Fizikalni model laserskega odstranjevanja izolativnega laka z bakrene žice

(1)

UNIVERZA V LJUBLJANI Fakulteta za strojništvo

Fizikalni model laserskega odstranjevanja izolativnega laka z bakrene žice

Tim Kankelj

Ljubljana, avgust 2021

Zaključna naloga Univerzitetnega študijskega programa I. stopnje

Strojništvo - Razvojno raziskovalni program

(2)

(3)

UNIVERZA V LJUBLJANI Fakulteta za strojništvo

Fizikalni model laserskega odstranjevanja izolativnega laka z bakrene žice

Zaključna naloga Univerzitetnega študijskega programa I. stopnje Strojništvo - Razvojno raziskovalni program

Tim Kankelj

Mentor: prof. dr. Matija Jezeršek, univ. dipl. inž.

Ljubljana, avgust 2021

(4)

(5)

Zahvala

Najprej bi se rad zahvalil mentorju prof. dr. Matiju Jezeršku, ki me je tekom nastajanja zaključnega dela usmerjal in v prvi vrsti omogočil opravljanje zaključne naloge.

Zahvaljujem se laboratoriju za lasersko tehniko LASTEH, kjer je eksperimentalno delo nastalo, in še posebej asist. Matjažu Kosu, univ. dipl. inž. strojništva, za vse nasvete in pomoč pri raziskovanju ter pripravi laserskega sistema.

Zahvalil bi se tudi mentorju v podjetju dr. Janezu Luznarju za številne strokovne nasvete pri pisanju programske kode, potrpežljivost in hitro odzivnost.

Na koncu bi se rad zahvalil še staršema, ki sta mi študij omogočila in me podpirala skozi vsa študijska leta.

(6)

(7)

Izvleček

UDK 621.375.826:621.315.3(043.2) Tek. štev.: UN I/1566

Fizikalni model laserskega odstranjevanja izolativnega materiala z bakrene žice

Tim Kankelj

Ključne besede: laserski sistem bakrena žica fizikalni model izolativni premaz prenos toplote

Vse pogostejša uporaba električnih naprav na različnih področjih pomeni vse večjo uporabo električno prevodnih žic, ki so prevlečene z izolacijsko plastjo. Slednja mora pogosto biti pred spajanjem odstranjena. V industriji se za različne obdelovalne postopke vse pogosteje uveljavljajo laserski sistemi. Z njihovo pomočjo lahko tudi odstranimo izolativni sloj iz površine obdelovanca. V zaključnem delu smo zasnovali fizikalni model laserskega odstranjevanja izolativnega sloja, temelječega na prenosu toplote, preko polneskončnega telesa in ga na podlagi izvedenih eksperimentov, kjer smo osvetljevali čelno površino bakrene žice, postopoma prilagajali. Z opravljenimi eksperimenti smo ugotovili obratno sorazmernost parametrov laserske moči in trajanja bliska v kombinaciji z dolžino odstranjenega izolativnega premaza žice ter pridobili nadzor nad samim procesom.

Natančnost fizikalnega modela smo validirali z izračunom standardne deviacije, ki je pri določanju trajanja laserskega bliska za pričetek pretaljevanja izolativnega sloja, znašala 14 ms, raztros koeficienta absorptivnosti je znašal 7,7 %, natančnost izračuna dolžine odstranjenega laka pa 0,40 mm.

(8)

Abstract

UDC 621.375.826:621.315.3(043.2) No.: UN I/1566

Physical model of laser removal of insulating material from copper wire

Tim Kankelj

Keywords: laser system copper wire physical model insulation coating heat transfer

The increasing use of electrical devices in various areas results in higher demand of coil wires, which are coated with an insulating layer. Often insulation must be removed before welding. Laser systems are increasingly being used for different industrial purposes. In this work we designed a physical model of copper wire insulation removal process via semi- infinite body and gradually adjusted it based on the results of the experiments, where we illuminated the front surface of copper wire. With the experiments carried out, we found the inverse proportionality of the parameters of laser power and the duration of laser pulse in combination with the removed length of the wire insulation coating while simultaneously gaining control of the process itself. The accuracy of the physical model was validated by calculating multiple standard deviations, which were evaluated at 14 ms when determining the duration of the laser pulse for initiation of insulation layer melting, standard deviation for calculated coefficient of absorbtivity was 7.7 % and the accuracy of insulation removal length was 0,40 mm.

(9)

Kazalo

Kazalo slik ... xi

Kazalo preglednic ... xii

Seznam uporabljenih simbolov ... xiii

Seznam uporabljenih okrajšav ... xv

1 Uvod ... 1

1.1 Ozadje problema ... 1

1.2 Cilji ... 1

2 Pomen zaščitnega sloja ... 2

2.1 Pregled izolativnih materialov ... 3

3 Pregled obstoječih metod odstranjevanja izolativnega laka .. 4

3.1 Kemično čiščenje... 4

3.2 Uporaba toplote ... 5

3.3 Mikro-abrazivno peskanje ... 5

3.4 Abrazija z rotirajočimi kolesi ... 5

3.5 Lasersko obsevanje s kratkovalovno dolžino ... 6

3.6 Prednosti in slabosti laserskega odstranjevanja izolativnega materiala ... 7

4 Fizikalni model procesa ... 8

4.1 Opis procesa ... 8

4.2 Predpostavke fizikalnega modela ... 9

4.2.1 Materialne lastnosti bakra ... 9

4.2.2 Značilnosti laserskega snopa ... 13

4.3 Prevod toplote vzdolž žice ... 15

4.3.1 Splošna enačba prevoda toplote ... 15

4.3.2 Toplotne lastnosti snovi ... 17

4.3.3 Reševanje splošne enačbe prevoda toplote ... 17

4.3.4 Analitična rešitev za primer enodimenzionalnega prevoda toplote ... 18

4.4 Izračun dolžine odstranjenega izolativnega sloja ... 23

(10)

5 Eksperimentalno delo ... 25

5.1 Eksperimentalni sistem ... 25

5.1.1 Laserski vir ... 26

5.1.2 Vodenje laserskega snopa: 3D Skenirna glava ... 26

5.2 Opis in priprava vzorcev ... 27

5.3 Nastavitve laserskega sistema ... 28

5.4 Preglednica uporabljenih delovnih parametrov ... 29

5.5 Metodologija določitve praga pretaljevanja ... 30

5.6 Metodologija določitve dolžine odstranjenega laka ... 33

6 Rezultati in diskusija ... 36

6.1 Tabela vseh eksperimentov ... 36

6.2 Primerjava med teoretičnimi in izmerjenimi vrednostmi začetka pretaljevanja ... 36

6.3 Določitev absorptivnosti ... 37

6.4 Poveza med absorptivnostjo in močjo laserja ... 39

6.5 Primerjava med teoretičnimi in izmerjenimi dolžinami odstranjenega laka .. ... 40

6.5.1 Dolžina odstranjenega laka bakrene žice v odvisnosti od moči laserske svetlobe ... 40

6.5.2 Dolžina odstranjenega laka bakrene žice v odvisnosti od trajanja laserskega bliska ... 41

7 Zaključki ... 43

Literatura ... 44

Priloga A ... 46

Priloga B ... 57

(11)

Kazalo slik

Slika 2.1: Prikaz bakrene žice v navitju statorja [5]. ... 2

Slika 3.1: Lasersko odstranjevanje izolacije bakrenih žic [11]. ... 6

Slika 4.1: Skica procesa laserske obdelave bakrene žice. ... 9

Slika 4.2: Radiacija, refleksija, absorpcija in transmisija laserskega sevanja. ... 10

Slika 4.3: Odbojnost kot funkcija temperature pri valovni dolžini 1064 nm [15]. ... 11

Slika 4.4: Temperaturna odvisnost toplotne prevodnosti nekaterih trdnin [17]. ... 12

Slika 4.5: Odvisnost toplotne prevodnosti in specifične toplotne kapacitete od temperature [19]. . 12

Slika 4.6 a) Tloris in b) stranski pogled intenzitetnega profila Gaussovega snopa [15], [21]. ... 14

Slika 4.7: Poenostavitev v 1D problem. Neskončna širina laserskega žarka in konstantna intenziteta po preseku žarka [15]. ... 15

Slika 4.8: Kontrolni volumen energijske bilance v KS (x,y,z). ... 16

Slika 4.9: Normiran temperaturni profil pri različnih dolžinah laserskega bliska... 19

Slika 4.10: Integral komplementarne funkcije napake. ... 20

Slika 4.11: Primer spreminjanja temperature na površini za material: baker ... 20

Slika 4.12: Termična vdorna globina za primer materiala: baker. ... 21

Slika 4.13: Segrevanje in ohlajanje bakrene žice na različnih oddaljenostih od čelne površine (z = 0, z = 0.5zth, z = zth) in pri dolžini bliska tp = 1 ms. ... 22

Slika 4.14: Temperaturne porazdelitve po globinah ob različnih trenutkih po zaključku obsevanja čelne površine bakrene žice (t = tp, t = 2 tp, t = 4 tp, t = 100 tp). ... 23

Slika 4.15: Prikaz temperaturnega profila za normalizirani x in y osi. ... 24

Slika 5.1: Eksperimentalni sistem. ... 25

Slika 5.2: Laserski vir: YLS-3000-CUT [23]. ... 26

Slika 5.3: Shema sestava 3D skenirne glave RLSK Highyag [24]... 27

Slika 5.4: Prikaz vpetja preizkušancev v prijemalo. ... 28

Slika 5.5: Nastavitveni program prametrov 3D skenirne glave RLSK Highyag. a) nastavitve procesa – Točkovno varjenje; b) nastavitev izhodne moči laserja; c) nastavitev trajanja laserskega bliska; d) nastavitev koordinat laserskega snopa; e) vertikalni odmik od gorišča. . 28

Slika 5.6: Postopek določevanja dolžine odstranjenega izolativnega premaza. ... 33

Slika 6.1: Graf odvisnosti moči laserske svetlobe P od trajanja bliska tp. ... 37

Slika 6.2: Graf odstopanja površinske temperature za določanje optimalnega absorpcijskega koeficienta. ... 37

Slika 6.3: Prikaz odstopanja temperature na površini med fizikalnim modelom in eksperimentalnimi izmerki glede na izbran koeficient absorptivnosti za vsako izbrano vrednost izhodne moči laserja. ... 38

Slika 6.4: Primerjava eksperimentalnih izmerkov in fizikalnega modela z upoštevanjem optimalnega koeficienta absorptivnosti. ... 38

Slika 6.5: Odvisnost absorptivnosti Abs in laserske moči P. ... 39

Slika 6.6: Odvisnost med močjo laserske svetlobe P in dolžino odstranjenega izolativnega premaza bakrene žice zodstr. ... 41

Slika 6.7: Odvisnost med trajanjem laserskega bliska tp in dolžino odstranjenega izolativnega premaza bakrene žice zodstr. ... 41

(12)

Kazalo preglednic

Preglednica 5.1: Preglednica uporabljenih delovnih parametrov. ... 29 Preglednica 5.2: Signifikantni primeri za določitev praga pretaljevanja čelne ploskve žice. ... 31 Preglednica 5.3: Signifikantni primeri za določitev dolžine odstranjenega izolativnega laka žice. 33

(13)

Seznam uporabljenih simbolov

Oznaka Enota Pomen

T K gradient temperature

∂T K diferencialna sprememba temperature

∂t s diferencialna sprememba časa

∆Tz K sprememba temperature po globini telesa

A m² površina

Abs / absorptivnost

Abs,opt / optimalni koeficient absorptivnosti

cp J/kgK specifična toplota

d mm premer laserskega snopa

I(r,z) W/m² svetlobna jakost

I0 W/m² svetlobna jakost na osi žarka

Iv W/m² intenziteta vpadle svetlobe

k W/mK toplotna prevodnost

L W ΩK^-2 Lorenzovo število

M ² / kvaliteta laserskega žarka

P W moč laserskega izvora

P800 / zrnatost brusnega papirja

q J/m²s gostota toplotnega toka

R / reflektivnost

r m radialna koordinata

T K temperatura

t s čas

TL K temperatura porušitve izolativnega laka

tp s trajanje laserskega bliska

Tpo K sprememba temperature med ohlajanjem

Tpred K sprememba temperature med segrevanjem

Trs / transmisivnost

w(z) m karakteristični polmer

w0 m polmer žarka, na katerem je jakost svetlobe za faktor 1/e² manjša kot na osi

z m aksialna koordinata

zodstr. m dolžina odstranjenega izolativnega sloja

zR m Rayleighova razdalja

zth m termična vdorna globina

ρcp J/m²K toplotna kapaciteta

 Ω^-1m^-1 električna prevodnost

Abs / standardna deviacija koeficienta absorptivnosti

tp s standardna deviacija dolžin laserskih bliskov

z m standardna deviacija dolžin odstranjenega laka

α m²/s toplotna difuzivnost

(14)

λ m valovna dolžina

ρ kg/m³ gostota

(15)

Seznam uporabljenih okrajšav

Okrajšava Pomen

MKE metoda končnih elementov (ang. Finite element method) MKR metoda končnih razlik (ang. Finite difference method)

Cu baker (ang. Copper)

Al aluminij (ang. Aluminium)

PTFE politetrafluoroetilen (ang. Polytetrafluoroethylene) Formvar polivinil formal (ang. Polyvinyl formal)

THEIC modificirani poliester (ang. Theic polyester)

P800 zrnatost brusnega papirja (ang. Sandpaper grit size)

KS (x,y,z) kartezijev koordinatni sistem (ang. Cartesian coordinate system)

(16)

1 Uvod

1.1 Ozadje problema

Danes se v industriji množično in vse pogosteje uporabljajo elektromotorji za različne aplikacije na vseh področjih (E-mobilnost, vrtno orodje, hišni pripomočki itd.). Primarni sestavni del elektromotorja so tuljave oz. navitja emajliranih bakrenih žic, katerih konice moramo fiksno vpeti na kontakte oz. jih privariti.

Za zagotavljanje kakovostnih spojev pri laserskem varjenju bakrenih žic moramo obvladovati tudi proces, ki nastopa že pred samim začetkom pretaljevanja materiala in nastanka zvara. To je proces odstranjevanja izolativnega sloja. Slednji pogosto ne le izboljšajo estetiko, ampak imajo tudi funkcionalne lastnosti - te vključujejo zaščito pred mehanskimi vplivi in škodljivimi vremenskimi vplivi ter izboljšujejo oprijem in s tem ugodnejše pogoje pri mehanski obdelavi [1].

1.2 Cilji

Namen zaključne naloge je postavitev fizikalnega modela laserskega odstranjevanja izolativnega sloja iz bakrene žice in njegova validacija preko eksperimentalnih meritev. Na podlagi testov bi ugotovili določena odstopanja, ki bi nam služila za nadaljnje popravke fizikalnega modela. Gre za iterativni proces, kjer se fizikalno modeliranje in eksperiment stalno prepletata.

Na podlagi zasnovanega fizikalnega modela bi bili sposobni izvesti slednje:

• določiti idealne vrednosti laserskih parametrov za čim krajšo dolžino poškodbe magnetne žice,

• napovedati vhodne parametre laserskega izvora za primer obdelave žice iz drugega materiala (baker, aluminij, idr.),

• napovedati optimalne vhodne parametre laserskega izvora za različne debeline žice,

• proces čiščenja žice razširiti na proces varjenja (povečana temperatura, na katero moramo segreti žico za začetek pretaljevanja).

(17)

2 Pomen zaščitnega sloja

Izolativni premaz je sloj električno neprevodnega laka ali emajla na bakreno oz. aluminijasto žico, ki se uporablja v električnih napravah. Proces se izvaja v proizvodnih obratih kjer žico tako izdelajo, kot tudi prevlečejo z zaščitnim slojem in nato prodajo proizvajalcem električnih naprav. Žična prevleka mora hkrati ustrezati striktnim električnim, toplotnim in obrabnim zahtevam [2].

Bakrene žice zlahka oksidirajo, ko so izpostavljene zraku, tudi pri sobni temperaturi, kar omejuje njihovo uporabo v elektronskih napravah z visoko močjo in povišano temperaturo med samim obratovanjem [3].

Emajlirana žica, znana tudi kot žica za navitje ali magnetna žica, je kovinska žica, obložena z električno izolacijsko emajlno plastjo med proizvodnjo. Debelina in teža te izolacije iz laka je v primerjavi z drugimi izolacijskimi materiali z enakim učinkom zelo nizka. Takšna žica je zato primerna za gradnjo električnih tuljav, transformatorjev, itd. (Slika 2.1) [4].

Slika 2.1: Prikaz bakrene žice v navitju statorja [5].

(18)

Pomen zaščitnega sloja Glavna lastnost emajla je električna izolativnost, ki omogoča nemoten potek električnega toka preko celotne dolžine navitja tuljav. Brez te lastnosti, ki jo zagotavlja izolativni sloj, ni mogoče graditi tuljav elektromotorjev, saj je za tem večji magnetni učinek potrebno čim večje število ovojev žice. Brez izolacijskega sloja pa električni tok ne bi stekel preko vseh navojev in magnetni učinek bi bil slabši oz. električna naprava bi bila nefunkcionalna.

2.1 Pregled izolativnih materialov

Za zmanjšanje verjetnosti okvare izolacije so žice pogosto zaščitene z zelo močnimi in žilavimi emajli, ki so odporni tudi na močne kemikalije in izpostavitvi visokim temperaturam. Uporaba takšnih materialov pomaga zmanjšati možnost kratkega stika med delovanjem električne naprave, vendar pa otežuje odstranitev izolacije (npr. pred procesom varjenja), še posebej v primeru zelo tankih žic [6].

Najpogosteje izbrane snovi za uporabo izolativnega premaza so polivinil formal (Formvar), poliester, poliester-imid, poliester-amid-imid, poliamid in teflon (PTFE) [6].

(19)

3 Pregled obstoječih metod

odstranjevanja izolativnega laka

V praksi se je razvilo mnogo načinov odstranjevanja izolativnega premaza iz tankih eno- vodniških žic, brez poškodbe njenega (npr. bakrenega) jedra. Taki pristopi vključujejo uporabo topnih kemikalij, toploto, kratkovalovno lasersko sevanje in abrazijo rotirajočih koles [6].

3.1 Kemično čiščenje

Mnoge snovi, ki se uporabljajo za odstranjevanje izolacije (vključno s kombinacijo metilen klorida/fenola) so zelo jedke, strupene ali celo oboje. David G. Cahill [7] je v svojem delu omenil uporabo koncentrirane žveplove kisline za uspešno odstranjevanje poli-termaleza.

Poleg tega je ugotovil, da je vroča koncentrirana žveplova kislina v vodni raztopini ena redkih kemikalij, ki je sposobna odstraniti izolacijo iz poliamida.

Komercialne kemične snovi za odstranjevanje izolacije, ki so na voljo, so sestavljene iz alkalnih soli, ki so segrete in raztaljene pri temperaturi 388 °C. Žica se potopi v tekočino, ki odstrani izolacijo, in nato v kopel, ki vsebuje tekočino, ki nevtralizira alkalno. Ta metoda je učinkovita pri praktično vsaki vrsti plastične filmske izolacije, in je še posebej uporabna, če je treba simultano odstraniti izolacijo velikega števila magnetnih žic. Metoda je primerna tudi za žice, ki imajo nekrožni (npr. pravokotni) prerez. Zaradi visokih temperatur in hlapov staljene soli pa je ta metoda potencialno nevarna. Poleg tega je težko nadzorovati dolžino odstranitve izolacije in to dolžino stalno reproducirati. Kemikalija lahko povzroči oksidacijo materiala žice, če je sredstvu izpostavljena predolgo, kar lahko povzroči težave pri nadaljnji obdelavi (npr. spajkanje in varjenje) [6].

Zelo priročna snov za odstranjevanje nekaterih vrst izolacije (kot sta Formvar in THEIC- modificirani poliester) z uporabo kemičnega sredstva je staljen aspirin (acetilsalicilna kislina). V ta namen je možna uporaba navadne tablete aspirina. Žico, ki ji izolativni premaz želimo odstraniti, položimo na tableto aspirina in nanjo pritisnemo z vročim spajkalnikom.

Aspirin se stali okoli žice in v nekaj sekundah raztopi izolativni sloj. Po končanem postopku je treba odvečno raztopino obrisati iz površine. Pri uporabi tega postopka moramo paziti, da

(20)

Pregled obstoječih metod odstranjevanja izolativnega laka vroči hlapi raztopine ne poškodujejo preostalega dela izolacije, ki še vedno služi svojemu namenu ščitenja površine, kar smo že opisali v prejšnjem poglavju (2) Največja pomanjkljivost pri uporabi aspirina je nastanek škodljivih hlapov v vroči raztopini, ki močno dražijo oči, grlo in pljuča. Druga težava nastane zaradi nereda, ki ga povzroča staljeni aspirin, saj je lepljiv in se strjuje zelo počasi. Kljub svoji reaktivni naravi se zdi, da tekočina ne povzroča korozije žic. Metoda ne deluje s poliimidno ali teflonsko izolacijo [6].

3.2 Uporaba toplote

Nekatere vrste izolacije in zlasti tiste, ki sestojijo iz poliamida, poliuretana, akrila in nekaterih poliestrov, v celoti depolimerizirajo in izparijo pri dovolj visokih temperaturah [8].

Te po navadi znašajo približno 350 – 450 °C, kar pomeni, da se žice obložene s takšnim materialom lahko varijo (oz. spajkajo) neposredno, brez potrebe po predhodni odstranitvi izolacije. Takšne izolacije, naj bi bile »spajkalne izolacije«. Ena izmed teh izolacij je navaden spajkalni poliuretan, ki ga zelo pogosto najdemo na bakreni žici.

Poskusi uporabe toplote za odstranjevanje izolacije, ki ni bila zasnovana s tem postopkom v mislih, običajno povzročijo nastanek karbonatnega ostanka na žici, ki ga je zelo težko odstraniti in posledično preprečuje spajkanje.

I.R.Walker et. al. [6] so pri svojem delu ugotovili, da so nekatere izmed teh izolacij boljše od drugih, kar se tiče odpornosti na visoke temperature. Eden boljših je ''spajkalni poliester- najlon'', v katerem je poliestersko-imidni osnovni plašč prevlečen z najlonom. Ta lahko prenese temperature vsaj 155 °C, v nekaterih primerih tudi 180 °C. Na splošno pa se spajkalni izolaciji izogibamo, razen v primerih, v katerih visoka zanesljivost ni skrb, in v katerih je mogoče enostavno zamenjati žico.

3.3 Mikro-abrazivno peskanje

Za odstranjevanje izolacije iz zelo finih žic uporabljamo naprave, imenovane

"mikroabrazivni blasterji", ki so neke vrste miniaturne naprave za peskanje (vendar z uporabo drugačne vrste abraziva), uporabljene za odstranjevanje izolacije iz zelo finih žic [9]. Za razliko od npr. Fotoablacije pa očitno lahko poškodujejo jedro žice. Poleg tega je običajno potrebno, da postopek odstranjevanja poteka v zaprtem zaboju, da ne pride do uhajanja abraziva. Iz teh razlogov ta metoda ni primerna za večino industrijskih operacij odstranjevanja izolacije iz finih žic [6].

3.4 Abrazija z rotirajočimi kolesi

Najbolj priročna metoda, ki je trenutno na voljo za odstranjevanje izolacije tankih žic po racionalni ceni, vključuje par nasproti se vrtečih abrazivnih koles. Ta kolesa (običajno izdelana iz steklenih vlaken) so ločena približno za premer žice in se vrtijo okvirno z 10000 vrt/min. Trenje koles najprej segreje izolacijo in jo omehča, nato pa jo odstrani. Naprave, ki uporabljajo tak princip, so na voljo komercialno (primer [10]). Edina težava je, da žice lahko postanejo rahlo sploščene zaradi pritiska koles. Obseg, v katerem se to zgodi, je odvisen od sposobnosti upravljalca in cilindričnosti koles.

(21)

Pregled obstoječih metod odstranjevanja izolativnega laka Izbira materiala rotirajočih koles je zelo pomembna. Če je preveč abraziven, bodo kolesa odstranila tako izolacijo kot tudi prevodno jedro. Kolesa iz steklenih vlaken, narejena za naprave za odstranjevanje komercialne izolacije, morajo tako imeti natančno izbrano konsistentnost oz. abrazivnost površine [6].

3.5 Lasersko obsevanje s kratkovalovno dolžino

Obsevanje polimerov z ultravijolično svetlobo visoke intenzitete povzroči učinek (imenovan

"fotoablacija"), v katerem je polimer uparjen brez odvečnega segrevanja jedra žice (ang.

»bulk material«). Ker gre za hladen proces (za razliko od tehnik, ki vključujejo na primer infrardeče sevanje), se okoliški polimer ne stali ali drugače spremeni, in je posledično mogoče pridobiti zelo visoko stopnjo nadzora nad odstranjevanjem izolativnega materiala.

Z uporabo laserjev (npr. ekscimerni, ki deluje pri 308 nm ali Nd:YAG, ki deluje pri 266 nm) kot virov svetlobnega sevanja, je izolacijo mogoče odstraniti iz žic z mikroskopsko natančnostjo, brez poškodb prevodnega jedra [11]. Na ta način je mogoče obdelati (oz.

odstraniti) vse vrste filmske izolacije [6].

Glavna ovira pri uporabi te metode so visoki stroški naprave ter prostorska zajetnost. Vendar pa se bosta tekom razvoja novih tehnologij obe omejitvi verjetno zniževali in postopoma lahko fotoablacijska tehnika postane primarna metoda za odstranjevanje izolacije žic v laboratorijskem in industrijskem okolju [6].

a) b)

Slika 3.1: Lasersko odstranjevanje izolacije bakrenih žic [11].

a) med obdelovanjem, b) po obdelavi.

(22)

Pregled obstoječih metod odstranjevanja izolativnega laka

3.6 Prednosti in slabosti laserskega odstranjevanja izolativnega materiala

Prednosti in slabosti, ki sta jih ugotovila avtorja Richard T. Miller [12] in Elijah Kannatey- Asibu Jr. [13] v svojih raziskavah o odstranjevanju izolacije žic s pomočjo fotoablacije so zbrane v spodnjih alinejah.

Prednosti:

- selektivno odstranjevanje izolacije brez poškodb jedra vodnika, - nizki obdelovalni stroški,

- minimalna kontaminacija procesa,

- odstrani izolacijo iz žice brez znatne spremembe v strukturi, kar prej ni bilo mogoče, - zagotavlja nepoškodovanost žice in znatno povečuje življenjsko dobo izdelka ter

zanesljivost pri delovanju,

- možnost avtomatizacije znižuje stroške dela,

- minimalna toplotno prizadeta cona in krivljenje žice,

- sposobnost usmerjanja laserskega snopa s čimer dosežemo minimalno potrebno segrevano področje z minimalnim učinkom na okolico.

Slabosti:

- visoki stroški opreme,

- visoka odbojnost laserskega žarka na kovinah, - nizka učinkovitost laserjev.

(23)

4 Fizikalni model procesa

4.1 Opis procesa

Na sliki 4.1 je prikazana skica procesa laserskega odstranjevanja laka, za katerega smo preučili analitični fizikalni model. Z lasersko svetlobo smo osvetljevali čelno površino žice, kjer se je svetloba absorbirala in je prihajalo do segrevanja. Preko prevoda toplote se segreva tudi notranjost žice oz. deli žice, ki so oddaljeni od čelne površine v aksialni smeri. Na sliki 4.1 a) je prikazan vnos toplote na čelno površino žice. Toplota se prenaša v notranjost, kar lahko shematično prikažemo s porazdelitvijo temperature v aksialni smeri žice, ki je prikazana na sliki 4.1 b).

Kot predmet opazovanja smo uporabili emajlirano bakreno žico, ki ima to značilnost, da je izolirana z izolativnim premazom. Na mestu, kjer temperatura v aksialni smeri (z-osi) preseže temperaturo tališča izolativnega premaza (oz. »laka«) TL, se le ta stali, z nadaljnjim segrevanjem pa celo izpari. V nadaljevanju bomo s pomočjo teoretičnega fizikalnega modela poskušali izračunati dolžino pretaljenega izolativnega materiala za poljubne vhodne parametre laserske moči in trajanja laserskega bliska. Teoretične izračune bomo nato na podlagi rezultatov meritev kasneje tudi validirali.

Prikazane veličine na sliki 4.1 pomenijo: I(r) - intenziteta laserskega snopa, tp - trajanje laserskega bliska, TL - temperatura porušitve izolativnega sloja, zodstr. - dolžina odstranjenega izolativnega sloja.

(24)

Fizikalni model procesa

Slika 4.1: Skica procesa laserske obdelave bakrene žice.

a) vnos toplote na čelno površino žice b) okvirni potek temperature po globini žice.

4.2 Predpostavke fizikalnega modela

4.2.1 Materialne lastnosti bakra

Tekom laserskega obsevanja materiala se zaradi segrevanja absorptivnost spreminja.

Zvišanje temperature trdne snovi vedno spremlja povečanje števila prostih elektronov. Ta učinek je najbolj izrazit pri polprevodnikih (ker imajo kovine vedno veliko prostih elektronov, in ker toplotne energije v splošnem niso dovolj visoke, da bi premostile vrzel v pasu dielektrika), pri tem pa se število prostih elektronov eksponentno povečuje s temperaturo. Torej povečanje temperature povzroči povečano absorpcijo laserske svetlobe, pospeši se segrevanje, kar zopet povzroči porast absorpcijskega koeficienta [14].

Vse kovine imajo visoko odbojnost (ali reflektivnost) pri dolgovalovnih infrardečih žarkih.

Pri valovnih dolžinah daljših od 5 μm, je odbojnost močno odvisna od električne prevodnosti. Visoko prevodne kovine imajo najvišje vrednosti odbojnosti za infrardečo svetlobo. Tako je odbojnost bakra višja od aluminija, ki pa je višja od jekla [14].

Vpadlo sevanje mora biti ali odbito, ali absorbirano ali prepuščeno. Torej sledi spodaj zapisana brezdimenzijska enačba bilance. Analogija je prikazana na sliki 4.2.

𝑅 + 𝐴_bs+ 𝑇_rs= 1, (4.1)

(25)

Fizikalni model procesa kjer je:

• R reflektivnost,

• Abs absorptivnost,

• Trs transmisivnost.

Slika 4.2: Radiacija, refleksija, absorpcija in transmisija laserskega sevanja.

Če je obsevani medij dovolj netransparenten oz. neprepusten, potem sledi Trs = 0 in

𝑅 + 𝐴_bs= 1. (4.2)

Za kovine, kot so zlato, baker in srebro, je Abs (oz. 1 − 𝑅) približno 0,02 pri valovni dolžini laserske svetlobe 10,6 μm, za jekla pa 0,05. To pomeni, da jeklo absorbira 2,5-krat več vpadnega sevanja kot prevodne kovine. Posledično je jekla lažje obdelovati z laserjem CO2,

kot pa bolj prevodne kovine, kot sta aluminij in baker [14].

Toda sprva visoka odbojnost se lahko zmanjša med lasersko interakcijo. Pri povišani temperaturi so trki med atomsko strukturo kovine in prostimi elektroni pogostejši. S tem se mobilnost prostih elektronov zmanjša (nižja električna prevodnost), kar vodi k nižji odbojnosti svetlobe [15]. Ta pojav je nazorno prikazan na sliki 4.3.

(26)

Slika 4.3: Odbojnost kot funkcija temperature pri valovni dolžini 1064 nm [15].

V fizikalnem modelu, ki je predstavljen v nadaljevanju (poglavje 4.3), smo za lažje preračunavanje uporabili konstantno vrednost koeficienta absorptivnosti Abs, ki se preko celotnega intervala segrevanja (oz. temperaturnega območja med sobno temperaturo in temperaturo taljenja bakrene žice) najbolj optimalno prilega z eksperimentalnimi izmerki.

Vpliv temperature na toplotno prevodnost je različen za kovine in nekovine. V kovinah je toplotna prevodnost predvsem posledica velikega števila prostih elektronov. Po zakonu Wiedemann-Franz [16] izhaja enačba:

𝑘

= 𝐿𝑇, (4.3)

kjer so:

• k koeficient toplotne prevodnosti [W/m K],

•  električna prevodnost [Ωm],

• T temperatura [K],

• L Lorenzovo število (2,44 × 10⁻⁸ 𝑊Ω𝐾⁻²).

Enačba (4.3) nakazuje, da je toplotna prevodnost kovin približno sorazmerna z absolutno temperaturo pomnoženo z električno prevodnostjo. V čistih kovinah se električna prevodnost zmanjšuje s povečanjem temperature in s tem tudi njun produkt. Toplotna prevodnost torej s povečevanjem temperature pada [17], [18]. Graf odvisnosti toplotne prevodnosti od temperature za nekaj izbranih materialov je prikazan spodaj na sliki 4.4.

(27)

Slika 4.4: Temperaturna odvisnost toplotne prevodnosti nekaterih trdnin [17].

Za obravnavo tega zaključnega dela smo privzeli konstantno vrednost toplotne prevodnosti bakra, in sicer 398 W/mK pri temperaturi 20 °C.

Kot smo že omenili, je tudi specifična toplotna kapaciteta, označena s cp, temperaturno odvisna. Njen potek sta raziskovalca M. von Allmen in A. Blatter prikazala v literaturi [19].

Graf odvisnosti je prikazan na spodnji sliki 4.5.

Slika 4.5: Odvisnost toplotne prevodnosti in specifične toplotne kapacitete od temperature [19].

(28)

Fizikalni model procesa V sklopu te zaključne naloge bomo cp privzeli kot temperaturno neodvisno, in sicer 386 J/kgK (baker pri 20 °C).

4.2.2 Značilnosti laserskega snopa

Pri številnih laserskih aplikacijah se domneva, da je laserski snop s katerim obsevamo površino, približek idealni Gaussovi porazdelitvi. Vendar bodo vsi dejanski laserski snopi imeli nekaj odstopanja od idealnega obnašanja [20]. Profili obsevanja z Gaussovim snopom so simetrični okoli središča snopa, njihova intenziteta pa se zmanjšuje v radialni smeri širjenja žarka (Slika 4.6). Ta porazdelitev je opisana s spodnjimi enačbami:

𝐼(𝑟, 𝑧) = 𝐼₀( 𝑤₀ 𝑤(𝑧)) 𝑒

−2𝑟²

𝑤(𝑧)² = 2𝑃 𝜋𝑤²( 𝑤₀

𝑤(𝑧)) 𝑒

−2𝑟²

𝑤(𝑧)², (4.4)

𝑤(𝑧) = 𝑤₀√1 + (𝑧 𝑧_𝑅)

2

, (4.5)

𝑧_𝑅 =𝜋𝑤₀²

𝜆 , (4.6)

kjer so:

• I(r,z) intenziteta ali tudi gostota svetlobnega toka,

• I0 = I(0,0) intenziteta na osi snopa,

• w0 polmer, na katerem je intenziteta svetlobe za faktor e^-2= 0,135 manjša kot na osi (v literaturi tudi: »pas žarka« oz. gorišče),

• w = w(z) karakteristični polmer,

• r radialna koordinata merjena od simetrijske osi snopa,

• z aksialna koordinata merjena od položaja pasu snopa,

• zR Rayleighova razdalja,

• λ valovna dolžina,

• P moč laserskega snopa.

V pasu snopa (gorišče; ravnina z = 0) se enačba (4.4) poenostavi, in velja:

Celotno moč snopa P izračunamo z integracijo intenzitete I(r,z) v katerikoli ravnini z = zi in jo integriramo po celotni ravnini (0 < r < ∞). Rezultat je neodvisen od ravnine integracije

𝐼(𝑟) = 𝐼₀𝑒

−2𝑟² 𝑤02

= 2𝑃 𝜋𝑤₀²𝑒

−2𝑟² 𝑤02

. (4.7)

(29)

Fizikalni model procesa Enačba (4.8) je uporabna za določitev intenzitete I0, saj je P v praksi lažje izmeriti oz. je to poznan parameter laserskega vira.

Na sliki 4.6 je shematični prikaz intenzitetnega profila Gaussovega snopa. Pas Gaussovega žarka je definiran kot oddaljenost od središča žarka, kjer intenziteta znaša 1/e² (13.5%) od maksimalne vrednosti. Na sliki je pas označen s črko w.

a) b)

Slika 4.6 a) Tloris in b) stranski pogled intenzitetnega profila Gaussovega snopa [15], [21].

Za obravnavo te zaključne naloge smo Gaussov model žarka poenostavili tako, da smo upoštevali neskončno širino laserskega snopa (Slika 4.7). To smo dosegli tako, da je bil premer laserskega snopa bistveno večji od premera bakrene žice, ki smo jo obsevali. S tem smo dosegli konstantno intenziteto po celotni čelni ploskvi žice. Tako smo prvotno tridimenzionalni (Gaussov) problem porazdelitve toplote poenostavili v enodimenzionalnega, kjer se toplota širi samo v aksialni smeri žice.

Ker je intenziteta laserske svetlobe po celotni obsevani površini konstantna, integracija ni potrebna, in sledi:

𝑃 =𝜋𝐼₀𝑤₀²

2 ↔ 𝐼₀ = 2𝑃

𝜋𝑤₀² . (4.8)

𝐼₀ =𝑃 𝐴 = 𝑃

𝜋𝑤₀² . (4.9)

(30)

Slika 4.7: Poenostavitev v 1D problem. Neskončna širina laserskega žarka in konstantna intenziteta po preseku žarka [15].

4.3 Prevod toplote vzdolž žice

4.3.1 Splošna enačba prevoda toplote

Prevod toplote izravnava temperaturno razliko med lokalno segretim in preostalim delom obdelovanca [15]. Na sliki 4.8 je prikaz kontrolnega volumna energijske bilance v kartezijevem koordinatnem sistemu iz katerega lahko izpeljemo enačbo stopnje prevodnosti oz. Fourierov zakon:

𝑞 = −𝑘𝛻𝑇. (4.10)

Pr tem je:

• q gostota toplotnega toka [J/m²s],

• k koeficient toplotne prevodnosti [W/mK],

• T temperaturni gradient [K].

(31)

Slika 4.8: Kontrolni volumen energijske bilance v KS (x,y,z).

Temperaturno polje kot funkcijo prostora in časa popisuje enačba nestacionarnega prenosa toplote [15]:

𝜕

𝜕𝑥(𝑘𝜕𝑇

𝜕𝑥) + 𝜕

𝜕𝑦(𝑘𝜕𝑇

𝜕𝑦) + 𝜕

𝜕𝑧(𝑘𝜕𝑇

𝜕𝑧) + 𝑤(𝑥, 𝑦, 𝑧, 𝑡) = 𝜌𝑐_p𝜕𝑇

𝜕𝑡. (4.11)

Če je koeficient toplotne prevodnosti k v opazovanem temperaturnem območju konstanten, se enačba poenostavi [15]:

𝛻²𝑇 + 𝑤(𝑥, 𝑦, 𝑧, 𝑡) = 1 𝛼

𝜕𝑇

𝜕𝑡 , (4.12)

kjer pomenijo:

• 𝛼 = ^𝑘

𝜌𝑐𝑝 toplotna difuzivnost [m²/s],

• cp specifična toplotna kapaciteta [J/kgK],

• ρ gostota [kg/m³],

• w(x,y,z,t) izvor toplote v snovi izražen na enoto prostornine [W/m³],

• w=0 v primeru površinske absorpcije,

• T(x,y,z,t) temperaturna porazdelitev [K],

•  ²T Laplace temperaturnega polja,

• ∂T parcialna sprememba temperature,

• ∂t parcialna sprememba časa.

(32)

4.3.2 Toplotne lastnosti snovi

TOPLOTNA DIFUZIVNOST

Toplotna difuzivnost α meri sposobnost materiala za prevajanje toplotne energije glede na njegovo sposobnost shranjevanja toplotne energije. Materiali z visokim α se bodo hitro odzvali na spremembe v svojem termičnem okolju, materiali z majhnim α pa se bodo odzvali počasneje, pri čemer bo trajalo dlje, da bi dosegli novo ravnotežno stanje [17].

Toplotna difuzivnost kaže na hitrost prenosa toplote skozi snov:

• Visok α: hiter prevod → majhna sprememba temperature

• Nizek α: slabo odvajanje toplote → velika sprememba temperature TOPLOTNA PREVODNOST

• Pri visoki toplotni prevodnosti k je prenos toplote hiter.

• Pri nizki toplotni prevodnosti k je prenos toplote počasen.

TOPLOTNA KAPACITETA

Gostota ρ in specifična toplota cp sta veličini, ki se obsežno uporabljata v termodinamičnih analizah. Njun produkt ρcp [J/m³K] se imenuje toplotna kapaciteta in meri sposobnost materiala za shranjevanje toplotne energije [17].

Pri nizki toplotni kapaciteti ρcp se le malo toplote akumulira v snovi, zato je večina ostane za nadaljnji prenos [15].

4.3.3 Reševanje splošne enačbe prevoda toplote

Čeprav je prevod primarni toplotni transportni pojav pri laserski obdelavi materialov, je treba precej pogosto upoštevati tudi sekundarne transportne procese, kot so pretok tekočin, difuzija in izparevanje, saj postanejo prevladujoči glede na specifično aplikacijo [14].

Prevod je prevladujoči pojav toplotnega transporta pri laserski obdelavi z uporabo nizke gostote svetlobne moči [22]. Tipična aplikacija tega procesa je površinsko utrjevanje.

Vendar so se modeli prevoda toplote pogosto uporabljali tudi za druge postopke, kot so zastekljevanje, legiranje, varjenje, rezanje in ablacija [14].

Enačba nestacionarnega toplotnega toka (4.12) je analitično (in preprosto) rešljiva le za nekatere enostavne prostorske in časovne oblike toplotnega izvora in seveda za preproste oblike obdelovancev. V splošnem je reševanje izvedljivo numerično [15] po:

• metodi končnih razlik,

• metodi končnih elementov.

Analitična rešitev splošne enačbe bo v naslednjem poglavju podana za primer prevoda toplote, saj so izgube toplote zaradi sevanja in konvekcije pri laserskih procesih zanemarljive [15].

(33)

4.3.4 Analitična rešitev za primer enodimenzionalnega prevoda toplote

Pri reševanju enačbe (4.12) smo predpostavili obsevanje polneskončnega telesa. Obsevanje je enakomerno in konstantno po celotnem preseku bakrene žice. Privzeli smo konstantne vrednosti materialnih lastnosti k, ρ, R in cp. Intenziteto absorbirane svetlobe pa smo izračunali po enačbi (4.13):

𝐼₀ = 𝐼_v(1 − 𝑅), (4.13)

kjer veličine pomenijo:

• Iv intenziteta vpadle svetlobe,

• I0 intenziteta absorbirane svetlobe,

• R reflektivnost.

Analitična rešitev enačbe (4.12) za obdobje do konca laserskega bliska (𝑡 ≤ 𝑡_p):

𝑇_pred(𝑧, 𝑡) =𝐼₀√4𝛼𝑡

𝑘 𝑖𝑒𝑟𝑓𝑐 ( 𝑧

√4𝛼𝑡) . (4.14)

Po koncu laserskega bliska (𝑡 > 𝑡_p) se temperaturno polje spreminja po sledeči enačbi:

𝑇_po(𝑧, 𝑡, 𝑡_𝑝) =𝐼₀ 𝑘 [

√4𝛼𝑡 𝑖𝑒𝑟𝑓𝑐 ( 𝑧

√4𝛼𝑡)

− √4𝛼(𝑡 − 𝑡_p) 𝑖𝑒𝑟𝑓𝑐 (

𝑧

√4𝛼(𝑡 − 𝑡_p) )]

.

(4.15)

Enačba (4.14) omogoča modeliranje temperaturnih profilov obsevanega objekta po globini, v smeri širjenja toplote, za različne čase osvetljevanja. Primer normiranih temperaturnih profilov na površinsko temperaturo je prikazan na sliki 4.9.

(34)

Slika 4.9: Normiran temperaturni profil pri različnih dolžinah laserskega bliska.

Podatki:

• I0 = 100 W/mm²,

• ρ = 8930 kg/m³,

• cp = 386 J/kgK,

• k = 398 W/mK,

• 𝛼 = ^𝑘

𝜌𝑐p,

• material: baker.

V enačbah (4.14) in (4.15) zasledimo funkcijo ierfc(s) (Slika 4.10), ki predstavlja integral komplementarne funkcije napake erf(s). Definirani sta s spodnjima enačbama:

ierfc(s) =𝑒^−𝑠²

√𝜋 − 𝑠[1 − er f(s)], (4.16)

erf(s) = 2

√𝜋∫ 𝑒^−𝑥²𝑑𝑥.

𝑠 0

(4.17)

(35)

Slika 4.10: Integral komplementarne funkcije napake.

Tipične vrednosti ierfc(x):

• ierfc(0) = ¹

√π ,

• ierfc(0.5) ≈ 0.2,

• ierfc(1) ≈ 0.05.

Če v enačbo (4.14) vstavimo parameter z = 0, se enačba poenostavi in dobimo zapis, ki popisuje spreminjanje temperature na površini obdelovanca. Primer je prikazan na sliki 4.11.

𝑇_pred(0, 𝑡) = 𝑇_pov(𝑡) =𝐼₀ 𝑘√4𝛼𝑡

𝜋 . (4.18)

Slika 4.11: Primer spreminjanja temperature na površini za material: baker

Podatki:

• I0 = 100 W/mm²,

• ρ = 8930 kg/m³,

• cp = 386 J/kgK,

• k = 398 W/mK,

• 𝛼 = ^𝑘

𝜌𝑐𝑝.

V zgornjih enačbah lahko opazimo karakteristično dolžino zth, ki se imenuje termična vdorna globina [15].

(36)

𝑧_th = √4𝛼𝑡. (4.19)

Če v enačbo (4.14) namesto z vstavimo zth, dobimo:

𝑇_pred(𝑧_th, 𝑡) =𝐼₀√4𝛼𝑡

𝑘 𝑖𝑒𝑟𝑓𝑐(1) ≈ 𝐼₀ 𝑘√4𝛼𝑡

𝜋 0.05√𝜋 ≈ 𝑇pov(𝑡) ∙ 0.1. (4.20) Iz enačbe (4.20) vidimo, da pri vrednosti z = zth temperatura znaša približno 10 % površinske temperature. Torej nam karakteristična dolžina zth omogoča določitev globine do kamor prodre toplota, oz. izračunamo lahko dolžino laserskega bliska za dosego ustrezne globine toplotno vplivane cone [15]. Na sliki 4.12 je prikaz termične vdorne globine za baker.

Slika 4.12: Termična vdorna globina za primer materiala: baker.

Primeri termične vdorne globine za tipične čase laserskega obsevanja:

• 𝑧_th(1s) = 21.5 mm,

• 𝑧_th(1ms) = 679.6 μm,

• 𝑧_th(1μs) = 21.5 μm,

• 𝑧_th(1ns) = 6.8 μm.

V zgoraj prikazanih primerih smo vedno opazovali spreminjanje temperature tekom trajanja laserskega bliska (𝑡 ≤ 𝑡_p). Če želimo problem razširiti in dogajanje opazovati skozi celoten termični proces (segrevanje in ohlajanje), moramo združiti enačbi (4.14) in (4.15) in tako lahko zmodeliramo profil spremembe temperature tudi po končanem laserskem blisku (𝑡 >

𝑡_p). Primer segrevanja in ohlajanja na različnih oddaljenostih od čelne površine žice (z = 0, z = 0.5 zth, z = zth) in pri dolžini bliska tp = 1 ms, je prikazan na sliki 4.13.

(37)

Slika 4.13: Segrevanje in ohlajanje bakrene žice na različnih oddaljenostih od čelne površine (z = 0, z = 0.5zth, z = zth) in pri dolžini bliska tp = 1 ms.

Iz zgornjega grafa (Slika 4.13) je razvidno dejstvo končne hitrosti prevoda toplote. Na čelni ploskvi dosežemo maksimalno vrednost temperature takoj po koncu laserskega bliska (𝑡 = 𝑡_p), točke v notranjosti žice pa največjo temperaturo dosežejo nekoliko kasneje (𝑡 > 𝑡_p) oz. nekoliko z zamikom glede na površino obdelovanca. Časovne razlike so sicer zelo majhne, vendar niso zanemarljive.

Primer temperaturnih porazdelitev po globinah ob različnih trenutkih po zaključku obsevanja čelne površine bakrene žice (t = tp, t = 2 tp, t = 4 tp, t = 100 tp) je prikazan na sliki 4.14. Kakor smo opazili zgoraj (Slika 4.13), opazimo tudi tukaj zanimivost, in sicer, da se notranjost žice postopoma ohlaja, zaradi prevoda toplote pa je temperatura na neki globini lahko pravzaprav najvišja celo po zaključku laserskega bliska (𝑡 > 𝑡_p). To je pomembno dejstvo pri določanju dolžine odstranitve izolativnega sloja, ker to pomeni določeno netočnost analitičnega fizikalnega modela, v kolikor ta opazka ni primerno upoštevana ali kompenzirana.

(38)

Slika 4.14: Temperaturne porazdelitve po globinah ob različnih trenutkih po zaključku obsevanja čelne površine bakrene žice (t = tp, t = 2 tp, t = 4 tp, t = 100 tp).

4.4 Izračun dolžine odstranjenega izolativnega sloja

Na sliki 4.15 je prikaz temperaturnega profila za normalizirani x in y osi ob koncu laserskega bliska (𝑡 = 𝑡_p). Os y je normirana na površinsko temperaturo Tpov, os x pa na termično vdorno globino zth. Ne glede na trajanje bliska tp, je profil porazdelitve temperature po globini žice vedno enak. Koeficient K na sliki 4.15 predstavlja razmerje med porušno temperaturo izolativnega sloja TL in temperaturno tališča bakrene žice Tm, ki je za primer določanja dolžine odstranjene izolacije enaka temperaturi na čelni ploskvi Tpov. Koeficient K izračunamo po enačbi (4.21):

𝐾 = 𝑇_L

𝑇_m. (4.21)

Ko temperatura na čelni ploskvi naraste do TL, se izolativni sloj prične odstranjevati. Dolžina odstranjenega izolativnega sloja je odvisna od globine na kateri temperatura preseže temperaturo odstranitve laka TL. Potrebno pa je navesti, da mora biti trajanje laserskega bliska dovolj dolgo, da temperatura na površini preseže porušno temperaturo izolativnega sloja, saj v nasprotnem primeru ne pride do odstranjevanja laka na površini. Na sliki (4.9) je jasno viden vpliv tp na porazdelitev temperature po globini žice.

(39)

Slika 4.15: Prikaz temperaturnega profila za normalizirani x in y osi.

Globino, na kateri temperatura preseže porušno temperaturo izolativnega sloja zodstr, določimo iz enačbe (4.22). Normalizirana razdalja C, na kateri pride do odstranitve izolativnega premaza je določena numerično (Priloga B).

𝑧_odstr = 𝐶 ∙ 𝑧_th (4.22)

(40)

5 Eksperimentalno delo

5.1 Eksperimentalni sistem

Postavitev uporabljenega eksperimentalnega sistema je prikazana na sliki 5.1. Pomembnejše komponente so opisane in prikazane v naslednjih poglavjih.

Slika 5.1: Eksperimentalni sistem.

(41)

Eksperimentalno delo

5.1.1 Laserski vir

Uporabili smo kontinuirni vlakenski laser znamke IPG, in sicer YLS-3000-CUT (Slika 5.2), ki ima valovno dolžino svetlobe λ = 1070 nm ± 3 nm. Izhodna moč laserskega vira je nastavljiva med 0 in 3000 W, premer optičnega vlakna pa znaša 50 µm. Kvaliteta laserskega snopa M² je 5.

Slika 5.2: Laserski vir: YLS-3000-CUT [23].

5.1.2 Vodenje laserskega snopa: 3D Skenirna glava

Princip vodenja laserskega žarka je bil izveden s pomočjo 3D skenirne glave RLSK Highyag. Sestava skenirne glave je prikazana na sliki 5.3.

(42)

Slika 5.3: Shema sestava 3D skenirne glave RLSK Highyag [24].

5.2 Opis in priprava vzorcev

Obravnavani vzorci so bili emajlirane bakrene žice Magnetemp CA-200, proizvajalca Essex.

Zaradi iterativnosti samega procesa smo morali izdelati več preizkušancev. Ti so bili vedno konstantnih dimenzij, in sicer Ø1,25 x 20 mm. Pri vseh vzorcih smo predhodno pobrusili čelno ploskev s finim brusnim papirjem zrnatosti 800 (P800) in s tem zagotovili enakovredno površino za obdelavo pri vseh testirancih. V prijemalo smo jih vpeli tako, da so gledali izven točno 10 mm (Slika 5.4), s tem smo zagotovili vedno enako razdaljo med lečo in preizkušancem. Slednja predstavlja pomembno veličino, in sicer fokusno razdaljo. Tako so bili pogoji osvetljevanja vedno konstantni.

(43)

Slika 5.4: Prikaz vpetja preizkušancev v prijemalo.

5.3 Nastavitve laserskega sistema

Pred začetkom meritev smo morali zagotoviti pravilno pozicioniranje vpenjala za vzorce znotraj delovnega območja laserskega snopa. S pomočjo integriranega pozicionirnega laserja smo zagotovili soosnost med žico in laserskim snopom. Ker smo v fizikalnem modelu privzeli konstantno intenziteto po celotni površini (ang. »Top hat« porazdelitev), smo te pogoje morali zagotoviti tudi pri eksperimentalnem delu in sicer tako, da smo čelno površino žice, postavili izven gorišča laserskega snopa. Nastavitveni parametri so prikazani na spodnji sliki 5.5.

Slika 5.5: Nastavitveni program prametrov 3D skenirne glave RLSK Highyag. a) nastavitve procesa – Točkovno varjenje; b) nastavitev izhodne moči laserja; c) nastavitev trajanja laserskega

bliska; d) nastavitev koordinat laserskega snopa; e) vertikalni odmik od gorišča.

(44)

5.4 Preglednica uporabljenih delovnih parametrov

Postopek smo izvajali iterativno, po sekantni metodi, dokler nismo dobili željenih rezultatov pri določeni kombinaciji parametrov (P, tp). Vsi uporabljeni parametri tekom eksperimentalnega dela, so prikazani v spodnji tabeli v naraščajočem in ne kronološkem zaporedju. Preglednica uporabljenih parametrov, skupaj s slikami za dotični primer, je podana v prilogi (Priloga A).

Preglednica 5.1: Preglednica uporabljenih delovnih parametrov.

Vzorec Moč laserja P [W]

Trajanje bliska tp [ms]

Premer laserskega

snopa d [mm]

Intenziteta I [ ^W

mm²]

Izmerjena dolžina odstr. laka zodstr. [mm]

Ravno dosežen prag pretaljevanja čelne ploskve

žice

1 375 190 1,4 101,58 0,15

2 375 200 1,4 101,58 1,13

3 375 220 1,4 101,58 3,86

4 375 220 1,4 101,58 4,32 ✓

5 450 100 1,4 121,90 0,65

6 450 115 1,4 121,90 1,28

7 450 120 1,4 121,90 0,19

8 450 120 1,4 121,90 1,88

9 450 125 1,4 121,90 2,67 ✓

10 450 125 1,4 121,90 1,50 ✓

11 450 125 1,4 121,90 2,40 ✓

12 450 150 1,4 121,90 3,35

13 450 200 1,4 121,90 4,67

14 550 90 1,4 148,99 0,76

15 550 95 1,4 148,99 1,06

16 550 98 1,4 148,99 1,42

17 550 100 1,4 148,99 2,32 ✓

18 550 100 1,4 148,99 1,47

19 550 100 1,4 148,99 3,16 ✓

20 550 100 1,4 148,99 2,78 ✓

21 550 110 1,4 148,99 2,69

22 550 135 1,4 148,99 4,46

23 550 180 1,4 148,99 5,20

24 625 40 1,4 169,31 0,22

25 625 45 1,4 169,31 0,71

26 625 45 1,4 169,31 1,53

27 625 45 1,4 169,31 1,93

28 625 50 1,4 169,31 2,29 ✓

29 625 100 1,4 169,31 4,11

(45)

Vzorec Moč laserja P [W]

Trajanje bliska tp [ms]

Premer laserskega

snopa d [mm]

Intenziteta I [ ^W

mm²]

Izmerjena dolžina odstr. laka zodstr. [mm]

Ravno dosežen prag pretaljevanja čelne ploskve

žice

31 750 40 1,4 203,17 0,34

32 750 40 1,4 203,17 0,94

33 750 50 1,4 203,17 1,71 ✓

34 750 50 1,4 203,17 1,71 ✓

35 750 50 1,4 203,17 1,83 ✓

36 750 60 1,4 203,17 2,86

37 750 80 1,4 203,17 3,32

38 1000 20 1,4 270,89 /

39 1000 25 1,4 270,89 0,87

40 1000 30 1,4 270,89 1,86 ✓

41 1000 30 1,4 270,89 2,02 ✓

42 1000 40 1,4 270,89 2,05

43 1000 80 1,4 270,89 4,03

44 1250 25 1,4 338,61 1,02

45 1250 28 1,4 338,61 1,20

46 1250 30 1,4 338,61 2,20 ✓

47 1250 30 1,4 338,61 2,15 ✓

48 1250 40 1,4 338,61 2,28

49 1250 45 1,4 338,61 3,01

50 1250 50 1,4 338,61 2,89

51 1500 10 1,4 406,33 0,81

52 1500 15 1,4 406,33 1,38 ✓

53 1500 15 1,4 406,33 1,14 ✓

54 1500 15 1,4 406,33 1,46 ✓

55 1500 25 1,4 406,33 1,95

56 1500 50 1,4 406,33 3,43

5.5 Metodologija določitve praga pretaljevanja

Preizkušance smo pripravili in jih vpeli v prijemalo, kot je opisano v poglavju (5.2). V intervalu med 375 W in 1500 W, smo enakomerno izbrali izhodne moči laserskega izvora P (375, 450, 550, 625, 750, 1000, 1250 in 1500 W). Nato smo po iterativnem postopku, za vsako od izbranih izhodni moči laserja spreminjali parameter trajanja bliska tp, dokler nismo na površini vzorca opazili zanesljivo, vendar minimalno možno pretalitev materiala. Ker smo postopek izvajali iterativno po sekantni metodi pomeni, da smo dobili tako vzorce z nezadostno pretalitvijo, kot tudi tiste s prekomerno pretalitvijo materiala na čelni površini.

Vzorci, kjer je bila ravno dosežena pretalitev, so prikazani v spodnji preglednici (5.2) poleg pa so prikazani tudi primeri, katerih pretalitev je bila nekoliko premajhna ali malce prekomerna.

(46)

Preglednica 5.2: Signifikantni primeri za določitev praga pretaljevanja čelne ploskve žice.

Moč laserja P [W]

Nezadostna

pretalitev Optimalna pretalitev

(začetek) Prekomerna pretalitev

375

𝑡_p= 200 ms 𝑡_p = 220 ms

450

𝑡_p= 115 ms 𝑡_p = 125 ms 𝑡_p = 150 ms 𝑡_p= 200 ms

550

𝑡_p = 98 ms 𝑡_p = 100 ms 𝑡_p = 135 ms 𝑡_p= 180 ms

625

(47)

Eksperimentalno delo Moč

laserja P [W]

Nezadostna pretalitev

Optimalna pretalitev

750

𝑡_p = 40 ms 𝑡_p = 50 ms 𝑡_p = 60 ms 𝑡_p = 80 ms

1000

1250

1500

(48)

5.6 Metodologija določitve dolžine odstranjenega laka

Optimalno pretaljenim vzorcem, določenim v poglavju (5.5), nadalje izmerimo dolžino odstranjenega izolativnega laka. Najprej smo s pomočjo mikroskopa fotografirali profil vseh relevantnih vzorcev, nato smo s pomočjo programske opreme izmerili dolžino odstranjene izolacije. V primeru, da meja med nepoškodovanim in odstranjenim lakom ni bila jasno razvidna, smo kot merodajno mesto za odčitavanje privzeli srednjo razdaljo med njima (Slika 5.6). Signifikantni vzorci so zbrani v preglednici (5.3).

Slika 5.6: Postopek določevanja dolžine odstranjenega izolativnega premaza.

Preglednica 5.3: Signifikantni primeri za določitev dolžine odstranjenega izolativnega laka žice.

Moč laserja P [W]

375

𝑡_p= 200 ms 𝑡_p = 220 ms

(49)

laserja P [W]

450

𝑡_p= 115 ms 𝑡_p = 125 ms 𝑡_p = 150 ms 𝑡_p= 200 ms

550

𝑡_p = 98 ms 𝑡_p = 100 ms 𝑡_p = 135 ms 𝑡_p= 180 ms

625

𝑡_p = 45 ms 𝑡_p = 50 ms 𝑡_p = 100 ms

750

1000

(50)

laserja P [W]

1250

1500

(51)

6 Rezultati in diskusija

Vsi zajeti parametri za primerjavo med teoretičnimi krivuljami in eksperimentalnimi izmerki so bili vrednoteni znotraj programskega okolja Python. S pomočjo le tega, smo podatke grafično prikazali in jih tudi validirali.

6.1 Tabela vseh eksperimentov

Tekom eksperimentalnega dela je bilo opravljenih kopica eksperimentov, ki jih v tem zaključnem delu ne bomo eksplicitno prikazovali. Rezultati so prikazani v prilogi (Priloga A).

6.2 Primerjava med teoretičnimi in izmerjenimi vrednostmi začetka pretaljevanja

Kombinacije parametrov P in tp, za katere smo določili optimalno pretalitev čelne ploskve preizkušancev, smo prikazali na sliki 6.1, ki prikazuje teoretično idealno odvisnost med izhodno močjo kontinuirnega laserja in trajanjem laserskega bliska. Na grafu je prikazanih več teoretičnih linij, za vsako od navedenih pa je značilna drugačna vrednost koeficienta absorptivnosti. Kot je iz grafa mogoče razbrati, bo optimalna vrednost absorptivnosti za dotični primer znašala približno Abs = 0,4. V nadaljevanju smo ta koeficient tudi numerično določili.

(52)

Rezultati in diskusija

Slika 6.1: Graf odvisnosti moči laserske svetlobe P od trajanja bliska tp.

6.3 Določitev absorptivnosti

Kot smo omenili v predhodnem poglavju, koeficienta absorptivnosti za dotični eksperiment nismo poznali, zato smo ga morali določiti numerično.

Za vsako kombinacijo izhodnih laserskih parametrov P in tp, smo numerično izračunali odstopanje spremembe površinske temperature med teoretičnimi krivuljami in eksperimentalno določenimi izmerki za poljubne vrednosti koeficienta absorptivnosti.

Analogija določanja je nazorno prikazana na sliki 6.2.

(53)

Rezultati in diskusija Zgoraj dobljene odstopke površinske temperature ∆T smo vrednotili po enačbi (6.1) in s tem dobili parameter odstopanja od idealnega koeficienta absorptivnosti ter rezultate prikazali na sliki 6.3.

𝐸𝑅𝑅 = ∑∆𝑇² (6.1)

Slika 6.3: Prikaz odstopanja temperature na površini med fizikalnim modelom in eksperimentalnimi izmerki glede na izbran koeficient absorptivnosti za vsako izbrano vrednost

izhodne moči laserja.

Slika 6.4: Primerjava eksperimentalnih izmerkov in fizikalnega modela z upoštevanjem optimalnega koeficienta absorptivnosti.

(54)

Rezultati in diskusija Nato smo s pomočjo združitve vseh odstopkov ERR in linearne interpolacije določili optimalni koeficient absorptivnosti, ki je za naš primer znašal Abs,opt. = 0,399. Na sliki 6.4 je poleg eksperimentalnih izmerkov prikazana teoretična krivulja odvisnosti med lasersko močjo in trajanjem bliskov z uporabo numerično izračunanega optimalnega absorpcijskega koeficienta Abs, opt.. Za vrednotenje točnosti fizikalnega modela, smo po enačbi (6.2):

_tp = √1

𝑁∑ ∆𝑡_p,i² , (6.2)

izračunali raztros med analitičnim modelom in izmerki. Raztros ali standardna deviacija predstavlja odklon meritev od teoretičnih vrednosti, ki jih predstavlja analitični model. V našem primeru, je odklon eksperimentalnih izmerkov znašal tp = 14 ms. To pomeni zadovoljivo natančnost pri oceni trajanja laserskega bliska tp ob poljubno izbranem ali definiranem parametru moči laserskega izvora P, da ravno dosežemo začetek pretaljevanja izolativnega sloja na čelni površini preizkušanca.

6.4 Poveza med absorptivnostjo in močjo laserja

Ker smo za vsako kombinacijo parametrov P in tp izračunali različne vrednosti idealnega koeficienta absorptivnosti, smo preverili ali morda obstaja korelacija med absorpcijo in izhodno močjo laserja. Po analizi podatkov, prikazanih na sliki 6.5, smo ugotovili da ni jasne povezave med slednjima.

Slika 6.5: Odvisnost absorptivnosti Abs in laserske moči P.