Лазерын керамик савангууд нь үйлдвэрт хоёр гол зориулалттай. Эхлээд, тэд лазерын цацрагийг шаардлагатай чиглэлд нарийвчлалтайгаар дамжуулахад тусалдаг. Хоёрдахь нь, эдгээр савангууд огтлолтын үед хүчилтөрөгч эсвэл азот зэрэг тусламжийн хийн урсгалыг удирддаг. Керамик савангуудын тойрог хэлбэр нь хайлуулсан материалыг огтлолтын бүсээс зэрэг холдуулж байх үед лазерын цацрагийг ажлын гадаргуу дээр төвлөрүүлэн барьж чаддаг. Хэвийн металл хувилбаруудтай харьцуулахад керамик материал нь лазер огтлох явцад ихэвчлэн тохиолддог маш өндөр температурт гарах халуун эвдрэл, исэлдэлтэнд илүү сайн тэсвэрлэдэг. Энэ нь лазер удаан хугацаанд зөв байрлаж, замаасаа хазайхаас сэргийлдэг гэсэн үг юм. Керамик савангууд мөн огтлолтын ирмэгүүд дээрх шлакийн хэмжээг багасгадаг бөгөөд машиний дээд талд байрлах мэдрэг оптик бүрэлдэхүүн хэсгүүдийг хамгаалдаг. Хэд хэдэн үйлдвэрлэлийн компаниудын саяхны талбайн тестийн дүгнэлтээр сайжруулсан савангийн загварт хөрөнгө оруулсан компаниуд олон төрлийн материал дээр огтлох нарийвчлал болон үйлдвэрлэлийн хурдны хувьд илт сайжралыг тэмдэглэсэн байна.
Савааны хэлбэр болон хэмжээ нь материалыг хэр хурдан огтлох, мөн процессийн туршид хичнээн их энергийг ашиглахад ихээхэн нөлөө үзүүлдэг. 0.8-1.2 миллиметр хоорондын жижиг нүхтэй савааг авч үзвэл эдгээр нь илүү хурдан хийн урсгал үүсгэж, цонхины зузаан материал дээр хурдан, цэвэр огтлолт хийхэд тохиромжтой байдаг. Харин 2-3 мм орчим том нүхтэй саваа нь зузаан металл хавтангийн хувьд даралт ба агаарын эзлэхүүнийг илүү сайн зохицуулдаг. Зарим судалгааны дагуу тохируулга сайн хийгдсэн саваа нь хийн турбулентийг ойролцоогоор гучин хувиар бууруулах боломжтой бөгөөд энэ нь 0.1 мм нарийвчлалтай үр дүн гарган авах үед ч бага цахилгаан хэрэглэхийг хангана. Термокамик саваа нь доторх гадаргуу илүү гөлгөр учраас хийгээр дамжих үеийн эсэргүүцэл бага байдаг тул илүү сайн ажилладаг. Энэ нь лазерын чадал 6 киловаттыг давсан үед ч тогтвортой ажиллагааг хадгалахад тусалдаг бөгөөд мөн эд ангиудын амьдралын хугацааг уртасгадаг.
Керамик саван нь туслах хийн үр дүнтэй байдлыг доорх гурван чухал шинж чанараар сайжруулдаг:
Тооцооллын шингэний динамик (CFD) загварчлал нь керамик саван нь сталь савантай харьцуулахад огтлолын урд талд 15%-иар илүү их хийн нягтшил үзүүлдэг бөгөөд иймд илүү цэвэр ирмэг болон өндөр хурдны хэрэглээнд сайжруулсан үзүүлэлт өгдөг.
Дөрвөн дэвшилтэт керамик өндөр чадалтай лазерын саванд доминын байр эзэлдэг:
| Материал | Өнгөрөх чадвар (W/mK) | Хамгийн их ажиллах температур (°C) | Гол давуу тал |
|---|---|---|---|
| Циркон | 2-3 | 2,300 | Бага дулааны задрал |
| Эрдэнэ | 30 | 1,750 | Электрийн аюулгүй байдал |
| Цахиурын нитрид | 15-30 | 1,400 | Дулааны хүчний эсэргүүцэл |
| Silicon Carbide | 120 | 1,650 | Эрчимтэй дулаан шингээлт |
Силикон карбид нь алюминийнхтай харьцуулахад гурван дахин илүү дулаан дамжуулах чадвартай тул 15кВ-с илүү системд илүү тохиромжтой бөгөөд тасралтгүй ажиллаж байх үед дулааныг үр дүнтэй тараах боломжийг олгоно.
Ковалент холбоо нь пластик деформацийг саатуулдаг тул керамикууд 2,000°C-с дээш температурт хэмжээний тогтвортой байдлаа хадгалдаг бөгөөд зэвсгэн саваанаас 300% илүү сайн. 500 термийн цикл (25°C – 1,200°C) загварчилсан стрессийн туршилтанд цирконийн савааны хазайлт 0.02 мм байгаа бол ган савааных 1.7 мм байв. Энэ нь термийн цохилтод маш сайн эсэргүүцдэг болохыг харуулж байна.
Керамик саваанууд нь тэдгээрийн өндөр Виккерсийн хатуулагийн үзүүлэлтээс шалтгаалан ихээхэн их бат бөх чанартай байдаг. Алумин нь ойролцоогоор 1,600 HV, цахиур карбид нь ойролцоогоор 2,500 HV-тэй байдаг нь эдгээр материалууд элэгдэлд тэсвэртэй байхыг тайлбарладаг. Бодитоор туршсанаар керамик саваа нь ердийн металл саваанаас илүү 5,000-15,000 цаг ажиллах боломжтой бөгөөд ердийн металл саваа зөвхөн 1,000-3,000 цаг л ажилладаг. Энэ нь компаниудад гурван жилийн дотор хамгийн багадаа орлуулах зардлыг 87% хэмнэх боломжийг олгох ба үйлдвэрлэлийн зогсонги байдалд 62% бууралт гарч байна. Нөгөө их давуу тал бол керамикийн исэлдэлтэнд тэсвэртэй байдал юм. Энэ нь ихэвчлэн металл хэсгүүд богино хугацаанд өртсөний дараа задардаг болох хүчилтөрөгчтэй хольж хайчлах үед маш чухал болдог.
Хэвийн ноозлүүд анхдагчаар 3–5 дахин илүү өртөмжтэй ч тэдгээрийн амьдралын хугацаа хамгийн ихдээ 400% илүү урт байдаг бөгөөд цаг тутамд огтлоход 28–35% хэмнэлт гаргадаг. 47 үйлдвэрлэлийн талбайд 2025 онд хийсэн судалгаагаар хөрөнгө оруулалтын өгөөж нь ерөнхийдөө 8–14 сарын дотор олдог болохыг харуулсан. Манай үед техникийн керамикууд нарийвчлал, дулаан тэсвэрт чадал шаарддаг өндөр шаардлагатай салбарт тусгаарлагдшгүй болсон.
4кВ-аас дээш чадалтай системүүдэд үлдэгдэл лазерын энерги болон хайлсан материал нооз руу дулаан дамжуулж, температурыг 1,200°C-ийг давах магадлалтай. Хэрэв удирдлага хийгдээгүй бол ингэснээр нооз деформацид орох, изналагдах, хийн урсгал тогтворгүй болох шалтгаан болно. Давтан ажиллаж буй горимд ноозны хэт халах нь амьдралын хугацааг хамгийн ихдээ 70% хүртэл богиносгох боломжтой бөгөөд иймд үр дүнтэй дулаан зохицуулалт шаардлагатай болдог.
Тэсрэх чанарын савнууд нь дулаан дамжуулах чадвартай байдгаас шалтгаалан байгалийн дулаан алдагддаг бөгөөд энэ нь тэдгээрийг юугаар хийснээс хамааран метр Кельвиний 3-оос ойролцоогоор 120 Вт хүртэл хэлбэлзэж байдаг. Жишээ нь, цирконийг авч үзэхэд халах цэгүүдийг савны үзүүр дэх үйлдвэрлэлийн бүсээс холдуулан чиглэлүүдийн хувьд жигд бус дулаан тараадаг бөгөөд ямар нэгэн хүчтэй хөргөлтийн систем шаардлагагүйгээр ажилладаг. Энэ нь практикт урт хугацаагаар ажиллуулсны дараа ч лазер зөв фокустой үлдэх боломжийг олгох бөгөөд үйлдвэрлэгчид нэмэлт зардал гаргаж, зай эзэлдэг томоохон гадаад хөргөгч төхөөрөмжүүдэд илүү их хамаарах шаардлагагүй болгодог.
6 кВт-ын ширхэг лазерт цахиур нитрид (Si₃N₄) ба зэсний савыг 2023 онд харьцуулан судалсан туршилт илүү сайжруулалттай байв:
Эдгээр ахиц нь өдөрт хийх үйлдвэрлэлийн хугацааг 19%-иар нэмэгдүүлэх боломжийг олгосон бөгөөд өндөр чадалтай тохиргоонд дулаан зохицуулахад цахиур нитридийн үр дүнтэй байдлыг баталдаг.
Шилэн материал сонгох нь ихэвчлэн бидний ажиллаж буй лазерын чадлын нягт, өөрөөр хэлбэл ваттыг квадрат миллиметрээр хэмжигдэхүйн түвшинд хамаарна. 3 киловатт доош чадалтай хэрэглээнд дулаан дамжуулах чадвар нь ойролцоогоор 35 Вт/мК байдаг энгийн алуминоксид хангалттай сайн ажилладаг. Гэсэн хэдий ч 6-10 кВ хүртэлх чадалд хүрэх үед системээс дулааныг илүү сайн холдуулах чадвартай зүйл шаардлагатай болдог. Энэ нь дулаан дамжуулах чадвар ойролцоогоор 120 Вт/мК бүхий цахиур карбид эсвэл ойролцоогоор 85 Вт/мК-ийн дулаан дамжуулалтай цахиур нитрид шиг сонголтуудыг ашиглахыг шаарддаг. Энэхүү тохирох материал зөв сонгосноор бүх ялгаа гардаг. Энэ нь бүх систем хэт халалтаас сэргийлж, байршилтын алдааг 0.01 мм-ийн шаардлагатай нарийвчлалын хязгаарт дотогш хадгалж, урт хугацаагаар бүрэн чадал дээр ажиллаж байхад ч гэсэн нарийвчлалыг хадгалж өгдөг.
Савааны хэлбэр нь хийн урсгалд ихээр нөлөөлж, хийх огтлолтын чанарыг шууд тодорхойлдог. Нэгтгэгч савааны загвар нь ердийн цилиндрийн хэлбэртэй саваатай харьцуулахад илүү гладкийн ирмэг үүсгэдэг бөгөөд зарим тохиолдолд үр дүнг 40% орчимоор сайжруулдаг. 2024 онд X-тодорхойлолтын аргыг ашиглан хийсэн сүүлийн үеийн судалгаа таг төвийн өнцгийн талаар сонирхолтой зүйлийг илчилсэн. Эдгээр өнцгүүд 60-75 градусын хооронд байх үед 15-20 м/с хурдтайгаар урсаж буй хийн урсгал дахь турбулент чимээгүй байдлыг эрс бууруулдаг. Энэ нь 5 мм зузаан цагаан тугалган хайлшийн хувьд ихэвчлэн ±0.1 мм-ийн дотор байдаг нарийн уртны тогтвортой байдлыг сайжруулдаг. Мөн коаксиал эгнэлтийг зөв тохируулах нь чухал. Хэрэв деталиудыг зөвхөн 0.05 мм-ийн дутагдалд нийцүүлэн эгнүүлсэн бол 30-50 мкм хэмжээтэй ирмэгийн гажгуудыг үүсгэдэг даралтын тэнцвэргүй байдлыг зогсоодог.
Коаксиал тохируулга зөв байх нь хийн тусламж 12 м/с-ээс дээш хурдтайгаар хайлсан металл ялзрахаас түүний мэдрэг оптик хэсгийг гэмтээхгүй байлгахыг хангана. Хэрэв жижигхэн хазайлт гарч, жишээ нь 0.2 мм-ээс илүү болвол, 10 мм-ийн энгийн харьцангуй ган хуудсанд дроссын үүсэлт ойролцоогоор 70%-иар ихсэж, илүү их хэмжээтэй болно. Хамгийн сайн үр дүнгийн тулд оворын хэмжээтэй тааруулан зайнд тохируулбал шулуун цацлага үүсэх ба энэ нь зэвэрдэггүй ган сплавтай ажиллах үед дулааны нөлөөнд өртсөн бүсийг ойролцоогоор 25%-иар бууруулдаг. Энэ нь материал бүтэц чухал байдаг олон тооны үйлдвэрлэлийн хэрэглээнд маш том ач холбогдолтой.
Орчин үеийн CFD симуляци нь 0.01 мм-ийн нарийвчлалтайгаар хий-бөмбөрцөг харилцан үйлчлэлийг загварчлахад 93% нарийвчлалд хүрдэг. Эдгээр хэрэгслүүд нь савны салах өнцгийг 8–12° хүртэл сайжруулж, 6 кВт-ийн системд 1–3 мм зэвэрдэггүй ган хуудас боловсруулах үед азотын хэрэглээг 18–22% бууруулсан.
Шинэ загваруудад дууны койлын удирдлагаар хяналт тавигдах нээлтүүдийг агуулсан бөгөөд энэ нь 1.5 мм-с 4.0 мм хүртэл динамик байдлаар өөрчлөгдөж, 0.5 мм-с 25 мм хүртэлх материалуудыг нэг л сүлжээгээр хэрэгцээтэй болгодог. Талбайн шалгалтуудад ийм хувьсах сүлжээнүүд нь хольсон зузааныг боловсруулах үед прокалывание-ийн хугацааг 45%-иар бууруулж, тусламжч өргөн газрын хаягдалд 30% хэмнэдэг байв.
Зэвсэг, цайрын шиг ихэд гэрлийг ойлгодог металлууд дээр лазерын цацраг ойх үед арагшаа ойлт үүсдэг бөгөөд цацрагийн энергиийн хүртэл 15%-ийг мэдрэг оптик төхөөрөмж рүү чиглүүлдэг. Энэ нь 6 кВт-аас дээш чадалтай системүүдэд фокусын линз, мэдрэгчид, лазерын эх сурвалжид хүндэдүү аюул учруулдаг.
Керамик сүлжээнүүд арагшаа ойлтыг гурван механизмийн тусламжтайгаар бууруулдаг:
2023 онд 12 автомашин үйлдвэрлэгчид дээр хийсэн судалгаагаар кремний карбид саван нь зэсийнхээс 40%-иар илүү ихээр төлөвлөгөөгүй засварын шаардлагыг бууруулсан байна. 8 кВт-ын лазер ашиглан цагаан тугалган хэсгийг хийдэг нэг үйлдвэр керамик саван руу шилжсэнээс хойш фокусын линзийг солих тоо 63%-иар буурч, оптикийн зардлаас жилдээ 18,000 ам.доллар хэмнэсэн байна.
Өндөр дэвшилтэт зуух нь одоо альмины цөлийг нано бүтэцтэй гэрэл шилжих эсрэг (AR) давсгаар хослуулж байна. Энэхүү хоёр давхарт арга нь 99.2%-ийн туяа дамжуулалт, эргэн сэргээн харах чанарыг 0.5%-ээс бага болгодог бөгөөд урт хугацааны хатуужуулалтын туршилтаар 34%-иар хуримтлагдаагүй керамикээс илүү амжилттай ажилладаг. AR давс нь мөн 300+ ажиллах цагийн турш хамгаалалтыг хадгалах, шөгсний хуримтлалд тэсвэртэй байдаг.
Керамикийн зуух нь дулаан эсэргүүцлийг илүү сайн хангаж, дулаан нь илүү сайн тохирох, шөгжилт багасгах, улмаар хатуужилтын үнэн зөв байдал, хурдацтай байдлыг нэмэгдүүлэх болно. Мөн металл шүхрийнхээс илүү удаан эдэлдэг бөгөөд өөрчлөх шаардлага бага байдаг.
Лазерын зуухны хэмжээ, хэлбэр зэрэг загвар нь хасах хурд, үр ашгийг нөлөөлж, хэр их эрчим хүч хэрэглэдэг, хасах чанарыг нөлөөлдөг. Оптимал загвар нь газрын шуургаг ихээхэн бууруулж, нарийвчлал сайжруулж болно.
Керамик материал нь дулааны эсэргүүцэл илүү сайн байдаг, өндөр температурт хэмжээний тогтвортой байдлыг хадгалдаг бөгөөд изантай, исэлдэхээс сэргийлдэг тул металлаас илүү үнэн зөв ба өндөр чадалтай цацрагийн үйлдвэрлэлд илүү бат бөх болон үр дүнтэй ажилладаг.
Хүчилтөрөгч, азот зэрэг тусламжлагч хийг хайлсан материалыг холдуулах, шлакийг багасгах зорилгоор ашигладаг бөгөөд хайчлалтын чанарыг сайжруулдаг. Керамик саван нь илүү нарийн тэнхлэгийн тохируулгыг хангаж, дулааны тогтвортой байдлыг хадгалж, бөглөрөхөөс сэргийлдэг тул тусламжлагч хийн үр дүнтэй байдлыг сайжруулдаг.
EN
