Găurirea cu microunde

INTRODUCERE

Microundele fac parte din porțiunea din spectrul electromagnetic cu lungimi de undă de la 1 mm la 1 m, cu frecvențe corespunzătoare între 300 MHz și 300 GHz. Pentru încălzirea cu microunde, sunt utilizate în mod obișnuit două frecvențe, 0,915 și 2,45 GHz, care au fost rezervate de către Comisia Federală pentru Comunicații (FCC), în scopuri industriale, științifice și medicale (ISM). Analiza teoretică a fiecăreia dintre aceste componente cu microunde este guvernată de condiții la limită corespunzătoare și ecuațiile lui Maxwell.

O semnificativă cercetare a fost efectuată pentru a explora posibilitățile de utilizare cu microunde în aplicații cum ar fi încălzirea, sinterizare, lipire, sudare, placari si alte domenii de prelucrare a materialului. In ultimii ani, aplicarea de microunde în prelucrarea materialelor a fost de asemenea încercată. Datorită proprietăților sale deosebite de prelucrare cu microunde, această tehnologie a dat rezultate mai bune în comparație cu metodele convenționale în toate domeniile în care a fost aplicată. Studiile efectuate cu microunde de găurire și-au dovedit capacitatea în diferențierea materialelor, imposibil de realizat prin orice alte tehnici, inclusiv de găurire cu laser. Această lucrare discuta posibilitățile și provocările în dezvoltarea unui proces de găurire cu ajutorul energiei cu microunde, pe baza studiilor experimentale realizate în diverse materiale.

SEMNIFICAȚIA PRELUCRĂRII CU MICROUNDE

Microundele au unele proprietăți speciale în transferul de energie de interacțiune care le face utile în prelucrarea diferitelor tipuri de materiale.

Energia este transferată la materiale prin interacțiunea câmpurilor electromagnetice la nivel molecular, iar proprietățile dielectrice în cele din urmă determină efectul câmpului electromagnetic asupra materialului. Două mecanisme fundamentale de transfer de energie sunt de rotație dipol și conducta ionică. Interacțiunea cu microunde materiale pot fi clasificate în trei categorii, după cum se arată în Fig. 1. Materiale de izolare cu proprietăți care variază de la conductori la izolatori sunt, de obicei materiale de pierderi dielectrice, care absorb energia electromagnetică cu ușurință și o convertesc in căldură. Materiale transparente sunt materiale dielectrice izolante sau cu pierderi reduse, cum ar fi sticla, ceramica si aer care permit microundelor să treacă cu ușurință cu puțină atenuare. Materiale opace sunt de obicei materiale cu electron liber, cum ar fi metale conductoare, care reflectă microunde la temperatura camerei.

Fig. 1 Schema interactiunii microunde – material

Incălzirea cu microunde posedă unele caracteristici speciale, cum ar fi radiații penetrante, încălzirea rapidă, distribuții controlabile de câmp, încălzirea selectivă a materialelor și a auto-limitare, care nu se realizeaza in mod obisnuit prin tehnici de încălzire convenționale. Pentru a descrie anomaliile care nu pot fi anticipate sau explicate cu înțelegerea actuală a teoriei electromagnetice ușor. Pentru lucrari experimentale două metode diferite de încălzire cu microunde sunt utilizate în general: încălzirea cu microunde directe (DMH) și încălzirea cu microunde hibrid (MHH).

ISTORICUL GĂURIRII CU MICROUNDE

O metodă de găurire / tăiere cu descărcare de microunde a fost sugerată de Kozyrev, dar nu au fost raportate studii suplimentare. O nouă metodă de găurire de materiale grele non-conductive prin aplicarea localizată a energiei de microunde a fost introdusă de Jerby. Titto a lucrat la realizarea unor studii de fezabilitate privind găurire de metale cu încălzirea cu microunde hibrid.

A. Prelucrarea prin descarcare de microunde

Kozyrev și colab. au studiat acțiunea combinată a câmpului electric de microunde și concentrat radiații laser pe izolatori pentru a dezvolta tehnica de prelucrare a anumitor tipuri de dielectrici. Conceptul se bazează pe absorbția locală a puterii microundelor de dielectrici urmată de deteriorarea acesteia din cauza încălzirii intense. Localizarea absorbției de microunde a fost făcută prin încălzirea unei zone mici, folosind pulsul termic, cum ar fi cu laser. Baza procesului este dependența coeficientului de absorbție a microundelor de dielectrici asupra temperaturii acestuia. Unele experimente efectuate au dovedit că aplicarea câmpului de microunde a crescut volumul de materiale scoase cel puțin 8 ori la 1 min expunere. Cu toate acestea, profilul nu a fost bun și complexitatea set-up poate fi o piedică în efectuarea mai multor studii în acest.

B. Găurirea cu microunde a materialelor neconductaore cu concentrator de câmp

Concentrația energiei de microunde într-un loc mic este principiul cheie care stă la baza invenției de găurire cu microunde. Radiatorului de câmp de microunde ilustrat în Fig. 2 este construit ca un ghid de undă coaxial, încheiat cu o antenă monopol extensibilă, care funcționează, de asemenea, ca tija de găurire cu un conductor de centru mobil cu susținere la temperaturi ridicate. Inițial, rata de depunere de energie cu microunde este mare la materialul din apropierea antenei. Dedesubt tinde să crească până la o temperatură puțin mai mare decât suprafața răcită spontan. Un hot spot este creat, iar materialul devine moale sau topit. Electrodul centru coaxial este apoi introdus în acest punct fierbinte topit și modelează limitele sale. In final, electrodul este scos din gaură, în timp ce materialul se răcește în noua sa formă.

Găurirea cu microunde a fost eficace pentru prelucrări într-o varietate de materiale dielectrice non-conductoare dure, insă nu si pe metale din cauza reflexiei microundelor. A fost, de asemenea, util pentru inserarea și combinarea de cuie metalice sau din ceramică în aceste materiale.

Aplicarea la găurirea acoperirilor barierelor termice ceramice: electivitatea materialului inerent face ca găurirea cu microunde să fie ideală pentru îndepărtarea controlată a acoperirilor ceramice din substraturi metalice care stau la baza. TBC este format din două straturi: un strat metalic legătură rezistentă la oxidare și un strat izolator termic. Atunci când aplicatorul este adus în contact cu un metal, energia microundelor este reflectată și se obține fără încălzire localizată. Astfel, procesul are caracteristica inerentă a selectivității materiale. Găurirea a fost oprită după atingerea suprafeței plăcii metalice. În toate găurile examinate, procesul de găurire cu microunde nu a afectat microstructura substratului de bază.