RU2451582C2 - Method of sizing metals and alloys - Google Patents
Method of sizing metals and alloys Download PDFInfo
- Publication number
- RU2451582C2 RU2451582C2 RU2010128204/02A RU2010128204A RU2451582C2 RU 2451582 C2 RU2451582 C2 RU 2451582C2 RU 2010128204/02 A RU2010128204/02 A RU 2010128204/02A RU 2010128204 A RU2010128204 A RU 2010128204A RU 2451582 C2 RU2451582 C2 RU 2451582C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- laser radiation
- electrolyte
- wavelength
- dissolution
- electrochemical
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Laser Beam Processing (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано при размерной обработке токопроводящих деталей.The invention relates to mechanical engineering and can be used for dimensional processing of conductive parts.
Известен способ размерной обработки металлов и сплавов (Электрохимическая обработка металлов. Под ред. Мороза И.И. Москва: Машиностроение, 1969 г. - 208 с.), основанный на процессе электрохимического растворения материала детали при прохождении тока через электролит в зазоре между деталью-анодом и инструментом - катодом.There is a method of dimensional processing of metals and alloys (Electrochemical processing of metals. Ed. Moroz II Moscow: Mechanical Engineering, 1969 - 208 pp.), Based on the process of electrochemical dissolution of the material of a part when current flows through an electrolyte in the gap between the part an anode and a tool - a cathode.
Скорость анодного растворения, определяющая производительность процесса, подчиняется объединенному закону Фарадея, согласно которому количество прореагировавшего вещества пропорционально току, прошедшему через электроды. Однако ускорить процесс анодного растворения при электрохимической размерной обработке только повышением тока невозможно, поскольку этому препятствуют процессы пассивирования анодной поверхности. Явление пассивации возникает из-за превышения скорости образования анодных продуктов над скоростью их удаления с поверхности. В результате вблизи анода или на его поверхности накапливаются плохорастворимые соединения, препятствующие электрохимическому взаимодействию материала анода с электролитом, что приводит к торможению процесса растворения или к его полному прекращению. Пассивное состояние обрабатываемого материала, характеризуемое образованием при электрохимическом растворении легкоразрушаемых пленок на поверхности, снимается при введении в электролит активирующих анионов или увеличении скорости прокачки электролита через межэлектродный зазор.The rate of anodic dissolution, which determines the productivity of the process, obeys the combined Faraday law, according to which the amount of reacted substance is proportional to the current passing through the electrodes. However, it is impossible to accelerate the process of anodic dissolution during electrochemical dimensional processing only by increasing the current, since this is prevented by passivation of the anode surface. The passivation phenomenon occurs due to the excess of the rate of formation of anode products over the rate of their removal from the surface. As a result, poorly soluble compounds accumulate near the anode or on its surface, which impede the electrochemical interaction of the anode material with the electrolyte, which leads to inhibition of the dissolution process or to its complete cessation. The passive state of the processed material, characterized by the formation of easily destroyed films on the surface during electrochemical dissolution, is removed when activating anions are introduced into the electrolyte or the electrolyte pumping rate increases through the interelectrode gap.
Однако указанный способ имеет недостатки, заключающиеся в невозможности снятия отмеченными действиями пассивного состояния металлов и сплавов, при электрохимической обработке которых происходит образование труднорастворимых пленок, имеющих зачастую хорошее сцепление с обрабатываемой поверхностью.However, this method has drawbacks consisting in the impossibility of removing the passive state of metals and alloys by the indicated actions, during the electrochemical processing of which the formation of insoluble films occurs, which often have good adhesion to the treated surface.
Кроме того, известен способ размерной обработки металлов и сплавов (Филимоненко В.В., Самусев В.Г. Воздействие излучения ОКГ на анодное растворение металлов. Электрохимические и электрофизические методы обработки. Новосибирск: НЭТИ, 1976 г., №4. С.48-49), являющийся прототипом предложенного способа, в котором для активации процесса электрохимической обработки, а следовательно, и для повышения скорости анодного растворения, на обрабатываемую поверхность в процессе электрохимической обработки на анод налагается лазерное излучение. При наложении лазерного излучения осуществляется локальный нагрев электролита, что приводит к интенсивному конвективному перемешиванию жидкости вследствие разности температур всего объема электролита и столба жидкости, поглотившего лазерное излучение. Это способствует, с одной стороны, выносу продуктов реакции из зоны обработки, что облегчает подход новой порции анионов к обрабатываемой поверхности, а с другой стороны, при лазерной интенсификации процесса возможно избирательное возбуждение анионов в растворе электролита за счет сообщения им дополнительной энергии от лазерного излучения используемой длины волны для перехода в возбужденное состояние. Это приводит к усилению активирующих свойств анионов электролита и увеличению скорости образования их комплексов с ионами металла. В тоже время активированные лазерным излучением анионы электролита вытесняют кислород из образовавшихся химических соединений (пленок) и адсорбционных слоев на поверхности металла, что приводит к их разрушению. Кроме того, при наложении лазерного излучения возможно создание в пленках эффекта фотопроводимости, что способствует активации их анодного растворения. Одновременно поглощение энергии лазерного излучения пленками приводит к их частичному или полному терморазрушению. Отмеченные механизмы воздействия лазерного излучения на процесс электрохимического растворения приводят к увеличению плотности тока, а следовательно, к повышению скорости анодного растворения материалов.In addition, there is a known method of dimensional processing of metals and alloys (Filimonenko V.V., Samusev V.G. Effect of laser radiation on the anodic dissolution of metals. Electrochemical and electrophysical processing methods. Novosibirsk: NETI, 1976, No. 4. P. 48 -49), which is the prototype of the proposed method, in which laser radiation is applied to the treated surface in the process of electrochemical processing to activate the process of electrochemical processing and, consequently, to increase the speed of anodic dissolution. When laser radiation is applied, local heating of the electrolyte is carried out, which leads to intense convective mixing of the liquid due to the temperature difference between the entire volume of the electrolyte and the column of liquid that has absorbed the laser radiation. On the one hand, this contributes to the removal of reaction products from the treatment zone, which facilitates the approach of a new portion of anions to the surface to be treated, and on the other hand, during laser intensification of the process, it is possible to selectively excite anions in the electrolyte solution by communicating additional energy from the laser radiation used wavelengths for transition to an excited state. This leads to an increase in the activating properties of electrolyte anions and an increase in the rate of formation of their complexes with metal ions. At the same time, anions of electrolyte activated by laser radiation displace oxygen from the resulting chemical compounds (films) and adsorption layers on the metal surface, which leads to their destruction. In addition, when laser radiation is applied, it is possible to create a photoconductivity effect in films, which contributes to the activation of their anodic dissolution. At the same time, the absorption of laser radiation energy by films leads to their partial or complete thermal destruction. The noted mechanisms of the effect of laser radiation on the process of electrochemical dissolution lead to an increase in current density and, consequently, to an increase in the rate of anodic dissolution of materials.
Недостатком способа является невозможность увеличения скорости анодного растворения металлов и сплавов из-за образования на их поверхности гаммы химических соединений в виде пленок, состоящих из различного рода окислов, что объясняется сложным химическим составом обрабатываемых материалов. Наличие на анодной поверхности различного рода химических соединений, имеющих различные свойства, в частности, разные коэффициенты поглощения в диапазоне длин волн используемого в способе лазерного излучения, приведет к тому, что одна часть химических соединений поглотит излучение данной длины волны, а другая - отразит его.The disadvantage of this method is the impossibility of increasing the speed of anodic dissolution of metals and alloys due to the formation on their surface of a gamut of chemical compounds in the form of films consisting of various kinds of oxides, which is explained by the complex chemical composition of the processed materials. The presence on the anode surface of various kinds of chemical compounds having different properties, in particular, different absorption coefficients in the wavelength range of the laser radiation used in the method, will result in one part of the chemical compounds absorbing the radiation of a given wavelength, and the other will reflect it.
В результате такой активации возможно терморазрушение только определенных химических соединений на обрабатываемой поверхности. В итоге пассивное состояние обрабатываемой поверхности в целом окажется не устраненным и роста скорости анодного растворения при электрохимической обработке не произойдет. Кроме того из-за большой скорости релаксации возбужденного состояния в тепло анионы электролита быстро теряют свои реакционные способности и также не могут осуществить пробой образующихся на обрабатываемой поверхности пленок. Это приводит к сужению функциональных возможностей данного способа при обработке металлов и сплавов.As a result of such activation, thermal destruction of only certain chemical compounds on the treated surface is possible. As a result, the passive state of the treated surface as a whole will not be eliminated, and the anode dissolution rate will not increase during electrochemical treatment. In addition, due to the high rate of relaxation of the excited state into heat, the electrolyte anions quickly lose their reactivity and also cannot breakdown the films formed on the treated surface. This leads to a narrowing of the functionality of this method in the processing of metals and alloys.
Задачей предлагаемого способа является расширение функциональных возможностей использования способа при обработке металлов и сплавов.The objective of the proposed method is to expand the functionality of the method in the processing of metals and alloys.
Поставленная задача достигается тем, что в способ размерной обработки металлов и сплавов, включающий совместное воздействие электрохимического растворения и лазерного излучения в зоне обработки, указанное воздействие лазерного излучения формируют в диапазоне длин волн, включающий не менее одной длины волны в инфракрасном спектре излучения и не менее одной длины волны в ультрафиолетовом спектре излучения, при этом плотность мощности лазерного излучения и время его воздействия на обрабатываемую поверхность определяют исходя из следующего соотношенияThe problem is achieved in that in the method of dimensional processing of metals and alloys, including the combined effect of electrochemical dissolution and laser radiation in the treatment zone, the specified laser radiation effect is formed in the wavelength range, including at least one wavelength in the infrared radiation spectrum and at least one wavelengths in the ultraviolet spectrum of radiation, while the power density of the laser radiation and the time of its exposure to the treated surface is determined based on the trace present ratio
где q - плотность мощности лазерного излучения [Вт/м2],where q is the power density of the laser radiation [W / m 2 ],
R - коэффициент отражения обрабатываемого материала,R is the reflection coefficient of the processed material,
t - время воздействия лазерного излучения [с],t is the time of exposure to laser radiation [s],
χ - теплопроводность обрабатываемого материала [Вт/(м·°C)],χ - thermal conductivity of the processed material [W / (m · ° C)],
c - теплоемкость обрабатываемого материала [Дж/(кг·°C)],c is the heat capacity of the processed material [J / (kg · ° C)],
ρ - плотность обрабатываемого материала [кг/м3],ρ is the density of the processed material [kg / m 3 ],
k - коэффициент экстинкции электролита [см-1],k is the extinction coefficient of the electrolyte [cm -1 ],
l - путь прохождения лазерного излучения в электролите [см],l is the path of laser radiation in the electrolyte [cm],
То - начальная температура электролита [°C],T about - the initial temperature of the electrolyte [° C],
Ткип - температура кипения электролита [°C].T bales is the boiling temperature of the electrolyte [° C].
На фиг.1 приведена структурная схема установки для реализации предлагаемого способа размерной обработки металлов и сплавов, на фиг.2. - фотографии морфологии поверхности нержавеющей стали 12Х18Н9Т после электрохимической размерной обработки при активации процесса лазерным излучением. На фиг.2, а показана морфология поверхности при лазерной активации, приводящей к нагреву электролита свыше температуры кипения, на фиг.2, б - при нагреве электролита ниже температуры кипения. На фиг.3 представлены поляризационные кривые анодного растворения сложнолегированной стали 12Х18Н9Т в 10% водном растворе NaCl.Figure 1 shows the structural diagram of the installation for implementing the proposed method of dimensional processing of metals and alloys, figure 2. - photographs of the morphology of the surface of stainless steel 12X18H9T after electrochemical dimensional processing upon activation of the process by laser radiation. Figure 2, a shows the surface morphology during laser activation, leading to heating of the electrolyte above the boiling point, figure 2, b - when the electrolyte is heated below the boiling point. Figure 3 presents the polarization curves of the anodic dissolution of complex alloyed steel 12X18H9T in a 10% aqueous solution of NaCl.
Предлагаемая установка (фиг.1) содержит лазер 1, устройство для нелинейного преобразования частоты излучения 2, систему поворотных зеркал 3, поглощающие экраны 4, фокусирующую систему 5, кварцевое стекло 6, катод 7, анод 8, электрохимическую ячейку 9 с электролитом, трехкоординатный стол с числовым программным управлением (ЧПУ) 10, программируемый источник питания 11, компьютер 12, систему фото- и видеорегистрации 13, фильтр 14.The proposed installation (Fig. 1) contains a laser 1, a device for non-linear conversion of the
Способ осуществляется следующим образом: излучение лазера 1 с длиной волны инфракрасного спектра излучения попадает на устройство нелинейного преобразования частоты излучения 2 для формирования лазерного излучения, содержащего в одном пучке длины волн инфракрасного и ультрафиолетового спектра излучения. Система поворотных зеркал 3 отражает комбинацию длин волн из не менее одной длины волны инфракрасного и не менее одной длины волны ультрафиолетового спектров излучения. Остальные длины волн проходят сквозь зеркала и поглощаются экранами 4, установленными за поворотными зеркалами. Выделенная отраженная комбинация длин волн лазерного излучения попадает на фокусирующую систему 5 с объективами, исправленными на хроматическую абберацию, что позволяет совместить фокусные расстояния используемых длин волн.The method is as follows: the radiation of a laser 1 with a wavelength of the infrared spectrum of the radiation falls on the device for non-linear conversion of the frequency of
После прохождения фокусирующей системы 5 лазерное излучение достигает кварцевого стекла 6, расположенного на поверхности электролита в электрохимической ячейки 9, и фокусируется на аноде (детали) 8.After passing through the focusing
Электрохимическая ячейка (фиг.1) установлена на трехкоординатный стол с ЧПУ 10, управляемый компьютером, на котором прописывается программа движения стола относительно положения лазерного луча в зависимости от профиля обрабатываемой поверхности. Программируемый источник питания 11 соединен с катодом 7 и анодом 8 и управляется компьютером 12. Компьютер соединен с системой фото- и видеорегистрации 13, позволяющей в режиме on-line наблюдать за процессом электрохимической обработки. Фильтр 14 предохраняет систему фото- и видеорегистрации от поражения.The electrochemical cell (Fig. 1) is mounted on a three-coordinate table with CNC 10, controlled by a computer, on which the program for moving the table relative to the position of the laser beam is prescribed depending on the profile of the surface being treated. The programmable power source 11 is connected to the cathode 7 and the anode 8 and is controlled by a computer 12. The computer is connected to a photo and video recording system 13, which allows on-line monitoring of the process of electrochemical processing. The filter 14 protects the photo and video registration system from damage.
Известно, что воздействие на молекулы вещества одной длины волны приводит к одноступенчатому возбуждению молекул электролита. Это позволяет анионам вступать в химические реакции, в которые в невозбужденном состоянии вступить не могут, что обеспечивает увеличение их реакционной способности. Однако одноступенчатое возбуждение молекул характеризуется быстрой потерей данного состояния из-за его релаксации в тепло. Это приводит к снижению реакционной способности анионов электролита, а следовательно, к уменьшению скорости электрохимического растворения через короткое время. Кроме того, при активации процесса электрохимического растворения одной длиной волны может происходить разрушение только восприимчивых к используемой длине волны поверхностных пассивирующих пленок за счет поглощения ими энергии лазерного излучения. При действии одноволнового лазерного излучения на многокомпонентные пленки, которые образуются, как правило, при анодном растворении сложнолегированных сплавов, часть лазерной энергии поглотиться, а часть отразиться из-за различия коэффициентов поглощения образовавшихся на обрабатываемой поверхности пленок. Таким образом, полной депассивации обрабатываемой поверхности не произойдет, что приведет к снижению скорости анодного растворения и даже к полному прекращению электрохимического растворения.It is known that exposure to molecules of a substance of the same wavelength leads to single-stage excitation of electrolyte molecules. This allows anions to enter into chemical reactions, which they cannot enter in an unexcited state, which ensures an increase in their reactivity. However, single-stage excitation of molecules is characterized by a rapid loss of this state due to its relaxation into heat. This leads to a decrease in the reactivity of electrolyte anions, and hence to a decrease in the rate of electrochemical dissolution after a short time. In addition, when the process of electrochemical dissolution is activated with a single wavelength, only surface passivating films susceptible to the wavelength used can be destroyed due to their absorption of laser radiation energy. Under the action of single-wave laser radiation on multicomponent films, which are formed, as a rule, upon the anodic dissolution of complex alloyed alloys, part of the laser energy is absorbed and some is reflected due to the difference in the absorption coefficients of the films formed on the treated surface. Thus, complete depassivation of the treated surface will not occur, which will lead to a decrease in the rate of anodic dissolution and even to a complete cessation of electrochemical dissolution.
Совместное воздействие длин волн из инфракрасного и ультрафиолетового спектра излучения позволяет получить двухступенчатое возбуждение молекул электролита. Это повышает реакционную способность анионов электролита по сравнению с одноступенчатым возбуждением. Кроме того, время жизни возбужденных анионов электролита значительно больше, чем при воздействии лазерного излучения одной длины волны. Таким образом, активация процесса электрохимического растворения металлов и сплавов двумя длинами волн ускоряет процесс анодного растворения вещества в течение более длительного промежутка времени, чем при одноступенчатом возбуждении. Наряду с увеличением скорости анодного растворения за счет повышения реакционной способности анионов электролита при активации процесса лазерным излучением с комбинированным ультрафиолетовым и инфракрасным спектром происходит терморазрушение многокомпонентных различного типа пленок на обрабатываемой поверхности. Удаление пленок с поверхности приводит в свою очередь к увеличению скорости анодного растворения сложнолегированных металлов и сплавов.The combined effect of wavelengths from the infrared and ultraviolet radiation spectra makes it possible to obtain two-stage excitation of electrolyte molecules. This increases the reactivity of electrolyte anions compared to single-stage excitation. In addition, the lifetime of the excited electrolyte anions is much longer than when exposed to laser radiation of the same wavelength. Thus, the activation of the process of electrochemical dissolution of metals and alloys with two wavelengths accelerates the process of anodic dissolution of a substance over a longer period of time than with a single-stage excitation. Along with an increase in the rate of anodic dissolution due to an increase in the reactivity of electrolyte anions when the process is activated by laser radiation with a combined ultraviolet and infrared spectrum, thermal destruction of multicomponent films of various types occurs on the treated surface. The removal of films from the surface in turn leads to an increase in the rate of anodic dissolution of complex alloyed metals and alloys.
При этом сочетание плотности мощности и длительности воздействия определяется из неравенстваThe combination of power density and exposure duration is determined from the inequality
где q - плотность мощности лазерного излучения, [Вт/м2]; R - коэффициент отражения обрабатываемого материала; t - время воздействии лазерного излучения, [с]; χ - теплопроводность обрабатываемого материала, [Вт/(м·°C)]; c - теплоемкость обрабатываемого материала, [Дж/(кг·°C)]; ρ - плотность обрабатываемого материала, [кг/м3]; k - коэффициент экстинкции электролита, [см-1]; l - путь прохождения лазерного излучения в электролите, [см]; Т0 - начальная температура электролита, [°C]; Ткип - температура кипения электролита, [°C].where q is the power density of the laser radiation, [W / m 2 ]; R is the reflection coefficient of the processed material; t is the time of exposure to laser radiation, [s]; χ - thermal conductivity of the processed material, [W / (m · ° C)]; c is the heat capacity of the processed material, [J / (kg · ° C)]; ρ is the density of the processed material, [kg / m 3 ]; k is the extinction coefficient of the electrolyte, [cm -1 ]; l is the path of laser radiation in the electrolyte, [cm]; T 0 - initial temperature of the electrolyte, [° C]; T bales is the boiling temperature of the electrolyte, [° C].
При увеличении температуры электролита свыше температуры его кипения происходит «запирание» процесса электрохимического растворения из-за образования паровой рубашки и процесс обработки смещается в сторону лазерной резки материала. Подтверждением данного перехода является морфология обрабатываемой поверхности нержавеющей стали, представленная на фиг.2, а. Процесс электрохимического растворения в растворе хлорида натрия при следующих параметрах: k=0,16 см-1, Т0=20°C, l=4,8 см. Активация процесса анодного растворения осуществлялась лазерным излучением с комбинацией двух длин волн в инфракрасном и ультрафиолетовом спектрах на режимах q=4·106 Вт/м2 и t=60 с. Характеристики обрабатываемого материала - χ=45,2 Вт/(м·°С), с=462 Дж/(кг·°C), ρ=7900 кг/м3, R=0,8. Введение излучения на указанных режимах привело к закипанию электролита и расчетное значение температуры достигло 268°C. В результате, как видно из фиг.2, а, на обрабатываемой поверхности имеет место расплавление материала, характерное для лазерного воздействия, а не электрохимического растворения с активацией лазерным излучением. Морфология поверхности, соответствующая электрохимическому растворению с лазерной активацией на режимах лазерного воздействия, не приводящих к закипанию электролита, показана на фиг.2, б, на которой отсутствует следы расплава обрабатываемого материала, что подтверждает предполагаемый механизм обработки. Режимы лазерного воздействия в данном случае соответствовали q=0,64·106 Вт/м2, t=60 с.When the temperature of the electrolyte increases above its boiling point, the process of “electrochemical dissolution” is “blocked” due to the formation of a steam jacket and the processing process shifts toward laser cutting of the material. Confirmation of this transition is the morphology of the treated surface of stainless steel, presented in figure 2, a. The process of electrochemical dissolution in a solution of sodium chloride with the following parameters: k = 0.16 cm -1 , T 0 = 20 ° C, l = 4.8 cm. The anode dissolution process was activated by laser radiation with a combination of two wavelengths in infrared and ultraviolet spectra in the regimes q = 4 · 10 6 W / m 2 and t = 60 s. The characteristics of the processed material are χ = 45.2 W / (m ° C), s = 462 J / (kg ° C), ρ = 7900 kg / m 3 , R = 0.8. The introduction of radiation in these modes led to the boiling of the electrolyte and the calculated temperature reached 268 ° C. As a result, as can be seen from figure 2, a, on the treated surface there is a melting of the material, characteristic of laser exposure, and not of electrochemical dissolution with activation by laser radiation. The surface morphology corresponding to electrochemical dissolution with laser activation in laser exposure modes that do not lead to electrolyte boiling is shown in Fig. 2, b, on which there are no traces of the melt of the processed material, which confirms the proposed processing mechanism. The laser exposure regimes in this case corresponded to q = 0.64 · 10 6 W / m 2 , t = 60 s.
Расчетное значение температуры электролита соответствовало 60°C.The calculated value of the electrolyte temperature corresponded to 60 ° C.
Рассмотренные механизмы лазерной активации анодного растворения металлов и сплавов реализованы на примере электрохимической обработки сложнолегированной нержавеющей стали марки 12Х18Н9Т.The considered mechanisms of laser activation of anodic dissolution of metals and alloys are implemented by the example of electrochemical processing of complex alloyed stainless steel grade 12X18H9T.
На фиг.3 представленные поляризационные кривые, снятые для нержавеющей стали в 10% хлориде натрия при различных условиях электрохимического растворения. Поляризационные кривые определяют зависимость плотности тока от потенциала, характеризующую скорость электрохимического растворения обрабатываемого материала.Figure 3 presents the polarization curves taken for stainless steel in 10% sodium chloride under various conditions of electrochemical dissolution. Polarization curves determine the dependence of current density on potential, which characterizes the rate of electrochemical dissolution of the processed material.
Кривая 1 представляет собой поляризационную кривую, снятую в «стационарных» условиях без каких-либо методов интенсификации процесса электрохимического растворения. На данной кривой наблюдается три участка, имеющие различный вид. Первый участок кривой находится в диапазоне потенциалов от 0,5 В до 1,2 В и характеризуется ростом плотности тока с увеличением потенциала. Это говорит об анодном растворении материала на данном участке при электрохимической обработке. Участок поляризационной кривой в диапазоне потенциалов от 1,2 В до 2,5 В характеризуется уменьшение плотности тока с ростом потенциала. Это свидетельствует о пассивации материала, в том числе и многокомпонентными пленками, образующимися на обрабатываемой поверхности в процессе электрохимического растворения. В результате происходит снижение скорости анодного растворения. Третий участок поляризационной кривой, лежащий в диапазоне потенциалов от 2,4 В до 5 В, характеризуется дальнейшим растворением материала, о чем свидетельствует рост плотности тока с увеличением потенциала.Curve 1 is a polarization curve taken under "stationary" conditions without any methods of intensifying the process of electrochemical dissolution. On this curve, there are three sections that have a different look. The first section of the curve is in the potential range from 0.5 V to 1.2 V and is characterized by an increase in current density with increasing potential. This indicates anodic dissolution of the material in this area during electrochemical processing. A section of the polarization curve in the potential range from 1.2 V to 2.5 V is characterized by a decrease in current density with increasing potential. This indicates the passivation of the material, including multicomponent films formed on the treated surface in the process of electrochemical dissolution. The result is a decrease in the rate of anodic dissolution. The third section of the polarization curve, lying in the potential range from 2.4 V to 5 V, is characterized by further dissolution of the material, as evidenced by the increase in current density with increasing potential.
Кривая 2 представляет собой поляризационную кривую, снятую при интенсификации процесса электрохимического растворения лазерным излучением в зоне обработки с длиной волны 1,06 мкм (инфракрасная область спектра) со средней плотностью мощности 0,64·106 Вт/м2 и времени воздействия t=60 с в хлориде натрия (k=0,16 см-1, Т0=20°C, l=4,8 см). Обрабатываемый материал - нержавеющая сталь (χ=45,2 Вт/(м·°C), с=462 Дж/(кг·°C), ρ=7900 кг/м3, R=0,8). Вид поляризационной кривой указывает на незначительную активацию процесса электрохимического растворения по сравнению с электрохимическим процессом в «стационарных» условиях (кривая 1), без существенных изменений характера протекания процесса анодного растворения (наличие участков активного растворения, пассивации и последующей депассивации).
Кривая 3 представляет собой поляризационную кривую, снятую при интенсификации процесса электрохимического растворения лазерным излучением в зоне обработки с длиной волны 0,53 мкм (ультрафиолетовая область спектра) со средней плотностью мощности 0,64·106 Вт/м2 и времени воздействия t=60 с в хлориде натрия (k=0,16 см-1, Т0=20°C, l=4,8 см). Обрабатываемый материал - нержавеющая сталь (χ=45,2 Вт/(м·°C), с=462 Дж/(кг·°C), ρ=7900 кг/м3, R=0,8). Характер данной поляризационной кривой имеет некоторые отличия по сравнению с поляризационной кривой 1, снятой в «стационарных» условиях. Начало процесса электрохимического растворения начинается позже (1,2 В), чем в стационарных условиях (0,4 В). Это говорит о пассивировании обрабатываемой поверхности лазерным излучением данной длины волны в области низких потенциалов. При потенциалах свыше 1,2 В наблюдается повышение плотности тока с ростом потенциала. Значения плотности тока при интенсификации процесса данной длиной волны выше, чем при стационарных условиях протекания процесса электрохимического растворения обрабатываемой стали, что свидетельствует об увеличении скорости анодного растворения.
Кривая 4 представляет собой поляризационную кривую, снятую при интенсификации процесса электрохимического растворения лазерным излучением, содержащим в одном пучке длины волн двух спектров - 1,06 мкм и 0,53 мкм с суммарной средней плотностью мощности 0,64·106 Вт/м2 и времени воздействия t=60 с в хлориде натрия (k=0,16 см-1, Т0=20°C, l=4,8 см). Обрабатываемый материал - нержавеющая сталь (χ=45,2 Вт/(м·°C), с=462 Дж/(кг·°C), ρ=7900 кг/м3, R=0,8). Характер поляризационной кривой схож с поляризационной кривой, снятой при интенсификации электрохимического растворения лазерным излучением с длиной волны 0,53 мкм. Однако электрохимическое растворение при активации процесса данным излучением начинается при тех же потенциалах, что и в «стационарных» условиях, но с плотностью тока больше, чем при применении каждой из этих длин волн в отдельности. Кроме того данная поляризационная кривая указывает на активное растворение материала во всем исследованном диапазоне потенциалов, подтверждающая увеличение скорости анодного растворения. Это свидетельствует о снятии пассивационных ограничений, обусловленных образованием различного рода пленок, а также об увеличении химической активности анионов электролита, и как следствие, увеличение скорости анодного растворения.Curve 4 is a polarization curve taken during the intensification of the process of electrochemical dissolution by laser radiation containing two wavelengths in one beam — 1.06 μm and 0.53 μm with a total average power density of 0.64 · 10 6 W / m 2 and exposure time t = 60 s in sodium chloride (k = 0.16 cm -1 , T 0 = 20 ° C, l = 4.8 cm). The processed material is stainless steel (χ = 45.2 W / (m ° C), s = 462 J / (kg ° C), ρ = 7900 kg / m 3 , R = 0.8). The nature of the polarization curve is similar to the polarization curve taken during the intensification of electrochemical dissolution by laser radiation with a wavelength of 0.53 μm. However, when the process is activated by this radiation, electrochemical dissolution begins at the same potentials as in "stationary" conditions, but with a current density greater than when each of these wavelengths is used separately. In addition, this polarization curve indicates active dissolution of the material in the entire studied range of potentials, confirming an increase in the rate of anodic dissolution. This indicates the removal of passivation restrictions due to the formation of various kinds of films, as well as an increase in the chemical activity of electrolyte anions, and as a result, an increase in the rate of anodic dissolution.
Таким образом, предложенный способ размерной обработки металлов и сплавов позволяет расширить функциональные возможности его использования за счет увеличения скорости анодного растворения материалов, образующих группы многокомпонентных пленок на обрабатываемой поверхности в процессе электрохимического растворения и повышения реакционной способности анионов электролита для пробоя образующихся пленок.Thus, the proposed method for dimensional processing of metals and alloys allows to expand the functionality of its use by increasing the rate of anodic dissolution of materials forming groups of multicomponent films on the treated surface during electrochemical dissolution and increasing the reactivity of electrolyte anions for the breakdown of formed films.
Claims (1)
где q - плотность мощности лазерного излучения, [Вт/м2],
R - коэффициент отражения обрабатываемого материала,
t - время воздействия лазерного излучения, [с],
χ - теплопроводность обрабатываемого материала, [Вт/(м·°C)],
с - теплоемкость обрабатываемого материала, [Дж/(кг·°C)],
ρ - плотность обрабатываемого материала, [кг/м3],
k - коэффициент экстинкции электролита, [см-1],
l - путь прохождения лазерного излучения в электролите, [см],
То - начальная температура электролита, [°C],
Ткип - температура кипения электролита, [°C]. A method of dimensional processing of metals and alloys, including the combined effect of electrochemical dissolution and laser radiation in the treatment zone, characterized in that the specified laser radiation is formed in a wavelength range including at least one wavelength in the infrared radiation spectrum and at least one wavelength in ultraviolet radiation spectrum, while the power density of the laser radiation and the time of its exposure to the treated surface is determined based on the following ratio:
where q is the power density of the laser radiation, [W / m 2 ],
R is the reflection coefficient of the processed material,
t is the time of exposure to laser radiation, [s],
χ - thermal conductivity of the processed material, [W / (m · ° C)],
C is the heat capacity of the processed material, [J / (kg · ° C)],
ρ is the density of the processed material, [kg / m 3 ],
k is the extinction coefficient of the electrolyte, [cm -1 ],
l is the path of laser radiation in the electrolyte, [cm],
T about - the initial temperature of the electrolyte, [° C],
T bales is the boiling temperature of the electrolyte, [° C].
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010128204/02A RU2451582C2 (en) | 2010-07-07 | 2010-07-07 | Method of sizing metals and alloys |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010128204/02A RU2451582C2 (en) | 2010-07-07 | 2010-07-07 | Method of sizing metals and alloys |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2010128204A RU2010128204A (en) | 2012-01-20 |
| RU2451582C2 true RU2451582C2 (en) | 2012-05-27 |
Family
ID=45785134
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2010128204/02A RU2451582C2 (en) | 2010-07-07 | 2010-07-07 | Method of sizing metals and alloys |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2451582C2 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2618594C1 (en) * | 2016-03-22 | 2017-05-04 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Государственный космический научно-производственный центр имени М.В. Хруничева" (ФГУП "ГКНПЦ им. М.В. Хруничева") | Method for producing artificial roughness detail surface by combined treatment method |
| CN108127201A (en) * | 2017-12-21 | 2018-06-08 | 广东工业大学 | A kind of laser cavitation auxiliary mask electrolytic machining device |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108526627B (en) * | 2018-06-27 | 2020-07-31 | 江苏大学 | Laser-electrochemical composite micromachining method and device for semiconductor material |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| MD3489B2 (en) * | 2005-12-02 | 2008-01-31 | Institutul De Fizica Aplicata Al Academiei De Stiinte A Moldovei | Process for dimensional electrochemical working of metals |
| EP2043812A1 (en) * | 2006-07-13 | 2009-04-08 | Bang & Olufsen A/S | Combined electrochemical and laser micromachining process for creating ultra-thin surfaces |
-
2010
- 2010-07-07 RU RU2010128204/02A patent/RU2451582C2/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| MD3489B2 (en) * | 2005-12-02 | 2008-01-31 | Institutul De Fizica Aplicata Al Academiei De Stiinte A Moldovei | Process for dimensional electrochemical working of metals |
| EP2043812A1 (en) * | 2006-07-13 | 2009-04-08 | Bang & Olufsen A/S | Combined electrochemical and laser micromachining process for creating ultra-thin surfaces |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| / Под ред. В.И.КУМАНИНА. Толковый металлургический словарь, Русский язык, 1980, с.164-0165, 328-331. * |
| ФИЛИМОНЕНКО В.В. и др. Воздействие излучения ОКГ на анодное растворение металлов, Электрохимические и электрофизические методы обработки. - Новосибирск: НЭТИ, 1976, №4, с.48-49. * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2618594C1 (en) * | 2016-03-22 | 2017-05-04 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Государственный космический научно-производственный центр имени М.В. Хруничева" (ФГУП "ГКНПЦ им. М.В. Хруничева") | Method for producing artificial roughness detail surface by combined treatment method |
| CN108127201A (en) * | 2017-12-21 | 2018-06-08 | 广东工业大学 | A kind of laser cavitation auxiliary mask electrolytic machining device |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2010128204A (en) | 2012-01-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Forien et al. | Detecting keyhole pore defects and monitoring process signatures during laser powder bed fusion: A correlation between in situ pyrometry and ex situ X-ray radiography | |
| Vadillo et al. | Depth-resolved anaylsis of multilayered samples by laser-induced breakdown spectrometry | |
| RU2451582C2 (en) | Method of sizing metals and alloys | |
| Jin et al. | Analysis of effects of macroscopic propagation and multiple molecular orbitals on the minimum in high-order harmonic generation of aligned CO 2 | |
| Pardede et al. | H–D analysis employing energy transfer from metastable excited-state He in double-pulse LIBS with low-pressure He gas | |
| Saxena et al. | High throughput microfabrication using laser induced plasma in saline aqueous medium | |
| Mao et al. | Enhancements in laser ablation inductively coupled plasma-atomic emission spectrometry based on laser properties and ambient environment | |
| Mrkvičková et al. | Fluorescence (TALIF) measurement of atomic hydrogen concentration in a coplanar surface dielectric barrier discharge | |
| Ferrera et al. | Thermometric calibration of the ultrafast relaxation dynamics in plasmonic Au nanoparticles | |
| Ursu et al. | Studies of the change of a metallic surface microrelief as a result of multiple‐pulse action of powerful UV laser pulses | |
| JP2009299112A (en) | Gold nanoparticle and dispersion thereof, method for producing gold nanoparticle and nanoparticle production system | |
| Valverde-Alva et al. | Laser ablation efficiency during the production of Ag nanoparticles in ethanol at a low pulse repetition rate (1–10 Hz) | |
| Benavides et al. | Laser wavelength effect on nanosecond laser light reflection in ablation of metals | |
| Shafeev | Formation of nanoparticles under laser ablation of solids in liquids | |
| Tarasenka et al. | Synergistic effect of plasma and laser processes in liquid for alloyed-nanoparticle synthesis | |
| Babenko et al. | Effect of an optical breakdown on the stimulated raman scattering in water in the field of picosecond laser pulses | |
| Musadiq et al. | Measurement of electron number density and electron temperature of laser-induced silver plasma | |
| Trtica et al. | Surface modifications of Ti6Al4V by a picosecond Nd: YAG laser | |
| Kraus et al. | Microdrilling in steel with frequency-doubled ultrashort pulsed laser radiation | |
| Hänel et al. | Fundamental investigations of ps-laser burst-mode on common metals for an enhanced ablation process | |
| Wyszyński et al. | Electrochemical microprocessing assisted by diode pumped solid state Nd: YAG pulse laser | |
| Stašić et al. | Optimization of silver nanoparticles production by laser ablation in water using a 150-ps laser | |
| Herziger | Basic elements of laser material processing | |
| Connolly et al. | Optical monitoring of laser-generated plasma during laser welding | |
| Belikov et al. | Nano-and femtosecond high-repetition-rate multipulse laser irradiation of dehydrated bone tissue: role of accumulated heat and model of cooling |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20160708 |