.l.drd.ing. Florin Ravigan

Utilaje i tehnologii neconvenionaleNotie de curs

2

Cuprins:

1. 2. 3. 4. 5. 6.

Tehnologii de prelucrare cu ultrasunete Tehnologii bazate pe efectul laser Tehnologii cu plasm Tehnologii cu microunde Tehnologii de prelucrare cu fascicul de electroni Tehnologii cu lichide inteligente Bibliografie

3

1.Tehnologii bazate pe utilizarea ultrasunetelorSunetele sunt oscilaii mecanice ale unui mediu elastic, cu frecvene percepute de urechea omului, adic n domeniul 20 Hz - 20 kHz. Oscilaiile cu frecvene de peste 20kHz sunt numite ultrasunete. Ultrasunetele sunt oscilaii mecanice cu o frecven mai mare dect cea sonor, curent ntre 20 kHz i 10 MHz. Din fizic se cunoate c o perturbaie produs local ntr-un mediu elastic se propag din aproape n aproape, prin oscilaiile particulelor, ca und mecanic. Dac undele electromagnetice se pot propaga i n vid, ultrasunetele se pot propaga numai n medii materiale.

Fig.1.1.Plaja de frecvene ale ultrasunetelor 1.1. Proprieti ale ultrasunetelor

a) Viteza de propagare ntre viteza de propagare C, lungimea de und i frecvena f a undei ultrasonore exist relaia: C = f n funcie de direcia de oscilaie a particulelor fa de direcia de propagare exist: - unde longitudinale, la care direcia de oscilaie este aceeai cu direcia de propagare. Se produc n medii gazoase, lichide sau solide. Viteza de propagare este dat de:

unde E este modulul de elasticitate longitudinal, - densitatea, iar coeficientul Poisson. - unde transversale, la care direcia de oscilaie este perpendicular pe direcia de propagare. Se produc numai n medii solide. Viteza de propagare este dat de:

unde G este modulul de elasticitate transversal. - unde de suprafa (unde Lamb), care sunt o combinaie de unde londitudinale i transversale. Aceste unde pot exista de-a lungul unei suprafee, care poate fi i curbat. Viteza de propagare a undelor Lamb depinde de constantele de material, dar i de dimensiunile materialului i de frecven. b) Impendana acustic a unui mediu are expresia: Z = C [kg/s m2]4

Un material cu impendana acustic ridicat se numete "acustic tare", n timp ce un material cu impendana acustic mic se numete "slab acustic". Valorile vitezei de propagare i ale impendanei acustice pentru diferite medii sunt date n tabelul de mai jos. Mediul Viteza de propagare [m/s] Longitudinal Transversal Impendana acustic [kg/sm2]

Aluminiu Cupru Plumb Otel Ap Sticl Aer

6350 4600 2160 5850 1450 5700 330

3100 2200 700 3230 _ 3480 _

17106 42106 24 106 46106 1,5106 14,5106 420

c) Reflexia i refracia ultrasunetelor la suprafaa de separaie dintre dou medii Dac un fascicul de unde ultrasonore de intensitate l0 atac perpendicular suprafaa de separaie dintre dou medii, 1 i 2 (figura 1.2.a), de impendane sonore i Z2, o parte din und va fi transmis (refractat) n mediul 2, iar restul reflectat n mediul 1. Intensitile transmise n cele dou medii sunt KT l0, respectiv KRI0, unde KT, respectiv KR sunt coeficieni subunitari, iar KT + KR = 1.

Fig. 1.2 Reflexia i refracia ultrasunetelor la suprafaa de separare a dou medii a) incidena pe direcie normal; b) incidena sub un anumit unghi

Coeficientul de transmisie (refracie) este definit ca:

iar coeficientul de reflexie: = +

5

Dac impendanele celor dou medii sunt aproape egale, coeficientul de reflexie este minim, iar unda ultrasonor se transmite aproape n totalitate din mediul 1 n mediul 2. Invers, dac o und ultrasonor ntlnete un mediu acustic tare, se va reflecta ntr-o proporie nsemnat. n cazul n care incidena undei pe suprafaa de separaie face un unghi cu direcia normal (figura 1.2.b), se respect urmtoarele legi: - unda reflectat are unghiul de reflexie egal cu cel de inciden (1); - unda refractat va avea unghiul de refracie ( 2) fa de normal, care depinde de unghiul de inciden (1), conform relaiei: =

Asemntor tuturor undelor, se produc fenomene de interferen i difracie, precum i conturbri produse de obstacole din cale. Fasciculul de ultrasunete este divergent, deci cu deprtarea de surs are loc o cretere a "deschiderii", fiind asemntor unui con. d) Atenuarea ultrasunetelor se produce dup acelai mecanism ca la propagarea unei unde. Dac se msoar amplitudinile oscilaiilor n dou puncte, H-i i H2,, atenuarea se calculeaz cu: = 20log n practic, amplitudinea undei ultrasonore este msurat cu transductoare, care genereaz o tensiune de amplitudine proporional cu amplitudinea undei. Spre exemplu, dac pe ecranul unui osciloscop, raportul amplitudinilor celor dou semnale este 2, atenuarea este: a = 20log2 = 20-0,3 = 6 dB. 1.2.Producerea ultrasunetelor Exist mai multe ci de producere a ultrasunetelor, reflectnd ntr-un fel etapele de progres tehnologic n acest domeniu. a. Generarea ultrasunetelor pe cale aero sau hidrodinmica se face folosind caviti rezonante. Se obin ultrasunete de frecvene n jurul a 20 kHz, la puteri reduse (sub 100W) i randamente mici. b. Generarea de ultrasunete pe cale ionic se realizeaz cu ajutorul unui gaz prealabil ionizat n cmp electric alternativ, cu frecven ultrasonor. Ionii se deplaseaz antrennd moleculele gazoase, dnd natere unei oscilaii acustice, de frecvena cmpului excitator. Metoda este foarte puin folosit n practic. c.Generarea de ultrasunete pe cale electrodinamic se bazeaz pe principiul unui difuzor, la care membrana este nlocuit cu un bloc metalic avnd frecven proprie de rezonan n domeniul ultrasunetelor. Cnd frecvena curentului n bobina de excitaie devine egal cu frecvena proprie a blocului metalic, amplitudinea vibraiei atinge valori importante. Ultrasunetele obinute au o singur frecven, iar randamentul conversiei este bun.6

d. Generarea ultrasunetelor folosind efectul magnetostrictiv folosete proprietatea unor materiale feromagnetice (numite materiale magnetostrictive) de a se comprima sau dilata dac sunt plasate ntr-un cmp magnetic.

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

Reciproc, orice ntindere sau compresiune a materialului aflat ntr-un cmp magnetic se traduce ntr-o modificare a fluxului magnetic ce l tranverseaz. Dac notm cu / lungimea barei, cu P fora de natur magnetostrictiv, cu B i l variaiile induciei i ale deformrii sub aciunea cmpului magnetic, vom avea relaiile: P = M B = cu M i M' coeficieni de material. Relaia de mai sus arat c la orice variaie de cmp B vom avea o solicitare magnetostrictiv, iar ultima relaie arat c o alungire sau compresiune de variaie relativ l/l va conduce la o variaie de cmp magnetic B. n figura 1.3 sunt date variaiile relative procentuale pentru dou materiale magnetostrictive (nichel i permaloy) n funcie de intensitatea cmpului magnetic. Se desprind cteva concluzii din interpretarea acestor curbe: - valoarea deformaiei depinde numai de intensitatea cmpului magnetic H; - legea de variaie este neliniar; - deformaia poate fi pozitiv sau negativ, funcie de material. n cazul dat, nichelul sufer variaie negativ (se contract), iar permaloyul sufer variaie pozitiv (se dilat). Transductoarele magnetostrictive (tip pachet) snt confecionate din tole de material magnetostrictiv peste care se dispune o nfurare de excitaie, pentru a produce cmpul magnetic de nalt frecven. Sensul deformaiei miezului nu variaz la schimbarea de sens a cmpului magnetic. Astfel, frecvena deformaiilor este de dou ori mai mare dect frecvena curentului alternativ care trece prin nfurarea de excitaie a transductorului (figura 1.4, curbele 1 i 1 ) .7

De obicei, n tehnica producerii ultrasunetelor se folosesc transductoare polarizate, ce au o nfurare suplimentar, de polarizare, prin care trece un curent continuu de polarizare. Cmpul magnetic constant B0, creat de curentul continuu, orienteaz magneii elementari n aceeai direcie, astfel nct substana ncepe s se comporte ca un monocristal. n prezena polarizrii, frecvena de deformare este egal cu frecvena tensiunii electrice aplicate, iar amplitudinea deformaiei A2 (figura 1.4, curba 2) este mult mai mare la aceeai amplitudine a induciei magnetice variabile Bm (figura 1.4, curba 2), dect amplitudinea deformaiei fr polarizare A1 (figura 1.4, curba 1).

Fig. 1.4 Variaia raportului Al /1 funcie de timp fr premagnetizare(l) i cu premagnetizare (2)

Deoarece cmpul magnetic alternativ de frecven mare duce la pierderi nsemnate prin histerezis i cureni turbionari, miezul se realizeaz din tole de grosime mic (0,1...0,2 mm), necesitnd i rcire cu ap prin convecie forat. Randamentul optim se obine cnd frecvena de excitaie este egal cu frecvena proprie de rezonan a blocului megnetostrictiv. Aceast frecven este dat de relaia: = 1 2

unde l este lungimea miezului magnetostrictiv. Materiale magnetostrictive utilizate frecvent sunt: - materiale feromagnetice pure (Ni, Fe, Co); - aliaje (permendur, alfer, permaloy, hipernik, superpermaloy); - ferite - combinaii ntre oxidul unui metal i oxidul de fier. Transductoarele magnetostrictive au puteri de ordinul sutelor de wai, iar frecvena ultrasunetelor nu depete 100 kHz. e. Generarea ultrasunetelor folosind efectul piezoelectric folosete proprietatea unor materiale (numite materiale piezoelectrice) de a se deforma dac sunt plasate ntr-un cmp electric.

8

Dac U este tensiunea aplicat unui element de grosime g din material, presiunea p de natur piezoelectric ce apare, are valoarea: = Reciproc, dac se variaz grosimea cu Ag sub aciunea mecanice, pe suprafaa materialului apare densitatea de sarcin electric: = unei solicitri

Aplicarea unei tensiuni pe dou fee opuse ale cristalului piezoelectric cu obinerea de efecte mecanice de comprimare sau dilatare se numete efect piezoelectric invers. Este important de tiut c polaritatea tensiunii determin sensul efectului mecanic (comprimare sau dilatare), deci pentru producerea de ultrasunete, cristalul se excit cu tensiune electric alternativ, de frecven ultrasonora. Invers, aplicarea unui efort mecanic cu obinerea unei tensiuni electrice, se numete efect piezoelectric direct. Sensul efectului mecanic determin polaritatea tensiunii, deci la detectarea de ultrasunete, cristalul genereaz tensiuni electrice alternative, de frecven ultrasonor. n practic, acelai cristal poate fi i emitor i receptor de ultrasunete. Substanele cu proprieti piezoelectrice sunt: cuarul, sarea Seignette, turmalina, sulfatul de litiu, etc. Caliti piezoelectrice deosebite au ceramicile electrostictive polarizate, realizate prin presarea, formarea si coacerea n cuptor de pulberi ceramice precis dozate, simultan cu aplicarea unui cmp electric constant, intens, n scopul orientrii dipolilor n sensul liniilor de cmp. Exemple: titanatul de bariu, zirconatul de plumb i titan (denumit PZT), niobatul de litiu, etc. Transductoarele piezoelectrice au puteri de zeci - sute de wai i frecvena de rezonan ntr-o plaj larg (20 kHz ...10 MHz). Att transductoarele magnetostrictive ct i cele piezoelectrice, pentru a genera ultrasunete de amplitudine maxim, vor fi acordate n "semiund", adic lungimea lor pe direcia de oscilaie va fi multiplu de l 2 . n acest fel, la extremiti apar ventre de oscilaie, datorate undelor staionare ce se stabilesc n transductor. 1.3.Curirea pieselor cu ajutorul ultrasunetelor Curirea pieselor cu ajutorul ultrasunetelor are o pondere foarte mare datorit simplitii procedeului, eficacitii ridicate i productivitii deosebite. Fenomenele care stau la baz sunt cavitaia i efectele mecanice dezvoltate ntr-o baie de lichid de curare. Fenomenul de cavitaie se manifest n prezena unei unde acustice P0, de mare intensitate, transmis de un transductor ntr-o baie de lichid i const n generarea de bule de gaze i vapori (cu diametre de ordinul um), urmat de spargerea lor violent.

9

Fig. 1.5 Variaia undei de presiune

Explicaia se bazeaz pe faptul c presiunea exercitat de ultrasunete n lichid are alternane pozitive i negative (figura 5.4). n semiperioadele n care presiunea este sczut scade punctul de fierbere al lichidului i se formeaz bule de vapori. n urmtoarea semiperioad, cnd presiunea va crete, se va produce o implozie violent a acestor bule, determinnd presiuni locale de 1000 daN/cm2 i nclziri de pn la 1000 C. Aceast agitaie puternic, realizat n urma cavitaiei, determin desprinderea particulelor strine de pe suprafaa pieselor de splat. Fenomenul se accentueaz dac lichidul de splare este un detergent sau un solvent. Cuvele de splare au transductoare piezoceramice montate pe perei. Construcia unui transductor compus, de tip "sandwich", este dat n figura 1.6.a. Semnificaia notaiilor este: 1 - corp metalic din oel cu rol de reflector acustic, 2 i 2' - discuri piezoceramice polarizate, 3 - membran de rezonan din titan, 4 -difuzor mecanic. Grosimea elementelor transductorului se face pe baza condiiei de rezonator n "semiund" pentru ntreg ansamblul.

a)

b) Fig. 1.6 a) Construcia transductorului piezoceramic; b) Instalaie complex de splare

n figura 1.6 se prezint schematic o instalaie cu mai multe cuve de splare, care asigur curirea n flux a unui numr mare de piese. n prima cuv piesele sunt supuse nmuierii i splrii grosiere, apoi sunt trecute ntr-o a doua, unde sunt curate total, urmnd o cltire i uscare n vapori. Semnificaia notaiilor: T - transductoare acustice, GUS - generator electric de frecven ultrasonora, R - element nclzitor electric (uneori nglobat n peretele cuvei).

Fig.1.7.Main de curat cu ultrasunete

10

Avantajele acestor instalaii sunt date de productivitatea ridicat i calitatea currii, mai ales n zonele interioare, greu accesibile ale pieselor. Se folosete aceast tehnic n microelectronic, electrotehnic, mecanic fin, tehnica vidului -oriunde se cer condiii deosebite de curenie a suprafeelor pieselor. 1.4.Prelucrri cu ajutorul ultrasunetelor Prelucrarea dimensional a unei piese cu ajutorul ultrasunetelor folosete efectul eroziv al unor particule abrazive activate de oscilaiile ultrasonore ale sculei. Particulele abrazive pot fi n suspensie lichid sau fixate pe scul. Prelucrarea cu ultrasunete se aplic la acele materiale care au fragilitate ridicat, densitate nu prea mare i nu sufer deformaii plastice nainte de rupere (ceramica, sticla, safirele, alumina, cuarul, siliciul, feritele, etc. Cu bune rezultate se pot prelucra i aliaje dure: carburi metalice, oelurile aliate, aliaje de titan. Materialele cu plasticitate ridicat (oelurile moi, cupru, aluminiul) nu se pot prelucra, cci ultrasunetele nu produc dislocaii de material, iar particulele abrazive se pot ncastra n material. n figura 1.8 este prezentat schema de principiu a prelucrrii cu ultrasunete. Energia cinetic de vibraie cu frecven ultrasonor a sculei S se transmite piesei P prin intermediul granulelor abrazive G aflate n suspensie lichid, circulat n spaiul de lucru. Prelevarea de particule de material M din pies se explic prin aciunea coroborat a trei ageni erozivi: granulele abrazive - G, bulele de cavitaie ultrasonic - B i undele de oc hidraulic.

Fig. 1.8 Principiul prelucrrii prin eroziune ultrasonic

a) Granulele abrazive au efect dominant n eroziune. ntre scul i pies se exercit o for de apsare static F, pentru crearea unei presiuni statice de 1 - 4 daN/cm2. Se creeaz premisele transmiterii ocurilor dinamice ale sculei, care vibreaz axial cu o frecven ultrasonic. Sub efectul acestor ocuri, granulele mai mari sau aglomerrile de granule, aflate n contact direct att cu scula ct i cu piesa, produc microfisuri n stratul superficial al piesei. Microfisurile progreseaz n adncime, iar sub aciunea altor granule, presate sau accelerate de vibraiile sculei, se desprind microparticule din pies. b) Sub aciunea vibraiei ultrasonice a sculei, n lichidul purttor de granule abrazive apar solicitri de ntindere i compresiune. n faza de ndeprtare a sculei, apar eforturi de ntindere, care produc ruperi n masa lichidului, formndu-se microbule de cavitaie. n fazele de apropiere ale sculei, se produc solicitri de compresiune a lichidului, iar microbulele se distrug prin implozie, ducnd la presiuni locale ce depesc 1000 daN/cm2. Se produc microfisuri, precum i prelevare de material din pies.

11

Ultrasunetele produc n lichid unde de oc hidraulic. Sub aciunea lor lichidul ptrunde n reeaua fin de microfisuri create pe suprafaa piesei, avnd efect de pan hidraulic n prelevarea de material. Scula vibreaz cu frecvena f=16...35 kHz i amplitudinea A=10...60 um. Sistemul de avans al mainii menine scula la aceeai presiune asupra piesei, iar prin prelevarea de material se obin guri profilate n pies, de form corespunztoare sculei. Jocul dintre scul i pies depinde de dimensiunea granulelor abrazive folosite, de obicei de 3...5 ori diametrul granulei. Vrful sculei se execut din material mult mai dur dect piesa, pentru ca materialul prelevat din scul s fie minim i uzura redus. Se poate folosi i material cu plasticitate crescut (oel moale, cupru), cci granulele abrazive, sub aciunea solicitrilor dinamice, se ncastreaz ntr-un strat superficial n zona vrfului sculei, oferind protecie mecanic. Granulele abrazive, avnd diametru echivalent 3...120 um, de obicei din carbur de bor, carbur de siliciu, diamant, carborund, se gsesc n numr mare n spaiul de lucru. Ele se uzeaz n cursul prelucrrii, fiind necesar circulaia supensiei lichide pentru evacuarea particulelor prelevate i a granulelor uzate. Circulaia suspensiei lichide n spaiul de lucru se poate face: la presiune normal, suspensia abraziv fiind adus din lateral la locul prelucrrii, sau prin poziionarea vertical a suprafeei de lucru cnd lichidul se deplaseaz sub aciunea gravitaiei; prin absorbia n vid a suspensiei din spaiul de lucru, care conduce la mrirea de 1,5...3 ori a vitezei de prelevare; prin circulaia forat (pompare), care micoreaz efectul de cavitaie, dar productivitatea crete. n cazul ultimelor dou variante, scula are prevzute canale interioare pentru aspiraie, respectiv pompare a suspensiei abrazive. Lichidul suspensiei abrazive reprezint mediul de cuplaj acustic ntre scul, granulele abrazive i pies, asigurnd propagarea uoar a undelor de oc. Cel mai folosit lichid este apa, care este ieftin, netoxic, are caliti de umectare, vscozitate mic, conductivitate termic bun i densitate bun pentru a susine granulele. Exist i varianta, mai rar, a prelucrrii fr suspensie abraziv. n acest caz, scula este impregnat cu praf de diamant, iar ntre scul i pies se practic o micare suplimentar de deplasare. Amplitudinea sculei este mai mic (circa 15 um) pentru a proteja scula, iar la locul de prelucrare se folosete lichid de rcire. Instalaia electroacustic de prelucrare Schema constructiv de principiu a unei instalaii electroacustice de prelucrare este dat n figura X.

Fig.9 Structura instalaiei de prelucrare cu ultrasunete12

Batiul mainii 1 susine sania longitudinal 2 i sania transversal 3, care permit deplasarea cuvei de lucru 4 n plan orizontal, n sistemul de axe xOy. n cuva de lucru este fixat piesa de prelucrat 5. Suspensia abraziv 6, din rezervorul 7, este omogenizat cu agitatorul 8 i vehiculat cu pompa 9 prin conductele 10. Convertorul de energie electromagnetic n energie acustic este transductorul 11, de tip magnetostrictiv. Pe miezul magnetostrictiv 12 se afl nfurarea de curent alternativ alimentat de la generatorul electric de nalt frecven 13, realizat cu tranzistoare de putere BJT sau MOSFET. Premagnetizarea miezului se realizez cu ajutorul unei nfurri parcurse de curent continuu provenit de la sursa de curent continuu 14. Rigorile cerute de la sursa de curent continuu, n ceea ce privete filtrarea, sunt mari. n alte variante constructive, premagnetizarea miezului se realizeaz prin magnei permaneni plasai ntre cele dou coloane ale miezului. Sursele de alimentare a blocului ultrasonic sunt plasate, de multe ori, ntr-o carcas separat. Blocul ultrasonic, nchis ntr-o carcas etan, este rcit forat cu ap, pentru a evacua cldura creat prin nclzirea miezului. Un amortizor sonic 16 (din cauciuc) este plasat n partea superioar, iar n partea inferioar, n contact direct cu miezul transductorului, este fixat concentratorul 15, care are funcia de transfer i concentrare a energiei mecanice spre pies. Concentratorul (aici de form exponenial) amplific vibraiile ultrasonore ale miezului. Lungimea concentratorului este un multiplu ntreg al semilungimii de und, asfel nct s asigure la scula de lucru oscilaii de amplitudine maxim. Scula de lucru 17, avnd forma cerut de forma prelucrrii piesei, este fixat pe concentrator prin nfiletare. Poziionarea concentratorului la carcasa blocului ultrasonic se face la distana l 4 de miez, deci ntr-un nod de oscilaie, astfel c n aceast zon nu apar solicitri mecanice. Sistemul de avans automat 18 realizez avansul vertical pe parcursul prelucrrii. Capul de lucru se poziioneaz pe vertical prin mecanismul urub-piuli 20, iar echilibrarea greutii acestuia se face cu contragreutatea 19. Tipuri de prelucrri cu ultrasunete Operaiile de prelucrare sunt: gurire, alezare, realizare de orificii profilate, frezare, lamare, gravare, debitare n materiale fragile, casante, cu duritate ridicat, electroizolante sau conductoare, n general greu prelucrabile sau neprelucrabile prin alte procedee. Productivitatea prelucrrii, exprimat n mm3/min, este indicat n tabelul 5.2 pentru cteva materiale. Tabelul 1 Productivitatea prelucrrii Materialul Abraziv Productivitatea prelucrat [mm2/min] Carbura de bor diamant 0,1 ... 5 Alumin carbur de bor 5..25 Ceramic carbur de bor 19 Cuart carbur de bor 14 Rubin sintetic carbur de siliciu 7 Sticl carbur de siliciu 32 Avantajele ale acestui procedeu de prelucrare sunt: precizie dimensional ridicat, la o rugozitate redus a suprafeei prelucrate; vitez de prelucrare bun (zeci de secunde ... minute), comparativ cu procedee convenionale (zeci de minute ... ore); absena acumulrii de tensiuni interne i a nclzirii locale n pies. Prelucrarea sculelor cu ajutorul ultrasunetelor conduce la o cretere a durabilitii sculei de 2...3 ori (exemplu la realizarea filierelor pentru trefilarea srmelor). Alte operaii tehnologice, mult eficientizate prin folosirea ultrasunetelor, sunt: deformarea plastic, trefilarea srmelor, iritarea pulberilor, prelucrri prin achiere, depuneri galvanice.13

1.5.Deformarea plastic a metalului n cmp ultrasonor Sub aciunea ultrasunetelor, un metal poate prezenta un fenomen de "nmuiere", necesitnd eforturi mai mici necesare deformrii. Efectul de "nmuiere" este determinat de creterea mobilitii dislocaiilor datorit prezenei tensiunilor ultrasonore periodice. Energia acustic are acelai efect asupra deformrii plastice ca i energia termic, dar cu un consum energetic mult redus. La contactul dintre pies i scula ce acioneaz asupra piesei, ultrasunetele permit: ptrunderea mai bun a lubrifiantului, deci o reducere a coeficientului de frecare; separarea suprafeelor de contact; erodarea asperitilor suprafeelor de contact; mbuntirea condiiilor de alunecare ale unor suprafee. 1.6.Fritarea pulberilor n cmp ultrasonor Realizarea de piese prin presarea pulberilor a nceput s aib o extindere tot mai mare. Aceste materiale reunesc proprietile pulberilor constituente, dar dobndesc i proprieti noi. Gama de materiale realizate prin fritarea ultrasonor a pulberilor este larg: ferite, ferodouri, ceramice piezoelectrice, etc. Fenomenul intern al fritrii const n o succesiune de deformri plastice ale pulberilor ntr-o matri i deplasarea lor spre a umple spaiile goale. Prin aplicarea ultrasunetelor, mobilitatea particulelor crete, iar frecrile intense dintre particule genereaz cldur mrind plasticitatea lor. n final, are loc creterea densitii, uniformizarea densitii, creterea duritii i rezistenei la rupere a materialului. Practic are loc o cretere a densitii cu cea 5...10% fa de fritarea clasic. 1.7.Prelucrri prin achiere n cmp ultrasonor Creterea eficienei procedeelor clasice de prelucrare prin achiere (strunjire, frezare, alezare, ascuirea sculelor) are la baz suprapunerea peste forele sistemului clasic de achiere a oscilaiilor ultrasunetelor. Rezult avantajele: reducerea timpului de prelucrare; eliminarea vibraiilor proprii ale sistemului de achiere; reducerea tensiunilor mecanice remanente n material; reducerea temperaturilor n zona de achiere; se reduc forele de achiere i crete durata de via a sculei. Problema dificil este modalitatea practic de introducere a energiei ultrasunetelor n zona de desprindere a achiei. Una din soluii este construcia adaptat a suportului port-scul sau a ppuii mobile la forma blocului ultrasonic. 1.8.Depuneri galvanice cu ajutorul ultrasunetelor Utilizarea utrasunetelor n bi de galvanizare conduce la obinerea de depuneri electrochimice cu caliti superioare. Duritatea peliculei crete cu 15% la Ag, sau cu 35% la Cu. Tensiunile interne n pelicule scad n condiiile aplicrii n bi a ultrasunetelor. Porozitatea este mai redus, prin faptul c agitaia ultrasonor elimin bulele de hidrogen. Strlucirea este mult mai bun, chiar la aceleai densiti de curent ca n bile normale. n domeniul electronicii, la cositorirea componentelor pe plci, prin agitarea ultrasonic a bii de cositor se evit "lipiturile reci", cauzate de prezena oxizilor. 1.9.Sudarea cu ultrasunete Soluia de mbinare a materialelor metalice sau plastice, prin vibraii mecanice de frecven ultrasonor, s-a impus datorit avantajelor tehnico-economice deosebite: realizarea unor sudri de calitate ntre materiale similare sau compatibile; reproductibilitatea foarte bun a mbinrii recomand procedeul la fabricaie de serie mare; durata procesului de sudare este foarte redus; consum specific de energie redus fa de metodele clasice (bazate pe topire); energia termic generat este localizat doar n zona mbinrii, fiind excluse deformaiile datorate supranclzirii. Sudarea metalelor cu ajutorul energiei de vibraie de frecven ultrasonor face parte din grupa procedeelor de sudare prin frecare, la "rece", deoarece pe durata procesului temperatura materialelor la locul mbinrii este sub temperatura de topire.14

Piesele de sudat sunt aduse n contact i strnse una asupra celeilalte cu o for determinat. Fora se aplic de ctre scul, care execut i vibraiile ultrasonore (figura 5.9).

Fig. 10 Principiul sudrii ultrasonice a metalelor

Semnificaia notaiilor din figura 10 este urmtoarea: 1, 2 - piese de sudat, 3 - zona de mbinare, 4 - scula, 5 - concentratorul blocului ultrasonic, 6 - nicovala, 7 - sensul energiei acustice, 8 - direcia de vibrare. Piesele sunt frecate reciproc, prin oscilaii mecanice de nalt frecven, iar la interfaa zonei de mbinare are loc ruperea peliculei de oxizi i interptrunderea prin difuzie a atomilor de metal dintr-un material n cellalt. Se obine astfel sudura, ca legtur metalurgic intermediar. Procedeul de sudare ultrasonor este eficient n cazul mbinrii metalelor sau aliajelor neferoase cu puncte de topire diferite (cupru - aluminiu, titan - nichel, alam -aluminiu, etc). Sudarea ultrasonic a materialelor plastice Energia mecanic de vibraie a sculei (sonotrodei) este folosit pentru nclzirea local a zonei de contact dintre materiale, prin fazele de comprimare i ntindere n materiale termoplastice, simultan cu exercitarea unei fore de apsare. Procedeul este asemntor sudrii electrice prin presiune, cu diferena c aducerea zonei de mbinare n stare nclzit se face datorit "ciocnirii" materialului cu frecven ultrasonor i nu prin circulaia curenilor inteni (care nici nu ar fi posibili n materiale plastice).

Fig. 11 Echipamentul de sudare ultrasonic a maselor plastice

Un echipament de sudare a materialelor plastice cu ultrasunete are urmtoarele elemente (figura 11): batiul - 1, cu rol de a susine ansamblul componentelor; mecanismul - 2 de ridicare/coborre a blocului ultrasonic, acionat pneumatic, cu rol n realizarea unei fore F de apsare controlat ntre scul i materialele supuse sudrii;15

instalaia electric - 3 destinat efecturii ciclului tehnologic de ridicare (Rj/coborre (C) bloc ultrasonic, cuplare/decuplare generator ultrasonic, programare timp de sudare, timp de rcire, etc; blocul ultrasonic, format din transductorul electroacustic - 4, concentratorul de unde - 6 i scula de sudare (sonotronul) - 7, cu rol destinat producerii, transformrii i aplicrii energiei mecanice la locul mbinrii; generatorul electronic - 5, cu rol n alimentarea transductorului cu tensiune de frecven nalt; nicovala (placa metalic) - 8 pe care se aeaz materialele de sudat. Direcia de vibrare - 9 este pe direcia axial a sculei. Observaie: Direcia de vibrare asupra materialelor plastice este perpendicular pe suprafaa de mbinare, spre deosebire de sudarea metalelor cu ultrasunete, la care direcia de vibrare este n lungul suprafeei de sudare. n prezent, sunt utilizate instalaii de sudare ntr-o gam larg de puteri (300...2000 W), complet automatizate. Sunt utilizate i echipamente portabile, de tip pistol, la puteri de 50...300 W. 1.11.Defectoscopia prin ultrasunete Defectoscopia cu ultrasunete se bazeaz pe fenomenele de propagare a ultrasunetelor n medii solide i pe interpretarea informaiilor oferite de undele reflectate. Se cunoate c ultrasunetele, la ntlnirea suprafeei unui mediu de impendan acustic mai mare, se reflect n proporie nsemnat, iar dac suprafaa este nclinat fa de direcia undei, are loc i schimbarea direciei undei reflectate. n plus, fiecare mediu atenueaz n mod specific unda ultrasonor. Metoda pune n eviden, n materiale destinate realizrii de repere importante, eventuale fisuri, goluri, poroziti, incluziuni de alte materiale -elemente susceptibile s produc defecte ale produsului finit. Schema bloc a unui echipament de control nedistructiv cu ultrasunete (figura 5.11) conine urmtoarele elemente: generatorul de impulsuri ultrasonore G/, trasductorul emisiv T, transductorul receptor R i osciloscopul catodic OK.

Fig. 12

Schema bloc a echipamentului de control cu ultrasunete

Generatorul transmite impulsuri att spre transductorul T (prin intermediul amplificatorului A), ct i spre sistemul de detecie. Impulsul trimis spre sistemul de detecie este ntrziat de o linie de ntrziere Z.7"i apoi declaneaz baza de timp GBT a osciloscopului, care transmite semnalul de baleiaj, amplificat de amplificatorul bazei de timp ABT, spre plcile de deflexie pe orizontal. Transductorul T emite un impuls de unde ultrasonore, care se propag prin materialul supus testrii, fiind reflectat (sub form de ecou) de suprafeele de separaie cu medii de alt impenda sonor. Transductorul R capteaz impulsurile de ultrasunete reflectate, le transform n semnal electric, amplificat i redresat de blocul AR i aplicat plcilor de deflexie pe vertical a osciloscopului. Impulsurile reflectate vor apare pe ecran la intervale diferite de timp. Apar ntotdeauna ecouri ale fascicului la parcurgerea grosimii materialului i ntlnirea suprafeelor de separaie , iar pe ecranul osciloscopului sub form de impulsuri decalate la intervalul de timp = 2 / , unde s este grosimea materialului, iar v viteza ultrasunetelor n16

material. Impulsurile succesive au amplitudine diminuat datorit atenurii ultrasunetelor n material. Dac n material se gsete un defect (cavitate) la distaa de suprafa, ecourile se percep pe ecranul osciloscopului ca impulsuri decalate la = (2 )/ .

Fig. 13 Ecoul ultrasunetelor n material i vizualizarea pe ecranul osciloscopului, pentru dou situaii: absena defectului i prezenta unei fisuri.

Defectele de forme diverse (pori, incluziuni, caviti cu asperiti, etc), precum i poziionarea lor la diferite unghiuri n raport cu suprafaa materialului vor da forme specifice ale ecoului. Pentru stabilirea formei corecte sunt necesare, uneori, msurtori suplimentare, din diferite direcii, pentru obinerea de ecouri diferite. Experiena persoanei care realizeaz verificarea va conduce la interpretarea corect. Exemple de aplicare: verificarea materialelor nainte de probele finale (elici de nave, palete turbine, roi de vagoane, arbori mari, repere din domeniul nuclear, etc), depistarea fisurilor de mbtrnire (n corpul aeronavelor, n conductele de descrcare ale petrolierelor, n conductele de gaze subterane, n structura pilonilor podurilor peste ape adnci, etc).

Fig. 14 Construcia transductoarelor piezoelectrice utilizate n defectoscopie

Un exemplu este verificarea structurilor metalice ale platformelor de foraj marin sau ale pilonilor podurilor cu deschidere mare. n faza de construcie sunt dispui transductori piezoceramici n noduri ale structurii de rezisten sau n zone critice. Prin utilizarea a mai multe canale de msurare i compararea atent, n timp, a rezultatelor nregistrate se obin informaii privind existena unui defect i evoluia sa n timp. Transductoarele utilizate n defectoscopie sunt de tip piezoceramic, cu rol de emitor sau receptor de ultrasunete, sau cu ambele roluri cumulate n aceeai construcie. n figura 14 sunt prezentate dou construcii. n Fig. 14.a este prezentat un transductor simplu (emitor sau receptor). Cristalul piezoceramic (3) are feele (2) metalizate, de la care pornesc firele de conexiune (5). Una din fee este lipit pe un strat protector ( 1 ) cu transmitere acustic foarte bun, iar deasupra celeilalte fee este dispus un material (4) cu rol de amortizor acustic. La construcia dubl , transductoarele emisiv (E) i receptor ( R ) sunt dispuse sub un anumit unghi fa de orizontal, n aa fel nct s se poat recepiona ecoul ultrasunetelor transmise n pies (8). Stratul 7 are rol de barier acustic.17

O condiie foarte important este ca ultrasunetele s se transmit de la emitor la pies i s se recepioneze de la pies la receptor. Stratul de aer dintre acestea, chiar foarte subtire, are o impedanta acustic Z2 foarte mic comparativ cu impedantele Z1 ale mediilor strabatute de unda. Dac Z2 mediul s fie transparent, din punct de vedere optic, pentru fotoni; > existena unei caviti rezonante, limitat de oglinzi, cu o lungime multiplu de 2, unde are valori foarte mici (exemplu: =0,69 m). 2.2.Metodele de pompaj pentru obinerea inversiunii de populaii sunt specifice tipului de mediu activ i energiei de pompaj alese. n funcie de mediul activ, pompajul se poate realiza prin: 1. iradiere optic - iradierea cu lumin intens a mediului activ solid; 2. ciocniri electronice - la descrcri n gaze, pentru mediu activ gazos; 3. inducie magnetic - pentru mediu activ gazos; 4. disociaie - inversiunea de populaii se realizez n urma unor reacii chimice, pentru medii active lichide; 5. injecia unui curent direct prin o jonciune pn, pentru laseri cu mediu activ semiconductor. 2.3. Proprietile radiaiei laser Radiaia laser difer de radiaiile emise de sursele naturale (soare, flacr, fosforescen) sau de sursele artificiale de iluminat (lmpi cu incandescen, lmpi cu descrcare), de aceea este caracterizat de proprieti specifice: coerena, direcionalitatea, monocromacitatea, intensitatea. Coerenta radiaiei laser Dou radiaii laser care provin din dou puncte diferite ale unei surse luminoase interfereaz i prin suprapunerea lor rezult franje de interferen. Vizibilitatea unor franje de interferen se apreciaz cu relaia: = + Unde /max i /min reprezint intensitatea maximelor, respectiv minimelor vecine din zona de interferen. Dac V= 1 coerena este perfect. Proprietatea de coeren este important n aplicaii pasive: msurtori, holografie, etc. Radiaiile luminoase de la surse clasice, naturale sau artificiale, nu au proprietatea de coeren, la ntlnire conduc la mrirea intensitii luminoase, i nu produc franje de interferen. Direcionalitatea Fasciculul laser prsete cavitatea rezonant pe o singur direcie - axa cavitii. La prsirea cavitii apare un fenomen de difracie, astfel nct raza fascicului crete cu distana. Unghiul de divergen, foarte mic la fasciculul laser,este calculabil cu relaia:

26

=

2

Unde r0 este este raza minim. Pentru laserii cu mediu activ solid divergena este sub 1, iar pentru laserii cu mediu activ gazos divergena este sub 1'. Proprietatea de direcionalitate face ca radiaia laser s poat transporta energie concentrat la distane foarte mari. Monocromaticitatea O surs de lumin care emite lumin de o singur culoare se numete surs monocromatic. Domeniul vizibil cuprinde radiaii electromagnetice cu lungimi de und ntre 0,4...0,76 m. O radiaie din acest domeniu creaz ochiului omenesc senzaia unei anumite culori. Spre exemplu, senzaia de culoare roie este realizat pentru radiaii cu domeniul lungimii de und ntre 0,63...0,76 m, deci pe un interval de lungimi de und (numit lrgime de band ): = 0,13 m. n cazul descrcrii n gaze, lrgimea benzii pentru radiaia verde a atomului de mercur este: = 2 10-3 m. n cazul laserului cu heliu i neon, lrgimea benzii este de doar 10-7m. Explicaia este dat de prezena cavitii rezonante, care, asemntor cu un tub de org, "rsun" la o anumit frecven, pe care o selecteaz, o las s oscileze i o amplific. Se poate spune, deci, c radiaia laser este ideal monocromatic. Intensitatea radiaiei laser Datorit propritilor de coeren i direcionalitate se obin intensiti foarte mari ale fascicului laser. La laserii cu emisie continu, se indic puterea (n W), iar la laserii cu emisie n impulsuri se indic energia unui puls (n J). Deoarece ntreaga energie se concentreaz pe suprafee foarte mici, se folosete noiunea de densitate de putere (104...1010 W/cm2), respectiv de densitate de energie (102...108 J/cm2). Aceste densiti sunt foarte mari, fapt ce explic aplicaiile la prelucrri de materiale sau la transport de energie. 2.4.Tipuri constructive de laseri Clasificarea laserilor, dup natura mediului activ: laseri cu mediu activ solid; laseri cu mediu activ lichid; laseri cu mediu activ gazos. Cei mai utilizai sunt cei cu mediu solid sau gazos. Laseri cu mediu activ solid Laserul cu rubin a fost primul dezvoltat (anul 1960), fiind utilizat i n prezent. Mediul activ este un cristal cilindric din rubin sintetic, de diametru 0.5...1 mm i lungime 2...10 cm. Feele sale sunt perfect plane i paralele (perpendiculare pe axa longitudinal), una fiind complet reflectant, cealalt parial reflectant ( = 0,97...0,98). Cristalul de rubin este impurificat uniform cu atomi de crom n concentraie redus (0,05%).

Fig.4. Diagrama nivelelor energetice la laserul cu rubin 27

Diagrama nivelelor energetice a atomilor de crom (ce reprezint centrele optice active) este prezentat n figura 4, observndu-se c prezint trei nivele. Puterea de pompaj este mare (peste 550 W), folosindu-se lmpi de descrcare tip flash. Inversiunea de populaii se realizeaz ntre nivelul intermediar E1 i nivelul de baz E0. Tranziia de pe nivelul E2 (la care se ajunge prin pompaj) este neradiativ, ducnd la nclzirea cristalului. Construcia tipic a laserului cu rubin este dat schematic n figura 4.5. Suprafaa lateral a mediului activ 1 este iluminat de ctre lampa 2, att direct ct i prin reflexie pe pereii reflectani ai incintei 3.

Fig.5 Construcia laserului cu rubin Forma incintei este elipsoidal, cu tubul i cristalul plasate n focare. Radiaia lmpii flash este inciden pe cristal, deoarece este necesar o energie mare de pompaj. Lampa este alimentat de la o surs 4 de 1 ...2 kV i se aprinde la comanda dispozitivului de aprindere 5. La ptrunderea luminii albe n cristal, atomii de crom absorb fotonii verzi i violet i i las s treac doar pe cei roii pe care i amplific. Radiaia laser are culoare roie ( = 0,693 um). n timpul funcionrii cristalul se nclzete intens i trebuie rcit forat. Pentru acest motiv laserul nu poate funciona n regim continuu, ci n regim de scurt durat. Se mai adaud faptul c pompajul lmpii flash este de scurt durat (1...10 ms). Pentru apariia efectului laser trebuie ca peste 50% din ionii de crom s ajung pe nivelul energetic Eh ceea ce micoreaz eficiena laserilor cu 3 nivele. Randamentul acestor laseri este sub 0,5%. Laserul cu sticl-neodim are un randament mbuntit, prin folosirea ca mediu activ a sticlei, dopate cu 6% Neodim (Nd) - care constituie centrele optice active. Diagrama nivelelor energetice a atomilor de neodim arat c acest laser are 4 nivele (figura 4.6). Pompajul realizeaz trecerea electronilor pe banda de nivele E3, de unde trec fr emisie de radiaie pe nivelul E2. Inversiunea de populaii se realizeaz ntre E3 i E2, mult mai uor dect ntre E0 i E2,

Fig. 4.5 Construcia laserului cu

Fig.6 Diagrama nivelelor energetice la laserul sticl-neodim neodim

Fig. 4.6 Diagrama nivelelor energetice la laserul sticl-

28

datorit diferenei energetice mai mici, iar n starea iniial, populaia nivelului E1 este mai mic dect a nivelului E0 - ce constituie un avantaj al acestui tip de laser. Laserii sticl-neodim necesit putere mai mic de pompaj, sunt mai ieftini dect cei cu rubin i au randament de pn la 4%. Radiaia laser se situeaz n domeniul infrarou apropiat ( = 1,06 um). Un dezavantaj important este conductivitatea termic mic a sticlei, care face dificil rcirea - de aceea funcioneaz tot n regim de pulsuri scurte, dar cu period de repetiie mare. Laserii de acest tip sunt folosii industrial la microguriri, microsuduri. Sunt fabricai i n Romnia, la IFTAR Bucureti. Laserul YAG:Nd folosete un mediu activ constituit Ytriu, Aluminiu i Granat (YAG), dopat cu Neodim. Puterea necesar pentru pompaj este redus (200 W), iar rcirea bun permite funcionarea n regim continuu, sau n regim de pulsuri (1 ...10 ns), cu frecven mare de repetiie. Laserii de acest tip sunt larg folosii industrial la: microguriri, tiere plachete semiconductoare, tieri materiale ceramice. Sunt fabricai i n Romnia. Regimuri de funcionare pentru laseri cu mediu activ solid Regimul de funcionare nseamn modul de emisie n timp a energiei. Puterea instantanee poate fi mult diferit de puterea medie, ceea ce face ca efectele radiaiei laser asupra materialelor s fie mult diferite. Laserii cu mediu solid au de regul pompaj optic. Lmpile cu descrcare produc radiaia de pompaj prin descrcarea brusc a unor condensatoare ce nmaganizeaz energii de ordinul kJ. Durata flashului este de ordinul ms, iar radiaia laser este mai scurt ca durat. Se noteaz cu n = n 2 -n 1 numrul de atomi pe unitatea de volum care realizeaz inversiunea de populaii i cu q numrul de fotoni emii de unitatea de volum. Inversiunea de populaii se realizez prin pompaj optic. Dac cavitatea rezonant este tot timpul constituit, n momentul cnd n > np, unde np reprezint inversiunea de prag , se declaneaz efectul laser i numrul de fotoni ncepe s creasc, dar la fiecare foton emis n scade cu 2, deoarece un atom excitat trece de pe nivelul E2 pe

Fig.7 Regimul de oscilaii de relaxare(a) i de impuls (b) E1. n acelai timp scderea lui n va duce la scderea emisiei. Datorit pompajului n va crete din nou, astfel c n i q devin oscilani n timp i n contrafaz. Frecventa de repetiie este dat de: =

2

29

Unde = , iar W [ioni/cm3/s] este mrimea inversiei produse de pompaj. Oscilaiile se amortizeaz rapid cnd se reia pompajul, deci la o nou amorsare a flash-ului. Acest regim de funcionare al laserului se numete regim de oscilaii de relaxare. n acest regim, apar pulsuri scurte a cror putere este de cteva zeci de ori mai mare dect puterea medie pe impuls. Spre exemplu, pentru un flash de 1 ms, durata unei oscilaii amortizate este de 10...100 ori mai mic, 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 exist posibilitatea de a declana emisia laser la un moment dorit, cnd inversiunea de populaie a depit cu mult nivelul de prag, prin restabilirea brusc a cavitii rezonante. Se formeaz un puls gigant de fotoni, care depopuleaz nivelul superior. n figura 6 sunt date diagramele de evoluie ale inversiunii de populaie n i fotonilor emii q. Acest regim de funcionare al laserului se numete regim de puls gigant. n acest regim, durata impulsului laser este foarte mic (10-8 s). Se obin puteri de vrf de de cea 107 W, deci cu 3...4 ordine de mrime mai mult dect n cadrul regimului de relaxare. Scheme de principiu pentru restabilirea brusc a cavitii rezonante sunt date n figura 8, unde MA reprezint mediul activ, 01 i 02 cele dou oglinzi.

Fig 8 Metode de restabilire brusc a cavitii rezonante

Fig 9

Metode de restabilire brusc a cavitii rezonante

n fig 8.a oglinda 02 este rotitoare stabilindu-se paralelismul cu O, pentru un timp scurt, n fig 8.b) 02 este descoperit pentru un timp scurt datorit prezenei unui disc rotativ opac prevzut cu fant, iar n fig 8.c) nu exist elemente mobile, dar elementul MAS reprezint un mediu absorbant, care poate fi saturat (transparent), printr-o comand exterioar.

30

Dioda laser Dioda laser este tot o surs laser cu mediu solid, dar semiconductor, cu dopare puternic (3'1017...2'1018/cm3). Are o putere foarte mic (mW) i poate funciona n regim continuu sau n 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 adaug elementele sistemului de excitare. Stratul activ 1, plasat ntre straturile semiconductoare 2 i 3 de tip p i n, are lungimea sub 1 mm i grosimea ntre 100...200 nm (figura 4.9). Semnificaia celorlaltor notaii: 4 - substrat, 5 electrod.

Fig. 9 Structura diodei laser

Funcionarea se bazeaz pe faptul c la recombinarea electron-gol se genereaz o cuant de lumin i, pe de alt parte, o cuant de lumin absorbit genereaz o pereche electron-gol, crescnd probabilitatea de recombinare. Urmarea este o emisie stimulat de fotoni. La aplicarea unei tensiuni n sensul de conducie, bariera de potenial scade, astfel nct electronii au tendina de trecere din regiunea n n regiunea p, iar golurile n sens invers. n zona activ se injecteaz att electroni, ct i goluri. Dat fiind concentraia mare de impuriti, se realizeaz inversiunea de populaii. Datorit faptului c stratul activ este att de subire, fascicului emis este foarte divergent (pentru un laser) i astfel laserul cu semiconductori i mbuntete funcionarea prin rezonatorul optic, ce trebuie ales cu mare grij i poziionat foarte precis pentru a obine performane maximale. De obicei un sistem format din dou lentile plan-convexe, poziionate cu feele convexe una spre cealalt, la anumite distane stricte, este suficient pentru a obine un fascicul destul de bine colimat, cu razele aproape perfect paralele. Suprafeele plane ale lentilelor sunt realizate oglind, una perfect, cealalt semitransparent. n prezent, majoritatea pointerelor reuesc performana de a pstra divergena la sub 1 mm la fiecare 5 metri. Radiaia emis de laserii cu semiconductori este n zona roie a spectrului sau n infrarou, dar exist diode laser cu emisie de radiaie verde sau albastr. Diodele laser cu radiaie verde sau albastr au o via mult mai scurt (sute de ore). Aplicaiile diodei laser se regsesc la cititoarele de CD, fie ele CD-ROM-uri sau CDplayere, playerele DVD (folosesc diode laser ce emit fascicule mult mai fine); CD-Writer-ele i CD-ReWriter-ele folosesc diode laser ce emit n infrarou apropiat (800 nm) i au puteri de civa wai. Aceleai diode, dar de puteri ceva mai mici, sunt prezente i n 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 important aplicaie, dup CD/DVD-playere, este n domeniul comunicaiilor prin fibr optic. n cadrul fiecrui emitor pe fibr optic se afl o diod laser. Sunt de menionat aplicaiile diodelor laser n medicin, n holografie sau n proiecia de imagini dinamice computerizate.

31

Laseri cu mediu activ gazos Laserii cu gaz au n prezent o larg rspndire, avnd o putere mare n regim continuu, randament de 5...10%, cost mai redus dect al laserilor cu mediu activ solid, lungimi de und n domeniul zonei de absorbie a materialelor metalice sau dielectrice. Excitarea mediului activ, constituit din amestecuri de gaze sau din gaze i vapori metalici, se face prin descrcare electric. Transferul de energie necesar excitrii se realizeaz prin ciocniri ntre electroni cu atomi (sau molecule) sau prin ciocnirea ionilor cu atomi (sau molecule). n ultimii ani, au fost dezvoltai laseri cu gaz la care excitatea se face prin reacii chimice sau prin jeturi de gaz cu temperaturi i viteze ridicate. Cei mai utilizai laseri cu gaz sunt laserii cu atomi neutri (He-Ne), moleculari (N2 i C02) i ionici. Laserul heliu - neon este un laser de putere mic (0,1...20 mW) utilizat mult n sisteme de msurare. Raportul presiunilor pariale este: PNe IPHe = 1/10...1/5 . Excitarea se realizeaz prin descrcare n atmosfera de heliu, care este gazul de pompaj. Inversiunea de populaii se realizeaz prin transfer vibraional de la heliu la neon. Radiaia emis are lungimea de und = 0,632 um, de culoare roie. Laserul se realizeaz cu un tub de sticl de diametru mic, care satisface relaia 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 aceeai structur: generatorul de fotoni, sistemul de excitaie, sursa de alimentare, instalaia de vidare, instalaia de admisie gaz i instalaia de rcire. n figura 4.10 se prezint schema de principiu a laserului cu C02 cu flux longitudinal de gaz, care este cel mai utilizat n practic. Tubul de cuar 1, cuprinde amestecul de gaze (C02, N2 i He, n proporii de 5:15:80, rezultnd o presiune de 2...20 kPa), aflat n micare longitudinal. Mediul activ este realizat de C02, celelalte gaze constituind mediul de descrcare.

Fig. 10

Schema de principiu a unui laser cu C02 cu flux longitudinal de gaz

Cu ajutorul sursei de alimentare 2, care asigur o tensiune ridicat, n interiorul tubului se iniiaz o descrcare electric ntre electrozii 3 (de potenial ridicat) i electrozii 4 (conectai la 32

pmnt), ce determin trecerea n stare excitat a atomilor gazului. Limitarea curentului de descrcare este realizat de rezistorul 5. La capetele tubului sunt plasate oglinzile 6 (netransparent) i 7 (semitransparent), iar ntre ele oglinzile netransparente 8, pentru schimbarea direciei fascicului. Pompa de vid 9 realizeaz vidarea preliminar a tubului, dup care se introduce amestecul de gaze, la presiunea necesar, prin ventilul comandat 10. Rcirea pereilor tubului se face prin conveie forat, cu ap, prin circuitul hidrostatic 11. Procesul de rcire la laserii cu gaz nu este prea eficient, de aceea puterea laserului este limitat la cea 80 W pe un metru de tub de descrcare. La puteri de 1 kW ar fi necesar o lungime de cea 12 m de tub de descrcare, implicnd un gabarit mare, dar i tensiuni uriae de alimentare a descrcrii. Pentru reducerea gabaritului instalaiei, tubul de descrcare se realizeaz sub form de secii, cu procese de descrcare independente, amplasate paralel i conectate n serie din punct de vedere optic. n figura 4.10 s-au reprezentat 2 secii, dar pe acelai principiu numrul lor poate fi mult mai mare (4 sau 6). Puterea poate crete pn la 1 kW pe metru de tub dac se realizeaz un circuit nchis pentru gaz, care este rcit ntr-un sistem exterior de rcire (cu azot lichid), meninndu-se i rcirea cu ap a tubului de descrcare. Inversiunea de populaii la laserul cu C02 se realizeaz att direct (prin ciocniri cu electronii liberi) ct i prin transfer vibraional de la moleculele de N2 excitate. Energia necesar electronilor este de numai 3 eV. Heliul are un rol important n meninerea unei descrcri electrice stabile, precum i n evacuarea cldurii spre pereii tubului, deoarece are o conductivitate termic ridicat. Molecula de C02 cere o energie de disociere de 5,5 eV i n situaia inversiunii de populaie unii electroni au energii suficient de mari pentru a provoca transformarea bioxidului de carbon n monoxid de carbon. Se obine monoxid de carbon care este stabil i oxigen care se opune inversiunii de populaii. Astfel, efectul laser se diminueaz cu timpul. Corectarea acestui efect se realizez prin introducerea de vapori de ap la presiune mic, care ajut la regenerarea moleculei de C02. Totui, dup cca 2000 ore emisia laser scade la jumtate, necesitnd nlocuirea gazelor din tub. Dac se adaug xenon, descrcarea electric n gaze este mai bun. Laserii cu C02 pot lucra n regim continuu sau n regim de impulsuri cu durate de 1...105 us, iar descrcarea poate fi alimentat de la o surs de curent continuu sau de curent alternativ. Prin utilizarea surselor de frecvene mari (20...30 MHz) se aduc avantajele descrcrii de nalt frecven (lipsa ineriei arcului electric, stabilitate bun, durat de via crescut pentru electrozi). Un alt avantaj al acestui tip de laser este posibilitatea reglrii intensitii radiaiei laser (deci a puterii) prin modificarea valorii curentului de descrcare. Randamentul unui laser cu C02 este de cea 9%, putnd fi mrit pn la 15% prin circulaia gazului transversal fa de circulaia curentului electric de descrcare. Laserii cu descrcare electric n gaze sunt caracterizai prin presiune sczut (1,2...1,8 kPa), ceea ce duce la o concentraie sczut a centrelor active (cea 10 /cm3), de cteva ordine de mrime mai mic dect la laserii cu mediu solid. Ridicarea presiunii la laserii cu descrcare n gaze ntmpin o serie de probleme: - descrcarea la presiuni de peste 3...4 kPa nu este stabil;

33Fig. 11 Laser cu ionizare

- creterea presiunii impune creterea intensitii cmpului electric n tub (pentru a folosi o tensiune de descrcare minim), ce conduce la creterea numrului de electroni din plasma din tub, deci la scderea numrului de atomi excitai. Problema creterii presiunii se rezolv dac se folosete excitaie combinat: electric i de ionizare. Radiaia de ionizare determin apariia electronilor liberi n mediul activ, iar cmpul electric asigur accelerarea lor. Electronii vor dobndi energie relativ mare, suficient de pentru a excita centrele active. n figura 11 este dat principiul laserului cu C02 cu ionizare. Electrozii 2 realizeaz cmpul electric intens pentru accelerarea electronilor. Electrodul superior este penetrabil pentru radiaia ionizant transmis din tubul 3 n incinta 1, asupra mediului activ. La capete sunt dispuse oglinzile netransparent 4 i semitransparent 5. Lungimea de und a radiaiei laser a laserului cu C02 este 10,6 um care este n msur considerabil reflectat de metale. Fenomenul se compenseaz prin puterea mare a fascicului.

Laserii ionici, denumii i laseri cu excimeri, au ctigat n ultima vreme tot mai mult teren n aplicaii. Excimerii sunt molecule biatomice excitate n gaze la presiune ridicat, ce constau ntr-un gaz nobil i atomi de halogen. Se folosesc curent: 0,05...0,3% halogeni (fluor sau clor), 1 ...10% gaze rare (kripton, xenon sau argon) i 90...99% gaz de baz (heliu sau neon). La revenirea pe nivelul de baz se emit radiaii laser n domeniul ultraviolet ( = 0,193...0,248 m, dup natura gazelor folosite). Datorit faptului c durata de meninere n starea excitat este foarte redus, cu acest laser se pot obine numai impulsuri cu durate foarte scurte (15...30 ns), dar cu puteri de impuls de 107 W. Lungimea de und mic face ca aceti laseri s fie folosii n aplicaii tehnice unde se cer prelucrri de material pe zone foarte mici i precise. Alte aplicaii: spectroscopie, fotochimie, medicin (oftalmologie). 2.5. Surse de alimentare a laserilor Att mediul activ, ct i sursa de alimentare (care asigur excitarea atomilor sau a moleculelor), constituie elementele principale ale unui laser. Surse de alimentare a laserilor cu mediu activ solid n acest caz, sursa de alimentare este alctuit din sursa de alimentare cu energie electric, lampa de descrcare i schema de alimentare a lmpii. Natura mediului activ impune tipul lmpii cu descrcare, care va avea un spectru de radiaii ct mai apropiat de spectrul de absorbie al mediului activ. Se folosesc lmpi cu xenon, kripton, cu vapori de mercur, cu vapori ale substanelor alcaline, lmpi cu incandescen cu halogeni, etc. Regimul de lucru al lmpilor poate fi: cu impuls unic; cu trenuri de impulsuri; cu funcionare continu. Controlul energiei laserului se face prin intermediul circuitului de alimentare a lmpii. n prezent exist o mare varietate de scheme electronice de alimentare ale lmpilor cu descrcare. Majoritatea schemelor folosesc dou circuite: un circuit pentru amorsarea descrcrii (ce realizeaz impulsuri de tensiune nalt), i un circuit de alimentare a descrcrii (care asigur tensiunea de lucru).

34

Surse de alimentare a laserilor cu mediu activ gazos Aceste surse nu necesit lmpi cu descrcare distincte, descrcarea realizndu-se printr-o poriune a tubului care conine mediul activ. Dac tubul este lung, se folosesc mai multe poriuni pentru descrcare. La capetele poriunii respective sunt plasai electrozi alimentai n regim de impulsuri de tensiune nalt (pentru laserii care lucreaz n regim de impuls) sau surse de putere ridicat, de tensiune i frecvene ridicate (pentru laserii care lucreaz n regim continuu). Impulsurile de tensiune ridicat se realizeaz prin ncrcarea iniial a unui condensator (acumulator de energie), care se descarc rapid (la comanda unui contactor static) prin nfurarea primar a unui transformator ridictor de tensiune. Comutatoarele statice, la instalaiile mai vechi, sunt realizate cu tiratroane cu hidrogen, permind realizarea unor impulsuri scurte (10-6...10-1 s) cu amplitudini de pn la 50 kV. Se obin energii de impuls de ordinul kJ i puteri de ordinul MW. Frecvena de repetiie a impulsurilor ajunge la 1 kHz. La instalaiile noi, comutatoarele statice sunt realizate cu tiristoare sau tranzistoare de putere. Alimentarea laserilor cu gaz ce funcioneaz n regim continuu se face de la generatoare de frecven nalt (20...30 MHz) i nalt tensiune, construite clasic dup scheme cu tuburi electronice sau tranzistoare de putere. Schemele sunt similare cu schemele de alimentare a instalaiilor de nclzire capacitiv prin cureni de nalt frecven. 2.6.Aplicaiile laserilor Dup valoarea energetic a radiaiei laser , aplicaiile laserilor se pot mpri n aplicaii active i aplicaii passive. Aplicaii active ale laserilor Fenomene termice la interaciunea fascicul laser-material Fasciculul laser posed un flux de energie cu valori foarte ridicate, capabil de a realiza prelucrri de materiale (sudri, guriri, tieri, gravri, tratamente termice de suprafa, etc). Densitatea maxim de putere al fascicului laser este foarte mare, comparativ cu alte procedee tehnologice, dup cum urmeaz: flacr oxiacetilenic - 105 W/cm2; arc electric -107 W/cm2; fascicul de electroni - 1011 W/cm2; laseri n regim de impulsuri: cu C02 - 2,5 1 08 W/cm2; cu neodim -1014 W/cm2. Prelucrarea termic cu laser prezint avantajele se pot prelucra materiale metalice sau dielectrice cu o capacitate mare de absorbie a radiaiilor laser, indiferent de duritate; se reduce timpul de prelucrare, prelucrarea decurgnd cu vitez mare; se pot prelucra piese cu dimensiuni foarte mici pn la foarte mari i cu suprafee complexe; nu exist contact mecanic scul-pies care s produc deformaii sau tensiuni interne; zona influenat termic este minim; se pot prelucra piese aflate n incinte transparente; nu necesit atmosfer controlat n zona de lucru; se pot realiza mai multe prelucrri speciale. Fenomenele care se petrec la interaciunea radiaiei laser cu un material sunt determinate de densitatea de putere i de durata pulsului laser. La densiti mai mici de putere se produce nclzirea materialului pe o adncime ce depinde de parametrii de material i de durata pulsului. La densiti de putere de peste 105 W/cm2 apare topirea materialului la suprafa i nclzirea spre interior. Dac densitatea de putere trece de 1011 W/cm2 se produce vaporizare, topire i nclzire, iar vaporii sunt ionizai formndu-se plasm. n cadrul aplicaiilor bazate pe procesarea materialelor, densitatea de putere se coreleaz 35

cu durata pulsului laser. Controlul evoluiei fenomenelor termice necesit cunoaterea: parametrilor fasciculului laser (densitatea medie de putere - L, densitatea medie de energie, raza fasciculului laser - a, divergena unghiular - , lungimea de und, durata de aciune a pulsului - t) caracteristicile termofizice i optice ale materialului (cldura specific masic - c, conductivitatea termic - , difuzivitatea termic - k, coeficientul de absorbie, rugozitatea, emisivitatea - ). Tierea i decuparea cu fascicul laser Pentru operaiile de tiere i decupare se folosesc densiti de putere de 105...107 W/cm i laseri cu C02, cu neodim, sau cu excimer. Duza laserului are dublu rol: focalizeaz fasciculul laser i realizeaz suflajul de gaz. Focalizarea este realizat de un sistem optic cu lentile, iar suflajul de gaz sub presiune ndeprteaz materialul evaporat, protejeaz elementele optice de particulele rejectate i rcete

Fig. 12 Tiere cu fascicul laser

marginile seciunii. Gazul de suflaj este: argon, azot sau aer pentru materiale moi (lemn, plastic, textile mpiedicnd carbonizarea pereilor tieturii) sau oxigen pentru materiale dure (titan, oeluri refractare). Oxigenul aduce un plus de energie exoterm, obinndu-se un arztor cu tiere laser, la care laserul este sursa de cldur, acionnd similar cu acetilena la un arztor cu tiere acetilenic. Semnificaia notaiilor din figura 12 este: 1 - duz, 2 - fascicul laser, 3 - gaz de lucru, 4 - linia de tiere. Debitarea cu laser se aplic att materialelor metalice ct i celor nemetalice. n tabelul 1 se prezint orientativ vitezele de tiere a unor materiale de anumit grosime, folosind laser cu C02. Tabel 1 Viteze de prelucrare ale unor materiale cu fascicul laser Material Grosime [mm] Viteza [m/min] Tieri nemetale 4 4,5 6,3 0,3 1,6 5,2 Tieri metale 1 4,5 3 1,17 36 Puterea [kW] 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4

ABS - plastic Ceramici Fibre sticl Oel galvanizat Otel clit

Otel inox Titan Otel inox Oteluri aliate Titan Titan Otel carbon

2,8 1,2 3 4,1 Sudur 1 0,38 11,5 0,5 10 0,7 7 1,5 Cliri de suprafee 0,5 cm (300 adncime cm2/min)

0,4 0,4 0,6 7 6 Ol

Laserul produce prea puin zgomot i noxe, poate tia foarte uor forme complexe fr s exercite fore mecanice asupra materialului. O larg utilizare este ntlnit n industria semiconductorilor, la tierea plachetelor, la care una din condiiile de baz este sterilitatea procesului. Fasciculul laser poate fi uor poziionat, i, ca urmare, pot fi realizate prin decupare piese cu forme complexe. Micarea relativ dintre fasciculul laser i pies, necesar pentru producerea unor tieturi continue, se realizeaz practic n mai multe moduri. La tierea cu laser a pieselor mici i uor de manevrat, acestea se deplaseaz sub fascicul laser staionar, cu ajutorul unei mese n coordonate xOy. La prelucrarea cu laser a pieselor mai mari, unitatea laser ce include capul de tiere, fie c se deplaseaz n raport cu piesa fix, fie un sistem mobil de oglinzi este ghidat ntre unitatea laser fix i pies. Aceast tehnic este denumit "optica zburtoare", iar principiul este redat n figura 13. Oglinzile 1 i 2 asigur deplasarea spotului pe cele dou axe de coordonate. Prin rotaia oglinzii 1 de ctre servomotorul 3 se asigur deplasarea pe direcia x. Analog, oglinda 2 i servomotorul 4 asigur deplasarea spotului pe axa y n planul de lucru 6. Faciculul laser 5 este focalizat cu o distan focal mare pentru a avea spoturi mai mari pe oglinzi dect pe pies. Oglinzile au factor de reflexie foarte bun i sunt rcite forat.

Fig. 13

Deflexie cu oglinzi a fasciculului laser

Dac viteza de avans este mrit, fasciculul laser produce trasee nestrpunse pe suprafaa materialului (oel, plastic, lemn, sticl, granit, marmor, etc), de limi ce pot atinge domeniul micronilor. Se realizez aplicaii de gravare, trasare sau marcare . O aplicaie de efect este realizarea de gravri sau inscripionri n interiorul unor materiale transparente (sticla organic, cuar), prin folosirea a 2 fascicule laser concurente ntr-un punct din interiorul materialului. Acel punct este solicitat termic ducnd la topiri i solidificri opace. Prin 37

deplasarea punctului de concuren al fasciculelor se obine desenul dorit, avnd form plan sau spaial. Gurirea cu fascicul laser Gurirea cu fascicul laser se recomand pentru obinerea gurilor mici i foarte mici n materiale dure i extradure. Din considerente economice se limiteaz diametrele la valori cuprinse ntre 0,0015...1,5 mm, n materiale cu grosimi de pn la 14 mm. Laserele recomandate sunt de tipul YAG - Nd, cu pulsuri cu durate scurte (ordinul us) i repetate. Fiecare puls realizez evaporarea i evacuarea unei pri de material din zona expus. Forma gurilor rezultate este uor tronconic, iar calitatea suprafeei pereilor este satisfctoare. Perforarea ceramicilor sinterizate i a cristalelor dure, realizarea n condiii superioare a lagrelor cu pietre preioase la mecanisme fine, precum i gurirea la diferite unghiuri, reprezint o pondere important a acestei aplicaii. Sudarea cu fascicul laser Sudura cu fascicul laser se realizeaz n timpi scuri i are dimensiuni foarte mici. n cazul sudrii metalelor, temperatura Ts n zona sudurii trebuie s 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 folosete laser cu neodim n regim de relaxare, dar la valori mai mari i pentru cordoane de sudur se folosete laser cu C02 n regim continuu. Este de reinut c la impulsuri de peste 2 ms, materialul se nclzete la o temperatur mai mare dect punctul de fierbere, materialul fiind aruncat n sus, iniial sub form de vapori, apoi i sub form de micropicturi. La sudare cu radiaie laser n regim continuu materialul se topete datorit conductivitii termice, iar zona de topire se formeaz mai lent dect la sudarea n impulsuri. Spre deosebire de tiere sau gurire, sudarea are nevoie de densitate de putere mai mic a fasciculului. Avantajele sudrii cu laser: zona de influen termic n vecintatea sudurii este mic datorit timpului scurt de realizare a sudurii. n acest fel se pot suda fire sau table subiri pe suporturi metalice; deformaiile sau contraciile n suduri sunt neglijabile; sudurile pot fi extrem de fine (n microelectronic, n mecanic fin); se realizez suduri n locuri inaccesibile, neexistnd condiia contactului electrodului cu suprafaa de sudat; se pot realiza suduri speciale la diferite unghiuri, prin direcionarea prin reflexie a fasciculului cu ajutorul oglinzilor; se pot realiza suduri n incinte nchise, prin ferestre transparente pe unde se focalizeaz fasciculul laser; timpul de realizare a sudurii este foarte mic; sudura cu laser este uor de inclus n orice proces tehnologic automatizat. Tratarea suprafeelor cu fascicul laser Tratarea suprafeelor cu fascicul laser se realizez n scopul obinerii unor caliti superioare ale suprafeei materialelor: duritate, aspect, rezisten la ageni chimici, alte proprieti fizico-chimice. Tratarea suprafeelor cu fascicul laser se realizez: exact pe poriunea expus; fr utilizarea de lichide tehnologice de rcire - ceea ce constituie elemente de noutate i avantaje fa de metode similare.

38

Durificarea suprafeelor cu fascicul laser constituie utilizarea cea mai ntlnit n aceast grup de aplicaii. n urma tratamentului de durificare suprafaa materialului capt rezisten crescut la uzur. Tratarea suprafeelor cu fascicul laser are patru variante de realizare, care vor fi descrise, succint, n continuare. Tratamentul termic prin topire - revenire Principiul metodei const n nclzirea cu ajutorul laserului a suprafeei materialului deasupra punctului de topire, urmat de revenire (rcire rapid la temperatur mai sczut dect temperatura de cristalizare). Are loc fenomenul de clire, la care crete concentraia grunilor metalografici. Pe lng creterea duritii are loc i o uniformizare a rugozitilor de pe suprafa (netezire cu laser). Deplasarea relativ a fascicului fa de material se realizeaz prin deplasarea materialului cu vitez constant (1...5 mm/s), fasciculul fiind fix, sau fasciculul laser execut micarea de avans pe dou direcii, iar materialul este imobil. n figura 14 semnificaia notaiilor este: 1 - fascicul laser, 2 - zon topit, 3 - zon tratat termic. La tratarea termic a suprafeelor mari, de regul piesa se deplaseaz cu vitez constant, iar fasciculul execut o micare de oscilaie pe o direcie perpendicular pe direcia de deplasare a piesei. Se produce topirea unui strat de 10...300 um, care dup trecerea fascicului se rcete rapid.

Fig14. Tratament termic cu laser

Tratamentul termic prin aliere superficial Alierea superficial reprezint topirea cu ajutorul fascicului laser a unei pelicule subiri (2...15 um) dintr-un material diferit de materialul suport, care a fost mai nainte depus prin galvanizare. Materialul depus electrochimie este n general un material (crom, nichel, cadmiu, etc.) ale crui caliti se cer transpuse asupra suprafeei de tratat. Prin topirea acestei pelicule cu fascicul laser, se formeaz la suprafaa piesei un strat micrometric din materialul depus electrochimie, urmat de un strat gros de cteva straturi atomice din aliaj intermetalic (material de protecie + material suport). Astfel, rezistena la uzur sau la ageni chimici a stratului de protecie este completat cu o aderen nalt. Depuneri de straturi subiri cu laser pulsat Acest procedeu - Pulsed-Laser Deposition (PLD) - face parte din categoria depunerilor de nalt tehnologie. Filmele subiri i gsesc largi utilizri pentru obinerea de straturi reflexive sau antireflexive, celule solare, componente electronice, straturi superconductoare, etc. 39

De data aceasta, aciunea fascicului laser se exercit asupra materialului de depus i nu asupra suprafeei de tratat. Schema de principiu a instalaiei este dat n figura 15. n incinta metalic 7, vidat prin racordul 10, se introduc prin racordul 6, la joas presiune, anumite gaze, cum ar fi 02 i N2. Materialul de depus 3, denumit material int, este plasat n suportul 2. Asupra lui se focalizeaz fasciculul 7 prin hubloul transparent 8. inta, sub forma unor pastile sau folii, de puritate a materialului de 99,9%, se rotete continuu cu ajutorul axului 4 pentru a se evita gurirea. Impactul fascicului laser cu inta provoac nclzirea, topirea, evaporarea, producerea plasmei datorit excitrii i ionizrii de ctre fotoni .

Fig.15 Depuneri de straturi subiri cu fascicul laser

Materialul astfel expulzat - 5, este transportat prin expansiune adiabatic n vid i apoi depus pe substratul 9 - aezat paralel cu inta (la distan de 3...6 cm). O depunere uniform este asigurat dac substratul 9 este nclzit la temperaturi peste 400C. Laserul folosit este cu excimer, avnd densitate de energie mare (3...5 J/cm2), pulsuri scurte de ordinul zecilor de ns, frecvena de repetiie de ordinul zecilor de Hz i un spot de cea 3 mm2. Se asigur depuneri cu viteze de 200...500 A/min pe suporturi semiconductoare, magnetice, etc. Curirea suprafeelor cu laser n scopul creterii aspectului estetic i punerii n eviden a aspectului iniial, metoda curirii cu laser se aplic cu succes materialelor care n decursul timpului au acumulat la suprafa depuneri de murdrie, fum, oxizi, microorganisme vegetale. Metoda se aplic la: sculpturi n piatr, marmur, os, filde, detalii sculpturale pe cldiri, picturi n fresc, tencuieli, suprafee cu vopsea degradat. Curirea prin jet de aer cu abraziv sau cu aburi sub presiune conduce la defecte majore prin atacarea materialului de baz, iar curarea chimic las reziduuri n material, iar reacia nu poate fi controlat. Prin folosirea laserului, curirea este foarte puin agresiv i controlabil. Fotonii realizez prin efect termo-mecanic desprinderea stratului de murdrie de substrat. Se folosete laser YAG:Nd, cu lungimea de und = 1,06 um, a crui

40

radiaie este absorbit foarte bine de stratul de murdrie. Piesa de mn (scula) este asemntoare unui stilou i include i o lentil concav pentru a asigura un fascicul laser divergent. Laserul emite impulsuri scurte de 5...10 ns, prevenind transmiterea cldurii prin conducie termic la materialul suport. Densitatea de energie primit de suprafa se ajusteaz reglnd energia pe puls, frecvena de repetiie a pulsurilor sau distana de la scul la suprafa. De regul, densitatea de energie este sub U/cm2, pentru a minimiza riscul de afectare al substratului. Impulsul scurt determin nclzirea brusc a stratului de murdrie, cu expansiunea rapid i obinerea de fore suficiente pentru ejectare de pe substrat. Dac densitatea de energie este peste U/cm2, o parte din materialul expus se vaporizeaz, cu risc de formare de plasm deasupra suprafeei i generare de unde de oc. Fenomenul de desprindere este mai puin selectiv. Apa poate fi folosit cu bune rezultate. Stratul de murdrie absoarbe apa, iar prin expunere la radiaie laser, apa se evapor exploziv i exercit fore n interiorul stratului, determinnd ejectarea lui. Avantajele metodei: ofer o bun selectivitate, nu exercit contact mecanic cu suprafaa, are aciune localizat (de la fraciuni de mm, la 1 cm), control imediat i posibilitate de reacie imediat (ntreruperea fascicului stopeaz procesul), procesul este curat i silenios, protecia mediului este asigurat prin aceea c nu se produc alte substane dect particulele desprinse de pe suprafa. Aplicaii pasive ale laserilor Aplicaiile pasive ale laserilor sunt vaste: alinieri, msurri, telecomenzi, telecomunicaii, stocarea i citirea datelor, copieri de documente, dispozitive de identificare, aplicaii n medicin, holografia, aplicaii militare, aplicaii spaiale, etc. Trasajul optic (alinierea) cu laser Alinierea se folosete la realizarea de construcii mari, construcia de poduri, drumuri, tunele, canale, alinieri de stlpi, alinieri de subansamble mari, etc. Se folosete un laser de putere mic, cu radiaie n spectrul vizibil, de regul laser cu heliuneon. Precizia de aliniere este de 1/100 mm la civa zeci de metri sau 1/50 mm la civa kilometri. Msurri folosind fascicul laser Sunt posibile msurri 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 msurarea distanelor, vitezelor, vibraiilor, grosimilor, nivelului sau poziiei unui reper . Interferometria laser permite msurri de niveluri n medii inaccesibile, msurarea deformaiilor (fr contact, cu precizie de 1 um), etalonri pe maini-unelte, poziionri de precizie la maini-unelte cu comand numeric, etc. Se folosete un dispozitiv similar interferometrului Michelson, reprezentat n figura 16. Schema conine o surs laser - 1 cu lungime de und!, o prism fix - 2, o prism mobil 3, un divizor de fascicul - 4 (oglind parial reflectant, cu factorul de reflexie 0,5 plasat la 45 pe traseul fascicului laser), un fotodetector - 5, un numrtor - 6 i un afiaj - 7.

41

Fig. 16Msurarea deplasrilor prin metoda interferometric Raza laser, la ntlnirea divizorului de fascicul, se divide n dou componente care se propag pe direcii diferite. Raza a este reflectat la 90, ntlnete prisma fix (sau o oglind) i se rentoarce. Raza b urmeaz traseul iniial, ntlnete prisma mobil i este reflectat napoi. Cele dou raze ntoarse se rentlnesc pe divizorul de fascicul, producndu-se fenomenul de interferen. Franjele de interferen cuprind maxime i minime ce alterneaz. Punctele de maxim corespund situaiei n care maximele undelor reflectate se suprapun i au acelai sens, iar punctele de minim corespund situaiei n care maximele undelor reflectate se suprapun i au sensuri contrare. Dac un punct P de pe divizorul de fascicul se regsete 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 i iari n maxim. Fotodetectorul sesizeaz maximele i minimele i transmite cte un impuls la o deplasare a organului mobil (pe care se afl montat prisma mobil) cu AI2. Aceste impulsuri sunt numrate de numrtor, convertite n milimetri i afiate. Precizia este de Al2, indiferent de distan. La folosirea unui laser cu heliu-neon cu A = 0,632 um, precizia este de 0,316 um, cu mult mai bun dect a traductoarelor de deplasare de tip inductosyn sau resolver. Avantajele metodei sunt: domenii de msurare foarte largi (100 m pentru deplasri i 3m/s pentru viteze); obinerea datelor sub form numeric, uor de utilizat n sistemele de comenzi numerice; insensibilitate la unele condiii de mediu (praf, fum, temperaturi ridicate). Radarul optic permite msurarea distanelor terestre (civa km...mii de km), msurarea nlimilor i a reliefului, telemetria lunii, msurri de distane fa de nave, avioane, etc. La fel ca la Radar sau Sonar, se msoar intervalul de timp dintre momentul declanrii unui impuls laser i momentul ntoarcerii sale. Durata impulsului trebuie s fie mai mic dect timpul necesar luminii s se ntoarc la obiect. Schema de principiu este dat n figura 17.

Fig.17 Msurarea distanelor

42

Fasciculul laser, creat de sursa laser SL, declaneaz blocul de msur a timpului BMT, iar fasciculul reflectat, captat de blocul de recepie BR, oprete msurarea. Distana msurat este: s = c t / 2 , unde c este viteza luminii, iat t - timpul msurat. Cu o astfel de metod s-a msurat, dup ce misiunea Apollo 11a plasat pe Lun un reflector special, distana Pmnt - Lun, de 384 403 285,18 m cu o precizie de +15 cm. Alte aplicaii metrologice ale laserului sunt la msurarea granulaiei unor substane sau a grosimii unui fir. Se folosete fenomenul de difracie, fenomen de aparent ocolire a obstacolului de ctre lumin. Transmisia digital a semnalelor se face prin radiaia diodelor laser prin fibre optice. Avantajele sunt legate de: capacitatea de transmitere este foarte mare, depind 1 Mb/s; se pot asigura comunicaii simultane (telefonice, transmisie de date, etc); eliminarea cuprului pentru cabluri; eliminarea coroziunii cablului; lipsa efectelor date de perturbaiile electromagnetice. Aplicaiile laserului n medicin Aplicaiile laserului n medicin pot fi grupate n trei categorii: chirurgicale, terapie fotodinamic i fotostimulare. n chirurgie, radiaia laser se folosete pentru secionri, coagulri sau distrugerea unor formaiuni prin vaporizare. Se bazeaz pe fenomenul termic, de aceea laserul are putere medie, cu funcionare n impulsuri. Avantajele metodei: concentrarea mare de energie, pe o suprafa restrns, deci posibilitatea de a efectua incizii foarte precise fr a atinge esutul din jur; lucrul fr contact direct cu esutul, eliminndu-se traciunea mecanic; lucrul n regim de impulsuri conduce la afectarea termic minim a esutului din jur; fa de cauterizarea electric localizarea este mai precis, se micoreaz probabilitatea hemoragiei, scade cantitatea de fum n urma carbonizrii esutului. Cea mai larg utilizare este n oftalmologie (operaii de cataract, n desprinderi de retin, n glaucom, tumori oculare, anevrisme coroidiene). Cu succes s-a reuit folosirea laserului n corectarea astigmatismului. Se folosesc laseri de mic putere, cu excimeri sau YAG:Nd. n ORL laserul se folosete n maladii ale urechii medii, la eliminarea unor polipi laringieni, la incizia corzilor vocale. n chirurgia toracic cu ajutorul laserului se realizez 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 formaiuni (fascicul colimat, cu diametru peste 2 mm, 2500...25000 W/cm2, aplicat peste 0,5 s). n chirurgia laparoscopic conducerea radiaiei la locul aplicrii se face prin fibre optice. Se folosesc lasere cu YAG:Nd. n dermatologie se trateaz angioame sau leziuni pigmentare. n oncologie iradierea laser distruge tumori superficiale (cutanate, de col uterin, cervicofaciale, rectale, etc). n chirurgia cardio-vascular, laserele cu excimer se folosesc n angioplastie. Permite eliminarea ateroamelor fr a afecta peretele vascular. n neurochirurgie fasciculul laser permite nlturarea cu precizie a tumorilor aflate n preajma unor zone sensibile.

43

n stomatologie utilizarea laserului este din ce n ce mai larg. Laserul cu C02 este folosit n chirurgia i tratamentul cavitii orale, cu avantajele: nu necesit anestezie local; procedeu cu sngerare minim; vaporizeaz carii mici, superficiale; sterilizeaz canalicule dentinale. Laserul YAG:Nd n regim de pulsuri, cu aplicare a fasciculului prin fibr optic, este folosit n tratamentul pungilor gingivale prin aplicarea fibrei ntre pulp i dinte. Are loc sterilizarea prii tratate, reducerea procesului inflamator, stimularea esutului i renoirea aderenei cu gtului dintelui. Alt utilizare: golirea i sterilizarea canalelor dentare prin aplicarea fascicului prin fibr optic subire. Folosind laser YAG-Erbiu, cu lungime de und 2,9 um, se realizez tratamente pe esuturi dure (smal, dentin, ciment, os). n chirurgia plastic laserele se folosesc cu succes, conducnd la incizii fine, vindecri rapide i cicatrice neobservabile. Terapia fotodinamic se refer la inducerea unor reacii fototoxice care duc la distrugerea proliferrilor maligne. Mecanismul este urmtorul: anumii derivai ai hemoporfirinei se concentraz foarte selectiv n celulele canceroase. La iradierea cu lumin albastr, celulele devin fluorescente, ceea ce permite localizarea tumorii. Iradierea cu laser de culoare roie induce reacia fototoxic, prin eliberare de oxigen singlet, ceea ce duce la moartea tumorii. Biostimularea se bazeaz pe efectele netermice ale radiaiei de mic putere (10...90 mW). Se obine stimularea sau inhibarea unor procese funcie de intensitatea radiaiei i de lungimea de und. De regul stimularea se obine la puteri mici, iar inhibarea la puteri mai mari. n vindecarea plgilor, iradierea laser stimuleaz regenerarea celular, sinteza colagenului, stimuleaz revascularea i scurteaz durata procesului inflamator. Transformarea fibroblatilor n miofibroblati duce la accelerarea regenerrii fibrelor musculare. Asupra nervilor periferici, radiaiile laser au un efect benefic. Se consider c radiaia laser modific echilibrul energetic al sistemului nervos. S-au obinut rezultate bune n tratamentul mialgiilor, nevralgiilor de trigemen, rinitelor, sinuzitelor, asmului bronic, otitei, etc. n cosmetic, folosind laseri Erbium sau N-Lite, se amelioreaz aspectul pielii (ndeprtarea ridurilor, tatuajelor, urmelor acneei, etc.) Datorit efectelor deosebite n regenerarea esuturilor, radiaia laser este denumit "vitamin optic". Alte aplicaii ale laserului: realizarea hologramelor, citirea/stocarea informaiilor pe discuri optice, fotocopieri de documente, transportul la distan al energiei, mbogirea uraniului 235 sau n domeniul divertismentului la realizarea de spectacole nocturne, cu proiecii de imagini computerizate .

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

44

3.TEHNOLOGII DE PRELUCRARE CU PLASM 3.1.Definiia plasmei. Gradul de ionizare. Caracteristicile plasmei termice Plasma este un ansamblu de particule pozitive, negative, neutre i fotoni avnd proprietatea de neutralitate electric la scar macroscopic. Particulele pozitive sunt ionii atomici i moleculari iar cele negative sunt electronii. Particulele neutre sunt atomii sau moleculele aflate n stare cuantic fundamental sau excitat. Prin dezexcitarea acestora iau natere fotonii. Starea ionizat gazoas reprezint cea de-a patra stare de agregare a materiei. Nu orice gaz ionizat este plasm. Din punct de vedere energetic, plasma se afl pe cel mai nalt nivel. Trecerea de la starea de gaz la plasm necesit un aport energetic n medie de 1...30eV / particula . Dac trecerea la plasm se face prin ionizri termice la temperaturi 104...105 K, se obin plasme slab ionizate, iar la temperaturi de 107 K se obin plasme total ionizate, fr particule neutre. ntre particulele plasmei au loc ciocniri elastice i ciocniri neelastice, ca n orice gaz. Cele din urm constituie factorul principal de transformare a gazului neutru n plasm. De exemplu, ciocnirea unui electron rapid cu un atom neutru poate produce fenomenul de ionizare, deci apariia unui ion pozitiv i a unui electron. De asemenea, acest tip de interaciune produce fenomenul de excitare, fenomen care populeaz plasma cu atomi excitai pe diferite nivele; prin dezexcitare, aceti atomi emit fotoni, ce populeaz plasma cu radiaie electromagnetic. Raportul x dintre numrul de particule ionizate , din unitatea de volum i numrul total de particule din aceeai unitate de volum se numete grad de ionizare:

unde nn este numrul de particule neutre. In funcie de gradul de ionizare, plasmele se mpart n trei categorii: plasme slab ionizate ( 800 MHz). Construcia de principiu a magnetronului este prezentat n figura 1. Funcionarea lui se bazeaz pe micarea electronilor n cmpuri statice, electric i magnetic, ortogonale. Magnetronul cilindric conine un anod din cupru prevzut cu caviti rezonante, n centrul cruia se gsete un catod din wolfram thoriat care, nclzit la 2000C, emite electroni. Sub aciunea conjugat a cmpului electric radial din spaiul de interaciune i a unui cmp magnetic exterior cu direcia paralel cu axa anodului, electronii se vor deplasa pe direcii cvasicirculare n jurul catodului cu viteze ce depind de intensitile cmpului electric i magnetic ce asigur funcionarea magnetronului n regim de oscilaie. In acest mod electronii sunt frnai n cmpul electric de nalt frecven i cedeaz catodului o parte din energie la trecerea prin dreptul fiecrei caviti rezonante. Anodul prezint fante i caviti longitudinale dispuse radial la o distan egal cu aproximativ un sfert din lungimea de und. Acestea alctuiesc circuite rezonante cuplate ntre ele, cu frecven determinat de configuraia geometric, figura 1b, i care permit extragerea puterii printr-o bucl cuplat la oricare dintre caviti. Cavitatea rezonant este un circuit acumulator de energie electromagnetic.

Figura 1. Construcia de principiu a magnetronului

59

Dimensiunile cavitilor rezonante sunt calculate pentru a oferi o frecven de rezonan egal cu o frecven adecvat, cu o anumit toleran (de exemplu 2450 MHz 25 MHz) Unghiul de faz al unui sector anodic este = 2 n / N , unde n - numrul de lungimi de und care apar n blocul anodic, iar N este numrul de sectoare ale magnetronului cilindric. n deplasarea sa de la catod la anod, electronul trebuie s interacioneze eficient cu cmpul electric de microunde, cu condiia ca viteza lui s fie apropiat de viteza de propagare a cmpului electromagnetic n spaiul dintre anod i catod, considerat ca un ghid de und cu perioada egal cu un sector. Pentru unghiul de faz = n, timpul de deplasare te a electronului de la o cavitate la alta se calculeaz cu relatia: 2 ra tc = N 0unde ra - raza interioar a anodului, v0 = 0 ra - viteza tangenial a electronului. Condiia de sincronism, care permite interaciunea ndelungat ntre cmpul electric de microunde i electron, este ca viteza unghiular e , a electronului s satisfac relaia:

e = N / 2 0Ieirea din sincronism definete domeniul de lucru al magnetronului. Caracteristicile de funcionare ale magnetronului sunt curbe parametrice Uo = f(I0) unde U0 - tensiunea anodic [kV], I0 - curentul anodic [A], B0 - inducia magnetic [T].

Figura 2. Caracteristici de funcionare ale magnetronului Modificarea induciei B0 este o modalitatea de control i reglaj al puterii. n figura de mai jos este prezentat schema de alimentare a unui magnetron de putere redus.

Figura 3. Schema de alimentare a magnetronuluin raport cu tensiunea aplicat U0 se definete o valoare critic a induciei magnetice, prin relaia:

60

Reglajul induciei impune utilizarea unui electromagnet drept surs. unde e i me sunt sarcina respectiv masa electronului n repaus, iar ra i rc sunt razele de la anod respectiv de la catod. Amplificarea se obine prin interaciunea dintre un fascicol de electroni i cmpul electric de microunde al magnetronului. 4.4.Aplicatorul de microunde Aplicatorul de microunde este ansamblul n care se desfoar procesul de nclzire prin interaciunea energiei microundelor cu materialul de procesat. Geometria aplicatoarelor de microunde este determinat de: ambiana de lucru (aer, vid); asocierea cu alte forme de energie (infraroii, aer cald); modul de procesare - regim static sau continuu; materialul de procesat. n funcie de domeniul de utilizare, exist patru categorii de aplicatoare: aplicatoare cu und mobil; aplicatoare monomod sau tip ghid de und; aplicatoare multimod; aplicatoare cu structuri speciale. Aplicatoarele cu und mobil Acest tip de aplicatoare se caracterizeaz prin aceea c undele electromagnetice generate de magnetron se propag n lungul acestora cu viteza c = f , unde f este frecvena de oscilaie a undei electromagnetice, iar este lungimea de und.

Figura 4. Aplicator cu cavitate cilindric 1- ghid de und, 2 - cavitate cilindric, 3 - material procesat Din punct de vedere al nclzirii materialelor intereseaz valoarea maxim a vectorului cmp electric i distribuia curenilor de conducie pe suprafaa aplicatorului. Aceste aplicatoare se recomand pentru nclzirea materialelor cu pierderi dielectrice mari, n flux pe band transportoare. Pentru materialele cu pierderi dielectrice mici ele devin prea lungi. Un aplicator cu und mobil este aplicatorul axial, tip cavitate, care este un ghid de und care funcioneaz n modul T E ] 0 cu cmpul E orizontal, iar sarcina se deplaseaz n sens direct sau invers n raport cu fluxul energiei microundelor. Se folosete pentru nclzirea materialelor sub form de benzi, cu limea de apoximativ 3/8 aer sau pentru procesarea produselor cu configuraie cilindric. Sarcina adaptat (cu circulaie de ap) are rolul de a disipa energia neabsorbit de ctre materialul de procesat i poate fi un scurtcircuit metalic. Dac la intrarea n ghid se plaseaz o plac metalic prevzut cu o fereastr, atunci reflexiile undei ntre cele dou obstacole determin un regim de unde staionare. Aplicatoarele monomod reprezint caviti rectangulare cu capacitate mare de stocare a energiei electromagnetice transformat n cldur de ctre curenii de deplasare i de convecie care strbat materialul dielectric. n ghidul de und tip cavitate dreptunghiular se pot practica fante pe pereii laterali sau pe suprafeele orizontale. O fant practicat n peretele vertical al ghidului determin ntreruperea pnzei de cureni superficiali; rezult o pnz de cureni de 61

deplasare prin fant i are loc radiaia cmpului electromagnetic. Aceast fant lucreaz ca o anten, iar repartiia cmpului n interiorul ghidului este perturbat. Se recomand ca nlimea f