Top Banner
Ş.l.drd.ing. Florin Ravigan Utilaje şi tehnologii neconvenţionale Notiţe de curs
88

Utilaje Tehnologii Neconventionale

Oct 25, 2015

Download

Documents

gesy75
Welcome message from author
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
Page 1: Utilaje Tehnologii Neconventionale

Ş.l.drd.ing. Florin Ravigan

Utilaje şi tehnologii

neconvenţionale Notiţe de curs

Page 2: Utilaje Tehnologii Neconventionale

2

Page 3: Utilaje Tehnologii Neconventionale

3

CCuupprriinnss::

1. Tehnologii de prelucrare cu ultrasunete

2. Tehnologii bazate pe efectul laser

3. Tehnologii cu plasmă

4. Tehnologii cu microunde

5. Tehnologii de prelucrare cu fascicul de electroni

6. Tehnologii cu lichide inteligente

Bibliografie

Page 4: Utilaje Tehnologii Neconventionale

4

1.Tehnologii bazate pe utilizarea ultrasunetelor

Sunetele sunt oscilaţii mecanice ale unui mediu elastic, cu frecvenţe percepute de urechea omului, adică în domeniul 20 Hz - 20 kHz. Oscilaţiile cu frecvenţe de peste 20kHz sunt numite ultrasunete.

Ultrasunetele sunt oscilaţii mecanice cu o frecvenţă mai mare decât cea sonoră, curent între 20 kHz şi 10 MHz. Din fizică se cunoaşte că o perturbaţie produsă local într-un mediu elastic se propagă din aproape în aproape, prin oscilaţiile particulelor, ca undă mecanică. Dacă undele electromagnetice se pot propaga şi în vid, ultrasunetele se pot propaga numai în medii materiale.

1.1. Proprietăţi ale ultrasunetelor

a) Viteza de propagare

Între viteza de propagare C, lungimea de undă λ şi frecvenţa f a undei ultrasonore există relaţia:

C = f · λ

în funcţie de direcţia de oscilaţie a particulelor faţă de direcţia de propagare există:

- unde longitudinale, la care direcţia de oscilaţie este aceeaşi cu direcţia de propagare. Se produc în medii gazoase, lichide sau solide. Viteza de propagare este dată de:

unde E este modulul de elasticitate longitudinal, ρ - densitatea, iar σ coeficientul Poisson.

- unde transversale, la care direcţia de oscilaţie este perpendiculară pe direcţia de propagare. Se produc numai în medii solide. Viteza de propagare este dată de:

unde G este modulul de elasticitate transversal. - unde de suprafaţă (unde Lamb), care sunt o combinaţie de unde londitudinale şi transversale.

Aceste unde pot exista de-a lungul unei suprafeţe, care poate fi şi curbată. Viteza de propagare a undelor Lamb depinde de constantele de material, dar şi de dimensiunile materialului şi de frecvenţă.

b) Impendanţa acustică a unui mediu are expresia:

Z = σ · C [kg/s m2]

Fig.1.1.Plaja de frecvenţe ale ultrasunetelor

Page 5: Utilaje Tehnologii Neconventionale

5

Un material cu impendanţa acustică ridicată se numeşte "acustic tare", în timp ce un material cu impendanţa acustică mică se numeşte "slab acustic".

Valorile vitezei de propagare şi ale impendanţei acustice pentru diferite medii sunt date în tabelul de mai jos.

Mediul Viteza de propagare [m/s] Impendanţa acustică

[kg/sm2]

Longitudinală Transversală

Aluminiu 6350 3100 17·106

Cupru 4600 2200 42·106

Plumb 2160 700 24 ·106

Otel 5850 3230 46·106

Apă 1450 _ 1,5·106 Sticlă 5700 3480 14,5·106

Aer 330 _ 420

c) Reflexia şi refracţia ultrasunetelor la suprafaţa de separaţie dintre două medii

Dacă un fascicul de unde ultrasonore de intensitate l0 atacă perpendicular suprafaţa de separaţie dintre două medii, 1 şi 2 (figura 1.2.a), de impendanţe sonore şi Z2, o parte din undă va fi transmisă (refractată) în mediul 2, iar restul reflectată în mediul 1. Intensităţile transmise în cele două medii sunt KT l0, respectiv KRI0, unde KT, respectiv KR sunt coeficienţi subunitari, iar KT + KR = 1.

Coeficientul de transmisie (refracţie) este definit ca:

iar coeficientul de reflexie:

�� = ��� − ���� + ���

Fig. 1.2 Reflexia şi refracţia ultrasunetelor la suprafaţa de separare a două medii a) incidenţa pe direcţie normală; b) incidenţa sub un anumit unghi

Page 6: Utilaje Tehnologii Neconventionale

6

Dacă impendanţele celor două medii sunt aproape egale, coeficientul de reflexie este minim, iar unda ultrasonoră se transmite aproape în totalitate din mediul 1 în mediul 2. Invers, dacă o undă ultrasonoră întâlneşte un mediu acustic tare, se va reflecta într-o proporţie însemnată.

În cazul în care incidenţa undei pe suprafaţa de separaţie face un unghi cu direcţia normală (figura 1.2.b), se respectă următoarele legi:

- unda reflectată are unghiul de reflexie egal cu cel de incidenţă (α1); - unda refractată va avea unghiul de refracţie (α2) faţă de normală, care depinde de unghiul de

incidenţă (α1), conform relaţiei: �� ∝��� ∝� = ����

Asemănător tuturor undelor, se produc fenomene de interferenţă şi difracţie, precum şi conturbări produse de obstacole din cale.

Fasciculul de ultrasunete este divergent, deci cu depărtarea de sursă are loc o creştere a "deschiderii", fiind asemănător unui con.

d) Atenuarea ultrasunetelor se produce după acelaşi mecanism ca la propagarea unei unde. Dacă se măsoară amplitudinile oscilaţiilor în două puncte, H-i şi H2,, atenuarea se calculează cu:

� = 20log ���� ���� În practică, amplitudinea undei ultrasonore este măsurată cu transductoare, care generează o

tensiune de amplitudine proporţională cu amplitudinea undei. Spre exemplu, dacă pe ecranul unui osciloscop, raportul amplitudinilor celor două semnale este 2, atenuarea este: a = 20log2 = 20-0,3 = 6 dB.

1.2.Producerea ultrasunetelor

Există mai multe căi de producere a ultrasunetelor, reflectând într-un fel etapele de progres tehnologic în acest domeniu.

a. Generarea ultrasunetelor pe cale aero sau hidrodinámica se face folosind cavităţi rezonante. Se obţin ultrasunete de frecvenţe în jurul a 20 kHz, la puteri reduse (sub 100W) şi randamente mici.

b. Generarea de ultrasunete pe cale ionică se realizează cu ajutorul unui gaz prealabil ionizat în câmp electric alternativ, cu frecvenţă ultrasonoră. Ionii se deplasează antrenând moleculele gazoase, dând naştere unei oscilaţii acustice, de frecvenţa câmpului excitator. Metoda este foarte puţin folosită în practică.

c.Generarea de ultrasunete pe cale electrodinamică se bazează pe principiul unui difuzor, la care membrana este înlocuită cu un bloc metalic având frecvenţă proprie de rezonanţă în domeniul ultrasunetelor. Când frecvenţa curentului în bobina de excitaţie devine egală cu frecvenţa proprie a blocului metalic, amplitudinea vibraţiei atinge valori importante.

Ultrasunetele obţinute au o singură frecvenţă, iar randamentul conversiei este bun.

Page 7: Utilaje Tehnologii Neconventionale

7

d. Generarea ultrasunetelor folosind efectul magnetostrictiv foloseşte proprietatea unor materiale feromagnetice (numite materiale magnetostrictive) de a se comprima sau dilata dacă sunt plasate într-un câmp magnetic.

Reciproc, orice întindere sau compresiune a materialului aflat într-un câmp magnetic se traduce într-o modificare a fluxului magnetic ce îl tranversează.

Dacă notăm cu / lungimea barei, cu P forţa de natură magnetostrictivă, cu ∆B şi ∆l variaţiile inducţiei şi ale deformării sub acţiunea câmpului magnetic, vom avea relaţiile:

P = M ·∆B

∆� = �′∆��

cu M şi M' coeficienţi de material.

Relaţia de mai sus arată că la orice variaţie de câmp ∆B vom avea o solicitare magnetostrictivă, iar ultima relaţie arată că o alungire sau compresiune de variaţie relativă ∆l/l va conduce la o variaţie de câmp magnetic ∆B. În figura 1.3 sunt date variaţiile relative procentuale pentru două materiale magnetostrictive (nichel şi permaloy) în funcţie de intensitatea câmpului magnetic. Se desprind câteva concluzii din interpretarea acestor curbe:

- valoarea deformaţiei depinde numai de intensitatea câmpului magnetic H; - legea de variaţie este neliniară;

- deformaţia poate fi pozitivă sau negativă, funcţie de material. În cazul dat, nichelul suferă variaţie negativă (se contractă), iar permaloyul suferă variaţie pozitivă (se dilată).

Transductoarele magnetostrictive (tip pachet) sînt confecţionate din tole de material magnetostrictiv peste care se dispune o înfăşurare de excitaţie, pentru a produce cîmpul magnetic de înaltă frecvenţă.

Sensul deformaţiei miezului nu variază la schimbarea de sens a câmpului magnetic. Astfel, frecvenţa deformaţiilor este de două ori mai mare decât frecvenţa curentului alternativ care trece prin înfăşurarea de excitaţie a transductorului (figura 1.4, curbele 1 şi 1 ’ ) .

Fig. 1.3 Variaţia raportului Al /1 a unor materiale magnetostrictive

Page 8: Utilaje Tehnologii Neconventionale

8

De obicei, în tehnica producerii ultrasunetelor se folosesc transductoare polarizate, ce au o înfăşurare suplimentară, de polarizare, prin care trece un curent continuu de polarizare. Cîmpul magnetic constant B0, creat de curentul continuu, orientează magneţii elementari în aceeaşi direcţie, astfel încât substanţa începe să se comporte ca un monocristal. în prezenţa polarizării, frecvenţa de deformare este egală cu frecvenţa tensiunii electrice aplicate, iar amplitudinea deformaţiei A2 (figura 1.4, curba 2) este mult mai mare la aceeaşi amplitudine a inducţiei magnetice variabile Bm (figura 1.4, curba 2’), decât amplitudinea deformaţiei fără polarizare A1 (figura 1.4, curba 1).

Deoarece câmpul magnetic alternativ de frecvenţă mare duce la pierderi însemnate prin histerezis şi curenţi turbionari, miezul se realizează din tole de grosime mică (0,1...0,2 mm), necesitând şi răcire cu apă prin convecţie forţată.

Randamentul optim se obţine când frecvenţa de excitaţie este egală cu frecvenţa proprie de rezonanţă a blocului megnetostrictiv. Această frecvenţă este dată de relaţia:

� = 12 ∙ � #$%

unde l este lungimea miezului magnetostrictiv.

Materiale magnetostrictive utilizate frecvent sunt:

- materiale feromagnetice pure (Ni, Fe, Co);

- aliaje (permendur, alfer, permaloy, hipernik, superpermaloy); - ferite - combinaţii între oxidul unui metal şi oxidul de fier. Transductoarele

magnetostrictive au puteri de ordinul sutelor de waţi, iar frecvenţa ultrasunetelor nu depăşete 100 kHz.

e. Generarea ultrasunetelor folosind efectul piezoelectric foloseşte proprietatea unor materiale (numite materiale piezoelectrice) de a se deforma dacă sunt plasate într-un câmp electric.

Fig. 1.4 Variaţia raportului Al /1 funcţie de timp fără premagnetizare(l) şi cu premagnetizare (2)

Page 9: Utilaje Tehnologii Neconventionale

9

Dacă U este tensiunea aplicată unui element de grosime g din material, presiunea p de natură piezoelectrică ce apare, are valoarea:

& = ' ()

Reciproc, dacă se variază grosimea cu Ag sub acţiunea unei solicitări mecanice, pe suprafaţa materialului apare densitatea de sarcină electrică:

* = '′∆))

Aplicarea unei tensiuni pe două feţe opuse ale cristalului piezoelectric cu obţinerea de efecte mecanice de comprimare sau dilatare se numeşte efect piezoelectric invers. Este important de ştiut că polaritatea tensiunii determină sensul efectului mecanic (comprimare sau dilatare), deci pentru producerea de ultrasunete, cristalul se excită cu tensiune electrică alternativă, de frecvenţă ultrasonora.

Invers, aplicarea unui efort mecanic cu obţinerea unei tensiuni electrice, se numeşte efect piezoelectric direct. Sensul efectului mecanic determină polaritatea tensiunii, deci la detectarea de ultrasunete, cristalul generează tensiuni electrice alternative, de frecvenţă ultrasonoră.

În practică, acelaşi cristal poate fi şi emiţător şi receptor de ultrasunete.

Substanţele cu proprietăţi piezoelectrice sunt: cuarţul, sarea Seignette, turmalina, sulfatul de litiu, etc.

Calităţi piezoelectrice deosebite au ceramicile electrostictive polarizate, realizate prin presarea, formarea si coacerea în cuptor de pulberi ceramice precis dozate, simultan cu aplicarea unui câmp electric constant, intens, în scopul orientării dipolilor în sensul liniilor de câmp. Exemple: titanatul de bariu, zirconatul de plumb şi titan (denumit PZT), niobatul de litiu, etc.

Transductoarele piezoelectrice au puteri de zeci - sute de waţi şi frecvenţa de rezonanţă într-o plajă largă (20 kHz ...10 MHz).

Atât transductoarele magnetostrictive cât şi cele piezoelectrice, pentru a genera ultrasunete de amplitudine maximă, vor fi acordate în "semiundă", adică lungimea lor pe direcţia de oscilaţie va fi multiplu de λ l 2 . în acest fel, la extremităţi apar ventre de oscilaţie, datorate undelor staţionare ce se stabilesc în transductor.

1.3.Curăţirea pieselor cu ajutorul ultrasunetelor

Curăţirea pieselor cu ajutorul ultrasunetelor are o pondere foarte mare datorită simplităţii procedeului, eficacităţii ridicate şi productivităţii deosebite.

Fenomenele care stau la bază sunt cavitaţia şi efectele mecanice dezvoltate într-o baie de lichid de curăţare.

Fenomenul de cavitaţie se manifestă în prezenţa unei unde acustice P0, de mare intensitate, transmisă de un transductor într-o baie de lichid şi constă în generarea de bule de gaze şi vapori (cu diametre de ordinul um), urmată de spargerea lor violentă.

Page 10: Utilaje Tehnologii Neconventionale

10

Explicaţia se bazează pe faptul că presiunea exercitată de ultrasunete în lichid are alternanţe pozitive şi negative (figura 5.4). în semiperioadele în care presiunea este scăzută scade punctul de fierbere al lichidului şi se formează bule de vapori. în următoarea semiperioadă, când presiunea va creşte, se va produce o implozie violentă a acestor bule, determinând presiuni locale de 1000 daN/cm2 şi încălziri de până la 1000 °C.

Această agitaţie puternică, realizată în urma cavitaţiei, determină desprinderea particulelor străine de pe suprafaţa pieselor de spălat. Fenomenul se accentuează dacă lichidul de spălare este un detergent sau un solvent.

Cuvele de spălare au transductoare piezoceramice montate pe pereţi. Construcţia unui transductor compus, de tip "sandwich", este dată în figura 1.6.a. Semnificaţia notaţiilor este: 1 - corp metalic din oţel cu rol de reflector acustic, 2 şi 2' - discuri piezoceramice polarizate, 3 - membrană de rezonanţă din titan, 4 -difuzor mecanic. Grosimea elementelor transductorului se face pe baza condiţiei de rezonator în "semiundă" pentru întreg ansamblul.

În figura 1.6 se prezintă schematic o instalaţie cu mai multe cuve de spălare, care asigură curăţirea în flux a unui număr mare de piese. în prima cuvă piesele sunt supuse înmuierii şi spălării grosiere, apoi sunt trecute într-o a doua, unde sunt curăţate total, urmând o clătire şi uscare în vapori. Semnificaţia notaţiilor: T - transductoare acustice, GUS - generator electric de frecvenţă ultrasonora, R - element încălzitor electric (uneori înglobat în peretele cuvei).

Fig.1.7.Maşină de curăţat cu ultrasunete

a) b)

Fig. 1.6 a) Construcţia transductorului piezoceramic; b) Instalaţie complexă de spălare

Fig. 1.5 Variaţia undei de presiune

Page 11: Utilaje Tehnologii Neconventionale

11

Avantajele acestor instalaţii sunt date de productivitatea ridicată şi calitatea curăţării, mai ales în zonele interioare, greu accesibile ale pieselor. Se foloseşte această tehnică în microelectronică, electrotehnică, mecanică fină, tehnica vidului -oriunde se cer condiţii deosebite de curăţenie a suprafeţelor pieselor.

1.4.Prelucrări cu ajutorul ultrasunetelor

Prelucrarea dimensională a unei piese cu ajutorul ultrasunetelor foloseşte efectul eroziv al unor particule abrazive activate de oscilaţiile ultrasonore ale sculei. Particulele abrazive pot fi în suspensie lichidă sau fixate pe sculă.

Prelucrarea cu ultrasunete se aplică la acele materiale care au fragilitate ridicată, densitate nu prea mare şi nu suferă deformaţii plastice înainte de rupere (ceramica, sticla, safirele, alumina, cuarţul, siliciul, feritele, etc. Cu bune rezultate se pot prelucra şi aliaje dure: carburi metalice, oţelurile aliate, aliaje de titan.

Materialele cu plasticitate ridicată (oţelurile moi, cupru, aluminiul) nu se pot prelucra, căci ultrasunetele nu produc dislocaţii de material, iar particulele abrazive se pot încastra în material.

În figura 1.8 este prezentată schema de principiu a prelucrării cu ultrasunete. Energia cinetică de vibraţie cu frecvenţă ultrasonoră a sculei S se transmite piesei P prin intermediul granulelor abrazive G aflate în suspensie lichidă, circulată în spaţiul de lucru. Prelevarea de particule de material M din piesă se explică prin acţiunea coroborată a trei agenţi erozivi: granulele abrazive - G, bulele de cavitaţie ultrasonică - B şi undele de şoc hidraulic.

a) Granulele abrazive au efect dominant în eroziune. între sculă şi piesă se exercită o forţă de apăsare statică F, pentru crearea unei presiuni statice de 1 - 4 daN/cm2.

Se creează premisele transmiterii şocurilor dinamice ale sculei, care vibrează axial cu o frecvenţă ultrasonică. Sub efectul acestor şocuri, granulele mai mari sau aglomerările de granule, aflate în contact direct atât cu scula cât şi cu piesa, produc microfisuri în stratul superficial al piesei. Microfisurile progresează în adâncime, iar sub acţiunea altor granule, presate sau accelerate de vibraţiile sculei, se desprind microparticule din piesă.

b) Sub acţiunea vibraţiei ultrasonice a sculei, în lichidul purtător de granule abrazive apar solicitări de întindere şi compresiune. în faza de îndepărtare a sculei, apar eforturi de întindere, care produc ruperi în masa lichidului, formându-se microbule de cavitaţie. în fazele de apropiere ale sculei, se produc solicitări de compresiune a lichidului, iar microbulele se distrug prin implozie, ducând la presiuni locale ce depăşesc 1000 daN/cm2. Se produc microfisuri, precum şi prelevare de material din piesă.

Fig. 1.8 Principiul prelucrării prin eroziune ultrasonică

Page 12: Utilaje Tehnologii Neconventionale

12

Ultrasunetele produc în lichid unde de şoc hidraulic. Sub acţiunea lor lichidul pătrunde în reţeaua fină de microfisuri create pe suprafaţa piesei, având efect de pană hidraulică în prelevarea de material.

Scula vibrează cu frecvenţa f=16...35 kHz şi amplitudinea A=10...60 um. Sistemul de avans al maşinii menţine scula la aceeaşi presiune asupra piesei, iar prin prelevarea de material se obţin găuri profilate în piesă, de formă corespunzătoare sculei. Jocul dintre sculă şi piesă depinde de dimensiunea granulelor abrazive folosite, de obicei de 3...5 ori diametrul granulei.

Vârful sculei se execută din material mult mai dur decât piesa, pentru ca materialul prelevat din sculă să fie minim şi uzura redusă. Se poate folosi şi material cu plasticitate crescută (oţel moale, cupru), căci granulele abrazive, sub acţiunea solicitărilor dinamice, se încastrează într-un strat superficial în zona vârfului sculei, oferind protecţie mecanică. Granulele abrazive, având diametru echivalent 3...120 um, de obicei din carbură de bor, carbură de siliciu, diamant, carborund, se găsesc în număr mare în spaţiul de lucru. Ele se uzează în cursul prelucrării, fiind necesară circulaţia supensiei lichide pentru evacuarea particulelor prelevate şi a granulelor uzate.

Circulaţia suspensiei lichide în spaţiul de lucru se poate face: • la presiune normală, suspensia abrazivă fiind adusă din lateral la locul prelucrării, sau

prin poziţionarea verticală a suprafeţei de lucru când lichidul se deplasează sub acţiunea gravitaţiei;

• prin absorbţia în vid a suspensiei din spaţiul de lucru, care conduce la mărirea de 1,5...3 ori a vitezei de prelevare;

• prin circulaţia forţată (pompare), care micşorează efectul de cavitaţie, dar productivitatea creşte.

În cazul ultimelor două variante, scula are prevăzute canale interioare pentru aspiraţie, respectiv pompare a suspensiei abrazive.

Lichidul suspensiei abrazive reprezintă mediul de cuplaj acustic între sculă, granulele abrazive şi piesă, asigurând propagarea uşoară a undelor de şoc. Cel mai folosit lichid este apa, care este ieftină, netoxică, are calităţi de umectare, vâscozitate mică, conductivitate termică bună şi densitate bună pentru a susţine granulele.

Există şi varianta, mai rară, a prelucrării f ără suspensie abrazivă. în acest caz, scula este impregnată cu praf de diamant, iar între sculă şi piesă se practică o mişcare suplimentară de deplasare. Amplitudinea sculei este mai mică (circa 15 um) pentru a proteja scula, iar la locul de prelucrare se foloseşte lichid de răcire.

Instalaţia electroacustică de prelucrare Schema constructivă de principiu a unei instalaţii electroacustice de prelucrare este dată în

figura X.

Fig.9 Structura instalaţiei de prelucrare cu ultrasunete

Page 13: Utilaje Tehnologii Neconventionale

13

Batiul maşinii 1 susţine sania longitudinală 2 şi sania transversală 3, care permit deplasarea cuvei de lucru 4 în plan orizontal, în sistemul de axe xOy. în cuva de lucru este fixată piesa de prelucrat 5. Suspensia abrazivă 6, din rezervorul 7, este omogenizată cu agitatorul 8 şi vehiculată cu pompa 9 prin conductele 10.

Convertorul de energie electromagnetică în energie acustică este transductorul 11, de tip magnetostrictiv. Pe miezul magnetostrictiv 12 se află înfăşurarea de curent alternativ alimentată de la generatorul electric de înaltă frecvenţă 13, realizat cu tranzistoare de putere BJT sau MOSFET. Premagnetizarea miezului se realizeză cu ajutorul unei înfăşurări parcurse de curent continuu provenit de la sursa de curent continuu 14. Rigorile cerute de la sursa de curent continuu, în ceea ce priveşte filtrarea, sunt mari. în alte variante constructive, premagnetizarea miezului se realizează prin magneţi permanenţi plasaţi între cele două coloane ale miezului.

Sursele de alimentare a blocului ultrasonic sunt plasate, de multe ori, într-o carcasă separată. Blocul ultrasonic, închis într-o carcasă etanşă, este răcit forţat cu apă, pentru a evacua căldura

creată prin încălzirea miezului. Un amortizor sonic 16 (din cauciuc) este plasat în partea superioară, iar în partea inferioară, în contact direct cu miezul transductorului, este fixat concentratorul 15, care are funcţia de transfer şi concentrare a energiei mecanice spre piesă.

Concentratorul (aici de formă exponenţială) amplifică vibraţiile ultrasonore ale miezului. Lungimea concentratorului este un multiplu întreg al semilungimii de undă, asfel încât să asigure la scula de lucru oscilaţii de amplitudine maximă.

Scula de lucru 17, având forma cerută de forma prelucrării piesei, este fixată pe concentrator prin înfiletare. Poziţionarea concentratorului la carcasa blocului ultrasonic se face la distanţa λ l 4 de miez, deci într-un nod de oscilaţie, astfel că în această zonă nu apar solicitări mecanice.

Sistemul de avans automat 18 realizeză avansul vertical pe parcursul prelucrării. Capul de lucru se poziţionează pe verticală prin mecanismul şurub-piuliţă 20, iar echilibrarea greutăţii acestuia se face cu contragreutatea 19.

Tipuri de prelucr ări cu ultrasunete

Operaţiile de prelucrare sunt: găurire, alezare, realizare de orificii profilate, frezare, lamare, gravare, debitare în materiale fragile, casante, cu duritate ridicată, electroizolante sau conductoare, în general greu prelucrabile sau neprelucrabile prin alte procedee.

Productivitatea prelucrării, exprimată în mm3/min, este indicată în tabelul 5.2 pentru câteva materiale.

Tabelul 1 Productivitatea prelucrării

Materialul prelucrat

Abraziv Productivitatea [mm2/min]

Carbura de bor diamant 0,1 ... 5 Alumină carbură de bor 5..25 Ceramică carbură de bor 19 Cuart carbură de bor 14 Rubin sintetic carbură de siliciu 7 Sticlă carbură de siliciu 32

Avantajele ale acestui procedeu de prelucrare sunt: • precizie dimensională ridicată, la o rugozitate redusă a suprafeţei prelucrate; • viteză de prelucrare bună (zeci de secunde ... minute), comparativ cu procedee

convenţionale (zeci de minute ... ore); • absenţa acumulării de tensiuni interne şi a încălzirii locale în piesă.

Prelucrarea sculelor cu ajutorul ultrasunetelor conduce la o creştere a durabilităţii sculei de

2...3 ori (exemplu la realizarea filierelor pentru trefilarea sârmelor).

Alte operaţii tehnologice, mult eficientizate prin folosirea ultrasunetelor, sunt: deformarea plastică, trefilarea sârmelor, iritarea pulberilor, prelucrări prin aşchiere, depuneri galvanice.

Page 14: Utilaje Tehnologii Neconventionale

14

1.5.Deformarea plastică a metalului în câmp ultrasonor Sub acţiunea ultrasunetelor, un metal poate prezenta un fenomen de "înmuiere", necesitând

eforturi mai mici necesare deformării. Efectul de "înmuiere" este determinat de creşterea mobilităţii dislocaţiilor datorită prezenţei tensiunilor ultrasonore periodice. Energia acustică are acelaşi efect asupra deformării plastice ca şi energia termică, dar cu un consum energetic mult redus. La contactul dintre piesă şi scula ce acţionează asupra piesei, ultrasunetele permit:

• pătrunderea mai bună a lubrifiantului, deci o reducere a coeficientului de frecare; • separarea suprafeţelor de contact; • erodarea asperităţilor suprafeţelor de contact; • îmbunătăţirea condiţiilor de alunecare ale unor suprafeţe.

1.6.Fritarea pulberilor în câmp ultrasonor Realizarea de piese prin presarea pulberilor a început să aibă o extindere tot mai mare. Aceste

materiale reunesc proprietăţile pulberilor constituente, dar dobândesc şi proprietăţi noi. Gama de materiale realizate prin fritarea ultrasonoră a pulberilor este largă: ferite, ferodouri,

ceramice piezoelectrice, etc. Fenomenul intern al fritării constă în o succesiune de deformări plastice ale pulberilor într-o

matriţă şi deplasarea lor spre a umple spaţiile goale. Prin aplicarea ultrasunetelor, mobilitatea particulelor creşte, iar frecările intense dintre particule generează căldură mărind plasticitatea lor. în final, are loc creşterea densităţii, uniformizarea densităţii, creşterea durităţii şi rezistenţei la rupere a materialului.

Practic are loc o creştere a densităţii cu cea 5...10% faţă de fritarea clasică.

1.7.Prelucrări prin aşchiere în câmp ultrasonor Creşterea eficienţei procedeelor clasice de prelucrare prin aşchiere (strunjire, frezare, alezare,

ascuţirea sculelor) are la bază suprapunerea peste forţele sistemului clasic de aşchiere a oscilaţiilor ultrasunetelor. Rezultă avantajele:

• reducerea timpului de prelucrare; • eliminarea vibraţiilor proprii ale sistemului de aşchiere; • reducerea tensiunilor mecanice remanente în material; • reducerea temperaturilor în zona de aşchiere; • se reduc forţele de aşchiere şi creşte durata de viaţă a sculei. Problema dificilă este modalitatea practică de introducere a energiei

ultrasunetelor în zona de desprindere a aşchiei. Una din soluţii este construcţia adaptată a suportului port-sculă sau a păpuşii mobile la forma blocului ultrasonic.

1.8.Depuneri galvanice cu ajutorul ultrasunetelor Utilizarea utrasunetelor în băi de galvanizare conduce la obţinerea de depuneri electrochimice

cu calităţi superioare. Duritatea peliculei creşte cu 15% la Ag, sau cu 35% la Cu. Tensiunile interne în pelicule scad în condiţiile aplicării în băi a ultrasunetelor. Porozitatea este mai redusă, prin faptul că agitaţia ultrasonoră elimină bulele de hidrogen. Strălucirea este mult mai bună, chiar la aceleaşi densităţi de curent ca în băile normale. în domeniul electronicii, la cositorirea componentelor pe plăci, prin agitarea ultrasonică a băii

de cositor se evită "lipiturile reci", cauzate de prezenţa oxizilor.

1.9.Sudarea cu ultrasunete

Soluţia de îmbinare a materialelor metalice sau plastice, prin vibraţii mecanice de frecvenţă ultrasonoră, s-a impus datorită avantajelor tehnico-economice deosebite:

• realizarea unor sudări de calitate între materiale similare sau compatibile; • reproductibilitatea foarte bună a îmbinării recomandă procedeul la fabricaţie de serie mare; • durata procesului de sudare este foarte redusă; • consum specific de energie redus faţă de metodele clasice (bazate pe topire); • energia termică generată este localizată doar în zona îmbinării, fiind excluse deformaţiile datorate supraîncălzirii. Sudarea metalelor cu ajutorul energiei de vibraţie de frecvenţă ultrasonoră face parte din grupa procedeelor de sudare prin frecare, la "rece", deoarece pe durata procesului temperatura materialelor la locul îmbinării este sub temperatura de topire.

Page 15: Utilaje Tehnologii Neconventionale

15

Piesele de sudat sunt aduse în contact şi strânse una asupra celeilalte cu o forţă determinată. Forţa se aplică de către sculă, care execută şi vibraţiile ultrasonore (figura 5.9).

Semnificaţia notaţiilor din figura 10 este următoarea: 1, 2 - piese de sudat, 3 - zona de îmbinare, 4 - scula, 5 - concentratorul blocului ultrasonic, 6 - nicovala, 7 - sensul energiei acustice, 8 - direcţia de vibrare.

Piesele sunt frecate reciproc, prin oscilaţii mecanice de înaltă frecvenţă, iar la interfaţa zonei de îmbinare are loc ruperea peliculei de oxizi şi interpătrunderea prin difuzie a atomilor de metal dintr-un material în celălalt. Se obţine astfel sudura, ca legătură metalurgică intermediară.

Procedeul de sudare ultrasonoră este eficient în cazul îmbinării metalelor sau aliajelor neferoase cu puncte de topire diferite (cupru - aluminiu, titan - nichel, alamă -aluminiu, etc).

Sudarea ultrasonică a materialelor plastice

Energia mecanică de vibraţie a sculei (sonotrodei) este folosită pentru încălzirea locală a zonei de contact dintre materiale, prin fazele de comprimare şi întindere în materiale termoplastice, simultan cu exercitarea unei forţe de apăsare.

Procedeul este asemănător sudării electrice prin presiune, cu diferenţa că aducerea zonei de îmbinare în stare încălzită se face datorită "ciocănirii" materialului cu frecvenţă ultrasonoră şi nu prin circulaţia curenţilor intenşi (care nici nu ar fi posibili în materiale plastice).

Un echipament de sudare a materialelor plastice cu ultrasunete are următoarele elemente

(figura 11): • batiul - 1, cu rol de a susţine ansamblul componentelor; • mecanismul - 2 de ridicare/coborâre a blocului ultrasonic, acţionat pneumatic, cu rol în realizarea unei forţe F de apăsare controlată între sculă şi materialele supuse sudării;

Fig. 10 Principiul sudării ultrasonice a metalelor

Fig. 11 Echipamentul de sudare ultrasonică a maselor plastice

Page 16: Utilaje Tehnologii Neconventionale

16

• instalaţia electrică - 3 destinată efectuării ciclului tehnologic de ridicare (Rj/coborâre (C) bloc ultrasonic, cuplare/decuplare generator ultrasonic, programare timp de sudare, timp de răcire, etc; • blocul ultrasonic, format din transductorul electroacustic - 4, concentratorul de unde - 6 şi scula de sudare (sonotronul) - 7, cu rol destinat producerii, transformării şi aplicării energiei mecanice la locul îmbinării; • generatorul electronic - 5, cu rol în alimentarea transductorului cu tensiune de frecvenţă înaltă; • nicovala (placa metalică) - 8 pe care se aşează materialele de sudat. Direcţia de vibrare - 9 este pe direcţia axială a sculei.

Observaţie: Direcţia de vibrare asupra materialelor plastice este perpendiculară pe suprafaţa de îmbinare, spre deosebire de sudarea metalelor cu ultrasunete, la care direcţia de vibrare este în lungul suprafeţei de sudare.

în prezent, sunt utilizate instalaţii de sudare într-o gamă largă de puteri (300...2000 W), complet automatizate. Sunt utilizate şi echipamente portabile, de tip pistol, la puteri de 50...300 W.

1.11.Defectoscopia prin ultrasunete

Defectoscopia cu ultrasunete se bazează pe fenomenele de propagare a ultrasunetelor în medii solide şi pe interpretarea informaţiilor oferite de undele reflectate.

Se cunoaşte că ultrasunetele, la întâlnirea suprafeţei unui mediu de impendanţă acustică mai mare, se reflectă în proporţie însemnată, iar dacă suprafaţa este înclinată faţă de direcţia undei, are loc şi schimbarea direcţiei undei reflectate. în plus, fiecare mediu atenuează în mod specific unda ultrasonoră.

Metoda pune în evidenţă, în materiale destinate realizării de repere importante, eventuale fisuri, goluri, porozităţi, incluziuni de alte materiale -elemente susceptibile să producă defecte ale produsului finit.

Schema bloc a unui echipament de control nedistructiv cu ultrasunete (figura 5.11) conţine următoarele elemente: generatorul de impulsuri ultrasonore G/, trasductorul emisiv T, transductorul receptor R şi osciloscopul catodic OK.

Generatorul transmite impulsuri atât spre transductorul T (prin intermediul amplificatorului

A), cât şi spre sistemul de detecţie. Impulsul trimis spre sistemul de detecţie este întârziat de o linie de întârziere Z.7"şi apoi declanşează baza de timp GBT a osciloscopului, care transmite semnalul de baleiaj, amplificat de amplificatorul bazei de timp ABT, spre plăcile de deflexie pe orizontală. Transductorul T emite un impuls de unde ultrasonore, care se propagă prin materialul supus testării, fiind reflectat (sub formă de ecou) de suprafeţele de separaţie cu medii de altă impendaţă sonoră. Transductorul R captează impulsurile de ultrasunete reflectate, le transformă în semnal electric, amplificat şi redresat de blocul AR şi aplicat plăcilor de deflexie pe verticală a osciloscopului. Impulsurile reflectate vor apare pe ecran la intervale diferite de timp.

Apar întotdeauna ecouri ale fascicului la parcurgerea grosimii materialului şi întâlnirea suprafeţelor de separaţie , iar pe ecranul osciloscopului sub formă de impulsuri decalate la intervalul de timp + = 2�/- , unde s este grosimea materialului, iar v viteza ultrasunetelor în

Schema bloc a echipamentului de control cu ultrasunete Fig. 12

Page 17: Utilaje Tehnologii Neconventionale

17

material. Impulsurile succesive au amplitudine diminuată datorită atenuării ultrasunetelor în material.

Dacă în material se găseşte un defect (cavitate) la distaţa de suprafaţă, ecourile se percep pe ecranul osciloscopului ca impulsuri decalate la + = (2��)/-.

Defectele de forme diverse (pori, incluziuni, cavităţi cu asperităţi, etc), precum şi poziţionarea lor la diferite unghiuri în raport cu suprafaţa materialului vor da forme specifice ale ecoului. Pentru stabilirea formei corecte sunt necesare, uneori, măsurători suplimentare, din diferite direcţii, pentru obţinerea de ecouri diferite. Experienţa persoanei care realizează verificarea va conduce la interpretarea corectă.

Exemple de aplicare: verificarea materialelor înainte de probele finale (elici de nave, palete turbine, roţi de vagoane, arbori mari, repere din domeniul nuclear, etc), depistarea fisurilor de îmbătrânire (în corpul aeronavelor, în conductele de descărcare ale petrolierelor, în conductele de gaze subterane, în structura pilonilor podurilor peste ape adânci, etc).

Un exemplu este verificarea structurilor metalice ale platformelor de foraj marin sau ale pilonilor podurilor cu deschidere mare. în faza de construcţie sunt dispuşi transductori piezoceramici în noduri ale structurii de rezistenţă sau în zone critice. Prin utilizarea a mai multe canale de măsurare şi compararea atentă, în timp, a rezultatelor înregistrate se obţin informaţii privind existenţa unui defect şi evoluţia sa în timp.

Transductoarele utilizate în defectoscopie sunt de tip piezoceramic, cu rol de emiţător sau receptor de ultrasunete, sau cu ambele roluri cumulate în aceeaşi construcţie.

în figura 14 sunt prezentate două construcţii. în Fig. 14.a este prezentat un transductor simplu (emiţător sau receptor).

Cristalul piezoceramic (3) are feţele (2) metalizate, de la care pornesc firele de conexiune (5). Una din feţe este lipită pe un strat protector (1 ) cu transmitere acustică foarte bună, iar deasupra celeilalte feţe este dispus un material (4) cu rol de amortizor acustic. La construcţia dublă , transductoarele emisiv (E) şi receptor (R ) sunt dispuse sub un anumit unghi faţă de orizontală, în aşa fel încât să se poată recepţiona ecoul ultrasunetelor transmise în piesă (8). Stratul 7 are rol de barieră acustică.

Fig. 13 Ecoul ultrasunetelor în material şi vizualizarea pe ecranul osciloscopului, pentru două situaţii: absenţa defectului şi prezenta unei fisuri.

Fig. 14 Construcţia transductoarelor piezoelectrice utilizate în defectoscopie

Page 18: Utilaje Tehnologii Neconventionale

18

O condiţie foarte importantă este ca ultrasunetele să se transmită de la emiţător la piesă şi să se recepţioneze de la piesă la receptor. Stratul de aer dintre acestea, chiar foarte subtire, are o impedanta acustică Z2 foarte mică comparativ cu impedantele Z1 ale mediilor strabatute de unda. Dacă Z2<<Z1 ultrasunetele nu se vor transmite in stratul de aer.

Pentru a evita acest fenomen, se foloseşte o substanţă de cuplare - lichid sau pastă - a cărei impendanţă acustică să fie media geometrică a impendanţelor celor două medii: Z, (mediul 1 al transductorului) şi Zm (materialul de testat): � = 0�1�2

Cu rezultate bune se foloseşte apa, glicerina sau unele uleiuri naturale.

1.12.Măsurări ale unor mărimi fizice folosind ultrasunetele

Folosind tehnica ultrasunetelor se pot măsura: distanţa la care se află un obiect în apă, grosimile pereţilor pieselor, nivelul unui material într-un recipient, viteza de curgere a unui fluid, etc.

Măsurarea distanţei la care se află un obiect în apă

Ideea a fost folosită prima oară în scop militar, la detectarea submarinelor. Principiul este similar radarului, doar că în locul undelor electromagnetice sunt utilizate ultrasunetele, de unde denumirea echipamentului: "sonar".

în figura 5.14 este prezentat principiul măsurătorii. Un generator de ultrasunete este plasat pe navă, iar transductorul piezoceramic este în contact cu apa de mare. Trenurile de impulsuri sunt dirijate spre fundul mării, pe o direcţie, şi se vor reflecta la întâlnirea cu un obstacol.

Durata impulsurilor generate este de ordinul us, pentru a fi cu mult mai mică decât timpul de

propagare. Cunoscând viteza de propagare a ultrasunetelor în apa de mare şi timpul după care a venit

ecoul, se determină simplu distanţa. De exemplu, dacă durata de la emiterea semnalului ultrasonor până la recepţionarea sa a fost de

50 µs (deci atingerea obstacolului s-a făcut la jumătate din aceasta, 25 µs), cu viteza de " propagare a ultrasunetelor în apă de 1430 m/s, rezultă distanţa faţă de obiect, pe direcţia cercetată: s = v · t = 1430 • 25 • 10-3 = 35,75 m.

Dacă se foloseşte un sistem de detecţie cu unul sau mai mulţi transductori rotitori, care emit trenuri de impulsuri ultrasonore, la recepţionarea ecourilor de pe fiecare direcţie se reconstituie imaginea sonoră a zonei cercetate.

Metoda este utilizată şi la localizarea bancurilor de peşti sau la ridicarea "hărţii" fundului unor mări, pentru evaluarea naturii rocilor, a nodulilor metaliferi bogaţi în Fe, Ni, Cu, Co, Mg.

Măsurarea grosimilor

Este cunoscut că la suprafaţa de separaţie dintre două medii de naturi diferite, care au impéndantele acustice mult diferite, ultrasunetele se reflectă în proporţie majoritară.

Dispunând un transductor emiţător-receptor de ultrasunete pe un perete al unei piese şi înregistrând ecoul transmis de peretele opus (care este separat de un strat de aer) se poate determina grosimea piesei. Măsurătoarea impune prezenţa substanţei de cuplaj, de impendanţa Z (vezi relaţia (5.14)), între transductor şi piesă.

Fig. 15 Măsurarea distanţei la care se află un obiect în apă

Page 19: Utilaje Tehnologii Neconventionale

19

Măsurarea nivelului lichidelor în rezervoare

Traductoarele de nivel ultrasonice utilizează emiţătoare/receptoare de unde ultrasonore de tip piezoceramic, cu frecvenţe de ordinul MHz-ilor, iar nivelul este determinat prin măsurarea timpului parcurs de ultrasunete de la emiţător la suprafaţa lichidului şi înapoi.

O problemă importantă este dependenţa vitezei de propagare a ultrasunetelor de temperatura aerului, viteza crescând cu circa 0,6 m/s la fiecare 1°C. Pentru a insensibiliza rezultatul de viteza de propagare, sonda ultrasónica (figura 5.15) la care este fixat cristalul piezoelectric emiţător/receptor (1 ) are prevăzut un pin de referinţă (2), fixat faţă de cristal la o distanţă cunoscută h0, astfel că undele refecate de acesta permit determinarea vitezei de propagare prin mediul respectiv. Schema funcţională a traductorului de nivel cu ultrasunete (TUS) are structura din figura 5.16. Semnalele generate de blocul emiţător/receptor BER sunt aplicate sondei SUS, care emite ultrasunete spre lichidul a cărui nivel se

măsoară.

Undele reflectate de pinul de referinţă sunt primele recepţionate de BER şi dau naştere unui semnal eşantion s-\ la ieşirea din filtrul numeric FN, care comandă blocul de calibrare SC.

Blocurile BC, OSC (oscilator) şi N (numărător) sunt conectate într-o structură de circuit cu

calare de fază (PLL), astfel că la ieşirea numărătorului se obţin impulsuri de frecvenţă dependentă de frecvenţa semnalului eşantion.

Semnalul eşantion se va recepţiona după un timp:

+ = 2ℎ �

astfel că frecvenţa semnalului s1 va fi:

Fig. 5.15 Sondă ultrasonica pentru traductor de nivel

Fig. 5.16 Schema structurală a traductorului de nivel ultrasonic

Page 20: Utilaje Tehnologii Neconventionale

20

unde C este viteza ultrasunetelor în aer. Similar, undele reflectate de suprafaţa lichidului vor fi recepţionate după timpul:

t = 2ℎ�

iar frecvenţa semnalului s2 va fi:

�56 = 1+ = �2ℎ

Unde h este distanţa de la sondă la nivelul lichidului.

Dacă factorul de divizare al buclei de calare de fază este K, rezultă frecvenţa semnalului s3:

�78 = 1� �79 = �2�ℎ

Impulsurile s3 sunt contorizate în registrul de memorie temporară RMT, până când, la sosirea şi recepţionarea undei reflectate de suprafaţa lichidului se activează semnalul s2 care blochează impulsurile s3 .

Numărul de impulsuri Nh înmagazinat în RMT, pe un ciclu de funcţionare, este

Din relaţia anterioară se observă posibilitatea modificării domeniului de măsurare prin modificarea factorului de divizare K.

Echivalentul numeric Nh obţinut în RMT la finele unui ciclu de numărare este înmagazinat în memoria tampon MT şi convertit în semnal analog de tensiune Ue (de către convertorul numeric-analogic CNA), eventual afişat numeric folosind modulul D, după care se iniţializează un nou ciclu de măsurare. Traductorul are avantaje nete faţă de alte traductoare de nivel, căci nu conţine piese în mişcare, nu intră contact cu lichidul (care poate fi agresiv chimic) şi nu necesită calibrări la schimbarea naturii lichidului. Domeniul de măsură este între 9 cm ... 6 m cu o precizie de 0,5%, putând fi extins la 10...30 m, cu scăderea corespunzătoare a preciziei.

Măsurarea vitezei de curgere sau a debitului unui fluid

Măsurarea cu ajutorul ultrasunetelor a vitezei de curgere a unui fluid (lichid sau gaz) care circulă printr-o conductă plină se bazează pe influenţa exercitată asupra vitezei de propagare a undelor ultrasonore de către viteza de curgere a fluidului.

Mediile elastice fluide sunt caracterizate de valori diferite ale vitezei ultrasunetelor, cuprinse între 900...2000 m/s pentru lichide şi 300...500 m/s în cazul gazelor - viteze mult superioare vitezelor de curgere a fluidelor situate în gama 0,01...10 m/s. După cum este cunoscut, în condiţiile conductei pline, debitul volumic se exprimă prin relaţia:

:; = <=-2>?

Page 21: Utilaje Tehnologii Neconventionale

21

unde Ac este aria secţiunii conductei, iar vmed media vitezelor fluidului pe secţiunea conductei. Deci prin metoda măsurării vitezei de curgere se poate determina şi debitul volumic, între cele două mărimi existând o constantă de proporţionalitate de valoare cunoscută.

Schema funcţională simplificată a unui traductor de debit cu ultrasunete este dată în figura următoare:

Traductorul este dispus pe un tronson al tubului, oblic cu un unghi a, faţă de direcţia de curgere.

În schema prezentată este dată varianta cu două perechi de elemente piezoceramice emiţător-receptor (E1-R1 şi E2-R2), dar prin utilizarea unor blocuri electronice de comutare se poate reduce la varianta cu o singură pereche. Fiecare pereche de elemente piezoceramice este conectată în buclă cu câte un generator comandat (G1, respectiv G2).

Viteza de propagare a undelor ultrasonore de la E1 la R2 deci la propagare în sensul de curgere, este

-@′ = � + -2>?AB� ∝

Viteza de propagare în contrasens, de la E2 la R2 este:

-@′′ = � − -2>?AB� ∝

Unde C este viteza ultrasunetelor în mediul fluid imobil.

Prin scăderea ultimelor relaţii, se obţine:

-2>? = 12AB� ∝ C-@′ − -@′′D

Dacă distanţa de propagare este L, se poate scrie: E = -@′ +@′ , respectiv E = -@′′+@′′ , unde +@′ şi +@′′ sunt timpii de propagare în cele două sensuri. În aceste

condiţii, relaţia de mai sus se poate scrie:

Fig. 18 Schema funcţională simplificată a traductorului de debit cu ultrasunete

Page 22: Utilaje Tehnologii Neconventionale

22

-2>? = 12AB� ∝ F 1+@′ − 1+@′′G

Dacă procesului de emisie-recepţie i se asigură un caracter repetitiv, de perioade +@′ şi +@′′ , atunci

relaţia anterioară devine:

-2>? = 12AB� ∝ C�@′ − �@′′D

Deci vmed se poate exprima printr-o diferenţă de frecvenţe.

Măsurarea frecvenţelor se poate realiza, electronic, cu precizii foarte bune. în cazul traductorului descris, generatoarele G1 şi G2 sunt deblocate simultan şi transmit trenuri de semnale armonice de excitaţie a piezoelementelor E1 şi E2.

După timpii +@′ şi +@′′ ,, sunt recepţionate ultrasunete de piezoelementele E1 şi R2 şi

convertite în tensiunile u1 şi u2 de către detectoarele D1 şi D2. Aceste tensiuni comandă generatoarele G1 şi G2 care lansează un nou tren de semnale de excitaţie. Procesul se repetă cu perioada t p pentru perechea E1-R1 şi cu perioada t"p pentru perechea E2-R2. Semnalele generate de G1 şi G2 sunt constituite dintr-o purtătoare sinusoidală de frecvenţă înaltă (de 1MHz), modulată cu un semnal rectangular de frecvenţă �@′sau �@′′ (cea 1 kHz). Diferenţa

de frecvenţe f'p-f"p este de ordinul zecilor de Hz şi se măsoară electronic prin metode digitale. Metoda este denumită a emisiilor înlănţuite (sing-around method).

1.13.Alte aplicaţii ale ultrasunetelor

Ultrasunetele sunt aplicate cu succes în alte domenii, cum ar fi chimia, biologia (medicina).

Domeniul aplicaţiilor ultrasunetelor în chimie se numeşte sonochimia. în practică, se întâlnesc următoarele reacţii sonochimice:

Sinteze organice Se pot realiza noi legături chimice şi reacţii între produse organice. Solvenţii folosiţi nu trebuie

să fie descompuşi de ultrasunete, cei mai siguri fiind tetrahidrofuranul (THF), toluenul, alcoolul etilic.

Degradarea polimerilor Sub acţiunea ultrasunetelor lanţurile lungi de polimeri se distrug, obţinându-se polimeri cu lanţuri mai mici, având şi proprietăţi modificate. Ameliorarea cineticii reacţiilor

Reacţiile chimice între solide si fluide (lichide sau gaze) se intensifică prin folosirea ultrasunetelor. Undele ultrasonice acţionează mecanic asupra suprafeţei solidelor prin: fenomene de depasivare, activări ale suprafeţelor prin microjeturi de fluid sau fenomene de cavitaţie.

Reacţii prin transfer de fază Există, în practică, lichide aflate în faze nemiscibile (exemplu: apă şi uleiuri). Prin folosirea

ultrasunetelor se obţin emulsii cu compoziţie omogenă. Largi utilizări sunt în cosmetică (prepararea cremelor, pomezilor, gelurilor cosmetice) sau industria alimentară (maioneze, creme).

Degradarea toxinelor din apă Sub acţiunea ultrasunetelor apa se disociază, iar grupul hidroxil OH' format este foarte reactiv.

El poate reacţiona cu unele substanţe, distrugând compuşi organici, unii foarte toxici (fenoli, policlorofenili, policlorobenzenă).

Distrugerea acestor molecule toxice dă naştere la oxizi de carbon (CO şi C02) şi la compuşi organici (acizi oxalici, formici sau acetilenă).

Introducerea ozonului şi utilizarea apei oxigenate, simultan cu folosirea ultrasunetelor, măresc efectul de degradare a compuşilor toxici.

Page 23: Utilaje Tehnologii Neconventionale

23

Aplicaţiile ultrasunetelor în biologie constituie sonobiochimia. în acest domeniu, ultrasunetele asigură cu succes unele reacţii enzimatice, o mai bună

permiabilitate a membranelor, reacţii oxidante, sfărâmarea unor celule, disoluţia produselor biologice solide într-un solvent.

în analiza sau sinteza produselor biochimice se realizează: emulsionări, precipitări, cristalizări, filtr ări, degazări ale emulsiilor, atomizări.

în medicină, la trecerea ultrasunetelor prin mai multe ţesuturi se va produce reflexia fascicului ultrasonor la fiecare suprafaţă de separaţie între două medii de impéndante sonore diferite. Folosind acest principiu se poate face ecografia unor organe.

Ecograful este un echipament complex. Generatorul şi detectorul de ultrasunete sunt realizate sub forma unui transductor piezoelectric. Generatorul de ultrasunete transmite o serie de impulsuri care se propagă în zona studiată, reflectându-se apoi spre suprafaţă, unde sunt recepţionate, amplificate şi transmise spre un videomonitor, pe ecranul căruia apar spoturi luminoase, dând informaţii despre zonele studiate (distanţe, unghiuri, etc.). Răspunsul obţinut depinde de densitatea ţesutului şi forma organului. Deplasând transductorul, se pot obţine informaţii privind conturul, adâncimea şi aspectul organului investigat.

Se vizualizează dimensiunile organelor, prezenţa de tumori, formaţiuni solide (calculi), chisturi, lichid ascitic, etc. Unele echipamente permit studiul evoluţiei fătului uman. Frecvenţele folosite: 1...5 MHz pentru organe abdominale (ficat, rinichi, spina, pancreas, etc), 8...10 MHz pentru organe superficiale de dimensiuni mici (ochi, sâni, tiroidă). Calitatea imaginilor s-a îmbunătăţit prin utilizarea de sonde cu focalizare.

Se poate măsura scurgerea sângelui prin vase sanguine şi inimă folosind ecografia Doppler. Prin aşezarea corespunzătoare a transductorilor se diagnostichează anomalii de circulaţie, tromboze, stenozele vaselor mari, modificări aortice.

Folosind unde de şoc generate prin ultrasunete, emise de transductori piezoelectrici dispuşi pe un arc de cerc, se realizează lithotripsia - ca metodă de sfărâmare a calculilor renali. Centrul cercului de dispunere a transductorilor este calculul, pentru autofocalizarea undei de şoc.

Terapia prin ultrasunete este indicată în patologia aparatului locomotor, afecţiuni dermatologice, neurologice, circulatorii, respiratorii sau digestive cronice.

Efectele biologice ale ultrasunetelor asupra ţesuturilor: creşte permiabilitatea membranelor celulare, creşte activitatea de respiraţie celulară, sunt activate procese oxidante, se produc efecte reducătoare.

Principalele efecte fiziologice sunt: analgetice (stimularea unui sistem de inhibare a transmisiei informaţiilor dureroase), miorelaxante (acţiunea vibratorie asupra proprioceptorilor musculari şi tendinoşi) şi hiperemiante (vasodilataţia arteriolelor şi capilarelor, cu activarea circulaţiei sanguine).

Ultrasunetele în terapie se aplică cu intensităţi mai mici de 0,5 W/cm2.

Se mai pot menţiona utiliz ări diverse ale ultrasunetelor în: realizarea cetii artificiale, măsurarea diametrului unor role, sortarea unor repere după mărime, sesizarea prezenţei prin senzori, deshidratare prin filtrare în câmp ultrasonor.

Fig.19 Ecografie

Page 24: Utilaje Tehnologii Neconventionale

24

2.Tehnologii bazate pe efectul laser

Efectul LASER constă în amplificarea luminii prin emisie stimulată de radiaţie. Este un mod special de a produce o radiaţie în domeniul vizibil (sau în apropierea domeniului vizibil), inexistentă în natură. Efectul LASER are utilizări extrem de largi la ora actuală, atât în ceea ce priveşte prelucrarea materialelor, cât şi în alte domenii: măsurători, transmisii de date, medicină, etc. Este o tehnologie de vârf, apărută de câteva decenii şi cu răspândire tot mai largă.

2.1 Fenomene fizice

Să considerăm o radiaţie luminoasă care stăbate un mediu optic, de lungime L. Dacă la intrarea în mediu intensitatea radiaţiei este I0, pe parcurs are loc absorbţia radiaţiei, astfel că la ieşire intensitatea va avea valoarea:

� = ����∝�� unde α λ este coeficientul de absorbţie, care depinde de natura mediului şi de lungimea de undă λ a radiaţiei. Deoarece creste pozitiv, rezultă /</0, sau altfel spus: în natură radiaţia luminoasă suferă o atenuare.

Instalaţiile laser realizează amplificarea radiaţiei, deci se obţine α λ negativ. Mecanismul producerii radiaţiei laser este complex şi face obiectul fizicii cuantice.

Câteva elemente se prezintă în continuare. Este cunoscut că prin excitarea unui atom, un electron periferic (prin absorbţie de

energie) poate ajunge pe un nivel superior de energie Es, dar revine, după un timp scurt şi aleator, pe un nivel energetic inferior Ei, emiţându-se o cuantă de energie electromagnetică:

h v = Es-Ei unde h este constanta lui Planck, iar v - frecvenţa radiaţiei emise. Aceasta este aşa numita emisie spontană, prin care se produce lumina în natură. Lungimea de undă este legată de frecvenţă şi de viteza undelor electromagnetice:

=�

Fiecare atom prezintă un număr finit de nivele energetice pe care pot tranzita electroni. La revenirea pe nivele inferioare de energie, se vor emite radiaţii, ce constituie un spectru discret.

Să presupunem că o radiaţie de lungime de undă λ, ce ia naştere printr-o tranziţie între două nivele energetice E2 şi E1, străbate un mediu optic.

Valoarea coeficientul de absorbţie � depinde de numărul de atomi din unitatea de volum care au electroni ce se află pe nivelele E1 şi E2 (aşa numitele populaţii n1 şi n2 ale nivelelor E1 şi E2), de densitatea de radiaţie ρ(A) [J/m3], de timpul de viaţă τ2 al electronilor pe nivelul E2 şi de lungimea de undă λ .

Valoarea acestui coeficient este:

Fig. 4.1 Absorbţia şi emisia spontană Fig.1. Absorbţia şi emisia spontană

Page 25: Utilaje Tehnologii Neconventionale

25

� = ������− �������� − ���

Unde C1 şi C2 sunt constante. Primul termen corespunde emisiei spontane, iar cel de-al doilea absorbţiei.

Pentru un sistem atomic aflat în echilibru termodinamic, la o anumită temperatură T, populaţiile sunt repartizate după aşa numita distribuţie Boltzman:

�� =�������

��������

Unde g1 şi g2 sunt ponderi statistice ale nivelelor de energie E şi E2, iar k - constanta lui Boltzman. Numărul de electroni n2 de pe nivelul energetic E2 este mult mai mic decât (de circa 1000 ori, la temperatura ambiantă şi λ în domeniul vizibil), rezultând αλ > 0.

Pentru a avea o amplificare a luminii (I>I0) trebuie să avem αλ <0. Cum primul termen în relaţia de mai sus a lui αλ este pozitiv, rezultă că este necesar, în primul rând, ca: n2 » n1. Acest fenomen se numeşte inversiune de populaţii, iar mediul se află departe de echilibrul termodinamic.

Printr-un fenomen de pompaj se aduc electronii periferici, în număr mare, pe nivele de energie Ep (figura 4.2). De aici, printr-o tranziţie neradiativă (se produce doar încălzirea mediului) electronii ajung pe nivelul E2.

în cazul laserului, revenirea pe nivelul E1 se face la ciocnirea cu un foton, deci emisia este stimulată. Dacă fotonul incident are aceeaşi frecvenţă ca şi cel emis se produce o multiplicare de fotoni şi apare efectul de amplificare a radiaţiei.

Inversiunea de populaţii, realizată prin pompaj, conduce - după cum s-a arătat - la n2» n 1 , dar pentru ca termenul al doilea în relaţia lui αλ să fie mai mare în modul decât primul, este necesară creşterea densităţii de radiaţie ρ(λ).

Acest lucru se face prin utilizarea unei cavităţi rezonante, realizată cu ajutorul unor oglinzi speciale, între care radiaţia suferă reflexii multiple.

În figura 3 se prezintă schematic construcţia laserului.

Fig. 4.2 Diagrama nivelelor energetice în cazul laserului Fig.2 Diagrama nivelelor energetic în cazul laserului

Fig.3 Amplificarea radiaţiei într-o cavitate rezonantă

Page 26: Utilaje Tehnologii Neconventionale

26

Oglinzile O� şi O� sunt plasate la distanţa L, care este un multiplu întreg de λ 2⁄ , iar între ele mediul laser, numit mediu activ. Se crează astfel o cavitate rezonantă. Curent L = (105. ..108)* λ 2⁄ , ceea ce arată o primă dificultate tehnologică în realizarea laserilor.

Se poate arătă că emisia laser se realizează dacă inversiunea de populaţii depăşeşte o valoare de prag -np. Coborârea pragului se face prin mărirea factorului de reflexie al oglinzii O�, alegerea unei lungimi mai mari a mediului activ sau mărirea densităţii radiaţiei.

în concluzie, condiţiile de apariţie a efectului laser sunt: > existenţa unui mediu activ, cu cel puţin trei nivele energetice, în care se realizează o

inversiune de populaţii, superioară unui anumit prag, cu ajutorul unei energii de pompare din exterior;

> mediul să fie transparent, din punct de vedere optic, pentru fotoni; > existenţa unei cavităţi rezonante, limitată de oglinzi, cu o lungime multiplu de λ 2⁄ ,

unde are valori foarte mici (exemplu: =0,69 µm). 2.2.Metodele de pompaj pentru obţinerea inversiunii de populaţii sunt specifice tipului de

mediu activ şi energiei de pompaj alese. în funcţie de mediul activ, pompajul se poate realiza prin:

1. iradiere optică - iradierea cu lumină intensă a mediului activ solid; 2. ciocniri electronice - la descărcări în gaze, pentru mediu activ gazos; 3. inducţie magnetică - pentru mediu activ gazos; 4. disociaţie - inversiunea de populaţii se realizeză în urma unor reacţii chimice,

pentru medii active lichide; 5. injecţia unui curent direct prin o joncţiune pn, pentru laseri cu mediu activ

semiconductor.

2.3. Proprietăţile radiaţiei laser

Radiaţia laser diferă de radiaţiile emise de sursele naturale (soare, flacără, fosforescenţă) sau de sursele artificiale de iluminat (lămpi cu incandescenţă, lămpi cu descărcare), de aceea este caracterizată de proprietăţi specifice: coerenţa, direcţionalitatea, monocromacitatea, intensitatea.

Coerenta radiaţiei laser Două radiaţii laser care provin din două puncte diferite ale unei surse luminoase

interferează şi prin suprapunerea lor rezultă franje de interferenţă. Vizibilitatea unor franje de interferenţă se apreciază cu relaţia:

=�!"# − �!$%�!"# + �!$%

Unde /max şi /min reprezintă intensitatea maximelor, respectiv minimelor vecine din zona de interferenţă. Dacă V= 1 coerenţa este perfectă.

Proprietatea de coerenţă este importantă în aplicaţii pasive: măsurători, holografie, etc. Radiaţiile luminoase de la surse clasice, naturale sau artificiale, nu au proprietatea de

coerenţă, la întâlnire conduc la mărirea intensităţii luminoase, şi nu produc franje de interferenţă.

Direcţionalitatea

Fasciculul laser părăseşte cavitatea rezonantă pe o singură direcţie - axa cavităţii. La părăsirea cavităţii apare un fenomen de difracţie, astfel încât raza fascicului creşte cu distanţa. Unghiul de divergenţă, foarte mic la fasciculul laser,este calculabil cu relaţia:

Page 27: Utilaje Tehnologii Neconventionale

27

' =2()�

Unde r0 este este raza minimă. Pentru laserii cu mediu activ solid divergenţa este sub 1°, iar pentru laserii cu mediu activ gazos divergenţa este sub 1'.

Proprietatea de direcţionalitate face ca radiaţia laser să poată transporta energie concentrată la distanţe foarte mari.

Monocromaticitatea

O sursă de lumină care emite lumină de o singură culoare se numeşte sursă monocromatică.

Domeniul vizibil cuprinde radiaţii electromagnetice cu lungimi de undă între 0,4...0,76 µm. O radiaţie din acest domeniu crează ochiului omenesc senzaţia unei anumite culori. Spre exemplu, senzaţia de culoare roşie este realizată pentru radiaţii cu domeniul lungimii de undă între 0,63...0,76 µm, deci pe un interval de lungimi de undă (numit lărgime de bandă ): ∆λ = 0,13 µm.

În cazul descărcării în gaze, lărgimea benzii pentru radiaţia verde a atomului de mercur este: ∆λ = 2 • 10-3 µm. În cazul laserului cu heliu şi neon, lărgimea benzii este de doar 10-7µm. Explicaţia este dată

de prezenţa cavităţii rezonante, care, asemănător cu un tub de orgă, "răsună" la o anumită frecvenţă, pe care o selectează, o lasă să oscileze şi o amplifică. Se poate spune, deci, că radiaţia laser este ideal monocromatică.

Intensitatea radiaţiei laser

Datorită proprităţilor de coerenţă şi direcţionalitate se obţin intensităţi foarte mari ale fascicului laser.

La laserii cu emisie continuă, se indică puterea (în W), iar la laserii cu emisie în impulsuri se indică energia unui puls (în J).

Deoarece întreaga energie se concentrează pe suprafeţe foarte mici, se foloseşte noţiunea de densitate de putere (104...1010 W/cm2), respectiv de densitate de energie (102...108 J/cm2). Aceste densităţi sunt foarte mari, fapt ce explică aplicaţiile la prelucrări de materiale sau la transport de energie.

2.4.Tipuri constructive de laseri

Clasificarea laserilor, după natura mediului activ: � laseri cu mediu activ solid; � laseri cu mediu activ lichid; � laseri cu mediu activ gazos.

Cei mai utilizaţi sunt cei cu mediu solid sau gazos.

Laseri cu mediu activ solid

Laserul cu rubin a fost primul dezvoltat (anul 1960), fiind utilizat şi în prezent. Mediul activ este un cristal cilindric din rubin sintetic, de diametru 0.5...1 mm şi lungime 2...10 cm. Feţele sale sunt perfect plane şi paralele (perpendiculare pe axa longitudinală), una fiind complet reflectantă, cealaltă parţial reflectantă (β = 0,97...0,98). Cristalul de rubin este impurificat uniform cu atomi de crom în concentraţie redusă (0,05%).

Fig.4. Diagrama nivelelor energetice la laserul cu rubin

Page 28: Utilaje Tehnologii Neconventionale

28

Diagrama nivelelor energetice a atomilor de crom (ce reprezintă centrele optice active) este

prezentată în figura 4, observându-se că prezintă trei nivele. Puterea de pompaj este mare (peste 550 W), folosindu-se lămpi de descărcare tip flash. Inversiunea de populaţii se realizează între nivelul intermediar E1 şi nivelul de bază E0. Tranziţia de pe nivelul E2 (la care se ajunge prin pompaj) este neradiativă, ducând la încălzirea cristalului.

Construcţia tipică a laserului cu rubin este dată schematic în figura 4.5. Suprafaţa laterală a mediului activ 1 este iluminată de către lampa 2, atât direct cât şi prin reflexie pe pereţii reflectanţi ai incintei 3.

Forma incintei este elipsoidală, cu tubul şi cristalul plasate în focare. Radiaţia lămpii flash este incidenţă pe cristal, deoarece este necesară o energie mare de pompaj. Lampa este alimentată de la o sursă 4 de 1 ...2 kV şi se aprinde la comanda dispozitivului de aprindere 5.

La pătrunderea luminii albe în cristal, atomii de crom absorb fotonii verzi şi violet şi îi lasă să treacă doar pe cei roşii pe care îi amplifică. Radiaţia laser are culoare roşie ( Â = 0,693 um).

în timpul funcţionării cristalul se încălzeşte intens şi trebuie răcit forţat. Pentru acest motiv laserul nu poate funcţiona în regim continuu, ci în regim de scurtă durată. Se mai adaudă faptul că pompajul lămpii flash este de scurtă durată (1...10 ms).

Pentru apariţia efectului laser trebuie ca peste 50% din ionii de crom să ajungă pe nivelul energetic Eh ceea ce micşorează eficienţa laserilor cu 3 nivele.

Randamentul acestor laseri este sub 0,5%.

Laserul cu sticlă-neodim are un randament îmbunătăţit, prin folosirea ca mediu activ a sticlei, dopate cu 6% Neodim (Nd) - care constituie centrele optice active. Diagrama nivelelor energetice a atomilor de neodim arată că acest laser are 4 nivele (figura 4.6).

Pompajul realizează trecerea electronilor pe banda de nivele E3, de unde trec fără emisie de radiaţie pe nivelul E2.

Inversiunea de populaţii se realizează între E3 şi E2, mult mai uşor decât între E0 şi E2,

Fig. 4.5 Construcţia laserului cu Fig.5 Construcţia laserului cu rubin

Fig. 4.6 Diagrama nivelelor energetice la laserul sticlă-neodim Fig.6 Diagrama nivelelor energetice la laserul sticlă-neodim

Page 29: Utilaje Tehnologii Neconventionale

29

datorită diferenţei energetice mai mici, iar în starea iniţială, populaţia nivelului E1 este mai mică decât a nivelului E0 - ce constituie un avantaj al acestui tip de laser.

Laserii sticlă-neodim necesită putere mai mică de pompaj, sunt mai ieftini decât cei cu rubin şi au randament de până la 4%.

Radiaţia laser se situează în domeniul infraroşu apropiat (Â = 1,06 um). Un dezavantaj important este conductivitatea termică mică a sticlei, care face dificilă

răcirea - de aceea funcţionează tot în regim de pulsuri scurte, dar cu periodă de repetiţie mare. Laserii de acest tip sunt folosiţi industrial la microgăuriri, microsuduri. Sunt fabricaţi şi în România, la IFTAR Bucureşti.

Laserul YAG:Nd foloseşte un mediu activ constituit Ytriu, Aluminiu şi Granat (YAG), dopat cu Neodim. Puterea necesară pentru pompaj este redusă (200 W), iar răcirea bună permite funcţionarea în regim continuu, sau în regim de pulsuri (1 ...10 ns), cu frecvenţă mare de repetiţie.

Laserii de acest tip sunt larg folosiţi industrial la: microgăuriri, tăiere plachete semiconductoare, tăieri materiale ceramice. Sunt fabricaţi şi în România.

Regimuri de funcţionare pentru laseri cu mediu activ solid

Regimul de funcţionare înseamnă modul de emisie în timp a energiei. Puterea instantanee poate fi mult diferită de puterea medie, ceea ce face ca efectele radiaţiei laser asupra materialelor să fie mult diferite.

Laserii cu mediu solid au de regulă pompaj optic. Lămpile cu descărcare produc radiaţia de pompaj prin descărcarea bruscă a unor condensatoare ce înmaganizează energii de ordinul kJ. Durata flashului este de ordinul ms, iar radiaţia laser este mai scurtă ca durată.

Se notează cu n = n2-n1 numărul de atomi pe unitatea de volum care realizează inversiunea de populaţii şi cu q numărul de fotoni emişi de unitatea de volum. Inversiunea de populaţii se realizeză prin pompaj optic.

Dacă cavitatea rezonantă este tot timpul constituită, în momentul când n > np, unde np reprezintă inversiunea de prag , se declanşează efectul laser şi numărul de fotoni începe să crească, dar la fiecare foton emis n scade cu 2, deoarece un atom excitat trece de pe nivelul E2 pe

E1. În acelaşi timp scăderea lui n va duce la scăderea emisiei. Datorită pompajului n va creşte din nou, astfel că n şi q devin oscilanţi în timp şi în contrafază.

Frecventa de repetiţie este dată de:

* =+,-2(

Fig.7 Regimul de oscilaţii de relaxare(a) şi de impuls (b)

Page 30: Utilaje Tehnologii Neconventionale

30

Unde = .�%��%�

, iar W [ioni/cm3/s] este mărimea inversiei produse de pompaj.

Oscilaţiile se amortizează rapid cînd se reia pompajul, deci la o nouă amorsare a flash-ului. Acest regim de funcţionare al laserului se numeşte regim de oscilaţii de relaxare. în acest regim, apar pulsuri scurte a căror putere este de câteva zeci de ori mai mare decât puterea medie pe impuls. Spre exemplu, pentru un flash de 1 ms, durata unei oscilaţii amortizate este de 10...100 ori

mai mică, se produce un flux laser de intensitate 10 000 W/cm2. Puterea medie pe un puls este 1 000 W, iar energia de 1 J.

Pentru laserii cu mediu solid mai există posibilitatea de a declanşa emisia laser la un

moment dorit, cînd inversiunea de populaţie a depăşit cu mult nivelul de prag, prin restabilirea bruscă a cavităţii rezonante. Se formează un puls gigant de fotoni, care depopulează nivelul superior. În figura 6 sunt date diagramele de evoluţie ale inversiunii de populaţie n şi fotonilor emişi q.

Acest regim de funcţionare al laserului se numeşte regim de puls gigant. în acest regim, durata impulsului laser este foarte mică (10-8 s). Se obţin puteri de vîrf de de cea 107 W, deci cu 3...4 ordine de mărime mai mult decât în

cadrul regimului de relaxare. Scheme de principiu pentru restabilirea bruscă a cavităţii rezonante sunt date în figura 8,

unde MA reprezintă mediul activ, 01 şi 02 cele două oglinzi.

În fig 8.a oglinda 02 este rotitoare stabilindu-se paralelismul cu O, pentru un timp scurt, în fig 8.b) 02 este descoperită pentru un timp scurt datorită prezenţei unui disc rotativ opac prevăzut cu fantă, iar în fig 8.c) nu există elemente mobile, dar elementul MAS reprezintă un mediu absorbant, care poate fi saturat (transparent), printr-o comandă exterioară.

Fig 8 Metode de restabilire bruscă a cavităţii rezonante

Fig 9 Metode de restabilire bruscă a cavităţii rezonante

Page 31: Utilaje Tehnologii Neconventionale

31

Dioda laser

Dioda laser este tot o sursă laser cu mediu solid, dar semiconductor, cu dopare puternică (3'1017...2'1018/cm3). Are o putere foarte mică (mW) şi poate funcţiona în regim continuu sau în regim de impulsuri.

Dioda laser este, de fapt, un sandwich format din mai multe straturi de semiconductori de tip GaAs, GaAIAs, sau GalnAsP, la care se adaugă elementele sistemului de excitare. Stratul activ 1, plasat între straturile semiconductoare 2 şi 3 de tip p şi n, are lungimea sub 1 mm şi grosimea între 100...200 nm (figura 4.9). Semnificaţia celorlaltor notaţii: 4 - substrat, 5 - electrod.

Funcţionarea se bazează pe faptul că la recombinarea electron-gol se generează o cuantă de lumină şi, pe de altă parte, o cuantă de lumină absorbită generează o pereche electron-gol, crescînd probabilitatea de recombinare. Urmarea este o emisie stimulată de fotoni. La aplicarea unei tensiuni în sensul de conducţie, bariera de potenţial scade, astfel încât electronii au tendinţa de trecere din regiunea n în regiunea p, iar golurile în sens invers. în zona activă se injectează atât electroni, cât şi goluri. Dată fiind concentraţia mare de impurităţi, se realizează inversiunea de populaţii.

Datorită faptului că stratul activ este atât de subţire, fascicului emis este foarte divergent (pentru un laser) şi astfel laserul cu semiconductori îşi îmbunătăţeşte funcţionarea prin rezonatorul optic, ce trebuie ales cu mare grijă şi poziţionat foarte precis pentru a obţine performanţe maximale. De obicei un sistem format din două lentile plan-convexe, poziţionate cu feţele convexe una spre cealaltă, la anumite distanţe stricte, este suficient pentru a obţine un fascicul destul de bine colimat, cu razele aproape perfect paralele.

Suprafeţele plane ale lentilelor sunt realizate oglindă, una perfectă, cealaltă semitransparentă. în prezent, majoritatea pointerelor reuşesc performanţa de a păstra divergenţa la sub 1 mm la fiecare 5 metri.

Radiaţia emisă de laserii cu semiconductori este în zona roşie a spectrului sau în infraroşu, dar există diode laser cu emisie de radiaţie verde sau albastră. Diodele laser cu radiaţie verde sau albastră au o viaţă mult mai scurtă (sute de ore).

Aplicaţiile diodei laser se regăsesc la cititoarele de CD, fie ele CD-ROM-uri sau CD-playere, playerele DVD (folosesc diode laser ce emit fascicule mult mai fine); CD-Writer-ele şi CD-ReWriter-ele folosesc diode laser ce emit în infraroşu apropiat (800 nm) şi au puteri de câţiva waţi. Aceleaşi diode, dar de puteri ceva mai mici, sunt prezente şi în imprimantele cu laser. Alte produse care folosesc diode laser sunt cititoarele de coduri de bare (Bar-Code Readers), unele Scannere, Pointerele, etc.

Poate cea mai importantă aplicaţie, după CD/DVD-playere, este în domeniul comunicaţiilor prin fibră optică. în cadrul fiecărui emiţător pe fibră optică se află o diodă laser. Sunt de menţionat aplicaţiile diodelor laser în medicină, în holografie sau în proiecţia de imagini dinamice computerizate.

Fig. 9 Structura diodei laser

Page 32: Utilaje Tehnologii Neconventionale

32

Laseri cu mediu activ gazos

Laserii cu gaz au în prezent o largă răspândire, având o putere mare în regim continuu, randament de 5...10%, cost mai redus decât al laserilor cu mediu activ solid, lungimi de undă în domeniul zonei de absorbţie a materialelor metalice sau dielectrice.

Excitarea mediului activ, constituit din amestecuri de gaze sau din gaze şi vapori metalici, se face prin descărcare electrică. Transferul de energie necesar excitării se realizează prin ciocniri între electroni cu atomi (sau molecule) sau prin ciocnirea ionilor cu atomi (sau molecule).

în ultimii ani, au fost dezvoltaţi laseri cu gaz la care excitatea se face prin reacţii chimice sau prin jeturi de gaz cu temperaturi şi viteze ridicate.

Cei mai utilizaţi laseri cu gaz sunt laserii cu atomi neutri (He-Ne), moleculari (N2 şi C02) şi ionici.

Laserul heliu - neon este un laser de putere mică (0,1...20 mW) utilizat mult în sisteme de măsurare. Raportul presiunilor parţiale este: PNe IPHe = 1/10...1/5 . Excitarea se realizează prin descărcare în atmosfera de heliu, care este gazul de pompaj.

Inversiunea de populaţii se realizează prin transfer vibraţional de la heliu la neon. Radiaţia emisă are lungimea de undă λ= 0,632 um, de culoare roşie. Laserul se realizează cu un tub de sticlă de diametru mic, care satisface relaţia de optim:

p · d = 3 torr· mm (4.14) Regimul de lucru este continuu.

Laserul cu bioxid de carbon este cel mai utilizat laser cu gaz. Majoritatea laserilor cu gaz au aceeaşi structură: generatorul de fotoni, sistemul de

excitaţie, sursa de alimentare, instalaţia de vidare, instalaţia de admisie gaz şi instalaţia de răcire. în figura 4.10 se prezintă schema de principiu a laserului cu C02 cu flux longitudinal de gaz, care este cel mai utilizat în practică.

Tubul de cuarţ 1, cuprinde amestecul de gaze (C02, N2 şi He, în proporţii de 5:15:80, rezultând o presiune de 2...20 kPa), aflat în mişcare longitudinală. Mediul activ este realizat de C02, celelalte gaze constituind mediul de descărcare.

Cu ajutorul sursei de alimentare 2, care asigură o tensiune ridicată, în interiorul tubului se iniţiază o descărcare electrică între electrozii 3 (de potenţial ridicat) şi electrozii 4 (conectaţi la

Fig. 10 Schema de principiu a unui laser cu C02 cu flux longitudinal de gaz

Page 33: Utilaje Tehnologii Neconventionale

33

pământ), ce determină trecerea în stare excitată a atomilor gazului. Limitarea curentului de descărcare este realizată de rezistorul 5. La capetele tubului sunt plasate oglinzile 6 (netransparentă) şi 7 (semitransparentă), iar între ele oglinzile netransparente 8, pentru schimbarea direcţiei fascicului.

Pompa de vid 9 realizează vidarea preliminară a tubului, după care se introduce amestecul de gaze, la presiunea necesară, prin ventilul comandat 10. Răcirea pereţilor tubului se face prin conveţie forţată, cu apă, prin circuitul hidrostatic 11.

Procesul de răcire la laserii cu gaz nu este prea eficient, de aceea puterea laserului este limitată la cea 80 W pe un metru de tub de descărcare. La puteri de 1 kW ar fi necesară o lungime de cea 12 m de tub de descărcare, implicând un gabarit mare, dar şi tensiuni uriaşe de alimentare a descărcării.

Pentru reducerea gabaritului instalaţiei, tubul de descărcare se realizează sub formă de secţii, cu procese de descărcare independente, amplasate paralel şi conectate în serie din punct de vedere optic. în figura 4.10 s-au reprezentat 2 secţii, dar pe acelaşi principiu numărul lor poate fi mult mai mare (4 sau 6).

Puterea poate creşte până la 1 kW pe metru de tub dacă se realizează un circuit închis pentru gaz, care este răcit într-un sistem exterior de răcire (cu azot lichid), menţinându-se şi răcirea cu apă a tubului de descărcare.

Inversiunea de populaţii la laserul cu C02 se realizează atât direct (prin ciocniri cu electronii liberi) cât şi prin transfer vibraţional de la moleculele de N2 excitate. Energia necesară electronilor este de numai 3 eV.

Heliul are un rol important în menţinerea unei descărcări electrice stabile, precum şi în evacuarea căldurii spre pereţii tubului, deoarece are o conductivitate termică ridicată.

Molecula de C02 cere o energie de disociere de 5,5 eV şi în situaţia inversiunii de populaţie unii electroni au energii suficient de mari pentru a provoca transformarea bioxidului de carbon în monoxid de carbon.

Se obţine monoxid de carbon care este stabil şi oxigen care se opune inversiunii de populaţii. Astfel, efectul laser se diminuează cu timpul. Corectarea acestui efect se realizeză prin introducerea de vapori de apă la presiune mică, care ajută la regenerarea moleculei de C02.

Totuşi, după cca 2000 ore emisia laser scade la jumătate, necesitând înlocuirea gazelor din

tub. Dacă se adaugă xenon, descărcarea electrică în gaze este mai bună. Laserii cu C02 pot lucra în regim continuu sau în regim de impulsuri cu durate de 1...105

us, iar descărcarea poate fi alimentată de la o sursă de curent continuu sau de curent alternativ. Prin utilizarea surselor de frecvenţe mari (20...30 MHz) se aduc avantajele descărcării de înaltă frecvenţă (lipsa inerţiei arcului electric, stabilitate bună, durată de viaţă crescută pentru electrozi).

Un alt avantaj al acestui tip de laser este posibilitatea reglării intensităţii radiaţiei laser (deci a puterii) prin modificarea valorii curentului de descărcare.

Randamentul unui laser cu C02 este de cea 9%, putând fi mărit până la 15% prin circulaţia gazului transversal faţă de circulaţia curentului electric de descărcare.

Laserii cu descărcare electrică în gaze sunt caracterizaţi prin presiune scăzută (1,2...1,8 kPa), ceea ce duce la o concentraţie scăzută a centrelor active (cea 10 /cm3), de câteva ordine de mărime mai mică decât la laserii cu mediu solid. Ridicarea presiunii la laserii cu descărcare în gaze întâmpină o serie de probleme:

- descărcarea la presiuni de peste 3...4 kPa nu este stabilă;

Fig. 11 Laser cu ionizare

Page 34: Utilaje Tehnologii Neconventionale

34

- creşterea presiunii impune creşterea intensităţii câmpului electric în tub (pentru a folosi o tensiune de descărcare minimă), ce conduce la creşterea numărului de electroni din plasma din tub, deci la scăderea numărului de atomi excitaţi.

Problema creşterii presiunii se rezolvă dacă se foloseşte excitaţie combinată: electrică şi de ionizare.

Radiaţia de ionizare determină apariţia electronilor liberi în mediul activ, iar câmpul electric asigură accelerarea lor. Electronii vor dobândi energie relativ mare, suficientă de pentru a excita centrele active.

În figura 11 este dat principiul laserului cu C02 cu ionizare. Electrozii 2 realizează câmpul

electric intens pentru accelerarea electronilor. Electrodul superior este penetrabil pentru radiaţia ionizantă transmisă din tubul 3 în incinta

1, asupra mediului activ. La capete sunt dispuse oglinzile netransparentă 4 şi semitransparentă 5. Lungimea de undă a radiaţiei laser a laserului cu C02 este 10,6 um care este în măsură

considerabilă reflectată de metale. Fenomenul se compensează prin puterea mare a fascicului.

Laserii ionici, denumiţi şi laseri cu excimeri, au câştigat în ultima vreme tot mai mult teren în aplicaţii. Excimerii sunt molecule biatomice excitate în gaze la presiune ridicată, ce constau într-un gaz nobil şi atomi de halogen. Se folosesc curent: 0,05...0,3% halogeni (fluor sau clor), 1 ...10% gaze rare (kripton, xenon sau argon) şi 90...99% gaz de bază (heliu sau neon).

La revenirea pe nivelul de bază se emit radiaţii laser în domeniul ultraviolet (λ = 0,193...0,248 µm, după natura gazelor folosite). Datorită faptului că durata de menţinere în starea excitată este foarte redusă, cu acest laser se pot obţine numai impulsuri cu durate foarte scurte (15...30 ns), dar cu puteri de impuls de 107 W.

Lungimea de undă mică face ca aceşti laseri să fie folosiţi în aplicaţii tehnice unde se cer prelucrări de material pe zone foarte mici şi precise. Alte aplicaţii: spectroscopie, fotochimie, medicină (oftalmologie).

2.5. Surse de alimentare a laserilor

Atât mediul activ, cât şi sursa de alimentare (care asigură excitarea atomilor sau a moleculelor), constituie elementele principale ale unui laser.

Surse de alimentare a laserilor cu mediu activ solid

în acest caz, sursa de alimentare este alcătuită din sursa de alimentare cu energie electrică, lampa de descărcare şi schema de alimentare a lămpii.

Natura mediului activ impune tipul lămpii cu descărcare, care va avea un spectru de radiaţii cât mai apropiat de spectrul de absorbţie al mediului activ. Se folosesc lămpi cu xenon, kripton, cu vapori de mercur, cu vapori ale substanţelor alcaline, lămpi cu incandescenţă cu halogeni, etc.

Regimul de lucru al lămpilor poate fi: • cu impuls unic; • cu trenuri de impulsuri; • cu funcţionare continuă.

Controlul energiei laserului se face prin intermediul circuitului de alimentare a lămpii. În prezent există o mare varietate de scheme electronice de alimentare ale lămpilor cu descărcare. Majoritatea schemelor folosesc două circuite: un circuit pentru amorsarea descărcării (ce realizează impulsuri de tensiune înaltă), şi un circuit de alimentare a descărcării (care asigură tensiunea de lucru).

Page 35: Utilaje Tehnologii Neconventionale

35

Surse de alimentare a laserilor cu mediu activ gazos

Aceste surse nu necesită lămpi cu descărcare distincte, descărcarea realizându-se printr-o porţiune a tubului care conţine mediul activ. Dacă tubul este lung, se folosesc mai multe porţiuni pentru descărcare.

La capetele porţiunii respective sunt plasaţi electrozi alimentaţi în regim de impulsuri de tensiune înaltă (pentru laserii care lucrează în regim de impuls) sau surse de putere ridicată, de tensiune şi frecvenţe ridicate (pentru laserii care lucrează în regim continuu).

Impulsurile de tensiune ridicată se realizează prin încărcarea iniţială a unui condensator (acumulator de energie), care se descarcă rapid (la comanda unui contactor static) prin înfăşurarea primară a unui transformator ridicător de tensiune.

Comutatoarele statice, la instalaţiile mai vechi, sunt realizate cu tiratroane cu hidrogen, permiţând realizarea unor impulsuri scurte (10-6...10-1 s) cu amplitudini de până la 50 kV. Se obţin energii de impuls de ordinul kJ şi puteri de ordinul MW. Frecvenţa de repetiţie a impulsurilor ajunge la 1 kHz.

La instalaţiile noi, comutatoarele statice sunt realizate cu tiristoare sau tranzistoare de putere.

Alimentarea laserilor cu gaz ce funcţionează în regim continuu se face de la generatoare de frecvenţă înaltă (20...30 MHz) şi înaltă tensiune, construite clasic după scheme cu tuburi electronice sau tranzistoare de putere.

Schemele sunt similare cu schemele de alimentare a instalaţiilor de încălzire capacitivă prin curenţi de înaltă frecvenţă.

2.6.Aplicaţiile laserilor După valoarea energetică a radiaţiei laser , aplicaţiile laserilor se pot împărţi în aplicaţii

active şi aplicaţii passive.

Aplicaţii active ale laserilor

Fenomene termice la interacţiunea fascicul laser-material Fasciculul laser posedă un flux de energie cu valori foarte ridicate, capabil de a realiza

prelucrări de materiale (sudări, găuriri, tăieri, gravări, tratamente termice de suprafaţă, etc). Densitatea maximă de putere al fascicului laser este foarte mare, comparativ cu alte

procedee tehnologice, după cum urmează: flacără oxiacetilenică - 105 W/cm2; arc electric -107 W/cm2; fascicul de electroni - 1011 W/cm2; laseri în regim de impulsuri: cu C02 - 2,5 1 08 W/cm2; cu neodim -1014 W/cm2.

Prelucrarea termică cu laser prezintă avantajele se pot prelucra materiale metalice sau dielectrice cu o capacitate mare de absorbţie a radiaţiilor laser, indiferent de duritate; se reduce timpul de prelucrare, prelucrarea decurgând cu viteză mare; se pot prelucra piese cu dimensiuni foarte mici până la foarte mari şi cu suprafeţe complexe; nu există contact mecanic sculă-piesă care să producă deformaţii sau tensiuni interne; zona influenţată termic este minimă; se pot prelucra piese aflate în incinte transparente; nu necesită atmosferă controlată în zona de lucru; se pot realiza mai multe prelucrări speciale.

Fenomenele care se petrec la interacţiunea radiaţiei laser cu un material sunt determinate de densitatea de putere şi de durata pulsului laser.

La densităţi mai mici de putere se produce încălzirea materialului pe o adâncime ce

depinde de parametrii de material şi de durata pulsului. La densităţi de putere de peste 105 W/cm2 apare topirea materialului la suprafaţă şi

încălzirea spre interior. Dacă densitatea de putere trece de 1011 W/cm2 se produce vaporizare, topire şi încălzire,

iar vaporii sunt ionizaţi formându-se plasmă. în cadrul aplicaţiilor bazate pe procesarea materialelor, densitatea de putere se corelează

Page 36: Utilaje Tehnologii Neconventionale

36

cu durata pulsului laser. Controlul evoluţiei fenomenelor termice necesită cunoaşterea: • parametrilor fasciculului laser (densitatea medie de putere - φL, densitatea medie de energie, raza fasciculului laser - a, divergenţa unghiulară - θ, lungimea de undă, durata de

acţiune a pulsului - ∆t ) • caracteristicile termofizice şi optice ale materialului (căldura specifică

masică - c, conductivitatea termică - λ, difuzivitatea termică - k, coeficientul de absorbţie, rugozitatea, emisivitatea - ε ).

Tăierea şi decuparea cu fascicul laser

Pentru operaţiile de tăiere şi decupare se folosesc densităţi de putere de 105...107 W/cm şi laseri cu C02, cu neodim, sau cu excimer.

Duza laserului are dublu rol: focalizează fasciculul laser şi realizează suflajul de gaz. Focalizarea este realizată de un sistem optic cu lentile, iar suflajul de gaz sub presiune îndepărtează materialul evaporat, protejează elementele optice de particulele rejectate şi răceşte

marginile secţiunii. Gazul de suflaj este: argon, azot sau aer pentru materiale moi (lemn, plastic, textile -

împiedicând carbonizarea pereţilor tăieturii) sau oxigen pentru materiale dure (titan, oţeluri refractare). Oxigenul aduce un plus de energie exotermă, obţinându-se un arzător cu tăiere laser, la care laserul este sursa de căldură, acţionând similar cu acetilena la un arzător cu tăiere acetilenic. Semnificaţia notaţiilor din figura 12 este: 1 - duză, 2 - fascicul laser, 3 - gaz de lucru, 4 - linia de tăiere.

Debitarea cu laser se aplică atât materialelor metalice cât şi celor nemetalice. În tabelul 1 se prezintă orientativ vitezele de tăiere a unor materiale de anumită grosime, folosind laser cu C02.

Tabel 1 Viteze de prelucrare ale unor materiale cu fascicul laser

Material Grosime [mm] Viteza [m/min]

Puterea [kW]

Tăieri nemetale ABS - plastic 4 4,5 0,4 Ceramici 6,3 0,3 0,4 Fibre sticlă 1,6 5,2 0,4

Tăieri metale Oţel galvanizat 1 4,5 0,4 Otel călit 3 1,17 0,4

Fig. 12 Tăiere cu fascicul laser

Page 37: Utilaje Tehnologii Neconventionale

37

Otel inox 2,8 1,2 0,4 Titan 3 4,1 0,4

Sudură Otel inox 1 0,38 0,6 Oteluri aliate 11,5 0,5 7 Titan 10 0,7 6 Titan 7 1,5 O

l

Căliri de suprafeţe Otel carbon 0,5 cm

adâncime (300

cm2/min)

Laserul produce prea puţin zgomot şi noxe, poate tăia foarte uşor forme complexe fără să exercite forţe mecanice asupra materialului. O largă utilizare este întâlnită în industria semiconductorilor, la tăierea plachetelor, la care una din condiţiile de bază este sterilitatea procesului.

Fasciculul laser poate fi uşor poziţionat, şi, ca urmare, pot fi realizate prin decupare piese cu forme complexe.

Mi şcarea relativă dintre fasciculul laser şi piesă, necesară pentru producerea unor tăieturi continue, se realizează practic în mai multe moduri. La tăierea cu laser a pieselor mici şi uşor de manevrat, acestea se deplasează sub fascicul laser staţionar, cu ajutorul unei mese în coordonate xOy.

La prelucrarea cu laser a pieselor mai mari, unitatea laser ce include capul de tăiere, fie că se deplasează în raport cu piesa fixă, fie un sistem mobil de oglinzi este ghidat între unitatea laser fixă şi piesă. Această tehnică este denumită "optica zburătoare", iar principiul este redat în figura 13.

Oglinzile 1 şi 2 asigură deplasarea spotului pe cele două axe de coordonate. Prin rotaţia oglinzii 1 de către servomotorul 3 se asigură deplasarea pe direcţia x. Analog, oglinda 2 şi servomotorul 4 asigură deplasarea spotului pe axa y în planul de lucru 6. Faciculul laser 5 este focalizat cu o distanţă focală mare pentru a avea spoturi mai mari pe oglinzi decât pe piesă. Oglinzile au factor de reflexie foarte bun şi sunt răcite forţat.

Dacă viteza de avans este mărită, fasciculul laser produce trasee nestrăpunse pe suprafaţa materialului (oţel, plastic, lemn, sticlă, granit, marmoră, etc), de lăţimi ce pot atinge domeniul micronilor. Se realizeză aplicaţii de gravare, trasare sau marcare .

O aplicaţie de efect este realizarea de gravări sau inscripţionări în interiorul unor materiale transparente (sticla organică, cuarţ), prin folosirea a 2 fascicule laser concurente într-un punct din interiorul materialului. Acel punct este solicitat termic ducând la topiri şi solidificări opace. Prin

Fig. 13 Deflexie cu oglinzi a fasciculului laser

Page 38: Utilaje Tehnologii Neconventionale

38

deplasarea punctului de concurenţă al fasciculelor se obţine desenul dorit, având formă plană sau spaţială.

Găurirea cu fascicul laser

Găurirea cu fascicul laser se recomandă pentru obţinerea găurilor mici şi foarte mici în materiale dure şi extradure. Din considerente economice se limitează diametrele la valori cuprinse între 0,0015...1,5 mm, în materiale cu grosimi de până la 14 mm.

Laserele recomandate sunt de tipul YAG - Nd, cu pulsuri cu durate scurte (ordinul us) şi repetate. Fiecare puls realizeză evaporarea şi evacuarea unei părţi de material din zona expusă. Forma găurilor rezultate este uşor tronconică, iar calitatea suprafeţei pereţilor este satisfăcătoare.

Perforarea ceramicilor sinterizate şi a cristalelor dure, realizarea în condiţii superioare a lagărelor cu pietre preţioase la mecanisme fine, precum şi găurirea la diferite unghiuri, reprezintă o pondere importantă a acestei aplicaţii .

Sudarea cu fascicul laser

Sudura cu fascicul laser se realizează în timpi scurţi şi are dimensiuni foarte mici. în cazul sudării metalelor, temperatura Ts în zona sudurii trebuie să fie peste punctul de topire, dar inferior temperaturii de fierbere, cam la 2/3 din acest interval.

La durate ale impulsului de ordinul microsecundelor se foloseşte laser cu neodim în regim de relaxare, dar la valori mai mari şi pentru cordoane de sudură se foloseşte laser cu C02 în regim continuu.

Este de reţinut că la impulsuri de peste 2 ms, materialul se încălzeşte la o temperatură mai mare decât punctul de fierbere, materialul fiind aruncat în sus, iniţial sub formă de vapori, apoi şi sub formă de micropicături.

La sudare cu radiaţie laser în regim continuu materialul se topeşte datorită conductivităţii termice, iar zona de topire se formează mai lent decât la sudarea în impulsuri. Spre deosebire de tăiere sau găurire, sudarea are nevoie de densitate de putere mai mică a fasciculului. Avantajele sudării cu laser:

• zona de influenţă termică în vecinătatea sudurii este mică datorită timpului scurt de realizare a sudurii. în acest fel se pot suda fire sau table subţiri pe suporturi metalice;

• deformaţiile sau contracţiile în suduri sunt neglijabile; • sudurile pot fi extrem de fine (în microelectronică, în mecanică fină); • se realizeză suduri în locuri inaccesibile, neexistând condiţia contactului

electrodului cu suprafaţa de sudat; • se pot realiza suduri speciale la diferite unghiuri, prin direcţionarea prin reflexie a

fasciculului cu ajutorul oglinzilor; • se pot realiza suduri în incinte închise, prin ferestre transparente pe unde se

focalizează fasciculul laser; • timpul de realizare a sudurii este foarte mic; • sudura cu laser este uşor de inclus în orice proces tehnologic automatizat.

Tratarea suprafeţelor cu fascicul laser

Tratarea suprafeţelor cu fascicul laser se realizeză în scopul obţinerii unor calităţi superioare ale suprafeţei materialelor: duritate, aspect, rezistenţă la agenţi chimici, alte proprietăţi fizico-chimice.

Tratarea suprafeţelor cu fascicul laser se realizeză: • exact pe porţiunea expusă; • fără utilizarea de lichide tehnologice de răcire

- ceea ce constituie elemente de noutate şi avantaje faţă de metode similare.

Page 39: Utilaje Tehnologii Neconventionale

39

Durificarea suprafeţelor cu fascicul laser constituie utilizarea cea mai întâlnită în această grupă de aplicaţii. în urma tratamentului de durificare suprafaţa materialului capătă rezistenţă crescută la uzură.

Tratarea suprafeţelor cu fascicul laser are patru variante de realizare, care vor fi descrise, succint, în continuare.

Tratamentul termic prin topire - revenire

Principiul metodei constă în încălzirea cu ajutorul laserului a suprafeţei materialului deasupra punctului de topire, urmată de revenire (răcire rapidă la temperatură mai scăzută decât temperatura de cristalizare).

Are loc fenomenul de călire, la care creşte concentraţia grăunţilor metalografici. Pe lîngă creşterea durităţii are loc şi o uniformizare a rugozităţilor de pe suprafaţă (netezire cu laser).

Deplasarea relativă a fascicului faţă de material se realizează prin deplasarea materialului cu viteză constantă (1...5 mm/s), fasciculul fiind fix, sau fasciculul laser execută mişcarea de avans pe două direcţii, iar materialul este imobil. în figura 14 semnificaţia

notaţiilor este: 1 - fascicul laser, 2 - zonă topită, 3 - zonă tratată termic. La tratarea termică a suprafeţelor mari, de regulă piesa se deplasează cu viteză constantă,

iar fasciculul execută o mişcare de oscilaţie pe o direcţie perpendiculară pe direcţia de deplasare a piesei.

Se produce topirea unui strat de 10...300 um, care după trecerea fascicului se răceşte rapid.

Tratamentul termic prin aliere superficială

Alierea superficială reprezintă topirea cu ajutorul fascicului laser a unei pelicule subţiri (2...15 um) dintr-un material diferit de materialul suport, care a fost mai înainte depus prin galvanizare.

Materialul depus electrochimie este în general un material (crom, nichel, cadmiu, etc.) ale cărui calităţi se cer transpuse asupra suprafeţei de tratat.

Prin topirea acestei pelicule cu fascicul laser, se formează la suprafaţa piesei un strat micrometric din materialul depus electrochimie, urmat de un strat gros de câteva straturi atomice din aliaj intermetalic (material de protecţie + material suport). Astfel, rezistenţa la uzură sau la agenţi chimici a stratului de protecţie este completată cu o aderenţă înaltă.

Depuneri de straturi subţiri cu laser pulsat

Acest procedeu - Pulsed-Laser Deposition (PLD) - face parte din categoria depunerilor de înaltă tehnologie. Filmele subţiri îşi găsesc largi utilizări pentru obţinerea de straturi reflexive sau antireflexive, celule solare, componente electronice, straturi superconductoare, etc.

Fig14. Tratament termic cu laser

Page 40: Utilaje Tehnologii Neconventionale

40

De data aceasta, acţiunea fascicului laser se exercită asupra materialului de depus şi nu asupra suprafeţei de tratat.

Schema de principiu a instalaţiei este dată în figura 15. în incinta metalică 7, vidată prin racordul 10, se introduc prin racordul 6, la joasă presiune,

anumite gaze, cum ar fi 02 şi N2. Materialul de depus 3, denumit material ţintă, este plasat în suportul 2. Asupra lui se focalizează fasciculul 7 prin hubloul transparent 8. Ţinta, sub forma unor pastile sau folii, de puritate a materialului de 99,9%, se roteşte continuu cu ajutorul axului 4 pentru a se evita găurirea.

Impactul fascicului laser cu ţinta provoacă încălzirea, topirea, evaporarea, producerea plasmei datorită excitării şi ionizării de către fotoni .

Materialul astfel expulzat - 5, este transportat prin expansiune adiabatică în vid şi apoi

depus pe substratul 9 - aşezat paralel cu ţinta (la distanţă de 3...6 cm). O depunere uniformă este asigurată dacă substratul 9 este încălzit la temperaturi peste

400°C. Laserul folosit este cu excimer, având densitate de energie mare (3...5 J/cm2), pulsuri

scurte de ordinul zecilor de ns, frecvenţa de repetiţie de ordinul zecilor de Hz şi un spot de cea 3 mm2.

Se asigură depuneri cu viteze de 200...500 A/min pe suporturi semiconductoare, magnetice, etc.

Curăţirea suprafeţelor cu laser

în scopul creşterii aspectului estetic şi punerii în evidenţă a aspectului iniţial, metoda curăţirii cu laser se aplică cu succes materialelor care în decursul timpului au acumulat la suprafaţă depuneri de murdărie, fum, oxizi, microorganisme vegetale. Metoda se aplică la: sculpturi în piatră, marmură, os, fildeş, detalii sculpturale pe clădiri, picturi în frescă, tencuieli, suprafeţe cu vopsea degradată.

Curăţirea prin jet de aer cu abraziv sau cu aburi sub presiune conduce la defecte majore prin atacarea materialului de bază, iar curăţarea chimică lasă reziduuri în material, iar reacţia nu poate fi controlată.

Prin folosirea laserului, curăţirea este foarte puţin agresivă şi controlabilă. Fotonii realizeză prin efect termo-mecanic desprinderea stratului de murdărie de substrat. Se foloseşte laser YAG:Nd, cu lungimea de undă Â = 1,06 um, a cărui

Fig.15 Depuneri de straturi subţiri cu fascicul laser

Page 41: Utilaje Tehnologii Neconventionale

41

radiaţie este absorbită foarte bine de stratul de murdărie. Piesa de mînă (scula) este asemănătoare unui stilou şi include şi o lentilă concavă pentru a asigura un fascicul laser divergent.

Laserul emite impulsuri scurte de 5...10 ns, prevenind transmiterea căldurii prin conducţie termică la materialul suport. Densitatea de energie primită de suprafaţă se ajustează reglând energia pe puls, frecvenţa de repetiţie a pulsurilor sau distanţa de la sculă la suprafaţă.

De regulă, densitatea de energie este sub U/cm2, pentru a minimiza riscul de afectare al substratului. Impulsul scurt determină încălzirea bruscă a stratului de murdărie, cu expansiunea rapidă şi obţinerea de forţe suficiente pentru ejectare de pe substrat.

Dacă densitatea de energie este peste U/cm2, o parte din materialul expus se vaporizează, cu risc de formare de plasmă deasupra suprafeţei şi generare de unde de şoc. Fenomenul de desprindere este mai puţin selectiv.

Apa poate fi folosită cu bune rezultate. Stratul de murdărie absoarbe apa, iar prin expunere la radiaţie laser, apa se evaporă exploziv şi exercită forţe în interiorul stratului, determinând ejectarea lui. Avantajele metodei: oferă o bună selectivitate, nu exercită contact mecanic cu suprafaţa, are acţiune localizată (de la fracţiuni de mm, la 1 cm), control imediat şi posibilitate de reacţie imediată (întreruperea fascicului stopează procesul), procesul este curat şi silenţios, protecţia mediului este asigurată prin aceea că nu se produc alte substanţe decât particulele desprinse de pe suprafaţă.

Aplicaţii pasive ale laserilor

Aplicaţiile pasive ale laserilor sunt vaste: alinieri, măsurări, telecomenzi, telecomunicaţii, stocarea şi citirea datelor, copieri de documente, dispozitive de identificare, aplicaţii în medicină, holografia, aplicaţii militare, aplicaţii spaţiale, etc.

Trasajul optic (alinierea) cu laser Alinierea se foloseşte la realizarea de construcţii mari, construcţia de poduri, drumuri,

tunele, canale, alinieri de stâlpi, alinieri de subansamble mari, etc. Se foloseşte un laser de putere mică, cu radiaţie în spectrul vizibil, de regulă laser cu heliu-

neon. Precizia de aliniere este de 1/100 mm la câţiva zeci de metri sau 1/50 mm la câţiva kilometri.

Măsurări folosind fascicul laser Sunt posibile măsurări pe principiul interferometriei laser (precizie: +1 um la 20m) sau al

radarului optic (precizie: sub +5 mm la 20 km). S-au realizat dispozitive pentru măsurarea distanţelor, vitezelor, vibraţiilor, grosimilor,

nivelului sau poziţiei unui reper .

Interferometria laser permite măsurări de niveluri în medii inaccesibile, măsurarea deformaţiilor (f ără contact, cu precizie de 1 um), etalonări pe maşini-unelte, poziţionări de precizie la maşini-unelte cu comandă numerică, etc.

Se foloseşte un dispozitiv similar interferometrului Michelson, reprezentat în figura 16. Schema conţine o sursă laser - 1 cu lungime de undă !, o prismă fixă - 2, o prismă mobilă -

3, un divizor de fascicul - 4 (oglindă parţial reflectantă, cu factorul de reflexie 0,5 plasată la 45° pe traseul fascicului laser), un fotodetector - 5, un numărător - 6 şi un afişaj - 7.

Page 42: Utilaje Tehnologii Neconventionale

42

Fig. 16Măsurarea deplasărilor prin metoda interferometrică

Raza laser, la întâlnirea divizorului de fascicul, se divide în două componente care se propagă pe direcţii diferite. Raza a este reflectată la 90°, întâlneşte prisma fixă (sau o oglindă) şi se reîntoarce. Raza b urmează traseul iniţial, întâlneşte prisma mobilă şi este reflectată înapoi. Cele două raze întoarse se reîntâlnesc pe divizorul de fascicul, producându-se fenomenul de interferenţă.

Franjele de interferenţă cuprind maxime şi minime ce alternează. Punctele de maxim corespund situaţiei în care maximele undelor reflectate se suprapun şi au acelaşi sens, iar punctele de minim corespund situaţiei în care maximele undelor reflectate se suprapun şi au sensuri contrare.

Dacă un punct P de pe divizorul de fascicul se regăseşte la un maxim, prin deplasarea cu Al2 a prismei mobile, ce corespunde unei lungiri a traseului razei b cu A, acest punct trece din maxim prin minim şi iarăşi în maxim. Fotodetectorul sesizează maximele şi minimele şi transmite câte un impuls la o deplasare a organului mobil (pe care se află montată prisma mobilă) cu AI2. Aceste impulsuri sunt numărate de numărător, convertite în milimetri şi afişate.

Precizia este de Al2, indiferent de distanţă. La folosirea unui laser cu heliu-neon cu A = 0,632 um, precizia este de 0,316 um, cu mult mai bună decât a traductoarelor de deplasare de tip inductosyn sau resolver.

Avantajele metodei sunt: • domenii de măsurare foarte largi (100 m pentru deplasări şi 3m/s pentru viteze); • obţinerea datelor sub formă numerică, uşor de utilizat în sistemele de comenzi

numerice; • insensibilitate la unele condiţii de mediu (praf, fum, temperaturi ridicate).

Radarul optic permite măsurarea distanţelor terestre (câţiva km...mii de km), măsurarea înălţimilor şi a reliefului, telemetria lunii, măsurări de distanţe faţă de nave, avioane, etc.

La fel ca la Radar sau Sonar, se măsoară intervalul de timp dintre momentul declanşării unui impuls laser şi momentul întoarcerii sale. Durata impulsului trebuie să fie mai mică decât timpul necesar luminii să se întoarcă la obiect.

Schema de principiu este dată în figura 17.

Fig.17 Măsurarea distanţelor

Page 43: Utilaje Tehnologii Neconventionale

43

Fasciculul laser, creat de sursa laser SL, declanşează blocul de măsură a timpului BMT, iar fasciculul reflectat, captat de blocul de recepţie BR, opreşte măsurarea. Distanţa măsurată este: s = c t / 2 , unde c este viteza luminii, iat t - timpul măsurat.

Cu o astfel de metodă s-a măsurat, după ce misiunea Apollo 11a plasat pe Lună un reflector special, distanţa Pământ - Lună, de 384 403 285,18 m cu o precizie de +15 cm.

Alte aplicaţii metrologice ale laserului sunt la măsurarea granulaţiei unor substanţe sau a grosimii unui fir. Se foloseşte fenomenul de difracţie, fenomen de aparentă ocolire a obstacolului de către lumină.

Transmisia digitală a semnalelor se face prin radiaţia diodelor laser prin fibre optice. Avantajele sunt legate de:

• capacitatea de transmitere este foarte mare, depăşind 1 Mb/s; • se pot asigura comunicaţii simultane (telefonice, transmisie de date, etc); • eliminarea cuprului pentru cabluri; • eliminarea coroziunii cablului; • lipsa efectelor date de perturbaţiile electromagnetice.

Aplicaţiile laserului în medicină Aplicaţiile laserului în medicină pot fi grupate în trei categorii: chirurgicale, terapie

fotodinamică şi fotostimulare.

în chirurgie, radiaţia laser se foloseşte pentru secţionări, coagulări sau distrugerea unor formaţiuni prin vaporizare. Se bazează pe fenomenul termic, de aceea laserul are putere medie, cu funcţionare în impulsuri.

Avantajele metodei: • concentrarea mare de energie, pe o suprafaţă restrânsă, deci posibilitatea de a

efectua incizii foarte precise fără a atinge ţesutul din jur; • lucrul fără contact direct cu ţesutul, eliminându-se tracţiunea mecanică; • lucrul în regim de impulsuri conduce la afectarea termică minimă a ţesutului din

jur; • faţă de cauterizarea electrică localizarea este mai precisă, se micşorează

probabilitatea hemoragiei, scade cantitatea de fum în urma carbonizării ţesutului. Cea mai largă utilizare este în oftalmologie (operaţii de cataractă, în desprinderi de retină,

în glaucom, tumori oculare, anevrisme coroidiene). Cu succes s-a reuşit folosirea laserului în corectarea astigmatismului.

Se folosesc laseri de mică putere, cu excimeri sau YAG:Nd. în ORL laserul se foloseşte în maladii ale urechii medii, la eliminarea unor polipi

laringieni, la incizia corzilor vocale. în chirurgia toracică cu ajutorul laserului se realizeză hemostaza vaselor mici (fascicul

divergent, cu diametrul 0,3...2 mm, 500...2000 W/cm2, aplicat 0,5 s), incizii (fascicul focalizat, cu diametrul 0,1...0,3 mm, 2500...25000 W/cm2, aplicat 0,5 s), distrugerea unor formaţiuni (fascicul colimat, cu diametru peste 2 mm, 2500...25000 W/cm2, aplicat peste 0,5 s).

în chirurgia laparoscopică conducerea radiaţiei la locul aplicării se face prin fibre optice. Se folosesc lasere cu YAG:Nd.

în dermatologie se tratează angioame sau leziuni pigmentare. în oncologie iradierea laser distruge tumori superficiale (cutanate, de col uterin, cervico-

faciale, rectale, etc). în chirurgia cardio-vasculară, laserele cu excimer se folosesc în angioplastie. Permite

eliminarea ateroamelor fără a afecta peretele vascular. în neurochirurgie fasciculul laser permite înlăturarea cu precizie a tumorilor aflate în

preajma unor zone sensibile.

Page 44: Utilaje Tehnologii Neconventionale

44

în stomatologie utilizarea laserului este din ce în ce mai largă. Laserul cu C02 este folosit în chirurgia şi tratamentul cavităţii orale, cu avantajele:

• nu necesită anestezie locală; • procedeu cu sângerare minimă; • vaporizează carii mici, superficiale; • sterilizează canalicule dentinale.

Laserul YAG:Nd în regim de pulsuri, cu aplicare a fasciculului prin fibră optică, este folosit în tratamentul pungilor gingivale prin aplicarea fibrei între pulpă şi dinte. Are loc sterilizarea părţii tratate, reducerea procesului inflamator, stimularea ţesutului şi reînoirea aderenţei cu gâtului dintelui. Altă utilizare: golirea şi sterilizarea canalelor dentare prin aplicarea fascicului prin fibră optică subţire.

Folosind laser YAG-Erbiu, cu lungime de undă 2,9 um, se realizeză tratamente pe ţesuturi dure (smalţ, dentină, ciment, os).

în chirurgia plastică laserele se folosesc cu succes, conducând la incizii fine, vindecări rapide şi cicatrice neobservabile.

Terapia fotodinamică se referă la inducerea unor reacţii fototoxice care duc la distrugerea proliferărilor maligne.

Mecanismul este următorul: anumiţi derivaţi ai hemoporfirinei se concentrază foarte selectiv în celulele canceroase. La iradierea cu lumină albastră, celulele devin fluorescente, ceea ce permite localizarea tumorii. Iradierea cu laser de culoare roşie induce reacţia fototoxică, prin eliberare de oxigen singlet, ceea ce duce la moartea tumorii.

Biostimularea se bazează pe efectele netermice ale radiaţiei de mică putere (10...90 mW). Se obţine stimularea sau inhibarea unor procese funcţie de intensitatea radiaţiei şi de lungimea de undă. De regulă stimularea se obţine la puteri mici, iar inhibarea la puteri mai mari.

în vindecarea plăgilor, iradierea laser stimulează regenerarea celulară, sinteza colagenului, stimulează revascularea şi scurtează durata procesului inflamator. Transformarea fibroblaştilor în miofibroblaşti duce la accelerarea regenerării fibrelor musculare.

Asupra nervilor periferici, radiaţiile laser au un efect benefic. Se consideră că radiaţia laser modifică echilibrul energetic al sistemului nervos.

S-au obţinut rezultate bune în tratamentul mialgiilor, nevralgiilor de trigemen, rinitelor, sinuzitelor, asmului bronşic, otitei, etc.

în cosmetică, folosind laseri Erbium sau N-Lite, se ameliorează aspectul pielii (îndepărtarea ridurilor, tatuajelor, urmelor acneei, etc.)

Datorită efectelor deosebite în regenerarea ţesuturilor, radiaţia laser este denumită "vitamină optică".

Alte aplicaţii ale laserului: realizarea hologramelor, citirea/stocarea informaţiilor pe discuri optice, fotocopieri de documente, transportul la distanţă al energiei, îmbogăţirea uraniului 235 sau în domeniul divertismentului la realizarea de spectacole nocturne, cu proiecţii de imagini computerizate .

Fig.18 Modul de functionare a unitatilor optice de stocare a informatiei

Page 45: Utilaje Tehnologii Neconventionale

45

3.TEHNOLOGII DE PRELUCRARE CU PLASM Ă 3.1.Definiţia plasmei. Gradul de ionizare. Caracteristicile plasmei termice

Plasma este un ansamblu de particule pozitive, negative, neutre şi fotoni având proprietatea de neutralitate electrică la scară macroscopică. Particulele pozitive sunt ionii atomici şi moleculari iar cele negative sunt electronii. Particulele neutre sunt atomii sau moleculele aflate în stare cuantică fundamentală sau excitată. Prin dezexcitarea acestora iau naştere fotonii. Starea ionizată gazoasă reprezintă cea de-a patra stare de agregare a materiei. Nu orice gaz ionizat este plasmă. Din punct de vedere energetic, plasma se află pe cel mai înalt nivel. Trecerea de la starea de gaz la plasmă necesită un aport energetic în medie de 1...30eV / particula . Dacă trecerea la plasmă se face prin ionizări termice la temperaturi 104...105 K, se obţin plasme slab ionizate, iar la temperaturi de 107 K se obţin plasme total ionizate, fără particule neutre. între particulele plasmei au loc ciocniri elastice şi ciocniri neelastice, ca în orice gaz. Cele din urmă constituie factorul principal de transformare a gazului neutru în plasmă. De exemplu, ciocnirea unui electron rapid cu un atom neutru poate produce fenomenul de ionizare, deci apariţia unui ion pozitiv şi a unui electron. De asemenea, acest tip de interacțiune produce fenomenul de excitare, fenomen care populează plasma cu atomi excitaţi pe diferite nivele; prin dezexcitare, aceşti atomi emit fotoni, ce populează plasma cu radiaţie electromagnetică.

Raportul x dintre numărul de particule ionizate «, din unitatea de volum şi numărul total de particule din aceeaşi unitate de volum se numeşte grad de ionizare:

unde nn este numărul de particule neutre. In funcţie de gradul de ionizare, plasmele se împart în trei categorii: • plasme slab ionizate (χ<10~4); de exemplu: plasma descărcărilor în gaze rarefiate; • plasme mediu ionizate (10 -4< χ<10-2); de exemplu plasma arcului electric, plasma din laserii

cu gaz de mare putere; • plasme puternic ionizate (l0-2<χχχχ<l), în care se poate neglija prezenţa particulelor neutre; de exemplu plasmele din generatoarele magnetohidrodinamice, în reacţii termonucleare, în soare etc.

3.2.Procedee de generare a plasmei

În general, starea de plasmă poate fi obţinută pe una dintre următoarele căi: • străpungerea electrică a gazelor la tensiune înaltă; • bombardarea ţintelor solide, lichide sau gazoase cu particule încărcate cu energie

cinetică mare (fascicole accelerate de electroni sau ioni în câmpuri foarte intense). • bombardarea ţintelor solide lichide sau gazoase cu radiaţie electromagnetică de mare

densitate de energie. Fascicolele laser de mare intensitate pot transfera substanţei suficientă energie pentru a o transforma în plasmă; reacţii chimice exoterme;

• unde de şoc sau prin transferul de energie a unui mediu elastic supus unei puternice unde de şoc elastic către mediul de interes.

Producerea plasmei prin descărcări electrice în gaze

Fie un tub T umplut cu gaz şi doi electrozi E între care se aplică tensiunea U , figura 1. Prin tub va circula curent, numai dacă se crează purtători de sarcină cu ajutorul unei surse de ionizare externe, de ex. o sursă de radiaţii. Dacă nv este numărul de ioni produşi de sursa de radiaţii externă în unitatea de timp şi în unitatea de volum a gazului, fiecare ion poate produce

Page 46: Utilaje Tehnologii Neconventionale

smulgerea unui singur electron din fiecare atom şi deci numărul ionilor este egal cu numărul electronilor.

Variaţia curentului I prin tub la creşterea tensiunii aplicate U , este prezentată în figura 2, evidenţiindu-se următoarele zone: • zona OA - curentul creşte liniar cu tensiunea U .

Figura 2. Referitor la descărcarea în gaze

• zona AB - curentul este aproximativ constant, numit curent de saturaţie I sat; ionii şi electronii se deplasează către electrozii corespunzători, iar sursa externă produce un număr de purtători de sarcină care se recombină.

• zona BC - tensiunea U devine suficient de mare pentru ca electronii acceleraţi în câmp să

provoace ionizări prin ciocnirea atomilor de gaz. Astfel, drept urmare a ionizărilor externe şi interne, are loc creşterea curentului. Zona OABC, numită zonă de descărcare Townsend, se caracterizează printr-o descărcare neautonomă, întunecată dependentă de acţiunea sursei de ionizare externă.

• zona CD - are loc emisia de electroni a catodului datorită electronilor care acumulează energii mari, la tensiuni ce depăşesc valorile corespunzătoare punctului C. în consecinţă, scade rezistenţa electrică a gazului din tub, scade brusc şi tensiunea, iar pe catod apare o lumină;

• zona DE-EF este zona descărcării luminiscente normale; • zona FG - la creşterea în continuare a tensiunii, bombardamentul cu ioni al catodului

conduce la încălzirea acestuia, electronii produşi de către acesta sunt puternic acceleraţi iar ionizarea gazului se menţine şi fără contribuţia sursei de ionizare externă; tensiunea scade către valoarea corespunzătoare punctului G;

Figura 1. Descărcarea electrică în gaz

Page 47: Utilaje Tehnologii Neconventionale

47

• zona GH este zona descărcării prin arc electric, caracterizată prin tensiuni de ordinul de mărime al tensiunii de ionizare a gazului şi valori mari ale curentului. Aportul energetic mare necesar întreţinerii arcului electric duce la încălzirea puternică a

zonei de descărcare (gazul şi electrozii), ceea ce a făcut ca arcul electric să fie utilizat ca sursă de temperatură înaltă. Temperatura T creşte prin creşterea puterii electrice transferate spaţiului de descărcare, deci prin creşterea intensităţii curentului de descărcare la tensiune constantă. Pentru o coloană cilindrică de plasmă a unui arc electric, vezi figura 3, s-a stabilit o relaţie între curentul I şi temperatură:

unde n este concentraţia plasmei total ionizată, S=n • r este aria secţiunii transversale a cilindrului de plasmă. Creşterea curentului duce la creşterea pierderilor de energie în zona de ardere şi la creşterea secţiunii coloanei arcului liber. 3.3.Construcţii de principiu ale plasmatroanelor

Plasmatroanele numite şi instalaţii de arc suflat, pot fi: • plasmatroane cu arc direct sau cu arc transferat, figura 4a, la care coloana arcului, ce

se formează între electrod şi piesă de prelucrat, este suflată printr-o duză de gazul plasmagen, introdus longitudinal sau paralel cu electrodul.

• plasmatron cu arc indirect sau cu arc netransferat, figura 4.b, la care arcul este amorsat între electrod şi duză, şi este suflat prin duză de gazul plasmagen introdus transversal pe coloană.

Figura 4. Construcţii de principiu ale plasmatroanelor

Cerinţele impuse construcţiei plasmatroanelor sunt: ♦ izolarea zonei de ardere de spaţiul înconjurător şi răcirea electrozilor; ♦ înlocuirea arcurilor staţionare cu arcuri în impulsuri de mare putere; ♦ constrângerea coloanei de arc într-un spaţiu restrâns, de secţiune constantă; ♦ introducerea unui gaz sub presiune în zona de ardere, printr-o duză calibrată. Gazele plasmagene trebuie să asigure:

Figura 3. Coloana cilindrică a plasmei

Page 48: Utilaje Tehnologii Neconventionale

• ionizarea spaţiului de descărcare; • distribuirea raţională a energiei în spaţiul de descărcare; • protejarea electrodului de wolfram împotriva oxidării; • incompatibilitate chimică cu materialul de prelucrat;

Prin urmare, se folosesc: • gazele inerte monoatomice, argonul şi heliul, care au dezavantajul unei insuficiente

capacităţi de cedare a căldurii; energia cedată materialului de prelucrat este energia de ionizare;

• gazele inerte biatomice, azotul şi hidrogenul, care la trecerea prin ajutaj suferă şi un proces de disociere însoţit de o puternică absorbţie de căldură, cedată ulterior materialului de prelucrat. Parametrii gazului plasmagen sunt debitul şi presiunea, ale căror valori trebuie să asigure

stabilitatea şi caracteristicile arcului de plasmă. 3.4.Generatoare de plasmă

Generatoarele de plasmă depind de gradul de ionizare al plasmei şi de sursele de energie necesare. Criteriile de clasificare a generatoarelor de plasmă sunt:

A.După felul curentului: • Generatoare de plasmă alimentate în curent continuu.

Plasma are aplicaţii la presiuni comparabile cu presiunea atmosferică, temperaturi în intervalul 6000... 15000K şi puteri sub câteva sute de kW. Schema de principiu este

prezentată în figura 5.

• Generatoare de plasmă alimentate în curent alternativ Arcul electric se dezvoltă fie între un electrod, de obicei din wolfram, legat la polul

negativ al sursei şi un ajutaj din cupru legat la polul pozitiv, fie între electrod şi piesa metalică supusă prelucrării. Din acest punct de vedere se disting:

> generatoare cu jet de plasmă, cu arc închis sau netransferat; > generatoare cu arc de plasmă, cu arc deschis sau transferat.

Figura 4.5. Generator de plasmă alimentat în curent continuu

Page 49: Utilaje Tehnologii Neconventionale

Figura 6. Generator de plasm

Schema de principiu este prezentat

electrozii alimentaţi de la o sursajutorul jetului de plasmăapă. Alimentarea în curent alternativ asigurdurata procesului, având însfoloseşte pentru puteri mai mari de 100 curent alternativ cu alimentare directşi electrod) şi generatoare de plasmasigurându-se o stabilitate mai bun

• Generatoare de plasmă alimentate în curent de înaltPlasma obţinută se caracterizeaz

frecvenţă industrială. Amorsarea procesului de generare a plasmei este facilitatprezenţa unui electrod radioactiv. Este economicinferioare celei atmosferice

• Generatoare de plasmă puternic ionizatnucleară, cu o temperatură

B. In funcţie de modul de stabilizare al plasmeiStabilizarea arcului electric are ca scop constrângerea coloanei arcului

acestuia în axa electrodului şi a ajutajului • generatoare de plasmă cu stabilizare• generatoare de plasmă cu stabilizarea magnetic• generatoare de plasmă cu stabilizarea cu ap

Stabilizarea arcului cu gaz este cea mai frecvent utilizatstabilizare cu gaz: • cu stabilizare longitudinal

protectoare pentru electrod produce deplasarea plasmei în lungul axei geometrice a ajutajului. Se obliniştit şi lung.

• cu stabilizare tangenţială orificii dispuse astfel încât spresiunea scade în raport cu zona coloanei arcului. Stabilizarea tangenEchilibrul termodinamic al plasmei

49

Figura 6. Generator de plasmă alimentat în curent alternativ

Schema de principiu este prezentată în figura 6. Arcul electric amorsat între i de la o sursă de curent alternativ, se produce prin ionizarea gazului cu

ă. Acesta este concentrat cu ajutorul ajutajului de cupru . Alimentarea în curent alternativ asigură cea mai bună stabilizare a arcului pe toat

durata procesului, având însă dezavantajul unei construcţii mai complicate. Instalate pentru puteri mai mari de 100 kW. Se mai întâlnesc genera

curent alternativ cu alimentare directă (sursa de curent alternativ se conecteazi generatoare de plasmă cu alimentarea arcului pilot prin punte redresoare,

se o stabilitate mai bună a arcului electric. ă alimentate în curent de înaltă frecvenţă

ă se caracterizează printr-o stabilitate mai mare decât plasma de . Amorsarea procesului de generare a plasmei este facilitat

radioactiv. Este economică la temperaturi înjur de 6000inferioare celei atmosferice şi puteri maxime de ordinul kilowaţilor.

ă puternic ionizată, obţinută cu ajutorul reacţiilor de fisiune , cu o temperatură până la 50000°C .

ie de modul de stabilizare al plasmei Stabilizarea arcului electric are ca scop constrângerea coloanei arcului

şi a ajutajului . Generatoarele pot fi: ă cu stabilizarea cu gaz a coloanei de arc; ă cu stabilizarea magnetică a coloanei de arc; ă cu stabilizarea cu apă a coloanei de arc.

Stabilizarea arcului cu gaz este cea mai frecvent utilizată. Există dou

cu stabilizare longitudinală - gazul plasmagen este insuflat axial, formând o manta protectoare pentru electrod şi ajutaj şi răcind suplimentar electrodul. Presiunea gazului produce deplasarea plasmei în lungul axei geometrice a ajutajului. Se obţ

ială - gazul este insuflat în spaţiul arcului printr-orificii dispuse astfel încât să aibă loc o mişcare turbionară. Ca urmare, în axa ajutajului presiunea scade în raport cu zona dinspre pereţii acestuia şi are loc autoconcentrarea coloanei arcului. Stabilizarea tangenţială este specifică generatoarelor cu arc de plasmEchilibrul termodinamic al plasmei este condiţionat de:

alimentat în curent alternativ

în figura 6. Arcul electric amorsat între de curent alternativ, se produce prin ionizarea gazului cu

. Acesta este concentrat cu ajutorul ajutajului de cupru răcit cu stabilizare a arcului pe toată

ii mai complicate. Instalaţia se Se mai întâlnesc generatoare de plasmă de

(sursa de curent alternativ se conectează între piesă cu alimentarea arcului pilot prin punte redresoare,

o stabilitate mai mare decât plasma de . Amorsarea procesului de generare a plasmei este facilitată de

la temperaturi înjur de 6000°C, presiuni

cu ajutorul reacţiilor de fisiune

Stabilizarea arcului electric are ca scop constrângerea coloanei arcului şi centrarea

ă două moduri de

gazul plasmagen este insuflat axial, formând o manta cind suplimentar electrodul. Presiunea gazului

produce deplasarea plasmei în lungul axei geometrice a ajutajului. Se obţine un arc electric

-unul sau mai multe . Ca urmare, în axa ajutajului

i are loc autoconcentrarea generatoarelor cu arc de plasmă.

Page 50: Utilaje Tehnologii Neconventionale

■ conductivitatea termică şi căldura specifică a gazului plasmagen şi a electrozilor, conductivitatea termică şi profilul electrozilor etc.

■ debitul şi natura amestecului gazos, gradul de răcire al electrozilor, care au ca efect contracţia secţiunii răcite a arcului, creşterea concentraţiei particulelor şi deci a energiei în zona axială. Prin urmare, în aceste zone temperatura creşte considerabil. Un curent de gaz plasmagen cald ( T > 1000°K) tinde să mărească conturul exterior al plasmei, pe când, un curent de gaz plasmagen rece ( T < 300°K) îl va contracta, mărind efectul gradientului radial de temperatură. Corespunzător un amestec gazos având o conductivitate termică ridicată (hidrogen sau heliu) are tendinţa de a contracta plasma, pe când un amestec gazos cu o conductivitate termică scăzută (argon) produce dilatarea plasmei.

C. In funcţie de materialul electrodului • Generatoare de plasmă cu electrod consumabil din grafit, echipate cu sisteme automate

de avans a electrodului pe măsura uzurii acestuia • Generatoare de plasmă cu electrod neconsumabil de wolfram aliat cu thoriu sau

lantaniu pentru stimularea emisie electronice. Ca gaz plasmagen se recomandă argonul şi heliul.

• Generatoare de plasmă cu electrod cu peliculă de protecţie din zirconiu presată pe o manta din cupru.

D. In funcţie de natura gazului plasmagen Tipul gazului plasmagen este important din punct de vedere al compatibilităţii chimice cu

materialul electrodului şi al stabilităţii arderii arcului electric. • generatoare de plasmă cu gaze inerte: argon, heliu; • generatoare de plasmă cu gaze oxidante: oxigen, aer; • generatoare de plasmă cu gaze reducătoare: hidrogen, azot.

E. In funcţie de forma catodului • Generatoare de plasmă cu catod ascuţit, la care pata catodică se concentrează pe vârful

catodului, asigurând un arc mai stabil, cu dezavantajul uzurii accentuate a acestuia şi necesitatea recondiţionării.

• Generatoare cu catod plat, la care pata catodică se deplasează permanent pe suprafaţa catodului, creând condiţii de instabilitate a arcului de plasmă.

F. în funcţie de aplicabilitatea tehnică: • generatoare de plasmă pentru tăiere termică; • generatoare de plasmă pentru sudare; • generatoare de plasmă pentru metalizare; • generatoare de plasmă pentru încărcare prin sudare; • generatoare de plasmă pentru diferite aplicaţii tehnice în metalurgie, chimie.

G. In funcţie de puterea generatorului • generatoare de putere medie şi mare (sub 60 kW); • microgeneratoare (sub 2 kW).

3.5.Procese termice în ajutaje

Concentrarea arcului de plasmă este determinată de profilul, dimensiunile şi materialul ajutajului. La temperaturi ale arcului de plasmă, ce depăşesc 10000 K, un procentaj important din energia termică este cedat ajutajului, având drept consecinţe chiar topirea, respectiv vaporizarea materialului ajutajului. Mărirea debitului de gaz permite formarea unui strat de gaz relativ rece între pereţii ajutajului şi coloana arcului de plasmă. Utilizarea unor gaze plasmagene cu conductivitate termică ridicată (hidrogen, heliu), favorizează cedarea de căldură spre ajutaj. Reducerea uzurii ajutajului implică asigurarea condiţiilor transfer a căldurii în masa ajutajului şi executarea acestuia din materiale stabile la temperaturi înalte. Mărirea diametrului canalului ajutajului poate fi o măsură de protecţie termică, dar prin aceasta scade concentraţia

Page 51: Utilaje Tehnologii Neconventionale

51

particulelor în zona axială. Ca fluide de răcire se utilizează apa, freonul şi glicerina. La generatoarele de putere medie se aplică răcirea cu gaze, de exemplu aerul comprimat.

Materialul din care se execută ajutajele trebuie să aibă valori mari ale conductivităţii termice, căldurii specifice, temperaturii şi căldurii latente de topire.

S-au realizat ajutaje din cupru, oţel, wolfram, grafit, carbură de siliciu, zirconiu şi alte materiale. Cele mai bune rezultate s-au obţinut cu ajutajele din cupru răcite, care au o durată de viaţă redusă, motiv pentru care necesită o construcţie simplă, economică, uşor de înlocuit. Foarte stabile termic sunt şi ajutajele din bronz cu 0,4+1% crom care au conductivitate termică apropiată de a cuprului, precum şi o rezistenţă importantă la temperaturi înalte.

Pe lângă uzura termică a ajutajelor, pot apare uzuri suplimentare datorită unor abateri faţă de condiţiile normale de funcţionare: formarea arcului electric secundar, centrarea necorespunzătoare a electrodului, devierea coloanei arcului de plasmă de la axa geometrică a generatorului datorită vitezelor prea mari de deplasare a generatorului, scurtcircuitarea intervalului ajutaj-piesă. 3.6.Procese electrice în ajutaj. Arcul electric secundar

Deteriorarea ajutajului şi chiar a generatorului de plasmă este datorată, în principal, arcului electric secundar, a cărui formare are aceleaşi cauze la toate generatoarele de plasmă. De aceea este important de determinat factorii care influenţează întreţinerea arcului secundar şi metodele adecvate pentru evitarea acestuia.

Gradul de concentrare a arcului de plasmă şi intensitatea câmpului electric E în canalul ajutajului cresc pe măsură ce se reduce raza gâtului ajutajului. Izolarea electrică a ajutajului generatorului faţă de coloana arcului se realizează cu ajutorul unui înveliş de gaz rece neionizat.

O creştere importantă a intensităţii câmpului electric E are drept efect străpungerea acestuia, stabilindu-se o legătură galvanică între coloana arcului şi ajutaj ceea ce permite apariţia unui al doilea arc între ajutaj şi piesă de prelucrat, figura 7. Cu cât intensitatea câmpului electric din spaţiul ajutaj-piesă este mai mare, ionizarea este mai intensă şi în aceste condiţii, ajutajul poate să emită electroni şi să se transforme într-un catod secundar în raport cu piesa, ceea ce produce inevitabil, uzura lui.

Factorii care influenţează apariţia arcului electric secundar sunt: • configuraţia geometrică şi profilul sau unghiul de deschidere al ajutajului; • lungimea gâtului ajutajului trebuie aleasă astfel încât caracteristica arcului să fie situată

sub cea a arcului electric secundar; • distanţa electrodului faţă de ajutaj; • natura amestecului gazos; • regimul de funcţionare.

Figura 7. Formarea arcului electric secundar

Page 52: Utilaje Tehnologii Neconventionale

Arcul electric secundar, fiind o consecinţă a segmentării arcului principal datorită strangulării, poate fi evitat, fie prin reducerea strangulării, şi deci a gradului de concentrare, fie prin diminuarea influenţei factorilor care favorizează emisia electronilor din ajutaj, transformându-1 într-un catod secundar.

Pe baza caracteristicilor arcului şi caracteristicilor externe ale sursei de curent s-a stabilit experimental zona de funcţionare ZAS a generatorului unde este posibilă apariţia arcului electric secundar, iar funcţionarea normală este perturbată.

Ca mediu ionizant s-a folosit aerul comprimat. Se observă că, arcul secundar apare la valori mari ale curentului. La o poziţie fixă a electrodului creşterea tensiunii arcului se produce ca urmare a creşterii lungimii ajutajului h2. Pentru o configuraţie geometrică dată a ajutajului, creşterea tensiunii arcului poate fi datorată creşterii căderii de tensiune U , pe canalul ajutajului. Mărimea căderii de tensiune pe catod favorizează apariţia arcului electric secundar, astfel că, din punct de vedere constructiv, la un generator de plasmă, lungimea h2 trebuie stabilită în funcţie de natura amestecului gazos, încât caracteristica arcului să fie situată sub zona arcului secundar.

Pentru un ajutaj dat, apariţia arcului electric secundar poate fi şi consecinţa unei creşteri a curentului în timpul funcţionării, datorită reducerii lungimii arcului sau neuniformităţii distanţei 8 dintre ajutaj şi piesă. Cu creşterea curentului creşte secţiunea coloanei arcului şi întrucât, secţiunea de strangulare impusă de diametrul d„ al ajutajului rămâne constantă, va creşte căderea de tensiune Uc, favorizând apariţia arcului electric secundar. Se recomandă astfel, folosirea surselor de curent cu caracteristici cât mai căzătoare, ceea ce permite menţinerea curentului la o valoare cât mai constantă, chiar dacă variază lungimea totală a arcului.

Cercetările au arătat că lungimea h2 a canalului ajutajului nu poate fi redusă sub anumite limite, în special în cazul folosirii unor gaze biatomice, ca azotul sau aerul comprimat, din cauza fenomenului de instabilitate a arderii arcului.

Profilul ajutajului este dimensionat ţinând cont atât de posibila apariţie a arcului electric secundar, cât şi de menţinerea stabilităţii arderii arcului electric principal.

Stabilitatea arderii arcului electric principal este condiţionată de debitul de gaz, determinat şi din condiţii de izolare a coloanei arcului faţă de ajutaj, pentru o anumită valoare a curentului. Din graficul debitului de gaz funcţie de curent rezultă o valoare critică a debitului de gaz sub care devine posibilă apariţia arcului electric secundar. Cu cât zona arderii stabile este mai lată, condiţiile de funcţionare sunt mai bune. Pentru debite de gaz prea mari, arderea arcului

devine instabilă şi se poate stinge.

Figura 8. Variaţia debitului de gaz în funcţie de curent 1- caracteristica limită a arcului secundar;

2 - caracteristica proprie a ajutajului.

Page 53: Utilaje Tehnologii Neconventionale

53

3.7.Aplicaţii tehnice ale plasmei Tăierea metalelor cu plasmă

Prin tăierea unei piese metalice se produce distrugerea locală a legăturilor coezionale în zona unde se face tăierea. Calitatea unei tăieturi se apreciază după rugozitatea suprafeţelor tăieturii şi după extinderea zonei influenţată termic de procesul de tăiere, unde pot să apară dilatări, contracţii, transformări structurale, absorbţii de gaze, oxidări, reduceri, nitrurări, formări şi descompuneri de faze intermetalice.

Tăierea termică ale pieselor metalice se poate realiza prin: • tăierea termică prin arderea metalului, de exemplu tăierea cu oxigen, cu aplicabilitate

limitată de condiţia ca temperatura de aprindere în oxigen a metalului sau aliajului metalic să fie mai mică decât temperatura de topire;

• tăierea termică prin topirea metalului - tăierea metalelor cu plasmă; nu se impun limitări de temperatură şi deci se poate aplica la orice metal sau aliaj. Tăierea cu plasmă este mai performantă pentru că plasma, fiind mai concentrată, are o

temperatură mult mai mare, ceea ce face posibilă tăierea metalelor şi aliajelor metalice conductoare electric, ce nu pot fi tăiate cu oxigen: oţeluri înalt aliate refractare şi inoxidabile, aluminiu, cupru, titan. Datorită concentrării energiei, se obţin viteze mari de tăiere, fără încălzire prealabilă sau prelucrări ulterioare.

Parametrii regimului tehnologic sunt: • Pt - puterea totală generată de sursă:

• Pu - putere utilă necesară distrugerii legăturilor coezionale; • Pp - puterea de tăiere consumată în zona afectată termic; • P - puterea care se consumă în zona de tăiere

• viteza de tăiere v;

• curentul electric al plasmei; • tensiunea jetului sau arcului de plasmă, • gazul plasmagen sau amestecul de gaze plasmagene; • debitul de gaz Q; • poziţionarea generatorului de plasmă faţă de piesele de tăiat. Aceşti parametri depind de natura metalului sau aliajului metalic ce se taie, de grosimea

pieselor 5 şi de tipul instalaţiei de tăiere. Vitezele de tăiere se determină pe baza bilanţului energetic al procesului tehnologic, în funcţie de grosimea 8 şi de caracteristicile de material ale metalului sau aliajului metalic care se taie: căldura specifică c [ J / K g / ° C ] , densitatea γ [ K g / m3 ] , temperatura de topire θ[°C], conductivitatea termică λ [ W / m / ° C ] .

• Pc - puterea cedată mediului

• η- randamentul total al procesului de tăiere

, unde:

Dimensionarea procesului tehnologic se face astfel încât lăţimea zonei afectate termic să fie redusă iar

energia cedată să fie cât mai mică.

Stabilirea tehnologiei de tăiere cu plasmă a metalelor şi aliajelor metalice presupune determinarea

următorilor parametri:

Page 54: Utilaje Tehnologii Neconventionale

Randamentul η1 se poate determina experimental prin douajutorul câmpului termic. Presupunem inicalcula:

Randamentul termic η2 în funcţ

Fig.9 Varia

Cu ajutorul randamentului η2, se poate calcula puterea util

Pe baza dimensiunilor metalului, puterea util

Din cele două relaţii de definire a

Sudarea cu plasmă

Sudarea cu plasmă face parte din categoria procedeelor de sudare prin topire electrică, în mediu de gaz. Procedeul cel mai apropiat de sudarea cuelectric în mediu de argon, cu electrod nefuzibil.

Caracteristicile procedeului de sudare cu plasm

se poate determina experimental prin două metode ajutorul câmpului termic. Presupunem iniţial η1 cunoscut şi deci puterea de t

în funcţie de variabila criterială e este prezentat în figura 9.

Fig.9 Variaţia randamentului termic

, se poate calcula puterea utilă Pu:

Pe baza dimensiunilor metalului, puterea utilă se poate exprima şi astfel

ii de definire a Pu se poate calcula viteza de tăiere v:

face parte din categoria procedeelor de sudare prin topire , în mediu de gaz. Procedeul cel mai apropiat de sudarea cu plasmă este sudarea cu arc

electric în mediu de argon, cu electrod nefuzibil. Caracteristicile procedeului de sudare cu plasmă sunt:

metode : calorimetric şi cu i deci puterea de tăiere se poate

e este prezentat în figura 9.

face parte din categoria procedeelor de sudare prin topire pe cale ă este sudarea cu arc

Page 55: Utilaje Tehnologii Neconventionale

55

� sursa termică este mai concentrată, zona afectată termic este îngustă, iar consumul de energie pe unitatea de lungime cordon sudură va fi mai redus;

� cordonul de sudură are o secţiune mai mică; � sudarea cu plasmă se face cu sau fără material de adaos; Arcul

electric de sudare se deosebeşte de plasmă prin:

• arcul electric de sudare are ca mediu ionizat aerul la parametri atmosferici, iar plasma se dezvoltă într-un gaz sub presiune, introdus în spaţiul arcului;

• plasmă ionizată curge cu viteze mai mari, datorită presiunii gazelor; • plasma este puternic strangulată mecanic, datorită contactului dintre jetul fierbinte de gaz şi ajutajul răcit intens şi electromagnetic datorită atracţiei curenţilor paraleli; coloana arcului electric nu suferă nici o contracţie;

• reducerea secţiunii plasmei determină creşterea densităţii de curent, cu influenţe pozitive asupra creşterii de temperatură;

• plasma are o secţiune cilindrică, pe când arcul electric de sudare are o coloană tronconică; • oscilaţiile plasmei depind de natura gazului plasmagen, debitul gazului şi curentul din

plasmă şi determină variaţii de tensiune. Restricţii tehnologice

La sudarea cu plasmă, reducerea componentei axiale a forţelor din plasmă diminuează efectul băii de metal topit, şi se realizează prin: � minimizarea debitului jetului de gaz; � mărirea secţiunii ajutajului; � evitarea formării arcului electric secundar.

Prin reducerea debitului de gaz, energia cinetică a particulelor din plasmă şi energia cinetică a gazului neionizat scad. In acelaşi timp, o cantitate mare de energie nepreluată de gazul plasmagen, produce uzura ajutajului, fiind necesară intensificarea răcirii acestuia. In scopul protejării băii de metal topit se foloseşte un gaz neutru de protecţie.

Eliminarea arcului electric secundar se realizează prin răcirea suplimentară a părţii frontale a ajutajului cu ajutorul unui curent de gaz, cu pronunţat caracter de focalizare, numit gaz de focalizare. Există generatoare, ia care o parte din gazul plasmagen neionizat este folosit pentru focalizare şi protecţie. Amestecul de argon şi hidrogen îmbunătăţeşte calitatea îmbinărilor şi reduce posibilitatea apariţiei arcului electric secundar, datorită tensiunii ridicate a arcului şi efectului de răcire provocat de hidrogen. S-au făcut cercetări [50] asupra calităţii cordonului de sudură, folosind argon sau amestecuri gazoase: argon şi C02, argon şi H2. Aspectul sudurilor cu amestec gazos de focalizare este mai neted decât cu argon. Sudarea cu plasmă se poate aplica la orice tip de metal sau aliaj metalic.

Eficienţa economică a sudării cu plasmă se apreciază prin: mărimea vitezei de sudare şi prelucrarea ulterioară redusă a cusăturii de sudură, datorate concentrării termice mari a plasmei. Pentru a mări eficienţa economică s-au eliminat gazele scumpe ca argonul şi heliul şi s-au înlocuit cu azot, cu rezultate foarte bune la sudarea cuprului. Acoperirea pieselor metalice - Principii tehnologice

Plasma se poate aplica la acoperirea pieselor metalice cu straturi rezistente la solicitări diverse. Ca materiale de acoperire se pot folosi sârmă metalică sau pulberi metalo-ceramice. Temperatura ridicată a plasmei asigură topirea materialului de acoperire iar viteza şi presiunea ridicată a jetului de gaz plasmagen proiectează corespunzător picăturile topite pe suprafaţa metalică.

Acoperirea cu plasmă folosind metalul de adaos sub formă de sârmă este de calitate, dacă mărimea picăturilor topite variază între 0.2...03mm . Aceste dimensiuni

Page 56: Utilaje Tehnologii Neconventionale

se obţin dacă sârma se topeşte în axa jetului de plasmă, ceea ce necesită o anumită viteză de avans a sârmei, figura 10.

Figura 10. Poziţia sârmei la acoperirea cu plasmă.

Dacă picăturile de metal topit sunt foarte fine şi cu viteze foarte mari, acoperirea cu plasmă, folosind ca material de adaos sârma, dă rezultate foarte bune.

Acoperirea cu plasmă cu metal de adaos sub formă de pulbere se realizează în două moduri: a) depunerea pulberii pe suprafaţa piesei cu ajutorul unui dozator care se deplasează în faţa

generatorului de plasmă. Generatorul topeşte stratul de pulbere şi metalul de bază, realizând acoperirea. Dacă generatorul are o mişcare de oscilaţie transversală pe direcţia de înaintare, se obţin, la o trecere, straturi de acoperire cu lăţime de aproximativ 50mm. Ca gaz plasmagen, se foloseşte argonul, iar în jurul băii topite se suflă gaz de protecţie, argon şi heliu în amestec. Procedeul foloseşte pentru acoperiri cu pulberi metalice: carburi de crom şi wolfram, adaosuri de vanadiu, bor, mangan.

b) pulberea granulată fin este insuflată cu ajutorul unui gaz transportor în generatorul de plasmă. Generatorul foloseşte trei admişii de gaze:

• gaz plasmagen argon, admis în jurul electrodului cu debit 1...2l/min; • gaz transportor, format din argon sau heliu, amestecat cu pulberea metalică, admis în

paralel cu gazul plasmagen, cu debitul de 5... 10 l/ min ; • gaz de protecţie, argon, heliu sau azot, care îmbracă pe primele două.

Se folosesc pulberi greu fuzibile rezistente la solicitările la care este supusă piesa: • oxidul de aluminiu cu temperatura de topire 2050°C, folosit pentru rezistenţa la uzură prin

lovire cu particule dure, transportate de curenţi de gaze cu viteze mari; • bioxidul de titan cu temperatura de topire 1800°C , asigură rezistenţa la uzura abrazivă şi

este foarte dur; • oxidul de zirconiu cu temperatura de topire 2950°C, asigură protecţia la solicitări termice

cu temperaturi foarte mari; • carbura de wolfram cu temperatura de topire 2950°C, asigură rezistenţa la uzură şi

eroziune până la 850°C ; • carbura de crom care este o componentă importantă a acoperirilor rezistente la uzură şi

temperaturi ridicate. Generatoare de plasmă pentru acoperiri şi încărcare cu metal Procedeul de încărcare cu metal cu jet de plasmă prezintă particularităţile: a) jetul de plasmă, ca sursă termică concentrată, asigură topirea granulelor de pulbere metalică

ce urmează a fi depusă; b)transportul pulberii metalice se face cu gaz inert (argon) care asigură şi protecţia contra

oxidării la temperaturi ridicate; c) generatoarele de plasmă întreţin permanent două arcuri electrice: între electrod şi ajutaj şi

între electrod şi piesa care se încarcă, asigurând reglajul independent al încălzirii granulelor şi piesei.

Page 57: Utilaje Tehnologii Neconventionale

57

Instalaţiile şi generatoarele de plasmă folosite pentru încărcare sunt similare celor de sudură, având în plus sistemul de dozare şi de introducere a pulberii în plasmă.

Gazul plasmagen GPL, argon în amestec cu hidrogen, este introdus longitudinal pe lângă electrodul de wolfram C. Intre ajutajele AJ1 şi AJ2 se introduce pulberea prin racordul P. Prin intermediul gazului de transport, pulberea ajunge în zona coloanei arcului care arde între electrodul C şi AJ1, fiind obligată să străbată sub forma unor fascicole paralele jetul de plasmă generat prin ionizarea gazului GPL. Prin reglarea curentului din circuitul ajutajului AJ1 se variază temperatura de încălzire şi topire a pulberii. In acest scop, sursa de curent continuu SI se conectează între electrodul C şi ajutajul AJ1. Adâncimea de pătrundere în metalul de bază se reglează cu ajutorul sursei S2, prin puterea introdusă în arcul care se dezvoltă între electrodul C şi placa PI. Tensiunea sursei S2 trebuie să fie superioară sursei SI, pentru a crea câmpul necesar aprinderii celui de-al doilea arc, în spaţiul ionizat. Baia de metal lichid se protejează cu gazul de protecţie GPR, împotriva pătrunderii aerului din atmosferă.

în cazul metalizării cu plasmă, suprafeţele se pregătesc prin sablare şi degresare, legătura dintre stratul depus şi suprafaţa metalului de bază fiind de natură mecanică.

Instalaţiile de plasmă se realizează numai cu jet de plasmă, cu arc netransferat pe piesa metalică, fără riscul apariţiei arcului electric secundar. O particularitate constructivă a acestor generatoare este lungimea mare a canalului ajutajului şi energia cinetică mare a particulelor din plasmă şi a pulberii metalice.

Calitatea depunerii depinde şi de distanţa de la generatorul de plasmă la piesă. Aspecte privind poluarea ambientului de lucru

Prelucrarea cu plasmă a materialelor metalice (oţeluri inoxidabile, metale şi aliaje neferoase) se caracterizează prin emanarea de noxe (substanţe nocive, zgomot şi radiaţii luminoase), periculoase pentru sănătatea operatorului. în consecinţă, sunt necesare măsuri pentru diminuarea poluării mediului, cum ar fi:

• echiparea instalaţiei cu sisteme de ventilaţie; • procesarea cu plasmă sub o perdea de apă cu ajutorul unui duş aer-apă sau sub un clopot

de protecţie din apă; • procesarea cu plasmă deasupra unui jet de apă, care are rolul de a răci şi transporta rapid

masa de metal topit şi zgura din rostul de tăiere; • procesarea cu plasmă prin imersie a piesei la o adâncime 60...80 mm de la suprafaţa

apei, cu consecinţe negative asupra proprietăţilor metalului după tăiere; în compensaţie se obţin deformaţii termice mici, iar zona influenţată termic este redusă.

Figura 11. Schema de principiu a generatorului de plasmă pentru acoperiri metalice

Page 58: Utilaje Tehnologii Neconventionale

58

4.PROCESAREA CU MICROUNDE

4.1.Generalităţi

Microundele sunt oscilaţii electromagnetice cu frecvenţe cuprinse între 3x108...3x1010Hz. Frecvenţele utilizate în domeniul procesării cu microunde corespund benzilor de frecvenţă pentru aplicaţii industriale, ştiinţifice şi medicale , în Europa fiind sunt autorizate benzile de 2450 MHz, 5800 MHz şi 22125 MHz, cea mai utilizată fiind frecvenţa de 2450 MHz, din considerente privind costul şi puterea instalaţiilor.

Lungimea de undă fiind inferioară dimensiunilor instalaţiilor, procesarea cu microunde este o aplicaţie a propagării în ghiduri de undă a undelor electromagnetice.

Ghidul de undă este un domeniu conductor sau dielectric, situat de-a lungul unei axe, delimitat de suprafeţe de discontinuitate a parametrilor electrici şi magnetici, prin care câmpul electromagnetic se propagă pe direcţia axei sale. Ghidurile uniforme se caracterizează prin secţiuni transversale cilindrice, dreptunghiulare, eliptice identice în orice punct pe axa longitudinală. Ghidurile uniforme închise sau tubulare au pereţii metalici.

Ghidul de undă este un sistem dispersiv, întrucât constanta de propagare nu variază proporţional cu frecvenţa. Dacă frecvenţa centrală a semnalului este depărtată de frecvenţa de tăiere, iar banda de frecvenţă a semnalului este limitată şi redusă (zeci de MHz) faţă de frecvenţa centrală (GHz), efectul de deformare a semnalului datorită caracterului dispersiv al propagării este redus.

Adâncimea de pătrunder

La deplasarea într-un mediu cu pierderi, unda se atenuează, iar puterea disipată scade. Adâncimea de pătrundere este distanţa măsurată de la suprafaţa materialului până la punctul unde puterea disipată scade de e ori.

α este factorul de atenuare. Adâncimea de pătrundere creşte cu lungimea de undă sau cu scăderea frecvenţei, astfel că la frecvenţele utilizate la procesarea cu microunde adâncimea de pătrundere este de ordinul centimetrilor şi variază cu temperatura şi proprietăţile materialului.

4.2.Materiale procesate cu microunde

Fenomenul de procesare cu microunde frecvent întâlnit este încălzirea materialelor dielectrice, datorită histerezisului în câmpuri electrice variabile în timp, care are ca efect conversia energiei electromagnetice în energie termică. Pierderile în dielectrici sunt sursa de energie. încălzirea cu microunde este o încălzire volumetrică, a cărei eficienţă depinde de caracteristicile materialului procesat. Procesul termic evoluează rapid, transferul de căldură în interiorul materialului fiind independent de viteza curentului de aer. Concentrarea de energie în volume mici de material are ca efect creşteri importante de temperatură ce pot modifica proprietăţile materialului.

Clasificarea materialelor funcţie de comportarea lor în câmpuri de microunde: • materiale opace, care reflectă microundele, cum ar fi: metalele, în special alama, aluminiu şi oţelurile inoxidabile; suprafeţele se comportă ca un reflector de undă;

• materiale transparente la microunde, folosite pentru ambalarea produselor procesate cu microunde;

• materiale absorbante (puternic, slab sau normal absorbante) care pot fi procesate cu microunde;

Page 59: Utilaje Tehnologii Neconventionale

59

Pentru încălzirea cu microunde prezintă interes materialele dielectrice dipolare. Dielectricii se comportă diferenţiat în funcţie de valoarea unghiului de pierderi dielectrice. Astfel, dielectricii cu valori mari ale factorului de pierderi, asigură cu un bun randament transformarea energiei incidente în căldură. Dacă factorul de pierderi dielectrice este între 10-5

şi 5, încălzirea cu microunde este posibilă. Pentru anumite materiale, factorul de pierderi dielectrice creşte proporţional cu

temperatura, astfel că în condiţii de câmp constant, apare fenomenul de ambalare termică. Dielectricii cu pierderi dielectrice mici (polietilena, sticla, politetrafluoretilena) sunt materiale transparente la microunde, fără o atenuare semnificativă, deci cu pierderi reduse de energie.

4.3.Generatorul de microunde( Magnetronul)

Magnetronul - este un generator de microunde care are în componenţă un tub cu vid în interiorul căruia este posibilă producerea energiei electromagnetice de foarte înaltă frecvenţă (> 800 MHz). Construcţia de principiu a magnetronului este prezentată în figura 1. Funcţionarea lui se bazează pe mişcarea electronilor în câmpuri statice, electric şi magnetic, ortogonale. Magnetronul cilindric conţine un anod din cupru prevăzut cu cavităţi rezonante, în centrul căruia se găseşte un catod din wolfram thoriat care, încălzit la 2000°C, emite electroni. Sub acţiunea conjugată a câmpului electric radial din spaţiul de interacţiune şi a unui câmp magnetic exterior cu direcţia paralelă cu axa anodului, electronii se vor deplasa pe direcţii cvasicirculare în jurul catodului cu viteze ce depind de intensităţile câmpului electric şi magnetic ce asigură funcţionarea magnetronului în regim de oscilaţie. In acest mod electronii sunt frânaţi în câmpul electric de înaltă frecvenţă şi cedează catodului o parte din energie la trecerea prin dreptul fiecărei cavităţi rezonante.

Anodul prezintă fante şi cavităţi longitudinale dispuse radial la o distanţă egală cu aproximativ un sfert din lungimea de undă. Acestea alcătuiesc circuite rezonante cuplate între ele, cu frecvenţă determinată de configuraţia geometrică, figura 1b, şi care permit extragerea puterii printr-o buclă cuplată la oricare dintre cavităţi. Cavitatea rezonantă este un circuit acumulator de energie electromagnetică.

Figura 1. Construcţia de principiu a magnetronului

Page 60: Utilaje Tehnologii Neconventionale

60

Dimensiunile cavităţilor rezonante sunt calculate pentru a oferi o frecvenţă de rezonanţă egală cu o frecvenţă adecvată, cu o anumită toleranţă (de exemplu 2450 MHz ± 25 MHz)

Unghiul de fază al unui sector anodic este 2 /n Nϕ π= , unde n - numărul de lungimi de undă care apar în blocul anodic, iar N este numărul de sectoare ale magnetronului cilindric.

În deplasarea sa de la catod la anod, electronul trebuie să interacţioneze eficient cu câmpul electric de microunde, cu condiţia ca viteza lui să fie apropiată de viteza de propagare a câmpului electromagnetic în spaţiul dintre anod şi catod, considerat ca un ghid de undă cu perioada egală cu un sector. Pentru unghiul de fază φ = n, timpul de deplasare te a electronului de la o cavitate la alta se calculează cu relatia:

0

2 ac

rt

N

πν⋅=⋅

unde ra - raza interioară a anodului, 0 0 av rω= ⋅ - viteza tangenţială a electronului.

Condiţia de sincronism, care permite interacţiunea îndelungată între câmpul electric de microunde şi electron, este ca viteza unghiulară eω , a electronului să satisfacă relaţia:

0/ 2e Nω ω= ⋅

Ieşirea din sincronism defineşte domeniul de lucru al magnetronului. Caracteristicile de funcţionare ale magnetronului sunt curbe parametrice Uo = f(I0) unde

U0 - tensiunea anodică [kV], I 0 - curentul anodic [A], B0 - inducţia magnetică [T].

Figura 2. Caracteristici de funcţionare ale magnetronului

Modificarea inducţiei B0 este o modalitatea de control şi reglaj al puterii. În figura de mai jos este prezentată schema de alimentare a unui magnetron de putere redusă.

Figura 3. Schema de alimentare a magnetronului

în raport cu tensiunea aplicată U0 se defineşte o valoare critică a inducţiei magnetice, prin relaţia:

Page 61: Utilaje Tehnologii Neconventionale

61

Reglajul inducţiei impune utilizarea unui electromagnet drept sursă. unde e şi me sunt sarcina respectiv masa electronului în repaus, iar ra şi rc sunt razele de la anod respectiv de la catod. Amplificarea se obţine prin interacţiunea dintre un fascicol de electroni şi câmpul electric de microunde al magnetronului.

4.4.Aplicatorul de microunde

Aplicatorul de microunde este ansamblul în care se desfăşoară procesul de încălzire prin interacţiunea energiei microundelor cu materialul de procesat. Geometria aplicatoarelor de microunde este determinată de:

• ambianţa de lucru (aer, vid); • asocierea cu alte forme de energie (infraroşii, aer cald); • modul de procesare - regim static sau continuu; • materialul de procesat.

În funcţie de domeniul de utilizare, există patru categorii de aplicatoare: ♦ aplicatoare cu undă mobilă; ♦ aplicatoare monomod sau tip ghid de undă; ♦ aplicatoare multimod; ♦ aplicatoare cu structuri speciale.

Aplicatoarele cu undă mobilă Acest tip de aplicatoare se caracterizează prin aceea că undele electromagnetice generate

de magnetron se propagă în lungul acestora cu viteza c = f • λ, unde f este frecvenţa de oscilaţie a undei electromagnetice, iar λ este lungimea de undă.

Din punct de vedere al încălzirii materialelor interesează valoarea maximă a vectorului câmp electric şi distribuţia curenţilor de conducţie pe suprafaţa aplicatorului. Aceste aplicatoare se recomandă pentru încălzirea materialelor cu pierderi dielectrice mari, în flux pe bandă transportoare. Pentru materialele cu pierderi dielectrice mici ele devin prea lungi. Un aplicator cu undă mobilă este aplicatorul axial, tip cavitate, care este un ghid de undă care funcţionează în modul TE] 0 cu câmpul Eorizontal, iar sarcina se deplasează în sens direct sau invers în raport cu fluxul energiei microundelor.

Se foloseşte pentru încălzirea materialelor sub formă de benzi, cu lăţimea de apoximativ 3/8 λaer sau pentru procesarea produselor cu configuraţie cilindrică.

Sarcina adaptată (cu circulaţie de apă) are rolul de a disipa energia neabsorbită de către materialul de procesat şi poate fi un scurtcircuit metalic. Dacă la intrarea în ghid se plasează o placă metalică prevăzută cu o fereastră, atunci reflexiile undei între cele două obstacole determină un regim de unde staţionare.

Aplicatoarele monomod reprezintă cavităţi rectangulare cu capacitate mare de stocare a energiei electromagnetice transformată în căldură de către curenţii de deplasare şi de convecţie care străbat materialul dielectric. în ghidul de undă tip cavitate dreptunghiulară se pot practica fante pe pereţii laterali sau pe suprafeţele orizontale. O fantă practicată în peretele vertical al ghidului determină întreruperea pânzei de curenţi superficiali; rezultă o pânză de curenţi de

Figura 4. Aplicator cu cavitate cilindrică 1- ghid de undă, 2 - cavitate cilindrică, 3 - material procesat

Page 62: Utilaje Tehnologii Neconventionale

62

deplasare prin fantă şi are loc radiaţia câmpului electromagnetic. Această fantă lucrează ca o antenă, iar repartiţia câmpului în interiorul ghidului este perturbată. Se recomandă ca înălţimea fantei din ghiduri să nu depăşească 1 / 4 λaer, unde λaer este lungimea de undă în aer. Dacă se practică fante radiante pe suprafaţa orizontală a ghidului, se obţine uniformizarea repartiţiei energiei electromagnetice pe suprafaţa materialului de procesat.

Aplicatorul monomod poate fi cu undă staţionară sau cu undă progresivă. în aplicatorul cu undă progresivă amplitudinea undei scade de la intrarea către ieşirea din ghid datorită absorbţiei energiei de microunde de către produsul procesat.

Aplicatoare multimod sunt de tipul cavitate, de exemplu cuptoarele cu microunde. Au foarte multe aplicaţii industriale datorită construcţiei simple, capabile să încălzească o gamă largă de produse. Un aplicator multimod este o cavitate metalică închisă, cuplată la un generator de microunde. Dimensiunile cavităţii sunt superioare lungimii de undă a microundelor propagate prin ghid spre cavitate, aceasta facilitând prezenţa mai multor moduri de propagare.

Distribuţia câmpului rezultă prin reflexii multiple ale modurilor pe pereţii metalici ai cavităţii şi pe produsul de încălzit.

Aplicatoarele cu structuri speciale sunt cerute de particularităţile procesului tehnologic de încălzire cu microunde, în scopul obţinerii unor efecte termice cu randament maxim. O structură specială este realizată prin conectarea de o anumită manieră a unor tipuri de aplicatoare menţionate anterior.

Omogenizarea distribuţiei câmpului electric se obţine prin: • dispersia microundelor cu un dispersor rotativ cu palete metalice; • rotirea produsului de procesat cu viteze în domeniul 1..10 rot/ s ; • deplasarea pereţilor cavităţii în cuptoarele industriale.

Fig. 5. Aplicator multimod cu dispersia câmpului de microunde

4.5.Instalaţia tehnologică de prelucrat cu microunde

Schema de principiu a unei instalaţii de microunde este prezentată în fig.6.

Fig.6 Schema instalaţiei de microunde 1 - magnetron; 2 - antenă; 3 - ghid de undă; 4 - produsul

de procesat; 5 - aplicator; Pi - puterea incidenţă

Antena magnetronului se plasează în ghidul de undă printr-o fantă calibrată. Aplicatorul cu produsul de procesat formează sarcina instalaţiei; astfel că, dacă puterea

incidenţă Pi este total absorbită în aplicator, se poate spune că sarcina este adaptată. Dacă o parte din puterea incidenţă Pi se reflectă, Pr fiind puterea reflectantă, avem cazul unei sarcini

Page 63: Utilaje Tehnologii Neconventionale

63

neadaptate. Prin suprapunerea undei incidente cu cea reflectată se obţine o undă staţionară. Raportul dintre maximul şi minimul intensităţii câmpului electric se numeşte rata undei staţionare şi caracterizează starea de neadaptare a sarcinii. O valoare minimă a ratei asigură un randament bun al instalaţiei. La valori mari ale acesteia (>4) este preponderentă puterea reflectată Pr, fapt ce poate provoca distrugerea, prin încălzire excesivă, a magnetronului, sau apariţia unui arc electric la nivelul antenei datorită valorilor mari ale câmpului. De aceea se impune protecţia cu ajutorul unei fotodiode care sesizează apariţia arcului electric şi comandă deconectarea instalaţiei. Sunt necesare măsuri pentru adaptarea sarcinii sau diminuarea ratei undei staţionare, prin la influenţa puterii reflectate de sarcină, pe traseul generator - aplicator se montează un circulator care este un ghid de undă nereciproc cu trei porturi, cu circuit pasiv cu elemente de ferită aflate în câmp magnetic permanent.

În acelaşi scop se mai foloseşte un dispozitiv de adaptare reglabil, ca obstacol pentru unda

reflectată, figura 8.

Fig. 8. Instalaţie cu microunde cu sistem de adaptare reglabil

« În cele mai multe aplicaţii industriale sursa de microunde sau magnetronul se află la

distanţă faţă de aplicator. Astfel că, transmisia energiei la aplicator se realizează cu ajutorul ghidurilorde undă, cel mai adesea fiind folosit cel cu secţiune dreptunghiulară. La distanţe mari se folosesc tronsoane de ghid drepte, cu coturi, prevăzute cu flanşe de cuplare mecanică şi electrică. Calitatea prelucrării suprafeţei interioare a ghidului, calitatea îmbinării şi raza coturilor influenţează pierderea de putere pe traseul de la magnetron la aplicator. Coturile pot fi unghiulare sau curbe. Se preferă coturile curbe şi cele unghiulare cu unghi mai mare de 90°. Legătura dintre ghidul de undă şi aplicator se realizează prin practicarea unei fante de cuplare în pereţii aplicatorului, cu rolul de a adapta impedanţa cavităţii cu dielectric în interior supus încălzirii, cu cea a ghidului conectat.

Toate componentele trebuie să respecte restricţiile impuse elementelor de circuit pentru frecvenţe ultraînalte.

Tipul şi domeniul de utilizare al instalaţiei de microunde determină complexitatea echipamentului electric de alimentare şi comandă care cuprinde două părţi distincte: ♦ partea destinată generatorului de microunde; ♦ partea destinată utilităţilor instalaţiei (ventilaţia aplicatorului, introducerea şi evacuarea

produselor din aplicator, instalaţii auxiliare).

Fig. 7. Instalaţie la microunde cu circulator 1 - magnetron; 2 - circulator; 3 - aplicator; 4 - material

Page 64: Utilaje Tehnologii Neconventionale

64

Echipamentul destinat generatorului de microunde sau magnetronului cuprinde: ♦ sursa de alimentare care asigură tensiunea anodică, tensiunea de alimentare filament,

câmpul magnetic; ♦ sistemul de programare a regimului de funcţionare a magnetronului; ♦ elementele de protecţie ale magnetronului la lipsa sarcinii în cavitate, a sarcinii reduse în

cavitate, la lipsa câmpului magnetic şi protecţia termică; ♦ instalaţia de răcire.

4.6.Aplicaţii tehnice ale microundelor

Utilizarea microundelor în procese industriale pentru tratamente de încălzire, uscare, finisare, sterilizare şi decongelare are o eficienţă superioară faţă de metodele convenţionale. Adâncimea de pătrundere a microundelor este mult mai mică decât a câmpurilor de radiofrecvenţă. Energia microundelor este absorbită în totalitate de către produsul supus tratamentului, schimbul de căldură cu mediul ambiant fiind nul. Produsele de încălzit pot avea dimensiuni mici sau medii, cu forme geometrice diferite.

Tratamentul de uscare are ca scop eliminarea apei din materiale şi produse utilizând energia microundelor, bazându-se pe proprietăţile dielectrice ale apei. Se recomandă pentru valori mari ale umidităţii relative, când utilizarea procedeelor clasice devine ineficientă. Gradientul dc temperatură orientat spre exteriorul produsului asigură o uscare foarte bună. Important este controlul calităţii uscării datorită particularităţilor sistemelor de măsurare a temperaturii şi a umidităţii materialelor în cavităţile rezonante. La instalaţiile de uscare în flux continuu, controlul temperaturii sau umidităţii se realizează la ieşirea din uscător, iar reglajul procesului se face prin modificarea puterii generate de magnetron sau a vitezei de deplasare a materialului prin cavitate sau camera de tratament.

Uscarea cu microunde a fost aplicată pe scară largă la uscarea pastelor făinoase, materialelor textile, materialelor electroizolante, cochile şi miezuri de turnătorie etc.

Sterilizarea alimentelor se bazează pe energia microundelor care asigură prin încălzire distrugerea microorganismelor, fără a afecta proprietăţile nutritive. Sterilizarea se realizează în incinte etanşe, construite din materiale transparente la microunde.

Principalele domenii industriale unde se utilizează încălzirea cu microunde sunt: • în construcţii şi industria constructoare de maşini: ♦ fabricarea materialelor compozite din sticlă şi răşini epoxidice prin polimerizare; ♦ vulcanizarea continuă a profilelor extrudate din cauciuc; ♦ încălzirea rezidurilor de acizi; ♦ depunerea superficială de nitrură de titan sau carbon prin plasmă de microunde în vid,

pentru ameliorarea durităţii şi rezistenţei la uzură; ♦ vitrifierea cenuşilor de incinerare; ♦ procedee de demolare a construcţiilor prin aplicarea unor şocuri termice ♦ calcinarea ceramicilor.

• în microelectronică pentru decapare, lăcuire, gravare prin plasmă de microunde pe

semiconductoare, răşini fotosensibile, polimeri. • în industria farmaceutică: ♦ uscarea şi granularea sub vid a medicamentelor.

• în industria alimentară: ♦ decongelarea şi sterilizarea cărnii; elimină dezvoltarea bacteriilor în timp; ♦ prăjirea uscată a gustărilor; ♦ prefermentarea pastei de panificaţie; ♦ încălzirea sosurilor, cremelor, amestecuri pentru ciocolată. Investiţiile în instalaţiile cu microunde sunt de 1,5...2 ori mai mari decât în instalaţiile cu

înaltă frecvenţă, dintre care 40% în sursa de alimentare şi 60% în instalaţia de încălzire. Durata

Page 65: Utilaje Tehnologii Neconventionale

65

de viaţă a magnetronului este 2000...5000 ore la o putere maximă în microunde de 10 kW. Avantajele rezultate în urma aplicaţiilor în cele mai variate domenii industriale, precum şi reducerea consumurilor de energie 25-50%, determină extinderea gamei acestora.

Un alt domeniu important al utilizării microundelor este construcţia traductoarelor pentru măsurarea unor mărimi neelectrice, cum ar fi măsurarea în flux continuu a umidităţii produselor. Această aplicaţie are la bază dependenţa gradului de atenuare şi defazare a undei electromagnetice care străbate materialul, de conţinutul de umiditate. Acest tip de traductor se foloseşte cu succes la măsurarea în flux continuu a umidităţii produselor granulare (de ex. grâu).

Cuptorul cu microunde Funcţionarea cuptorului cu microunde implică transformarea unei tensiuni

alternative în tensiune continuă prin intermediul unui transformator, diode şi condensatoare. Magnetronul utilizează această tensiune continuă şi generează unde electromagnetice la o frecvenţă de 2450 MHz. Microundele sunt conduse printr-o antenă la un ghid de unde care le dirijează la un agitator de unde realizat dintr-o lamă metalică ce se roteşte deasupra cuptorului, Ia ieşirea din ghidul de unde. Agitatorul are rolul de a distribui uniform radiaţia electromagnetică în incinta cuptorului. Acest mecanism, cuplat la un platou rotativ, permite utilizarea eficientă a energiei radiante. Undele electromagnetice se reflectă pe pereţii metalici ai cuptorului şi sunt absorbite de moleculele alimentelor ce trebuie procesate. Un regulator de timp permite afişarea timpului de încălzire şi oprirea imediată la expirarea timpului reglat. Majoritatea aparatelor sunt prevăzute cu dispozitive de reglare a puterii. în figura 9 este prezentată schema cuptorului cu microunde.

Figura 9. Schema cuptorului cu microunde

Componenţa cuptorului este: 1- dispozitiv de siguranţă a blocării, 2 - hublou pentru supraveghere, ce permite trecerea luminii, dar nu şi a microundelor, 3 - cârlig de închidere, 4 - incinta cuptorului, 5 - garnitura uşii, care menţine energia microundelor în interiorul incintei şi împiedică pierderile, 6 - platou turnant din sticlă termorezistentă pe care se plasează alimentele introduse într-un vas adecvat, 7 - antrenor al platoului turnant, 8 - buton pentru selectarea puterii, 9- buton pentru reglarea timpului de procesare, 10 - buton pentru deschiderea uşii; dacă apăsam acest buton clichetul opreşte cuptorul înainte ca uşa să se deschidă. Cuptoarele pot fi folosite pentru reîncălzire, decongelare, dar şi pentru preparare, fiind echipate cu elemente radiante sau elemente de coacere cu căldură variabilă.

Page 66: Utilaje Tehnologii Neconventionale

66

5.PRELUCRAREA CU FASCICOL DE ELECTRONI Metodele de prelucrare bazate pe efectul termic al fascicolelor accelerate de electroni sunt

dezvoltate pe măsura extinderii unor ramuri noi ale industriei: microelectronica, mecanica fină, optica, ingineria aerospaţială. Aceste metode elimină dezavantajele metodelor clasice de prelucrare datorate durităţii materialelor, dimensiunilor şi preciziei de prelucrare, complexităţii formelor pieselor.

5.1.Surse de particule încărcate

Sursele de particule încărcate sunt dispozitive care provoacă eliberarea particulelor de sarcină din substanţa neutră. Particulele încărcate, electronii şi ionii pozitivi, folosite în procesul de accelerare sunt dirijate printr-un canal de extracţie în accelerator sau în sistemul de transport care formează fascicolul de electroni.

Electronii se pot obţine prin: ♦ Emisia termoelectronică a substanţelor solide - eliberarea unui electron din atom are loc

dacă acestuia i se transmite o energie termică suficientă pentru a depăşi bariera de potenţial a atomului. Densitatea curentului de emisie termoelectronică este dată de relaţia Richardson:

unde A = 40...70A/cm2/K este constanta teoretică cu valoare independentă de material, T - temperatura catodului emisiv, We - energia de extracţie a metalului catodului, k - constanta lui Boltzman. Termocatozii au suprafeţe de emisie ce asigură o intensitate mare a curentului de emisie, la o temperatură de lucru cât mai scăzută.

Caracteristicile de bază ale termocatozii or sunt: emisia specifică J [A /cm- 2 ] ,

temperatura de lucru T, viteza de evaporare ve [ g cm-2 - s- 1 ] , durata de viaţă [ore],

eficienţa η[mA W- 1 ] . Materialele pentru construcţia termocatozilor corespund cerinţelor:

■ emisie electronică specifică ridicată; ■ incompatibilitate chimică cu gazele eliberate de metal sau cu vaporii de metal produşi

în timpul topirii; ■ durată de viaţă mare în mediul tunului de accelerare; ■ consum redus de putere. Un alt criteriu de alegere a materialelor pentru construcţia catozilor este presiunea

vaporilor metalici. Astfel, la presiuni p < 10-5 torr se folosesc: tantalul cu mare putere de emisie, dar cu temperatură de lucru limitată de rezistenţa scăzută la înmuiere, wolframul, cel mai folosit, dar dificil de prelucrat şi molibdenul. La presiuni mai mari se foloseşte catodul distribuit, realizat prin acoperirea suprafeţei cu o substanţă emisivă, în scopul reducerii lucrului de ieşire şi creşterii eficienţei la temperatură de lucru redusă. In această categorie intră catozii din wolfram thoriat, nichel acoperit cu un strat semiconductor din oxid de bariu sau stronţiu, wolfram sau molibden acoperit cu hexaborură de lantan, ceriu sau gandoliniu.

Încălzirea catodului se face: • direct, prin trecerea curentului prin materialul catodului; • prin conducţie, când substanţa emisivă depusă pe filament primeşte căldură prin

contact; • prin radiaţie, când filamentul de încălzire este la o distanţa de catod, care se încălzeşte

datorită energiei radiante;

Page 67: Utilaje Tehnologii Neconventionale

67

• prin bombardament electronic: catodul se află la un potenţial pozitiv faţă de un filament din wolfram aşezat de partea opusă suprafeţei emisive, realizând o diodă, iar încălzirea catodului are loc datorită energiei degajate la frânarea electronilor ce cad pe el.

Tabelul 1. Caracteristicile de material pentru termocatozi Material Emisia

specifică J [Alem2]

Temperatura de lucru [°C]

V I eV] Presiunea maximă [torr]

Wolfram 0,6 2200 4,55 10 -4

Tantal 0,5 2000 4,1 10-5

Wolfram thoriat

1..3 1750 2.6 5· 10 -6

Temperatura de încălzire mare a catodului emisiv poate provoca evaporarea acestuia astfel că, pentru valori ridicate ale densităţii curentului electronic, este necesară limitarea temperaturii de lucru, cu efecte pozitive asupra duratei de viaţă a catodului. ♦ Emisia autoelectronică - densitatea curentului electronic se obţine aplicând un câmp electric

intens la suprafaţa metalului. Dezavantajul catozilor cu efect de câmp este că, la valori foarte mari de câmp, se obţin

valori mici ale curentului electronic. La valori ridicate ale temperaturii, curentul creşte, chiar la valori scăzute ale câmpului.

Există însă o valoare critică a câmpului la care efectul temperaturii scade (efect Schottky).

♦ Emisia secundară are loc la impactul cu suprafaţa catodului a unei particule cu energie mai mare decât lucrul de ieşire. Particulele incidente pot fi electronii sau particule grele. Emisia secundară este caracterizată prin coeficientul de emisie secundară, care depinde de materialul catodului şi tipul particulei incidente.

♦ Emisia fotoelectrică se produce la impactul cu catodul al unui flux de radiaţie electromagnetică cu energie mai mare decât lucrul de ieşire al electronilor.

5.2.Principiul prelucrării cu fascicol de electroni

Prelucrarea unei piese cu ajutorul emisiei de electroni necesită concentrarea acestora într-un fascicol dirijat către piesă şi accelerarea lor în spaţiul dintre catodul emisiv şi anod, care poate fi chiar piesa de prelucrat.

La tensiuni mici, bombardamentul cu electroni reprezintă sursa termică superficială care încălzeşte prin conducţie straturile superficiale ale materialului supus prelucrării. La tensiuni mai mari, creşte adâncimea de pătrundere, iar bombardamentul cu electroni devine sursa termică volumică. Până la adâncimea de pătrundere δ , materialul este neafectat de către fascicol, comportându-se practic transparent. La adâncimi mai mari, electronii sunt frânaţi şi împrăştiaţi, energia lor cinetică transformându-se în căldură.

Parametrii fascicolului de electroni sunt: intensitatea curentului I, intensitatea curentului sistemului de focalizare If , distanţa de lucru de la centrul sistemului de focalizare la suprafaţa piesei l, viteza de deplasare a fascicolului de electroni v. Diametrul minim al fascicolului depinde de intensitatea curentului şi de tensiunea de accelerare U. Dependenţa vitezei de tensiunea de accelerare este dată de relaţia:

Page 68: Utilaje Tehnologii Neconventionale

68

5.3.Fenomene fizice la prelucrarea cu fascicol de electroni

La emisia electronică, energia iniţială a electronilor depinde de temperatura catodului. Creşterea energiei se realizează prin accelerare electrostatică. Electronii acceleraţi în câmp pot avea viteze ridicate şi energie cinetică foarte mare care se va transforma în căldură la impactul cu piesa de prelucrat, producând topirea locală, rapidă a materialului bombardat. Căldura introdusă în piesă este consumată pentru vaporizarea materialului, conducţie şi radiaţie termică.

Din figura 1 se observă că eficienţa topirii materialului este redusă datorită: • electronilor reflectaţi, a căror energie este egală aproximativ cu cea a celor incidenţi; • electronilor secundari cu o energie de ordinul eV; • electronilor nedispersaţi; • electronilor, a căror energie scade datorită fenomenelor de dispersie în metal.

Datorită frânării bruşte a electronilor, la impactul cu metalul apare radiaţia de frânare X, proporţională cu tensiunea de accelerare. Adâncimea de pătrundere 6 a electronilor care bombardează suprafaţa metalului este proporţională cu energia cinetică şi invers proporţională cu densitatea materialului:

Pentru materiale ca Ni, Cu, Mo, Cr, W, Ti, la tensiuni de accelerare U <20kV , adâncimea

de pătrundere nu depăşeşte l...2µm. La tensiuni de accelerare peste 20kV adâncimea de pătrundere este dată relaţia:

5.4.Instalaţia de prelucrare cu fascicol de electroni Instalaţiile de prelucrare cu fascicol de electroni se clasifică astfel: ♦ instalaţii de prelucrare de joasă tensiune U = 30kV, pentru adâncimi de pătrundere

mici, focalizare redusă a fascicolului de electroni; ♦ instalaţii de prelucrare de medie tensiune U = 50...80kV, 6...25kW ; ♦ instalaţii de prelucrare de înaltă tensiune U = 100kV, 6...25kW pentru prelucrări cu

adâncimi de pătrundere mari, raport adâncime - lăţime 50:1, precizie de prelucrare ridicată; apar probleme de izolaţie la înaltă tensiune şi ecranare împotriva radiaţiei X.

În acelaşi timp apar electroni secundari, vapori metalici, radiaţii luminoase şi raxe Rontgen, figura 1.

Figura 1. Referitor la bombardarea cu fascicol de electroni

Page 69: Utilaje Tehnologii Neconventionale

69

Figura 2. Soluţii constructive de principiu ale tunului electronic Tunul electronic Tunul electronic generează, accelerează şi focalizează fascicolul de electroni şi este

compus din: • catozi sau elemente emisive de electroni; • sisteme electromagnetice de focalizare şi deflexie a fascicolului de electroni.

Tunul electronic poate fi de tip diodă sau triodă cu catod emisiv, electrod de focalizare şi anod sau electrod de accelerare. Acesta din urmă este avantajos din punct de vedere al controlului intensităţii fascicolului electronic. Soluţiile constructive de principiu sunt prezentate în figura 2:

• tun accelerat de piesă, dacă piesa de prelucrat are rol de electrod de accelerare, figura 2a; • tun autoaccelerat, dacă electrodul de accelerare este dispus separat şi este prevăzut cu un

orificiu ce permite trecerea electronilor, figura 2 b. Tunul electronic este alimentat de la o sursă de înaltă tensiune de tip redresor cu tub

electronic sau redresor cu diode semiconductoare. Încălzirea catodului emisiv se face de la o sursă specială de joasă tensiune.

Caracteristicile tunului electronic: • tensiunea de accelerare cu impact direct asupra diametrului fascicolului; la putere

constantă, dacă tensiunea de accelerare creşte, curentul scade, scade numărul de electroni care se resping reciproc, şi deci diametrul scade;

• intensitatea curentului I; • intensitatea curentului sistemului de focalizare If ;

• distanţa de lucru, de la centrul sistemului de focalizare la suprafaţa piesei; • viteza de deplasare a fascicolului de electroni; • diametru! minim al spotului d , care poate fi determinat experimental cu ajutorul unor

sonde ce permit evaluarea distribuţiei densităţii de curent în secţiunea transversală a fascicolului;

• puterea dezvoltată de fascicol: P = U • I;

• puterea specifică superficială: q = 4UI/πd2 ; La prelucrarea în impulsuri, puterea medie pe impuls este P=U · I · f·τ, unde I - intensitatea curentului, f - frecvenţa impulsurilor, ττττ - durata unui impuls.

• viteza de prelucrare în regim de impusuri:0

(1 )B Kv

τ τ−=

+ , unde B - diametrul zonei

de prelucrare, K = (0,5..0,9) - coeficient de concentrare, ττττ0 - durata pauzei între impulsuri. In figura 3 este prezentată o schemă de principiu a instalaţiei de prelucrare. Electronii

emişi de catod sunt atraşi de către electrodul de accelerare sau anod, după care trec prin câmpul magnetic al unei bobine cu rol de focalizare şi deflexie a fascicolului. Piesa de prelucrat este

Page 70: Utilaje Tehnologii Neconventionale

70

legată la pământ şi la anodul sursei de înaltă tensiune. Câmpul magnetic al bobinei de focalizare exercită o forţă asupra electronului dependentă de unghiul dintre direcţia de mişcare a electronului şi direcţia câmpului. 5.5.Incinta de lucru

Procesul de prelucrare se desfăşoară într-o incintă vidată unde sunt montate tunul de accelerare şi dispozitivele de manipulare ale pieselor prelucrate.

Vidarea incintei are ca scop evitarea atenuării energiei fascicolului la ciocnirea cu moleculele de aer. Valoarea vidului depinde de tipul catodului şi caracteristicile materialelor care se prelucrează. La prelucrarea cu catozi cu emisie termoelectronică se recomandă un vid < 10 torr, iar pentru catozi reci cu descărcare luminiscentă, un vid de 10-4 torr . Pentru majoritatea aplicaţiilor tehnice, se recomandă 10-1 torr.

Pentru prelucrarea pieselor cu dimensiuni mari, incinta se compartimentează: • compartimentul tunului electronic, cu vid avansat ; • compartimentul de prelucrare la o presiune mai ridicată .

Prin urmare manevrele de schimbare a pieselor nu periclitează valoarea vidului din compartimentul tunului electronic. Valoarea vidului depinde şi de tipul catodului şi caracteristicile materialelor care se prelucrează. Pereţii incintei sunt realizaţi din oţel inoxidabil, pentru evitarea fenomenelor de oxidare care ar deteriora valoarea vidului. Vizualizarea procesului de prelucrare este posibilă cu ajutorul unor ferestre din sticlă plumbuită, protejate la acţiunea vaporilor metalici. Ecranarea incintei instalaţiilor de înaltă tensiune pentru protecţia împotriva radiaţiei X se face prin montarea unei căptuşeli din plumb, a cărei grosime depinde liniar de valoarea tensiunii de accelerare. Mărimea şi forma geometrică a incintei depind de tipul tunului electronic, dimensiunile pieselor de prelucrat şi sistemul de manipulare al pieselor. Cele mai utilizate forme sunt cele cilindrice şi cubice.

5.6.Prelucrări specifice cu fascicol de electroni

Prelucrarea cu fascicol de electroni poate fi aplicată oricărui tip de material conductor, semiconductor sau izolator.

Avantajele metodelor de prelucrare cu fascicol de electroni: • fascicolul de electroni este o sursă termică concentrată, de mare precizie; • temperatura de lucru se obţine practic instantaneu; • zonele adiacente celei supuse impactului cu fascicolul de electroni, nu sunt afectate termic,

cu efecte pozitive asupra vitezei de răcire, producându-se autocălirea; • viteza de răcire foarte mare se poate regla prin intermediului schimbului de temperatură, cu

consecinţe asupra creşterii calităţii tratamentului termic. • prelucrarea poate fi asistată de calculator.

Aplicaţiile specifice prelucrării cu fascicol de electroni sunt: � Perforarea aplicabilă materialelor dintr-un domeniu extrem de variat de la superaliaje

rezistente la temperaturi înalte la materiale plastice, precedeul fiind independent de caracteristicile materialului, cum ar fi duritatea sau conductivitatea electrică. Perforarea se realizează cu ajutorul tehnicii impulsurilor cu o durată de 5...500|X?. Este aplicabilă pentru obţinerea de caneluri, orificii sau fante calibrate în piese folosite pentru reglarea debitelor fluidelor sau din componenţa motoarelor avioanelor supersonice, ventile ale injectoarelor de carburant în rachete, motoarelor Diesel, filiere pentru fibre de sticlă. Caracteristica specifică a fascicolelor de electroni este aptitudinea de perforare a orificiilor cu diametru mic în piese cu grosimi mari, de exemplu reţele de găuri pentru răcirea aripilor de turbină, cu raportul diametru-adâncime 1:10.

� Tratamentul termic - fascicolul de electroni este folosit ca sursă termică pentru transformări structurale ale suprafeţelor tratate prin încălzire şi topire pe o adâncime controlată cu ajutorul densităţii de putere a fascicolului. In locul de impact al fascicolului cu suprafaţa piesei are loc procesul de topire punctual, urmat de solidificarea foarte rapidă, ceea ce conduce la îmbunătăţirea structurii la suprafaţa piesei, apreciată prin creşterea durităţii şi rezistenţei la uzură şi coroziune.

� Prelucrarea straturilor foarte subţiri cu grosimi de ordinul g = 10...100«m, aplicate pe un substrat cum este sticla sau ceramica, cu condiţia g «5 . întrucât prelucrarea acestor straturi trebuie să aibă loc fără eroziunea substraturilor este necesar ca presiunea de vapori a

Page 71: Utilaje Tehnologii Neconventionale

71

materialului substratului să fie mai mare decât presiunea de vapori a materialelor folosite pentru straturile de acoperire Ni-Cr, Fe-Ni. Calitatea prelucrării depinde de grosimea stratului, caracteristicile materialului folosit (punct de topire, conductivitate termică, electrică, densitate, presiune de vapori), precum şi caracteristicile substratului.

� Gravarea metalelor, ceramicii sau straturilor foarte subţiri. � Fabricarea şi asamblarea sistemelor şi componentelor electronice miniaturizate. � Sudarea componentelor destinate industriei aeronautice, nucleare, electrotehnice sau

electronice. Se sudează materiale refractare (titan, zirconiu, oţeluri înalt aliate) sau aliaje de aluminiu în incintă vidată cu fascicole de mare densitate, zona influenţată termic este redusă, iar absenţa aerului împiedică formarea oxizilor.

� Iradierea tehnologică.

Page 72: Utilaje Tehnologii Neconventionale

72

6. Generalităţi despre fluidele inteligente

6.1.Generalităţi

Scopul prezentei lucrări este acela de a crea o imagine de ansamblu asupra proprietăţilor şi domeniilor de utilizare fluidelor inteligente, fluide ce fac parte din categoria materialelor inteligente.

Domeniul materialelor şi structurii inteligente se dezvoltă cu inovaţiile tehnologice care apar în materialele inginereşti, sistemele senzoriale, sistemele de acţionare, procesarea imaginilor şi mecanismele de integrare. Materialele inteligentele sunt definite pe diferite căi:

1) materiale cu funcţionare ca ambele sisteme senzorial şi de acţionare;

2) materiale care au răspunsuri multiple la un stimul într-o formă coordonată;

3) materialele inteligente pasive cu reparaţie proprie sau caracteristice de stand-by pentru a rezista la schimbări neprevăzute;

4) materiale inteligente active utilizând reacţia inversă;

5) materiale inteligente şi sisteme care reproduc funcţiile biologice în sistemele structurale de încărcare a poziţiei.

O analogie detaliată între sistemele structurale inteligente şi sistemele biologice a fost elaborată după cum urmează: “Scopul tehnologiei structurilor inteligente este de a reproduce funcţii biologice în sistemele structurale de încărcare a poziţiei. Aceste funcţii biologice ar trebui să includă un sistem schelet care să furnizeze capabilitatea de încărcare a poziţiei, un sistem nervos care este o reţea de senzori încrustaţi sau ataşaţi pentru a monitoriza starea structurii, un sistem motor pentru a furniza răspunsul adaptiv, un sistem imun pentru a furniza capabilitatea de vindecare şi un sistem neural pentru a furniza funcţiile de învăţare şi luare de decizii”.

Cele mai populare sisteme materiale utilizate pentru sistemele senzoriale şi de acţionare sunt materialele piezoelectrice, materialele magnetostrictive, aliaje cu memorarea formei, fluidele electroreologice şi fibrele optice. Materialele magnetostrictive, aliajele cu memorarea formei si fluidele electroreologice sunt utilizate ca materiale de acţionare. În timp ce, fibrele optice sunt utilizate în special ca materiale senzoriale. Dintre toate aceste materiale active, materialele piezoelectrice sunt utilizate în mare măsura, datorită răspunsului lor electromecanic rapid, necesităţilor scăzute de putere şi forţelor generative ridicate.

Page 73: Utilaje Tehnologii Neconventionale

73

Materialele inteligente au devenit un domeniu spre care s-au concentrat atenţiile pentru activităţile de cercetare şi dezvoltare viitoare în aplicaţiile structurale, datorită avantajelor distincte pe care aceste materiale le oferă, atunci când acestea sunt comparate cu cele clasice. Importanţa controlului activ a acestei regiuni ar putea reprezenta o îmbunătăţire semnificativă pentru sistemele de materiale compuse.

Materialele inteligente compuse şi structurile adaptive cu capabilităţi senzoriale sau de activare, combină proprietăţile mecanice superioare ale materialelor compuse, precum şi, încorporează capabilitatea adiţională pentru a înţelege şi adapta răspunsul lor static şi vibro-acustic. Ca şi materiale sau structuri, apare promisiune de rezolvare a problemelor curente de limitare în sistemele de propulsie avansate.

Prin fluide inteligente se înţeleg lichidele care îşi modifică proprietăţile reologice atunci când asupra lor se aplica un câmp electric(lichide electroreologice) sau un câmp magnetic(lichide magnetoreologice). În cadrul acestui studiu cercetarea va fi canalizată asupra modificării vâscozităţii sub acţiunea unui câmp energizant exterior de natură electrică sau de natură magnetică.

Fie ca este vorba de lichide electroreologice, fie despre ferofluide, structural, ambele fluide au aceeaşi componenţă:

• particule solide polarizabile (cazul lichidelor ER) sau magnetizabile (MR);

• un surfractant care să împiedice separarea celor doi constituenţi;

• un mediu lichid dominant cu rolul de suport de transport.

Fig.1 Structura fluidelor inteligente

6.2. Compoziţia fluidului ER

Page 74: Utilaje Tehnologii Neconventionale

74

Fluidele ER sunt alcătuite dintr-o dispersie lichidă. De la descoperirea lor şi până în prezent a fost realizat un număr mare de combinaţii de lichide şi solide dispersate ce manifestau efectul ER, dar încă de la început s-a constatat că sistemele cu bune proprietăţi ER au un conţinut redus de apă.

Sistemele „tradiţionale" ER conţin cel puţin 3 componente: un solid cu constanta dielectrică mare (între 10 şi 100 (im) în faza dispersă, un mediu de dispersie neconductor cu o mare forţă dielectrică şi un component aditiv absorbit de particule. în plus agenţii tensioactivi sunt adesea folosiţi pentru a preveni sedimentarea particulelor.

Se poate remarca faptul că o singură categorie de particule poate fi ER activă. O caracteristică comună a particulelor în fluidele ER este aceea că particulele disperse pot fi polarizate în câmp electric. Pe deasupra, acolo unde există o lipsă a mobilităţii ionice, datorită lipsei de ioni sau imobilităţii relative a ionilor, nu se manifestă efectul ER.

Fluidele ER ideale necesită minimizarea vâscozităţii şi maximizarea efortului de curgere odată cu minimizarea cererii de putere necesară activării. Alte aspecte precum sedimentarea, coroziunea, uzura, limitarea domeniului de temperatură, toxicitatea, relaţia temperatură - intensitatea curentului electric au fost luate în considerare şi se pare că e puţin probabil ca „fluidul universal" să întrunească toate cerinţele.

6.3. Dispozitive cu fluide ER în stadiu comercial Aplicaţiile fluidelor ER în domeniul automobilistic cuprind: ambreiaje,

traductoare, amortizoare, sisteme de transmisie, sisteme de acţionare, componente pentru suspensii etc. Acestea încorporează sisteme de control electronice ce reglează anumiţi parametri.

Aşa cum s-a prezentat mai sus, fluidul electro-sensibil este compus din particule solide, poroase, în suspensie într-un amestec nerriiscibil de ulei şi apă. Solidele sunt un amestec de monomeri polimerizaţi, de dimensiuni foarte mici şi care în starea inertă a fluidului absorb întreaga cantitate de apă, fiind separaţi de ulei. Pentru a menţine această suspensie, greutatea specifică a uleiului trebuie să corespundă cu densitatea mare a particulelor, în plus trebuie să asigure o vâscozitate scăzută şi deci o curgere uşoară. Uleiul este prin urmare o „ciudăţenie chimică" fiind produs dintr-o bază sintetică non-minerală printr-un proces complex de distilare.

Această „exotică" suspensie este rodul a 10 ani de muncă de cercetare în laboratoarele de la „Shefield University", costul unui litru de lichid ER fiind 450 $.

Page 75: Utilaje Tehnologii Neconventionale

75

Expunerea unui fluid ER la un câmp electric face ca apa să fie eliminată din porii particulelor printr-un proces de electro-osmoză. Apa scoasă la suprafaţa particulelor acţionează ca un agent adeziv facându-le să „îngheţe". Intensitatea aderenţei şi implicit gradul de soliditate sunt proporţionale cu tensiunea aplicată, a cărei valoare maximă este aproximativ de 4 kV c.c. pentru o distanţă tipică între electrozi de 1 mm cu un curent absorbit de ordinul a numai 1-2 mA.

Atenuatorul de şoc constituie una din aplicaţiile specifice. Controlul electronic al vâscozităţii fluidului, cu un timp de răspuns în limita a 0,5 ms face posibilă modificarea dinamică a caracteristicilor de atenuare în timpul cursei pistonului.

Într-o primă fază, atenuatorul cilindric este complet umplut cu fluid. Pistonul de un diametru foarte mic este înconjurat de un manşon circumscris, separat de piston prin spaţii de 1 mm, acelaşi spaţiu fiind şi între manşon şi pereţii cilindrului. Acest manşon este de fapt un electrod şi funcţionează ca o valvă restrictivă. El este alimentat de la o sursă de înaltă tensiune prin intermediul tijei pistonului, care este gol pe interior, în timp ce pistonul şi corpul pistonului sunt puse la masă. în absenţa câmpului electric ansamblul piston-valvă se deplasează nestingherit în interiorul cilindrului, fluidul curgând liber pe ambele feţe ale manşonului. Aplicarea unei tensiuni pe manşon determină îngroşarea fluidului atât la interiorul cât şi la exteriorul său, restricţionând în acest fel mişcarea pistonului. Nu sunt necesare dispozitive de etanşare deoarece fluidul „îngheţat" acoperă orificiile practicate în cilindru. Variaţia tensiunii modifică efectul amortizării, acest lucru putând fi realizat de un modul electronic de control într-o buclă de reacţie negativă („Electronic Control Unit"- ECU). O intrare în ECU vine de la un traductor liniar inductiv ce reacţionează la viteza de deplasare a pistonului. A doua intrare provine de la traductor de forţă amplasat pe tija pistonului sau de la un senzor pentru măsurarea presiunii din cilindru.

Forţa măsurată este comparată permanent cu forţa optimizată corespunzătoare vitezei instantanee a pistonului care, la rândul său, corespunde caracteristicilor de amortizare. Orice semnal de eroare este folosit pentru a adapta tensiunea aplicată fluidului în vederea realizării corecţiei necesare. Modulul ECU este astfel programat încât să urmărească o hartă a performanţelor specifice aplicaţiilor vehiculelor, performanţe stocate sub forma unor parametri într-o unitate de memorie. în aceste condiţii sunt posibile ambreierea, debreierea sau acţionarea pentru diferite sarcini sau condiţii de conducere a vehiculului. Amortizorul de şoc (cu funcţie de „piston neetanş") poate fi adaptat să funcţioneze ca o acţionare hidraulică. Fluidul ER este pompat continuu în cilindru prin cel mai coborât punct şi se descarcă prin partea de sus a pistonului într-un circuit închis. El curge fără nici un impediment prin sistemul pistonului până la aplicarea câmpului electric,

Page 76: Utilaje Tehnologii Neconventionale

76

moment în care fluidul se întăreşte blocând spaţiul circular din zona orificiilor de curgere ceea ce duce la împingerea în sus a pistonului. Astfel de cilindri pot fi elemente de bază ale servosistemelor pentru comanda variabilă a direcţiei de rulare a autovehiculului, comandă asistată de controlul electronic. Dezavantajul acestui sistem constă în faptul că necesită un piston lung şi un manşon adecvat pentru a furniza o suficient de mare arie a electrodului astfel încât să fie asigurate presiunea sau forţa de tragere cerute. Există o variantă a acestui sistem cu un cilindru cu convenţionalul piston etanş, bidirecţional (cu o geometrie diferită: cilindrul e mai scurt, dar mai voluminos) unde fluidul este pompat spre exterior prin multiple supape ER plate. Sistemul se caracterizează printr-o mai mare libertate în proiectarea valvei şi printr-o mai mare simplitate în construcţia cilindrului

Un alt dispozitiv proiectat pe baza fluidelor elecro-rheologice este ambreiajul ER care are structura de bază compusă dintr-un singur disc închis într-o incintă circulară, etanşat prin interemediul unei învelitori. Incinta este umplută cu lichid ER. Cele două elemente rotitoare sunt electrozii, înalta tensiune aplicându-se prin intermediul contactelor de la intrarea şi ieşirea arborilor. Un traductor de forţă este montat pe secţiunea îngustată de la ieşirea arborelui şi va furniza blocului ECU informaţia de cuplu. Acest semnal este comparat cu comanda pre-programată (cuplul dorit). Tensiunea electrică este adaptată la necesitatea cuplării progresive a ambreiajului. în acest mod există un control continuu al valorii măsurate şi o compensare automată a oricărei modificări a proprietăţilor fluidului cu temperatura.

Un astfel de control este necesar numai în timpul cuplării sau decuplării ambreiajului. Ca elemente convenţionale de fricţiune, ambreiajele ER cu fluide solidificabile sunt capabile să transmită cuplu fără pierderi, generarea şi pierderea de căldură sunt posibile numai în timpul regimului tranzitoriu.

Ambreiajele ER se bazează pe configuraţia de bază a dispozitivului cu electrod mobil, ele putând fi configurate fie în sisteme de cilindri concentrici fie în sisteme de discuri paralele. Unele investigaţii s-au concentrat asupra determinării unor modele de frâne mecanice tip cu discuri paralele ce utilizează fluide ER.

Deocamdată, aceste ambreiaje, cu complicatul lor control electronic nu pot fi considerate înlocuitoare ideale pentru ambreiajele uzuale cu plăci uscate ce sunt mai ieftine şi mai durabile. Se consideră că potenţialul ambreiajelor ER este mai bine valorificat în componenţa unor echipamente precum sistemele computerizate pentru controlul maşinilor de asamblare, unde răspunsul rapid al semnalelor electronice de mică putere poate aduce beneficii considerabile pentru precizia poziţionării. Valoarea ridicată a tensiunii aplicate rămâne un dezavantaj major.

Page 77: Utilaje Tehnologii Neconventionale

77

6.4.Fluide magnetoreologice Lichidele magnetice şi magnetorheologice - lichidele M şi MR - sunt

caracterizate de faptul că energizarea acestora se realizează prin intermediul unui câmp exterior magnetic. Chiar dacă, de cele mai multe ori, între cele două fluide se face o confuzie de către nespecialişti, ambele fiind fluide inteligenteFluide inteligente. Experimente bazate pe materiale feromagnetice ca elemente solide şi respectiv pe purtător fluid din familia uleiurilor, diferenţa dintre aceste materiale este materializată la nivelul dimensiunilor particulelor solide, fluidele magnetice având particule solide de ordinul maxim al sutelor de Armstrong, în timp ce fluidele magnetorheologice au particule solide de ordinul zecilor de microni.

Din această specificaţie se desprind şi avantajele unora faţă de celelalte, în sensul că fluidele magnetice sedimentează mai greu decât cele magnetorheologice, în timp ce fluidele MR îşi modifică vâscozitatea aparentă mult mai repede şi mai dramatic în comparaţie cu fluidele magnetice.

Deoarece fluidele magnetice şi cele magnetorheologice prezintă elemente comune, le vom numi, în cele ce urmează, ferofluide.

În domeniul roboticii, elementul principal folosit este controlul vâscozităţii. De aceea, principiul care stă la baza modificării acesteia este formarea unor lanţuri de particule solide magnetizate de către câmpul energizant, lanţuri care împiedică curgerea fluidului, imprimându-i astfel, în zona energizată, o vâscozitatea aparentă.

Chiar dacă tipul câmpului energizant este magnetic, manifestându-se în general în cadrul materialelor feromagnetice prin prezenţa unui comportament cu histerezis, ferofluidele NU prezintă histerezis în câmp magnetic.

În plus, comportamentul acestor fluide este liniar, evidenţiat şi prin intermediul modelului matematic dezvoltat în cadrul următorului subcapitol.

Din punct de vedere al eficienţei, ferofluidele sunt net superioare fluidelor ER, relativ la consumul energetic care duce la obţinerea unei modificări sesizabile a vâscozităţii, tabelul prezentat în continuare fiind relevant în acest sens.

Page 78: Utilaje Tehnologii Neconventionale

78

Totodată, sunt evidenţiate comparativ şi principalele proprietăţi fizico-chimice.

Tabel 1. Prezentarea comparativă a lichidelor electrorheologice şi a lichidelor magnetorheologice

Fluide electrorheologice (ER)

Fluide magnetorheologice (MR)

Momentul rezistent 2-5 Kpa (3-5 KV/mm) limitat de străpungerea electrică

50-100 Kpa (limitat de saturaţia magnetică)

Vâscozitatea (în absenţa câmpului)

0,2-0,3 Pa/s (la 25°C) 0,2-0,3 Pa/s (la 25°C)

Densitatea de energie maximă

IO3 Joule/m3 IO3 Joule/m3

Domeniul de lucru în funcţie de

temperatură

+ 10...+90 (soluţii ionice, DC) -25...+ 125 (non ionice, AC)

-40...+150 (limitat de fluidul purtător numai)

Densitatea de curent 2-15 mA/cm2 Poate fi energizat cu magneţi permanenţi

Greutatea specifică 1-2,5 3-4 Materiale suprafeţe

energizante Orice suprafaţă conductivă pentru electrozi

Materiale feromagnetice, otel

Culoare Diverse, opac, transparent Maron, negru, opac-gri

Concluzionând, materialele feromagnetice au un comportament liniar, existând numai fenomenul de saturaţie magnetică. Acest fenomen nu este un dezavantaj major, saturaţia magnetică ducând la crearea unor lanţuri solide consistente, care contribuie la blocarea curgerii fluidului. Ferofluidele sunt puternic influenţate de câmpul magnetic uniform sau neuniform în felul următor:

• În cazul în care ferofluidele sunt supuse unui câmp magnetic uniform, particulele solide din componenţa ferofluidului se alinează cu câmpul magnetic, dezvoltând un moment rezistent, ce se materializează printr-o vâscozitate aparentă constantă, în zona de energizare;

• În cazul câmpurilor magnetice neuniforme, în care există un gradient de câmp, particulele solide se vor comporta ca un material magnetic omogen, contribuind la creşterea forţei rezistente, mai ales în zona de câmp energizant intens.

Astfel, ferofluidele pot fi poziţionate corespunzător prin intermediul unui amplasament al zonei de energizare care să ofere o distribuţie conform structurii dorite.

Page 79: Utilaje Tehnologii Neconventionale

79

Fig3.. Comportarea fluidului magnetorheologic în câmp magnetic

6.5.APLICAŢII CURENTE ALE FLUIDELOR MAGNETORHEOLOGICE

. Principalele tipuri de aplicaţii în care fluidele inteligente şi-au făcut simţită utilitatea se bazează pe următoarele structuri constructive:

• Structura de valvă stop - zona de energizare este fixă, curgerea fluidului fiind influenţată prin modificarea câmpului de control aplicat zonei .

Page 80: Utilaje Tehnologii Neconventionale

80

Fig. 4. Structură valvă stop MR

Acest tip de aplicaţie a poate fi folosită pentru controlul hidraulic, servovalve, amortizoare, absorbante de şoc, actuatoare.

• Structura de piston - zona energizantă fiind în mişcare relativă.

Fig. 5. Structura de piston MR

Este folosită pentru aplicaţiile: dispozitive control-închidere, amortizoare, dispozitive de blocare şi structuri compozite.

• Structura de tip ambreiaj sau cuplaj - energizarea se realizează prin intermediul unei zone aflată în mişcare relativă, în sensul antrenării în mişcare şi a unui al doilea element condus sau implicarea unei mişcări relative prin intermediul modificărilor de viscozitate şi, implicit, prin câmp.

Page 81: Utilaje Tehnologii Neconventionale

81

Fig. 6. Structură ambreiaj sau cuplaj

Amortizor MR linear controlabil

Produs al firmei Rheonetic, amortizorul MR linear controlabil, asigură o compensare efectivă a şocurilor într-o mare gamă de aplicaţii, utilizând lichide MR. Puterea absorbită, tensiunea de comandă redusă şi timpul de răspuns de câteva milisecunde au impus folosirea acestui tip de amortizor la interfaţarea elementelor mecanice cu structurile electrice de control. Structura simplă, montarea rapidă, efcicienţa ridicată, lipsa zgomotului de funcţionare sunt numai câteva dintre avantajele acestui amortizor care a atras deja numeroşi clienţi.

Fig. 7. Amortizor MR

Suspensii auto din agricultură, transport şi operaţiile de tranzit sunt mult îmbunătăţite prin folosirea acestui tip de amortizor

Page 82: Utilaje Tehnologii Neconventionale

82

Fig. 8. Amortizoare MR auto

Amortizoare pentru protecţia clădirilor la cutremure protejează clădirile atât la şocul iniţial cât şi la şocurile post cutremur. Firma Lord produce amortizoare de acest tip, ca cel prezentat în figură cu puterea de amortizare de 180 kN.

Fig.9. Utilizarea amortizoarelor MR la protecţia clădirilor

Fig.10. Amortizor MR cu putere 180kN

Proteze pentru articulaţii umane. Aceste proteze au un timp de răspuns foarte mic, sub 10 ms, permiţând un control optim. Au o fiabilitate ridicată,

Page 83: Utilaje Tehnologii Neconventionale

83

asigurând prin sistemul de amortizare o mişcare fluentă şi precisă. Aceste tipuri de proteze (construite de firma Lord) emulează foarte bine mişcarea şi rezistenţa la mişcări foarte lente.

Fig. 11. Proteze articulare umane

Dispozitiv MR de frânare controlabil electric

Această frână electrică produsă de Rheonetic se bazează tot pe fluide MR, oferind posibilităţi de control fin, proporţional, necesitând un consum energetic mult mai redus decât orice dispozitiv de frânare realizat până în prezent. Controlul în tensiune, putând fi realizat cu relativă uşurinţă, face ca şi domeniile de aplicabilitate să fie extrem de variate: de la utilizarea în construcţii de automobile la construcţia aparatelor de gimnastică de întreţinere.

Page 84: Utilaje Tehnologii Neconventionale

84

Fig. 12.Dispozitiv MR de frânare controlabil electric

Fig. 13. Comportarea dispozitivului de frânare MR

Page 85: Utilaje Tehnologii Neconventionale

85

Dispozitive MR de prindere şi amortizare a vibraţiilor controlabil

Aceste dispozitive, având la bază lichide MR, pot realiza un control în timp real al atenuării vibraţiilor, în paralel cu asigurarea unei forţe de prindere controlabile. Structura simplă înglobând deja caracteristicile anterior enunţate ale structurilor cu lichide MR, duce la o largă utilizare a acestui tip de dispozitive.

Studiile realizate până în prezent asupra lichidelor ER şi MR s-au concentrat în controlul fluidelor inteligente în aplicaţii de tipul amortizoarelor, neglijându-se studiul comportării acestor fluide în aplicaţii de tip valvă-stop, respectiv controller fluidic. Abordarea acestui aspect va deschide noi perspective asupra aplicatibilităţii lichidelor inteligente în construcţia echipamentelor cu aport intensiv de cunoştinţe şi informaţii. încercările de a utiliza aceste lichide în astfel de aplicaţii au fost realizate empiric, bazându-se pe controlul de tip ON/OFF.

Fig. 141. Dispozitiv MR de prindere şi amortizare a vibraţiilor

Etanşarea cu fluide MR a arborelui rotoric

Cea mai simplă, tradiţionala construcţie de FFS este formată dintr-un magnet permanent cu doua inele magnetice conducătoare.

Spaţiul dintre rotor şi poli este umplut cu fluid (ferrofluid) cu ajutorul unei seringi. Aceasta procedura executată cu ajutorul seringii nu este uşor accesibilă.

În urma operaţiei semiautomate de umplere a polului rezultă inele de umflături pe suprafaţa interioara. Ferofluidul este ţinut în spaţiul dintre poli între umflături în modul neoperaţional. Acest spaţiu este considerabil mai mare decât raza de lucru formată între poli şi rotor care trebuie umplută. Inserarea rotorului în sistemul magnetic cauzeaza realocarea fluxul magnetic şi astfel ferofluidul este atras către zona de lucru.

Page 86: Utilaje Tehnologii Neconventionale

Fig. 15. Structura

Modelul matematic al valvei stop

Majoritatea structurilor care utilizeazavând fie poli ficşi (valveSchemele principiale ale acestor douExemple de structuri de tip valvstructuri cu mişcarea relativ

Căderea de presiune dezvoltatdivizată în două componente: o componentvâscozităţii şi o componentaproximate sub forma :

Observaţie: Se cuvine a fi fextrapola uşor la structuri de valve circulare, prin meninterzone excitate pentru valve paralelipipedice este g, in timp ce pentru valve cilindrice aceasta distanta este

Parametrul c are o valoare cuprins

mic ca 1) până la valoarea maxim

Căderea de presiune total

ηP∆ şi τP∆ .

ηP∆ =wg

QL3

12η

wg

QLP

η +=∆3

12

86

Structura de etanşare cu fluide MR a arborelui rotoric

Modelul matematic al valvei stop

Majoritatea structurilor care utilizează fluide controlabile pot fi clasificate ca i (valve-mode) sau poli cu mişcare relativă (direct

Schemele principiale ale acestor două structuri sunt prezentate în Figura 4.2. Exemple de structuri de tip valvă includ servo-valves, amortizoare. Exemple de

carea relativă a polilor sunt frâne, ambreiaje, structuri de cuplaj.resiune dezvoltată de către o structură de tip valv

componente: o componentă independentă de comportamentul i o componentă indusă de vâscozitate. Aceste presiuni pot fi

respectiv ττ g

cLP =∆

Se cuvine a fi făcută observaţia potrivit căreia acest studiu se poate or la structuri de valve circulare, prin menţiunea c

interzone excitate pentru valve paralelipipedice este g, in timp ce pentru valve distanta este π ⋅=⋅ 2d π r⋅

Parametrul c are o valoare cuprinsă între un minim de 2 (pentru

la valoarea maximă 3 (pentru η

τ

P

P

∆∆

mai mare ca 100).

presiune totală este aproximativ suma celor două componente

mHg

cLα+

are cu fluide MR a arborelui rotoric

fluide controlabile pot fi clasificate ca ă (direct-shear mode).

structuri sunt prezentate în Figura 4.2. valves, amortizoare. Exemple de

a polilor sunt frâne, ambreiaje, structuri de cuplaj. ă de tip valvă poate fi ă de comportamentul

de vâscozitate. Aceste presiuni pot fi

ăreia acest studiu se poate iunea că expresia distanţei

interzone excitate pentru valve paralelipipedice este g, in timp ce pentru valve

între un minim de 2 (pentru η

τ

P

P

∆∆

mai

mai mare ca 100).

ă componente

Page 87: Utilaje Tehnologii Neconventionale

Figura 16 Dependenprin bobina energizant

87

Dependenţa presiunii de debit şi curentul ce trece prin bobina energizantă.

i curentul ce trece

Page 88: Utilaje Tehnologii Neconventionale

88

Bibliografie

1. Maria Brojboiu – Electrotehnologii. Ed.Orizonturi Universitare Timişoara 2002

2. Gheorghe Floriganţă – Echipamente şi instalaţii pentru prelucrări neconvenţionale. Ed.

Sitech 1998

3. Mircea Ivănescu, Viorel Stoian, ş.a. – Sisteme neconvenţionale pentru conducerea

roboţilor. Ed.Universitaria 2002

4. George Paicu – Tehnologii electrice speciale. Casa de editură Venus. Iaşi 2006

5. http://www.wikipedia.com

6. http://www.howstuffworks.com