книги / Электронно-лучевая, лазерная и ионно-лучевая обработка материалов
..pdf
|
|
- |
41 - |
|
|
|
I |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
Квант-9 |
|
0,5 |
10 |
“ |
I |
Для сверле |
|
|
|
|
|
|
ния отверс |
|
|
|
|
|
|
тие в.алма |
|
|
|
|
|
|
зах |
Квант-Ip |
|
4.0 |
10 |
- |
I |
Для точеч |
|
|
|
|
|
|
ной сварки |
Квант-1I |
|
0,2 |
0.2 |
|
100 |
Для резки |
|
" " |
|
|
|
|
полупров. |
|
|
|
|
|
пластин |
|
|
|
|
|
|
|
|
Квант-12 |
|
2,0 |
3 |
- |
20 |
Для шовной |
|
|
|
|
|
|
сварки |
Квант-15 |
— |
|
12 |
|
20 |
Для точеч |
|
|
" " |
|
|
|
ной и шов |
|
|
|
|
|
ной сварки |
|
|
|
|
|
|
|
|
Квант-16 |
|
5.0 |
30 |
|
I |
Для поверх |
|
|
|
|
' |
|
ностной |
|
|
|
|
|
калки |
|
|
|
|
|
|
|
|
Квант-17 |
|
1.0 |
4 |
- |
10 |
Для сварки |
|
|
|
|
|
|
двумя лучами |
Квант-18 |
|
10 |
130 |
- |
0.5 |
Для.термо- |
|
|
|
|
|
|
упрочнения |
ЛТ-1 |
10,6 |
- |
- |
5 |
|
Для резки |
|
|
|
|
|
|
н сварки |
Катунь |
|
- |
- |
0.8 |
|
Для резки |
|
|
|
|
|
|
и сварки |
Кардамон |
|
- |
- |
0,8 |
|
Для резки |
|
|
|
|
|
|
и сварки |
Кристалл-1А |
-м- |
- |
- |
0.04 |
|
Для резки |
|
|
стекла |
||||
|
|
|
|
|
|
|
Алмаз-5 |
|
- |
- |
0.8 |
|
Для резки |
|
|
|
|
|
|
стали |
-42 -
4.ТЕХНОЛОГИЯ ЛАЗЕРНОЙ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ
4.1.Классификация ендов лазерной обработки
Одним из перспективных направлений лазерной технологии явля ется поверхностная обработка металлов и сплавов. Она объединяет целый ряд процессов: закалку, отжиг,легирование и наплавку, удар но-импульсную обработку, амортизацию поверхности..
Значительный рост средних мощностей и частоты следования им пульсов твердотельных лазеров, увеличение мощности непрерывных газовых лазеров на С0а резко повысили интерес и к лазерной сварке и резке.
Классификация основных видов лазерной обработки представлена на рис. 4.1.
4*2. Лазерная поверхностная обработка
Улучшение эксплуатационных свойств металлических материалов при различных видах лазерной поверхностной обработки связано с изменением структурного состояния, фазового и химического соста вов поверхностных слоев. Используя лазерный пучок как концентри рованный источник тепла, можно выполнять различные виды локальной термической обработки, например, закалку и отжиг.
В 1976 году сотрудниками американской технологической корпо рации был предложен метод лазерной повержностной закалки из жид кого состояния, названный "лазерное глаэурирование". Для лазерно го глаэурнрования, как правило, используют непрерывное излучение с плотностью мощности Ю 4.. . Ю7 Вт/см*. При перемещении обрабаты ваемой поверхности под лучом лазера Сили луча по поверхности) тонкие слои материала расплавляются и затем быстро затвердевают за счет передачи тепла ниэлежащим холодным слоям металла основы. Для чистого никеля, например, расплавленные слоя толщиной 2,5 и 25 икм охлаждаются со скоростями 5 10" и 5-10" град/с.
Изменяя мощность и время воздействия лазерного излучения на обрабатываемые участки поверхности материала, можно получить ши рокий спектр структурных состояний: ультрамикроскопические стру-
- 43 -
Рис. 4.1. Классификационная схема основных видов лазерной обработки
- 44 -
ктуры, пересыщенные твердые растворы, структуры с повышенной го могенностью, тонкве девдрвтные структуры, тонкие эвтектические композиции. При экстремально высоких скоростях охлаждения, наблю даема при лазерной глазурированин. на кристаллической основе в ряде случаев могут быть зафиксированы аморфные структуры.
Лазерное оплавление можно также,использовать для поверхностиостиого легирования или обработки покрытий. В последнем случае наблюдается залечивание дефектов Спор и трещин) и улучшается про чность сцепления покрытия с основой вследствие образования жидкой фазы. С помощью лазера можно производить наплавку или напыление различных покрытий аналогично процессам дуговой, плазменной или пламенной наплавки или напыления.
Результаты лазерной поверхностной обработки зависят, прежде всего, от двух основных параметров: плотности мощности лазерного излучения Е и времени воздействия излучения т. Значения указанных параметров для раэлиных видов лазерной обработки приведены на рис. 4.2.
Лазерная ударная обработка производится импульсами с длитель ностью 10"* с н плотностью мощности излучения 10е... 10е Вт/см*. При воздействии подобных импульсов излучения на поверхность про исходит мгновенное вэрывообраэное испарение части материала и пе реход окружающего поверхность вещества в плазменное состояние. Последующее расширение плазмы сопровождается возникновением удар ной волны, которая воздействует на поверхность и распространяется в глубь обрабатываемого материала. Следствием распространения волн в кристаллическом веществе является образование различного рода структурных дефектов, что в свою очередь, приводит к измене нию свойств материала.
Лазерная закалка принципиально отличается от объемной закалки тем, что она может протекать с оплавлением и без оплавления по верхности. В последнем случае структурно-фазовые превращения про исходят в твердом состоянии. Этот вид закалки применяют, в основ ном, для сплавов, испытывающих полиморфные превращения. Одним из ее важнейших преимуществ является сохранение микрогеометрии по верхности, благодаря чему отпадает необходимость последующей ме ханической обработки. Такой вариант упрочнения экономически выго ден, позволяет встроить операцию лазерной закалки в общий техно-
- 45 -
Е, &т/си2
Рис. 4.2. Режим облучения для различных видов лазерной обработки: I - ударная импульс ная обработка; 2 - глазурирование и поверхнос тное оплавление; 3 - сверление; 4 - сварка и резка; 5 - легирование и нанесение покрытий; 6 - закалка с полиморфными превращениями
- 46 -
логический цикл изготовления детали, не усложняя'его, что в боль шинстве случаев является определяющим фактором пригодности про
цесса для его внедрения.
Закалку с оплавлением поверхности можно рассматривать как один из видов, закалки из жидкого состояния. При этом существенно ухудшается исходная микрогеометрия поверхности, поэтому необходи ма последующая механическая обработка.
Преимущества лазерной закалки перед традиционными способами закалки Св том числе закалки токамивысокой частоты) следующие:
а) возможность упрочнения поверхности любой формы, труднодос тупных мест (пазов, Отверстий) в изделиях сложной конфигурации;
б) локальность нагрева, малые зоны термического влияния, в связи с чем значительно снижаются или совсем исключаются деформа ции изделия и обеспечивается прецизионный характер обработки;
в) |
бесконтактвость воздействия излучения, |
что позволяет уп |
|
рочнять |
любые материалы |
независимо от их |
.физико-химических |
свойстве стали, чугуны, твердые сплавы, цветные металлы, порош ковые материалы и др.);
г) высокая производительность и экономичность; д) отсутствие громоздкого термического оборудования и охлаж
дающих сред (печей, средств охлаждения), что повышает |
культуру |
производства и.улучшает условия труда; |
|
е) возможность проведения термообработки в вакууме, |
инертных |
и активных средах. |
|
Для лазерной закалки могут быть использованы лазеры как им |
|
пульсного, так и непрерывного действия. Наиболее важные |
факторы, |
определяющие выбор типа лазера, - глубина упрочнения и производи тельность процесса. Максимальная глубина упрочнения при закалке импульсными лазерами типа "Квант" и С0алазерами мощностью до 5 кВт составляет в случае оплавления поверхности в среднем 0,2...
0,25 и 1,5...1,8 мм, а при отсутствии проплавления |
- 0,07...0,15 |
и 0,8...0,9 мм. |
|
Практика работы с лазерным излучением показала, |
что лазерная |
термическая обработка металлов без оплавления поверхности практи чески невозможна без специальных технологических мер, повышающих поглощающую способность метала. Для получения стабильных резуль татов лазерной термической обработки на обрабатываемую поверх
- 47 -
ность перед облучением наносят соответствующие покрытия. Чаще всего для этой цели используют фосфаты марганца или цинка, раз личные краски, суспензии, сахи, оксиды цветных металлов. Так, на пример, при термоупрочнении сталей типа 40Х использовались покры тия, содержащие оксиды цинка и хрома, красный хелезооксндный пиг мент с различными связующими. Способы нанесения покрытия различ ны: пневмораспылителем, окунанием, кистью. Продолжительность суш ки при 80°С составляет 15 мин.
Поглощательная способность металла повышается и при исполь-
.зовании ряда покрытий из диэлектрических материалов, широко при меняющихся в машиностроении. Эти покрытия получаются при фосфатировании коллоидного раствора графита, напылении окислов различ ных металлов, силикатов.
В табл. 4.1 приведены значения критических плотностей энергии, при которых наблюдается поверхностное упрочнение ряда сталей, подвергнутых различным видам предварительной термической обработ ки. Интервал этих значений зависит от времени воздействия излуче ния, химического состава и исходного состояния обрабатываемого материала. Этот диапазон ограничен верхним и нижним критическими уровнями плотности энергии. Верхней критической плотностью энер гии qs max считается плотность энергии, соответствующая процессу плавления, нижней - плотность энергии 4smin . при которой наблю дается процесс отпуска.
Лазерный отжиг. Наиболее широко возможности.лазерного отжига используют в электронной промышленности. В отличии от обычного печного отжига с помощью лазерного луча можно осуществлять конт ролируемый по температуре и времени нагрев поверхностных слоев различных материалов на заданную глубину. При этом температура соседних участков металла практически не изменяется.
•Применение лазерного отжига вследствие локальности и кратко временности нагрева позволяет подавить диффузионные процессы и существенно улучшить характеристики полупроводниковых материалов и структур. Так, с помощью лазерного отжига может быть достигнута более высокая эффективность легирования, в 6...8 раз повышена электрическая активность носителей заряда в полупроводниковых структурах.
- 48 -
Таблица 4.1 Условия получения эффекта гарантированного упрочнения
в материалах при импульсном облучении
Облучаемый |
^ ■ т , |
материал |
Дх/мм |
Сталь 20 |
1,5/1,8 |
Сталь 45 |
|
нормалиэ. |
2,4/1,7 |
Сталь 45 |
1,4/1,7 |
закален. |
|
Сталь У8 |
2,3/1,6 |
Сталь УВ |
|
закален. |
1,3/1,6 |
Сталь У12 |
|
нормалиэ. |
2,2/1,5 |
Сталь У12 |
1,2/1,6 |
закален. |
|
Сталь 9ХС |
|
нормалиэ. |
2,2/1,6 |
Сталь 9ХС |
|
закален. |
1,3/1,6 |
Сталь Ш 5 |
2,1/1,5 |
нормалиэ. |
|
Сталь Ш 5 |
|
закален. |
1,2/1,6 |
Сталь ХВГ |
|
нормалиэ. |
2,0/1,4 |
|
микро- |
микро |
<^s2max, |
твердость |
твердость . |
Дх/мм |
исх.,МПа |
упроч.,МПа |
3,7/4,3 |
1800 |
7200 |
4,6/4,0 |
2000 |
J 8 0 0 |
3,6/4,I |
5500 |
7800 |
4,4/3,8 |
2200 |
10000 |
3,5/4,0 |
7000 |
10000 |
3,2/3,6 |
2800 |
Н5 00 |
3,6/4,0 |
7000 |
12000 |
4,3/3,7 |
2500 |
II500 |
3,5/4,0 |
7000 |
9800 |
4,2/3,6 |
2750 |
10500 |
3,5/3,9 |
6900 |
10500 |
4,1/3,5 |
|
|
- 49 -
Одной из перспективных технологических схем лазерной наплавки является проведение процесса с использованием непосредственной подачи наплавляемого порошка в зону обработки. Указанная схема обладает рядом преимуществ по сравнении с лазерной обработкой ме таллов с предварительно нанесенными суспензией или пастой: отсут ствие нежелательных процессов, связанных со сгоранием или разло жением связующих веществ, повышенная технологичность и уменьшение энергоемкости процесса лазерной обработки. Для полного проплавлеслоя предварительно нанесенного материала постепенно наращивают наплавляемый материал в процессе поступления порошка. Например, при проведении лазерной наплавки на сталь хромборникелевого спла ва ПГ-ХН80СР2 удельная энергия для получения валика толщиной I ьш для различных технологических схем составляет 30...60 Дж/ым3 при непрывной подаче порошка в зону обработки, 16...120 Дх/мм2 при оплавлении порошковых паст и 180.;.330 Дж/мм3 при оплавлении га зотермических напыленных покрытий.
4.3.Лазерная обработка отверстий
Сфокусированное лазерное излучение применяется для обработки отверстий диаметром 0,001...2,5 мм в деталях из различных матери алов с толщиной стенки 0,02...12 мм. Целесообразно рассматривать раздельно особенности получения отверстий в двух размерных диапа зонах: при чисто лазерной обработке, обеспечивающей формирование отверстий диаметром 0,001.. .0,8 мм и глубиной до 5 мм, и при об работке с использованием дополнительно с энергией лазерного пучка других видов энергии,обеспечивающей получение отверстий диаметром 0,8...2,5 мм и глубиной до 12 мы.
При разработке процесса лазерной обработки отверстий необхо димо:
а) определить значения параметров лазерного излучения - энер гии Е, длительности тж , расходимости пучка в, числа импульсов п; б) выбрать условия обработки: фокусное расстояние рабочего
объектива F, увеличение окуляра наблюдательной системы; вЭ выбрать лазерную технологическую установку;
гЗ установить методы настройки технологического режима лазер ной установки - энергии импульса (изменением энергии накачки ах-
- 50 -
тивного элемента Ея; диафрагмированием пучка); длительности им пульса (изменением параметров формирующей линии накачки - индук тивности LH, емкости С, напряжения питания ламп накачки U}1; ис пользованием затворов или комплексом перечисленных приемов);
д) предусмотреть (в случае необходимости) меры дополнитель ного Повышения качества лазерного сверления и средства автомати зации процесса;
е) определить экономическую эффективность процесса по соот ветствующим методикам, используя одно из следующих выражений для оценки машинного времени, необходимого для получения отверстия заданных параметров; для одноимпульсной обработки детали с К от
верстиями - 1 ^ = |
К-тв;для многоимпульсной обработки детали с |
отверстиями - |
= K*n Стя + I/f). |
При решении поставленных задач особое внимание следует обра тить на многоплановое влияние некоторых методов настройки на па раметры технологического режима.
Качество является комплексным критерием технологического про цесса и характеризует результаты обработки следующими показателя ми: точностью диаметральных размеров, степенью соответствия попе речной и продольной формы отверстия заданной, величиной шерохова тости и волнистости поверхности отверстия, а также состоянием и свойствами приповерхностного слоя.
С технологических позиций точность обработки определяется ве личиной поля рассеяния размеров партии деталей и зависит от вели чины суммарной погрешности обработки. Основными составляющими суммарной погрешности обработки являются погрешности, создаваемые несовершенством инструмента и оборудования, ошибками технологи ческого процесса, нестабильностью процессов взаимодействия излу чения с материалом заготовки.
Погрешность обработки определяется колебанием плотности мощ ности светового потока Aqs , реализуемой в зоне воздействия лазер ного луча, а также включает погрешности, вносимые нестабильностью процессов, обуславливающих разрушение материала.
Нестабильность плотности мощности Aqs зависит от величины ко лебания энергии импульсов АЕ, их длительности Ат, флуктуации про странственно-временной структуры и угловых характеристик излуче ния Ав, а также от погрешностей технологического процесса, вли-