eng
Выпуск #1/2013
М. Васильев, В. Журба, В. Митькин, В. Романов, А.Щепкин
ЛАЗЕРНОЕ БУРЕНИЕ ТОНКИХ ГЛУБОКИХ ОТВЕРСТИЙ В КРЕМНЕЗЕМ СОДЕРЖАЩИХ МАТЕРИАЛАХ
ЛАЗЕРНОЕ БУРЕНИЕ ТОНКИХ ГЛУБОКИХ ОТВЕРСТИЙ В КРЕМНЕЗЕМ СОДЕРЖАЩИХ МАТЕРИАЛАХ
Просмотры: 8301
Механизмы лазерного разрушения пород зависят от температуры нагрева. В процессе разрушения, как правило, участвуют сразу несколько механизмов, причем преобладающее действие одного из них зависит от материала. На первый взгляд ввод в процедуру лазерного бурения пассивных циклов охлаждения и механического измельчения материала уменьшает его производительность. Но это справедливо лишь при нагреве до температур, превышающих температуру кипения материала. При нагреве до меньших значений ведущую роль в механизме разрушения начинает играть ослабленный слой.
Теги: high temperature drilling laser drilling low temperature drilling высокотемпературное бурение лазерное бурение низкотемпературное бурение
В последние двадцать лет наблюдается резкий скачок роста мощности излучения твердотельных лазеров. Это связано с появлением и развитием компактных лазеров новой архитектуры (лазеров с диодной накачкой, диодных и волоконных лазеров). Относительная дешевизна излучателей с мощностью свыше киловатта обеспечила их коммерческую доступность для исследователей широкого профиля. Мощное лазерное излучение стало применяться для резки и бурения толстых и объемных материалов (бетон, природные камни и т.д.) [1–5].
Например, в гражданском строительстве [1] применение лазерных технологий, свободных от шума и вибраций, наиболее эффективно в сейсмических районах для бурения отверстий в существующих бетонных зданиях. Там их используют для укрепления с помощью стальных стяжек или подобных деталей аварийных домов, а также при реставрации старинных зданий и их элементов [5]. Пригодна эта технология и в задачах предотвращения обвалов [1] при бурении отверстий в опасных отвесных участках горной породы для размещения в них взрывчатых веществ и разрушения взрывом.
В атомной отрасли [2] мощное лазерное излучение используют для дезактивации выведенных из эксплуатации бетонных ядерных сооружений. В таком случае пользователей привлекает низкое пылевыделение, сопровождающее процесс лазерного снятия загрязненного поверхностного слоя и резку бетона. Важную роль играет дистанционное управление процессом, то есть удаленное размещение оборудования от объекта. Волоконно-оптические средства доставки лазерного излучения в зону обработки позволяют успешно применить лазерные технологии для бурения тонких диагностических отверстий в многометровых бетонных стенах могильников с захоронениями радиоактивных веществ [5].
В нефтегазовой отрасли [3] мощное лазерное излучение используется для реанимации заброшенных скважин и повышения эффективности вскрытия существующих скважин. Для этого выполняют перфорацию обсадных труб и сквозь отверстия бурят скважины в окружающей породе (цементированном агрегате, песчанике, известняке, сланеце и др.).
Выбор оптимального и наиболее эффективного режима лазерной термообработки материалов зависит от конкретной цели. Необходимо четко представлять физические процессы и механизмы разрушения, происходящие в материалах в процессе лазерного воздействия на них. Механизмы лазерного разрушения пород зависят как от нагрева материала из-за поглощения излучения, так и от градиента температуры в материале, вызванного процессом теплопроводности. Поэтому их условно можно разделить на низкотемпературные и высокотемпературные механизмы разрушения. Условия для низкотемпературного механизма реализуются в области температур упруго-хрупкого состояния материала на стадиях нагрева и охлаждения. Так, при высокоскоростном нагреве поверхности образца в глубине тонкого приповерхностного слоя неизбежно возникает градиент температур. За счет него в слое появляются температурные касательные напряжения растяжения. В случае превышения предела прочности материала происходит локальное разрушение в виде шелушения и термического скола. К шелушению поверхности приводит также изменение давления от резкого расширения свободной воды (при температуре около 200˚С вода находится в пористой структуре приповерхностного слоя бетона) и частично выделяемой основной части химически связанной воды, входящей в состав цемента (в области температур 800–900˚С). При охлаждении нагретой поверхности под действием градиента температуры уже на ней самой возникают растягивающие напряжения. Они также могут превысить предел прочности материала и разрушить его, образуя на поверхности трещины. Высокотемпературный механизм разрушения реализуется в области температур размягчения материала в виде плавления, испарения или термического разложения.
Таким образом, при воздействии мощного лазерного излучения на породы их разрушение происходит как за счет скалывания приповерхностного слоя материала из-за перепада температур и флуктуаций внутреннего давления, так и за счет плавления, испарения или термического разложения материала в области воздействия лазерного пятна. Для повышения эффективности лазерного разрушения используют струю газа высокого давления для выноса расплава из зоны обработки, а для быстрого охлаждения расплава и растрескивания затвердевшей остеклованной массы (шлака) в струю газа впрыскивают жидкость. Действия дополняют механическим дроблением и удалением шлака, введением в зону обработки порошков восстановителей для уменьшения температуры плавления кремнезема и т.д. В процессе разрушения, как правило, участвуют сразу несколько механизмов, причем преобладающее действие одного из них зависит от состава наполнителей материала. Так, в разрушении бетона, содержащего агрегаты из кварцита или базальта, мощным лазерным излучением превалирует эффект плавления над эффектами внутреннего давления. В то же время в бетоне с агрегатами из известняка разрушение носит взрывной характер, сопровождающийся выбросом кусков бетона без проявления следов плавления обработанной поверхности [2]. Для каждой породы характерно свое значение удельной энергии разрушения [3, 5].
Эффект теплового разупрочнения кремнеземсодержащих материалов
Рассмотрим результаты лазерного бурения тонких глубоких отверстий в кремнеземсодержащих материалах (на примере бетона). При этом сделаем акцент на проявлении низкотемпературных механизмов разрушения при бурении пород, особенно на механизме теплового ослабления материала. Механизм теплового разупрочнения кремнеземсодержащих материалов, а к ним относятся практически все горные породы и искусственные строительные материалы, подробно описан в работе [6]. Обратимое превращение в кремнеземе низкотемпературного β-кварца в высокотемпературный α-кварц при переходе через температуру 573˚С приводит к разупрочнению [7]. Это превращение относится к типу превращений смещения, происходит без разрыва связей и сопровождается увеличением объема примерно на 0,86%, что свидетельствует о незначительных изменениях в структуре. Однако незначительные изменения структуры кремнезема приводят к заметным изменениям различных физических свойств материала в интервале температур превращения. Поэтому при температуре, соответствующей температуре перехода, внутри кристалла возникают напряжения большой величины [7]. Превращению при нагреве β-кварца в α-кварц соответствует медленное изменение физических свойств в некотором температурном интервале. Это связано с постепенным увеличением доли α-кварца в β-кварце вплоть до полного его замещения в точке перехода (при ~573˚С). Поэтому наблюдаемое при нагреве увеличение внутренних напряжений в точке перехода не вызывает растрескивания кристаллов. Этот факт экспериментально зафиксирован [7] при нагреве образцов размером 0,3–5 мм со скоростью до 100 град/мин. Обратному же при охлаждении превращению α-кварца в β-кварц соответствует резкое изменение физических свойств в точке перехода. А это уже приводит к растрескиванию кристаллов из-за резкого уменьшения их объема, вызывающего всплеск величины внутренних напряжений выше предела прочности. Заметим, что из-за высоких скоростей нагрева при лазерном бурении вероятно возникновение растрескивания и в процессе нагрева. Однако это требует экспериментального подтверждения. В работе [6] разупрочнение было продемонстрировано на примере бетона, кирпича, гранита и цементно-песчаной смеси как при омическом нагреве, так и при лазерном нагреве тонких и объемных деталей с последующим их охлаждением. Особенно ярко эффект такого разупрочнения был продемонстрирован в следующем эксперименте. Излучение волоконного лазера мощностью 100 Вт падало на плитку бетона толщиной 30 мм (диаметр пятна воздействия на внешней поверхности образца 10 мм). С тыльной стороны пластины по оси лазерного пучка была закреплена термопара для измерения температуры поверхности образца. Когда температура достигала 700˚С, облучение прекращали и охлаждали образец естественным образом на воздухе. В момент выключения излучения температура на внешней поверхности в пятне воздействия согласно расчетам для данной скорости нагрева (200 град/с) достигала величины начала плавления материала. Это заметно при появлении на внешней поверхности образца оплавленной зоны диаметром 8 мм (рис.1а). По мере охлаждения определяли твердость материала на тыльной поверхности образца, процарапывая ее позади оплавленного фронтального пятна. Только после остывания до температур ниже ~130˚С было зафиксировано разупрочнение материала, что позволило деревянной палочкой выскоблить материал в пятне диаметром, примерно равным 8 мм (рис.1б). Полученный результат показал, что и при лазерном облучении с присущими ему высокими скоростями нагрева разупрочнение кремнеземсодержащих материалов происходит также на стадии их охлаждения. Следовательно, для бурения кремнеземсодержащих материалов не обязательно использовать локальный нагрев до высоких температур плавления и испарения. Достаточно нагреть обрабатываемый материал до температур, немного превышающих 600˚С, а после – охладить его для ослабления структуры, затем механически измельчить и удалить из канала струей воздуха продукты разрушения.
Высокотемпературное бурение
Эксперименты по бурению глубоких отверстий начинались с исследования высокотемпературного режима разрушения. При таком методе бурение представляет собой этапы лазерного нагрева локальной площади материала до температуры плавления, последующего испарения и удаления с ее поверхности продуктов разрушения, например воздушной струей. Следующие слои последовательно нагреваются и также претерпевают плавление и испарение. Граница теплового воздействия лазерного излучения в результате поглощения перемещается вглубь материала вдоль оси пучка, и в результате теплопроводности, – в стороны от контура лазерного пятна.
Объектами наших исследований в экспериментах служили образцы из гранита и бетона, а в качестве первоначального лазерного источника – 120-Вт волоконный лазер. Излучение после коллиматора фокусировалось длиннофокусной ( F = 375 мм ) линзой. Продольное перемещение образца относительно линзы в пределах расстояний от нее 200–330 мм позволяло менять плотность мощности излучения в зоне его воздействия. В область обработки с помощью тонкой трубки под минимально возможным углом к оси излучения подавали сжатый воздух под давлением 1,8 атм. На рис.2 приведена зависимость времени образования сквозных отверстий в бетоне от толщины образца при использовании непрерывного режима облучения. При выбранной геометрии эксперимента диаметр отверстия на входной поверхности образца составлял ~2 мм, а на выходной ~ 1 мм.
При использовании фокусирующей линзы для доставки излучения в зону обработки в объемном образце формируется отверстие, глубина которого соизмерима с длиной перетяжки сфокусированного лазерного пучка. Длина этой фокальной перетяжки и определяет величину предельной глубины бурения, ограничивая достижение глубоких отверстий в монолитных породах. Поэтому для преодоления этого фактора необходимо последовательно перемещать плоскость с необходимой плотностью излучения вдоль оси формируемого лазерного канала. Продольное перемещение такой плоскости возможно только при использовании волоконно-оптических средств доставки лазерного излучения в зону обработки [4]. Если режим облучения одноточечный, то для обеспечения такого продвижения диаметр формируемого отверстия должен превышать диаметр волоконно-оптического кабеля. При этом вынужденно увеличивается мощность излучения. Размер пятна засветки на материале определяет диаметр формируемого отверстия. В этом случае расстояние между торцом излучающего волокна и плоскостью материала регулирует размер этого пятна. Расстояние необходимо поддерживать постоянным по мере углубления отверстия. Дальнейшие эксперименты мы проводили с лазерами повышенной мощности излучения, совмещенными с волоконно-оптическими средствами доставки лазерного излучения в зону бурения. В качестве средства использовали магистральное кварц-кварцевое оптическое волокно диаметром 600 мкм, в которое можно было эффективно ввести излучение и волоконного, и твердотельного лазера. При использовании твердотельного лазера ЛТИ-500 мощность излучения на выходе волокна составляла 360 Вт.
Первоначальная конструкция головной рабочей части бура представляла собой систему из двух тесно прижатых друг к другу трубок диаметром 2 мм (общий поперечный размер 4 мм). Устройство предназначено для позиционирования на поверхности образца, формирования на ней требуемых пространственных параметров лазерного излучения и требуемого потока хладагента. В одной трубке помещали излучающее волокно с продувом воздуха в зазоре (для защиты торца от отработанного материала), а через другую трубку в зону обработки подавали охлаждающую струю воздуха или воздушно-капельной смеси. В цикл обработки входили период лазерного облучения, последующий период охлаждения воздухом и период впрыскивания в струю воздуха воды в момент окончания периода лазерного облучения. При величине мощности излучения 360 Вт получали отверстия диаметром только до 2,5 мм. В бетонных образцах толщиной 10–15 мм на формирование сквозных отверстий требовалось 30–40 с. То есть скорость проходки примерно та же, что и выше (~22 мм/мин), несмотря на удлинение процедуры бурения из-за введения дополнительных этапов охлаждения. Для увеличения поперечного размера формируемого канала в этом случае применяли поперечное сканирование лазерным пучком по площади предполагаемого сечения. Экспериментально опробовали двухкоординатное сканирование, при котором форма сечения образующегося канала получалась близкой к прямоугольной (см. рис.3). Режим обработки тот же. За один цикл сканирования снимали слой материала толщиной 5–7 мм. Из-за того, что площадь обрабатываемой поверхности много больше площади сканирующего пятна излучения, скорость бурения в методе сплошного сканирования существенно ниже.
Высокотемпературное бурение сопровождает нагрев материала вокруг формируемого отверстия. Даже при используемом режиме бурения с водяным вспрыскиванием в зону обработки температура материала у поверхности отверстия после окончания бурения достигала 100–120˚С. Нагрев материала, в свою очередь, ведет к появлению в объеме образца температурного градиента за счет процессов теплопроводности. В этом случае тонкое отверстие может стать концентратором возникающих температурных напряжений, что способно привести к разрыву образца по линии отверстия (рис.4а). Кроме этого, углубляя отверстие разными методами облучения (одноточечным или методом поперечного сканирования пятном излучения по площади забоя отверстия), мы встречаемся с трудностями удаления расплавленного материала, что требует повышения мощности лазерного излучения. В свою очередь, из-за теплопроводности и теплоизлучения от расплавленной зоны материал вокруг отверстия нагревается. И поперечный размер расплава на забое глубокого отверстия может превысить не только диаметр лазерного пятна, но и диаметр коронки. Тогда образуется менее вязкий материал, трудный для извлечения. С ростом глубины бурения растет вероятность закупорки отверстия из-за неизбежного загрязнения поверхностей бура и отверстия пролетающими в зазоре между ними остывающими частицами расплава (рис.4б). По всей видимости, именно перечисленные выше причины преградили путь к успеху проводимым ранее многократным попыткам бурения глубоких отверстий в бетоне с увеличенной мощностью лазерного излучения. Использование чисто высокотемпературного механизма разрушения в бурении глубоких отверстий ограничено.
Низкотемпературное бурение
Бурение, использующее только низкотемпературные механизмы разрушения, это процесс циклического воздействия на зону обработки периодов нагрева и охлаждения. При этом температуры нагрева не превышают температуру плавления материала. Приповерхностный слой в зоне обработки в этом случае подвергается действию знакопеременных напряжений и внутренних давлений, разрушение проявляется в виде отслаивания мелких фрагментов. Мы опробовали такое бурение на кубических образцах из смеси цемента марки 400 с кварцевым песком, выдержанных не менее 60 дней, размером 35×35×35 мм. Источник лазерного излучения – твердотельный лазер ЛТИ-500 (длительность импульса излучения 2 мс, частота следования импульсов 30 Гц, средняя мощность излучения на выходе волокна – 190 Вт). Цикл обработки длительностью около 4 с состоял из периода лазерного облучения рабочей зоны, периода импульсного впрыска воды в зону обработки в момент окончания периода облучения и периода охлаждения воздухом под давлением 4 атм. Циклы повторяли до формирования отверстия заданной глубины. В образце получили сквозное отверстие диаметром 5 мм на входной поверхности и 2 мм – на выходной. При таком режиме сильного накопления тепла в материале не наблюдалось, и температура образца не превышала 45˚С. Поверхность нагревалась до температуры ниже плавления за весьма короткое время, это снижало глубину прогрева материала и, следовательно, воздействию знакопеременных напряжений подвергался приповерхностный слой малой толщины. Именно это, в основном, и определяло малую производительность бурения методом, основанным только на низкотемпературном механизме разрушения.
Комбинированный лазерно-механический метод бурения
В рассмотренных выше методах лазерного бурения бетона в процесс удаления материала не были вовлечены эффекты теплового ослабления микроструктур составляющих его компонентов. При нагреве происходит ослабление цементного камня за счет разрушения водно-химических связей структуры цемента при температурах 800–900˚С, в результате этого уменьшается сила сцепления агрегатов в бетоне. При охлаждении происходит растрескивание кристаллов кремнезема за счет фазового превращения в области температур 550–600˚С внутри объема всех кремнеземсодержащих составляющих бетона (цемент, агрегаты). Процесс локального растрескивания микроструктур никак не проявляется на внешнем состоянии бетона из-за изотропного характера разрушения по объему. То есть эти фазовые превращения структуры кремнезема в слоях не воздействуют механически направленно на массив бетона, что необходимо для деформации или разрушения его поверхности. Требуется механическое вмешательство для снятия ослабленного слоя бетона. Расчетные оценки показывают, что введение в процедуру лазерного бурения операции механического удаления слоя с ослабленным материалом увеличивает в несколько раз глубину отверстия, формируемого за цикл обработки.
Мы провели эксперименты по бурению с помощью комбинированного лазерно-механического метода, который включал в себя стадии лазерного локального нагрева материала до температур его испарения, последующего охлаждения и механического воздействия. Локальный нагрев до температур испарения формирует кратер с расплавом материала в его полости (несмотря на испарение материала, больший его объем в кратере все же находится в жидкой фазе). Охлаждение, во-первых, остужает расплав в полости кратера до стеклообразного состояния. Во-вторых, создает условия для низкотемпературного структурного превращения кремнезема в массе материала вокруг кратера (за фронтом плавления в слоях материала с более низкими температурами нагрева), ведущего к ослаблению материала. Механическое воздействие направлено на дополнительное увеличение глубины отверстия измельчением ослабленного материала и удалением шлама из зоны обработки воздушной струей.
Присутствие слоя ослабленного материала вокруг оплавленной зоны кратера позволяет использовать режущую коронку большего диаметра, чем диаметр пятна излучения. Тогда объем удаляемого материала увеличивается. С учетом этого факта наиболее технологичным способом бурения отверстий с круговым сечением в методе поперечного сканирования стал метод многоточечного последовательного воздействия лазерного пучка определенного диаметра по круговому периметру отверстия (метод вскрытия). При этом одноточечный характер облучения сохраняется. Периодический поворот за время 80 с манипулятора (колонковая трубка с ребристой коронкой на рабочем конце) вокруг своей продольной оси на ±360˚ обеспечивает поперечное перемещение лазерного пятна по обрабатываемой поверхности материала. При этом излучающее волокно, закрепленное на внутренней поверхности колонковой трубки, перемещалось по круговой траектории по периметру кольца диаметром 10 мм. Это дало возможность перекрыть материал в осевой части отверстия тепловыми зонами ослабления от локальных пятен лазерного воздействия. Торец волокна отстоял от обрабатываемой поверхности на 10 мм. Режим лазерной обработки был циклическим: нагрев излучением (мощностью 340 Вт, за время 2 с), последующее охлаждение потоком воздуха (за время 2,5 с) с одновременным впрыскиванием воды в воздушный поток в момент окончания лазерного облучения. В момент лазерного воздействия из зоны обработки за счет испарения частично выносится материал. Завершал цикл после полного оборота манипулятора этап механической обработки. Колонковая труба с коронкой выдвигалась вперед до касания с материалом и под действием продольного усилия торцевыми и боковыми резцами крошила хрупкую систему из затвердевшего расплава с окружающей ослабленной подложкой материала, продвигаясь вперед (рис.5а). Образующийся столбик ослабленного материала в центре колонковой трубки постепенно с углублением крошился. Измельченный материал выносился из канала потоком подаваемого воздуха. Затем циклы повторялись до получения заданной глубины. Для применения одноточечного лазерного бурения в комбинированном лазерно-механическом методе оказалось достаточно для формирования отверстия диаметром 10–12 мм воздействовать на материал пятном излучения диаметром 6 мм при мощности ~500 Вт. Тонкий пучок за счет испарения материала на оси предполагаемого отверстия формирует кратер с характерным суживающимся в продольном направлении радиальным профилем, близким по форме к радиальному распределению плотности энергии в сечении пучка излучения (рис.6). В материале вокруг затвердевшего кратера в процессе охлаждения образуется зона с ослабленной структурой. По направлению оси кратера и внедряется вращающаяся режущая головка большего диаметра, легко разрушая с торца наклонные хрупкие слои материала разной прочности и формируя отверстие с ровной боковой поверхностью. Из рис.7 видно, что при чисто лазерном бурении отверстие имеет оплавленную неровную боковую поверхность, а лазерно-механический метод создает отверстие с четко сформированной, ровной, и главное – проницаемой поверхностью. Такое качество важно в ряде применений, например в нефтегазовой отрасли для повышения эффективности вскрытия скважин локальным бурением в породе, окружающей боковые отверстия.
Головная часть лазерного бура, используемого в эксперименте, представляет собой колонковую трубу с ребристой коронкой с тугоплавкими резцами. Вдоль ее оси в металлической трубке размещено оптическое волокно. Для охранного обдува его выходного торца по трубке постоянно подается воздух. В период механической обработки материала поток воздуха в трубке усиливается для выноса измельченных частиц материала из зоны обработки. Частицы уносятся через зазор между внутренней поверхностью колонковой трубы и внешней поверхностью трубки. Этот зазор можно также использовать для подачи в зону обработки воздушно-водяной смеси, ускоряющей процесс остывания материала. Колонковая труба с коронкой вращалась с постоянной угловой скоростью ∼1 оборот/с. Волокно не вращается, его торец отдален от поверхности материала на такое расстояние, что диаметр пятна излучения на поверхности равен ∼6 мм. После облучения и охлаждения забоя отверстия бур продвигался вперед, механически измельчая ослабленный материал. После продвижения на расчетную глубину бур вдвигался обратно и цикл повторялся.
Экспериментальная отработка комбинированного лазерного инструмента производилась на стенде (рис.8а). Образцы для бурения – блоки 300×150×120 мм из бетона марки 300. Элементы тесно укладывались последовательно друг за другом на оптический рельс и фиксировались стальными стяжками, набирая длину материала. В качестве источника лазерного излучения использовали волоконный лазер YLR-500. Магистральное оптическое волокно диаметром 400 мкм и длиной 15 м с охлаждаемым оптическим разъемом доставляло излучение в зону обработки. Мощность излучения на выходном торце магистрального волокна составляла 490 Вт. Облучение длилось 6 с, затем работал сильный охлаждающий воздушный поток в течение 10 с, после чего механически измельчали материал и потоком воздуха удаляли шлам. Формирование скважины глубиной 3–5 мм проходило за один цикл бурения длительностью 30–40 с.
На первый взгляд, ввод в процедуру лазерного бурения пассивных циклов охлаждения и механического измельчения материала уменьшает производительность комбинированного лазерно-механического метода по сравнению с активным высокотемпературным методом на основе испарения и плавления. Да, это справедливо для режимов нагрева поверхности до температур, намного превышающих температуру кипения материала. Однако при нагреве ниже этих температур, согласно расчетам, по производительности оба метода бурения соизмеримы, а в случае обеспечения наибольшей толщины расплавленного слоя эффективность лазерно-механического метода выше. Так, при нагреве поверхности до температуры кипения кремнезема 2800˚С пятном излучения диаметром 6 мм с плотностью тепловой мощности 100 Вт/см2 глубина залегания теплового фронта с температурой 600˚С равна ~3,5 мм и объемная скорость удаления материала составляет ~395 см3/(ч·кВт) при диаметре коронки 10 мм и ~575 см3/(ч·кВт) при диаметре коронки 12 мм (поперечные размеры ослабленной зоны допускают такой размер).
Объемная скорость удаления материала только выдувом расплава (толщина расплавленного слоя 0,9 мм) из отверстия диаметром 6 мм для данного режима почти в два раза меньше и составляет ≈250 см3/(ч·кВт).
С уменьшением плотности тепловой мощности увеличивается толщина ослабленного слоя, что создает преимущества для использования комбинированного лазерно-механического метода. Анализ четко указывает на необходимость оптимизации режимов лазерно-механической обработки для достижения максимальной производительности бурения. Кроме того, в области температур нагрева поверхности 2000–2800˚С производительность этого метода превышает величину производительности для чисто высокотемпературного метода бурения, применение которого чревато закупоркой отверстия шлаками в случае его большой глубины. Вне указанной области температур производительность комбинированного метода бурения падает.
Только лазерно-механический метод бурения обеспечил возможность получения в бетоне глубоких отверстий диаметром 10 мм и длиной до 10 м (рис.8б). Метод позволяет в процессе бурения регулярно удалять тепло из забоя отверстия, то есть вероятность разрушения на тонком отверстии массива материала из-за возможного его перегрева снижается. Это позволяет бурить отверстия в изделиях с относительно малыми поперечными размерами.
Следует отметить, что при обработке бетонных образцов скорость бурения резко менялась с продвижением в зависимости от наличия заполнителей разной твердости на пути лазерного бура. В цементном растворе скорость бурения возрастала, а при попадании бура на участки со светлыми кварцевыми включениями резко падала. Для восстановления скоростных показателей бурения в последнем случае вдвое увеличивали как длительность нагрева, так и период охлаждения перед процессом механической обработки. Загрязнение поверхности отверстия (нарастание материала на поверхности) пролетающими расплавленными частицами по мере его углубления устраняли механически при каждом проходе режущей коронки.
Литература.
Wignarajah S., Sugimoto K., Nagai K. Trends in high power laser applications in civil engineering. – Proc. SPIE 2004, v.5777, p.829–839, XV International Symposium on gas flow, chemical lasers and high-power lasers.
Hilton P. Fibre lasers for surface removal of contaminated concrete in the nuclear sector. – Proceeding of 29rd International Сongress on Applications of Lasers and Electro-Optics 2010, p.1305.
Xu Z. et al. Specific energy for pulsed laser rock drilling. – Journal of Laser Application, 2003, v.15, № 1, p.25–30.
Журба В.М., Митькин В.М., Шишковский В.В. Свойства газовых термолинз, наводимых в зоне лазерного сверления с принудительным обдувом. – Оптический журнал, 2004, т.71, № 5, с.14–16.
Журба В.М., Иванов В.Н., Кобилов И.М., Митькин В.М. Удельная энергия лазерного разрушения ряда строительных материалов. – Оптический журнал, 2007, т.74, № 8, с.61–65.
Васильев М.В., Журба В.М., Митькин В.М., Щепкин А.Д. Низкотемпературное разрушение кремнеземсодержащих материалов лазерным излучением. – Физика и химия стекла, 2012, т.38, №3, с.393–401.
Прянишников В.П. Система кремнезема. – Стройиздат, Л., 1971.
Например, в гражданском строительстве [1] применение лазерных технологий, свободных от шума и вибраций, наиболее эффективно в сейсмических районах для бурения отверстий в существующих бетонных зданиях. Там их используют для укрепления с помощью стальных стяжек или подобных деталей аварийных домов, а также при реставрации старинных зданий и их элементов [5]. Пригодна эта технология и в задачах предотвращения обвалов [1] при бурении отверстий в опасных отвесных участках горной породы для размещения в них взрывчатых веществ и разрушения взрывом.
В атомной отрасли [2] мощное лазерное излучение используют для дезактивации выведенных из эксплуатации бетонных ядерных сооружений. В таком случае пользователей привлекает низкое пылевыделение, сопровождающее процесс лазерного снятия загрязненного поверхностного слоя и резку бетона. Важную роль играет дистанционное управление процессом, то есть удаленное размещение оборудования от объекта. Волоконно-оптические средства доставки лазерного излучения в зону обработки позволяют успешно применить лазерные технологии для бурения тонких диагностических отверстий в многометровых бетонных стенах могильников с захоронениями радиоактивных веществ [5].
В нефтегазовой отрасли [3] мощное лазерное излучение используется для реанимации заброшенных скважин и повышения эффективности вскрытия существующих скважин. Для этого выполняют перфорацию обсадных труб и сквозь отверстия бурят скважины в окружающей породе (цементированном агрегате, песчанике, известняке, сланеце и др.).
Выбор оптимального и наиболее эффективного режима лазерной термообработки материалов зависит от конкретной цели. Необходимо четко представлять физические процессы и механизмы разрушения, происходящие в материалах в процессе лазерного воздействия на них. Механизмы лазерного разрушения пород зависят как от нагрева материала из-за поглощения излучения, так и от градиента температуры в материале, вызванного процессом теплопроводности. Поэтому их условно можно разделить на низкотемпературные и высокотемпературные механизмы разрушения. Условия для низкотемпературного механизма реализуются в области температур упруго-хрупкого состояния материала на стадиях нагрева и охлаждения. Так, при высокоскоростном нагреве поверхности образца в глубине тонкого приповерхностного слоя неизбежно возникает градиент температур. За счет него в слое появляются температурные касательные напряжения растяжения. В случае превышения предела прочности материала происходит локальное разрушение в виде шелушения и термического скола. К шелушению поверхности приводит также изменение давления от резкого расширения свободной воды (при температуре около 200˚С вода находится в пористой структуре приповерхностного слоя бетона) и частично выделяемой основной части химически связанной воды, входящей в состав цемента (в области температур 800–900˚С). При охлаждении нагретой поверхности под действием градиента температуры уже на ней самой возникают растягивающие напряжения. Они также могут превысить предел прочности материала и разрушить его, образуя на поверхности трещины. Высокотемпературный механизм разрушения реализуется в области температур размягчения материала в виде плавления, испарения или термического разложения.
Таким образом, при воздействии мощного лазерного излучения на породы их разрушение происходит как за счет скалывания приповерхностного слоя материала из-за перепада температур и флуктуаций внутреннего давления, так и за счет плавления, испарения или термического разложения материала в области воздействия лазерного пятна. Для повышения эффективности лазерного разрушения используют струю газа высокого давления для выноса расплава из зоны обработки, а для быстрого охлаждения расплава и растрескивания затвердевшей остеклованной массы (шлака) в струю газа впрыскивают жидкость. Действия дополняют механическим дроблением и удалением шлака, введением в зону обработки порошков восстановителей для уменьшения температуры плавления кремнезема и т.д. В процессе разрушения, как правило, участвуют сразу несколько механизмов, причем преобладающее действие одного из них зависит от состава наполнителей материала. Так, в разрушении бетона, содержащего агрегаты из кварцита или базальта, мощным лазерным излучением превалирует эффект плавления над эффектами внутреннего давления. В то же время в бетоне с агрегатами из известняка разрушение носит взрывной характер, сопровождающийся выбросом кусков бетона без проявления следов плавления обработанной поверхности [2]. Для каждой породы характерно свое значение удельной энергии разрушения [3, 5].
Эффект теплового разупрочнения кремнеземсодержащих материалов
Рассмотрим результаты лазерного бурения тонких глубоких отверстий в кремнеземсодержащих материалах (на примере бетона). При этом сделаем акцент на проявлении низкотемпературных механизмов разрушения при бурении пород, особенно на механизме теплового ослабления материала. Механизм теплового разупрочнения кремнеземсодержащих материалов, а к ним относятся практически все горные породы и искусственные строительные материалы, подробно описан в работе [6]. Обратимое превращение в кремнеземе низкотемпературного β-кварца в высокотемпературный α-кварц при переходе через температуру 573˚С приводит к разупрочнению [7]. Это превращение относится к типу превращений смещения, происходит без разрыва связей и сопровождается увеличением объема примерно на 0,86%, что свидетельствует о незначительных изменениях в структуре. Однако незначительные изменения структуры кремнезема приводят к заметным изменениям различных физических свойств материала в интервале температур превращения. Поэтому при температуре, соответствующей температуре перехода, внутри кристалла возникают напряжения большой величины [7]. Превращению при нагреве β-кварца в α-кварц соответствует медленное изменение физических свойств в некотором температурном интервале. Это связано с постепенным увеличением доли α-кварца в β-кварце вплоть до полного его замещения в точке перехода (при ~573˚С). Поэтому наблюдаемое при нагреве увеличение внутренних напряжений в точке перехода не вызывает растрескивания кристаллов. Этот факт экспериментально зафиксирован [7] при нагреве образцов размером 0,3–5 мм со скоростью до 100 град/мин. Обратному же при охлаждении превращению α-кварца в β-кварц соответствует резкое изменение физических свойств в точке перехода. А это уже приводит к растрескиванию кристаллов из-за резкого уменьшения их объема, вызывающего всплеск величины внутренних напряжений выше предела прочности. Заметим, что из-за высоких скоростей нагрева при лазерном бурении вероятно возникновение растрескивания и в процессе нагрева. Однако это требует экспериментального подтверждения. В работе [6] разупрочнение было продемонстрировано на примере бетона, кирпича, гранита и цементно-песчаной смеси как при омическом нагреве, так и при лазерном нагреве тонких и объемных деталей с последующим их охлаждением. Особенно ярко эффект такого разупрочнения был продемонстрирован в следующем эксперименте. Излучение волоконного лазера мощностью 100 Вт падало на плитку бетона толщиной 30 мм (диаметр пятна воздействия на внешней поверхности образца 10 мм). С тыльной стороны пластины по оси лазерного пучка была закреплена термопара для измерения температуры поверхности образца. Когда температура достигала 700˚С, облучение прекращали и охлаждали образец естественным образом на воздухе. В момент выключения излучения температура на внешней поверхности в пятне воздействия согласно расчетам для данной скорости нагрева (200 град/с) достигала величины начала плавления материала. Это заметно при появлении на внешней поверхности образца оплавленной зоны диаметром 8 мм (рис.1а). По мере охлаждения определяли твердость материала на тыльной поверхности образца, процарапывая ее позади оплавленного фронтального пятна. Только после остывания до температур ниже ~130˚С было зафиксировано разупрочнение материала, что позволило деревянной палочкой выскоблить материал в пятне диаметром, примерно равным 8 мм (рис.1б). Полученный результат показал, что и при лазерном облучении с присущими ему высокими скоростями нагрева разупрочнение кремнеземсодержащих материалов происходит также на стадии их охлаждения. Следовательно, для бурения кремнеземсодержащих материалов не обязательно использовать локальный нагрев до высоких температур плавления и испарения. Достаточно нагреть обрабатываемый материал до температур, немного превышающих 600˚С, а после – охладить его для ослабления структуры, затем механически измельчить и удалить из канала струей воздуха продукты разрушения.
Высокотемпературное бурение
Эксперименты по бурению глубоких отверстий начинались с исследования высокотемпературного режима разрушения. При таком методе бурение представляет собой этапы лазерного нагрева локальной площади материала до температуры плавления, последующего испарения и удаления с ее поверхности продуктов разрушения, например воздушной струей. Следующие слои последовательно нагреваются и также претерпевают плавление и испарение. Граница теплового воздействия лазерного излучения в результате поглощения перемещается вглубь материала вдоль оси пучка, и в результате теплопроводности, – в стороны от контура лазерного пятна.
Объектами наших исследований в экспериментах служили образцы из гранита и бетона, а в качестве первоначального лазерного источника – 120-Вт волоконный лазер. Излучение после коллиматора фокусировалось длиннофокусной ( F = 375 мм ) линзой. Продольное перемещение образца относительно линзы в пределах расстояний от нее 200–330 мм позволяло менять плотность мощности излучения в зоне его воздействия. В область обработки с помощью тонкой трубки под минимально возможным углом к оси излучения подавали сжатый воздух под давлением 1,8 атм. На рис.2 приведена зависимость времени образования сквозных отверстий в бетоне от толщины образца при использовании непрерывного режима облучения. При выбранной геометрии эксперимента диаметр отверстия на входной поверхности образца составлял ~2 мм, а на выходной ~ 1 мм.
При использовании фокусирующей линзы для доставки излучения в зону обработки в объемном образце формируется отверстие, глубина которого соизмерима с длиной перетяжки сфокусированного лазерного пучка. Длина этой фокальной перетяжки и определяет величину предельной глубины бурения, ограничивая достижение глубоких отверстий в монолитных породах. Поэтому для преодоления этого фактора необходимо последовательно перемещать плоскость с необходимой плотностью излучения вдоль оси формируемого лазерного канала. Продольное перемещение такой плоскости возможно только при использовании волоконно-оптических средств доставки лазерного излучения в зону обработки [4]. Если режим облучения одноточечный, то для обеспечения такого продвижения диаметр формируемого отверстия должен превышать диаметр волоконно-оптического кабеля. При этом вынужденно увеличивается мощность излучения. Размер пятна засветки на материале определяет диаметр формируемого отверстия. В этом случае расстояние между торцом излучающего волокна и плоскостью материала регулирует размер этого пятна. Расстояние необходимо поддерживать постоянным по мере углубления отверстия. Дальнейшие эксперименты мы проводили с лазерами повышенной мощности излучения, совмещенными с волоконно-оптическими средствами доставки лазерного излучения в зону бурения. В качестве средства использовали магистральное кварц-кварцевое оптическое волокно диаметром 600 мкм, в которое можно было эффективно ввести излучение и волоконного, и твердотельного лазера. При использовании твердотельного лазера ЛТИ-500 мощность излучения на выходе волокна составляла 360 Вт.
Первоначальная конструкция головной рабочей части бура представляла собой систему из двух тесно прижатых друг к другу трубок диаметром 2 мм (общий поперечный размер 4 мм). Устройство предназначено для позиционирования на поверхности образца, формирования на ней требуемых пространственных параметров лазерного излучения и требуемого потока хладагента. В одной трубке помещали излучающее волокно с продувом воздуха в зазоре (для защиты торца от отработанного материала), а через другую трубку в зону обработки подавали охлаждающую струю воздуха или воздушно-капельной смеси. В цикл обработки входили период лазерного облучения, последующий период охлаждения воздухом и период впрыскивания в струю воздуха воды в момент окончания периода лазерного облучения. При величине мощности излучения 360 Вт получали отверстия диаметром только до 2,5 мм. В бетонных образцах толщиной 10–15 мм на формирование сквозных отверстий требовалось 30–40 с. То есть скорость проходки примерно та же, что и выше (~22 мм/мин), несмотря на удлинение процедуры бурения из-за введения дополнительных этапов охлаждения. Для увеличения поперечного размера формируемого канала в этом случае применяли поперечное сканирование лазерным пучком по площади предполагаемого сечения. Экспериментально опробовали двухкоординатное сканирование, при котором форма сечения образующегося канала получалась близкой к прямоугольной (см. рис.3). Режим обработки тот же. За один цикл сканирования снимали слой материала толщиной 5–7 мм. Из-за того, что площадь обрабатываемой поверхности много больше площади сканирующего пятна излучения, скорость бурения в методе сплошного сканирования существенно ниже.
Высокотемпературное бурение сопровождает нагрев материала вокруг формируемого отверстия. Даже при используемом режиме бурения с водяным вспрыскиванием в зону обработки температура материала у поверхности отверстия после окончания бурения достигала 100–120˚С. Нагрев материала, в свою очередь, ведет к появлению в объеме образца температурного градиента за счет процессов теплопроводности. В этом случае тонкое отверстие может стать концентратором возникающих температурных напряжений, что способно привести к разрыву образца по линии отверстия (рис.4а). Кроме этого, углубляя отверстие разными методами облучения (одноточечным или методом поперечного сканирования пятном излучения по площади забоя отверстия), мы встречаемся с трудностями удаления расплавленного материала, что требует повышения мощности лазерного излучения. В свою очередь, из-за теплопроводности и теплоизлучения от расплавленной зоны материал вокруг отверстия нагревается. И поперечный размер расплава на забое глубокого отверстия может превысить не только диаметр лазерного пятна, но и диаметр коронки. Тогда образуется менее вязкий материал, трудный для извлечения. С ростом глубины бурения растет вероятность закупорки отверстия из-за неизбежного загрязнения поверхностей бура и отверстия пролетающими в зазоре между ними остывающими частицами расплава (рис.4б). По всей видимости, именно перечисленные выше причины преградили путь к успеху проводимым ранее многократным попыткам бурения глубоких отверстий в бетоне с увеличенной мощностью лазерного излучения. Использование чисто высокотемпературного механизма разрушения в бурении глубоких отверстий ограничено.
Низкотемпературное бурение
Бурение, использующее только низкотемпературные механизмы разрушения, это процесс циклического воздействия на зону обработки периодов нагрева и охлаждения. При этом температуры нагрева не превышают температуру плавления материала. Приповерхностный слой в зоне обработки в этом случае подвергается действию знакопеременных напряжений и внутренних давлений, разрушение проявляется в виде отслаивания мелких фрагментов. Мы опробовали такое бурение на кубических образцах из смеси цемента марки 400 с кварцевым песком, выдержанных не менее 60 дней, размером 35×35×35 мм. Источник лазерного излучения – твердотельный лазер ЛТИ-500 (длительность импульса излучения 2 мс, частота следования импульсов 30 Гц, средняя мощность излучения на выходе волокна – 190 Вт). Цикл обработки длительностью около 4 с состоял из периода лазерного облучения рабочей зоны, периода импульсного впрыска воды в зону обработки в момент окончания периода облучения и периода охлаждения воздухом под давлением 4 атм. Циклы повторяли до формирования отверстия заданной глубины. В образце получили сквозное отверстие диаметром 5 мм на входной поверхности и 2 мм – на выходной. При таком режиме сильного накопления тепла в материале не наблюдалось, и температура образца не превышала 45˚С. Поверхность нагревалась до температуры ниже плавления за весьма короткое время, это снижало глубину прогрева материала и, следовательно, воздействию знакопеременных напряжений подвергался приповерхностный слой малой толщины. Именно это, в основном, и определяло малую производительность бурения методом, основанным только на низкотемпературном механизме разрушения.
Комбинированный лазерно-механический метод бурения
В рассмотренных выше методах лазерного бурения бетона в процесс удаления материала не были вовлечены эффекты теплового ослабления микроструктур составляющих его компонентов. При нагреве происходит ослабление цементного камня за счет разрушения водно-химических связей структуры цемента при температурах 800–900˚С, в результате этого уменьшается сила сцепления агрегатов в бетоне. При охлаждении происходит растрескивание кристаллов кремнезема за счет фазового превращения в области температур 550–600˚С внутри объема всех кремнеземсодержащих составляющих бетона (цемент, агрегаты). Процесс локального растрескивания микроструктур никак не проявляется на внешнем состоянии бетона из-за изотропного характера разрушения по объему. То есть эти фазовые превращения структуры кремнезема в слоях не воздействуют механически направленно на массив бетона, что необходимо для деформации или разрушения его поверхности. Требуется механическое вмешательство для снятия ослабленного слоя бетона. Расчетные оценки показывают, что введение в процедуру лазерного бурения операции механического удаления слоя с ослабленным материалом увеличивает в несколько раз глубину отверстия, формируемого за цикл обработки.
Мы провели эксперименты по бурению с помощью комбинированного лазерно-механического метода, который включал в себя стадии лазерного локального нагрева материала до температур его испарения, последующего охлаждения и механического воздействия. Локальный нагрев до температур испарения формирует кратер с расплавом материала в его полости (несмотря на испарение материала, больший его объем в кратере все же находится в жидкой фазе). Охлаждение, во-первых, остужает расплав в полости кратера до стеклообразного состояния. Во-вторых, создает условия для низкотемпературного структурного превращения кремнезема в массе материала вокруг кратера (за фронтом плавления в слоях материала с более низкими температурами нагрева), ведущего к ослаблению материала. Механическое воздействие направлено на дополнительное увеличение глубины отверстия измельчением ослабленного материала и удалением шлама из зоны обработки воздушной струей.
Присутствие слоя ослабленного материала вокруг оплавленной зоны кратера позволяет использовать режущую коронку большего диаметра, чем диаметр пятна излучения. Тогда объем удаляемого материала увеличивается. С учетом этого факта наиболее технологичным способом бурения отверстий с круговым сечением в методе поперечного сканирования стал метод многоточечного последовательного воздействия лазерного пучка определенного диаметра по круговому периметру отверстия (метод вскрытия). При этом одноточечный характер облучения сохраняется. Периодический поворот за время 80 с манипулятора (колонковая трубка с ребристой коронкой на рабочем конце) вокруг своей продольной оси на ±360˚ обеспечивает поперечное перемещение лазерного пятна по обрабатываемой поверхности материала. При этом излучающее волокно, закрепленное на внутренней поверхности колонковой трубки, перемещалось по круговой траектории по периметру кольца диаметром 10 мм. Это дало возможность перекрыть материал в осевой части отверстия тепловыми зонами ослабления от локальных пятен лазерного воздействия. Торец волокна отстоял от обрабатываемой поверхности на 10 мм. Режим лазерной обработки был циклическим: нагрев излучением (мощностью 340 Вт, за время 2 с), последующее охлаждение потоком воздуха (за время 2,5 с) с одновременным впрыскиванием воды в воздушный поток в момент окончания лазерного облучения. В момент лазерного воздействия из зоны обработки за счет испарения частично выносится материал. Завершал цикл после полного оборота манипулятора этап механической обработки. Колонковая труба с коронкой выдвигалась вперед до касания с материалом и под действием продольного усилия торцевыми и боковыми резцами крошила хрупкую систему из затвердевшего расплава с окружающей ослабленной подложкой материала, продвигаясь вперед (рис.5а). Образующийся столбик ослабленного материала в центре колонковой трубки постепенно с углублением крошился. Измельченный материал выносился из канала потоком подаваемого воздуха. Затем циклы повторялись до получения заданной глубины. Для применения одноточечного лазерного бурения в комбинированном лазерно-механическом методе оказалось достаточно для формирования отверстия диаметром 10–12 мм воздействовать на материал пятном излучения диаметром 6 мм при мощности ~500 Вт. Тонкий пучок за счет испарения материала на оси предполагаемого отверстия формирует кратер с характерным суживающимся в продольном направлении радиальным профилем, близким по форме к радиальному распределению плотности энергии в сечении пучка излучения (рис.6). В материале вокруг затвердевшего кратера в процессе охлаждения образуется зона с ослабленной структурой. По направлению оси кратера и внедряется вращающаяся режущая головка большего диаметра, легко разрушая с торца наклонные хрупкие слои материала разной прочности и формируя отверстие с ровной боковой поверхностью. Из рис.7 видно, что при чисто лазерном бурении отверстие имеет оплавленную неровную боковую поверхность, а лазерно-механический метод создает отверстие с четко сформированной, ровной, и главное – проницаемой поверхностью. Такое качество важно в ряде применений, например в нефтегазовой отрасли для повышения эффективности вскрытия скважин локальным бурением в породе, окружающей боковые отверстия.
Головная часть лазерного бура, используемого в эксперименте, представляет собой колонковую трубу с ребристой коронкой с тугоплавкими резцами. Вдоль ее оси в металлической трубке размещено оптическое волокно. Для охранного обдува его выходного торца по трубке постоянно подается воздух. В период механической обработки материала поток воздуха в трубке усиливается для выноса измельченных частиц материала из зоны обработки. Частицы уносятся через зазор между внутренней поверхностью колонковой трубы и внешней поверхностью трубки. Этот зазор можно также использовать для подачи в зону обработки воздушно-водяной смеси, ускоряющей процесс остывания материала. Колонковая труба с коронкой вращалась с постоянной угловой скоростью ∼1 оборот/с. Волокно не вращается, его торец отдален от поверхности материала на такое расстояние, что диаметр пятна излучения на поверхности равен ∼6 мм. После облучения и охлаждения забоя отверстия бур продвигался вперед, механически измельчая ослабленный материал. После продвижения на расчетную глубину бур вдвигался обратно и цикл повторялся.
Экспериментальная отработка комбинированного лазерного инструмента производилась на стенде (рис.8а). Образцы для бурения – блоки 300×150×120 мм из бетона марки 300. Элементы тесно укладывались последовательно друг за другом на оптический рельс и фиксировались стальными стяжками, набирая длину материала. В качестве источника лазерного излучения использовали волоконный лазер YLR-500. Магистральное оптическое волокно диаметром 400 мкм и длиной 15 м с охлаждаемым оптическим разъемом доставляло излучение в зону обработки. Мощность излучения на выходном торце магистрального волокна составляла 490 Вт. Облучение длилось 6 с, затем работал сильный охлаждающий воздушный поток в течение 10 с, после чего механически измельчали материал и потоком воздуха удаляли шлам. Формирование скважины глубиной 3–5 мм проходило за один цикл бурения длительностью 30–40 с.
На первый взгляд, ввод в процедуру лазерного бурения пассивных циклов охлаждения и механического измельчения материала уменьшает производительность комбинированного лазерно-механического метода по сравнению с активным высокотемпературным методом на основе испарения и плавления. Да, это справедливо для режимов нагрева поверхности до температур, намного превышающих температуру кипения материала. Однако при нагреве ниже этих температур, согласно расчетам, по производительности оба метода бурения соизмеримы, а в случае обеспечения наибольшей толщины расплавленного слоя эффективность лазерно-механического метода выше. Так, при нагреве поверхности до температуры кипения кремнезема 2800˚С пятном излучения диаметром 6 мм с плотностью тепловой мощности 100 Вт/см2 глубина залегания теплового фронта с температурой 600˚С равна ~3,5 мм и объемная скорость удаления материала составляет ~395 см3/(ч·кВт) при диаметре коронки 10 мм и ~575 см3/(ч·кВт) при диаметре коронки 12 мм (поперечные размеры ослабленной зоны допускают такой размер).
Объемная скорость удаления материала только выдувом расплава (толщина расплавленного слоя 0,9 мм) из отверстия диаметром 6 мм для данного режима почти в два раза меньше и составляет ≈250 см3/(ч·кВт).
С уменьшением плотности тепловой мощности увеличивается толщина ослабленного слоя, что создает преимущества для использования комбинированного лазерно-механического метода. Анализ четко указывает на необходимость оптимизации режимов лазерно-механической обработки для достижения максимальной производительности бурения. Кроме того, в области температур нагрева поверхности 2000–2800˚С производительность этого метода превышает величину производительности для чисто высокотемпературного метода бурения, применение которого чревато закупоркой отверстия шлаками в случае его большой глубины. Вне указанной области температур производительность комбинированного метода бурения падает.
Только лазерно-механический метод бурения обеспечил возможность получения в бетоне глубоких отверстий диаметром 10 мм и длиной до 10 м (рис.8б). Метод позволяет в процессе бурения регулярно удалять тепло из забоя отверстия, то есть вероятность разрушения на тонком отверстии массива материала из-за возможного его перегрева снижается. Это позволяет бурить отверстия в изделиях с относительно малыми поперечными размерами.
Следует отметить, что при обработке бетонных образцов скорость бурения резко менялась с продвижением в зависимости от наличия заполнителей разной твердости на пути лазерного бура. В цементном растворе скорость бурения возрастала, а при попадании бура на участки со светлыми кварцевыми включениями резко падала. Для восстановления скоростных показателей бурения в последнем случае вдвое увеличивали как длительность нагрева, так и период охлаждения перед процессом механической обработки. Загрязнение поверхности отверстия (нарастание материала на поверхности) пролетающими расплавленными частицами по мере его углубления устраняли механически при каждом проходе режущей коронки.
Литература.
Wignarajah S., Sugimoto K., Nagai K. Trends in high power laser applications in civil engineering. – Proc. SPIE 2004, v.5777, p.829–839, XV International Symposium on gas flow, chemical lasers and high-power lasers.
Hilton P. Fibre lasers for surface removal of contaminated concrete in the nuclear sector. – Proceeding of 29rd International Сongress on Applications of Lasers and Electro-Optics 2010, p.1305.
Xu Z. et al. Specific energy for pulsed laser rock drilling. – Journal of Laser Application, 2003, v.15, № 1, p.25–30.
Журба В.М., Митькин В.М., Шишковский В.В. Свойства газовых термолинз, наводимых в зоне лазерного сверления с принудительным обдувом. – Оптический журнал, 2004, т.71, № 5, с.14–16.
Журба В.М., Иванов В.Н., Кобилов И.М., Митькин В.М. Удельная энергия лазерного разрушения ряда строительных материалов. – Оптический журнал, 2007, т.74, № 8, с.61–65.
Васильев М.В., Журба В.М., Митькин В.М., Щепкин А.Д. Низкотемпературное разрушение кремнеземсодержащих материалов лазерным излучением. – Физика и химия стекла, 2012, т.38, №3, с.393–401.
Прянишников В.П. Система кремнезема. – Стройиздат, Л., 1971.
Отзывы читателей
