необходимостью увеличения энергетических параметров лазерного излучения при сохранении высокого качества пучка, что является причиной удорожания лазерной технологии.

    Создание одномодовых  фазовосопряженных лазеров на YAG: Nd с петлевыми резонаторами на  решетках усиления и модуляцией  добротности пассивными лазерными  затворами(ПЛЗ) на основе кристаллов LiF: F2-, [4-7] позволило существенно повысить эффективность лазерной обработки глубоких микронных отверстий в образцах из быстрорежущей стали [6,7] при использовании предложенного [8] метода адаптивного управления параметрами лазерной генерации путем сканирования ПЛЗ с переменным начальным пропусканием.

    В связи с  этим в настоящей работе исследована  возможность не только повышения  эффективности лазерной прошивки  микронных отверстий, но и одновременного  увеличения глубины и уменьшения  конусности обрабатываемых отверстий  в различных материалах с помощью  одномодового  Nd : YAG-лазера с самообращением  волнового фронта и со сканируемым  ПЛЗ на кристалле LiF: F2-.