21.5. Лучевая обработка

Лучевая обработка ос­нована на съеме материала при воздействии на него концентрированных лучей с высокой плотностью энергии путем пре­образования лучевой энергии в тепловую непосредственно в зоне обработки. Способы лучевой обработки требуют применения специальных устройств, обес­печивающих подвод лучевой энергии к зоне об­работки. Они применяются для обработ­ки заготовок, как из электропроводных, так и из неэлектропроводных ма­териалов.

Рис. 21.5. Концентрация энергии (плотность мощности) различных тепловых источников:

ГП, ДП – газовое и дуговое пламя; ЭЛ – электронный луч; ИР – искровой разряд;

СД – сварочная дуга; ЛИ – лазерное излучение

В настоящее время для размерного съема материала применяется в основном ла­зерная (светолучевая) и электронно-лучевая обработка. Сравнительные характеристики концентрации энергии термических лучевых источников приведены на рисунке 21.5.

Концентрация энергии различных лучевых источников может быть оценена удельной мощностью в пятне нагрева. Наибольшую интенсивность энергии до 10⁸ Вт/см² может обеспечить воздействие лазерным и электронным лучами. Основные характеристики термических источников концентрированных потоков энергии (КПЭ) приведены в таблице 21.1.

Таблица 21.1

Характеристики термических источников КПЭ

Термический источник	Предельная концентрация мощности, Вт/см2	Физический носитель	Область технологического применения
Газовое пламя	8·102	Струя раскаленного газа T≈3500 К	Разрезка, сопутствующий подогрев. Максимальная толщина до 3 мм
Дуговая плазма	6·103	Газ и пары металла, ионизированные электрическим разрядом	Разрезка (до 3 мм), сварка, термообработка, наплавка
Электронный луч	105	Пучок электронов в вакууме	Разрезка, сварка (до 20 мм / проход), термообработка, наплавка
Непрерывный лазерный луч	109	Пучок фотонов в атмосфере	Сварка (до 10 мм / проход), термообработка, наплавка, испарение пленок
Импульсный лазерный луч	1010	Пучок фотонов в атмосфере	Испарение пленок, сверление отверстий, аморфизация поверхности, ударное упрочнение

Лазерная обработка основана на использовании монохроматического электромагнитного излуче­ния, генерируемого лазером, которое концентрируется с помощью оптической системы на обрабатываемой поверхности заготовки, вызывая на­грев, плавление, испарение или взрывное раз­рушение материала (рис. 21.6). Обработка лазерным лучом может осуществляться в воз­духе, вакууме или в газовой среде в виде одиночных или серийных импульсов заданной формы с опре­деленной длительностью, частотой следования и пиковой мощностью, а также в виде непре­рывного (или квазинепрерывного, модулированного с частотой 5–50 кГц) излучения с заданной средней мощностью.

Рис. 21.6. Схема установки для лазерной обработки:

1 – активная среда; 2 – система накачки активной среды; 3 – резонатор;

4 – система охлаждения; 5 – зеркало; 6 – заслонка; 7 – фокусирующая система;

8 – система подачи газа; 9 – обрабатываемая деталь

В зоне локализации излучения форма и диаметр светового пятна изменяются от еди­ниц до сотен микрометров и, в зависимости от температуры и давления, развиваемых на по­верхности материала, возможно осуществление раз­личных технологических операций: прошивка отверстий, удаление припуска, скрайбирование (маркировка), сварка, термообработка.

Для техно­логических целей используются твердотельные и газовые лазеры. Оборудование на базе твердо­тельных лазеров предпочтительнее использовать для обработки прецизионных деталей с малой площадью, а использование более мощных газовых лазе­ров непрерывного излучения целесо­образно при обра­ботке больших участков поверхностей.

Промышленность использует лазерные установки – полуавтоматы, лазерные станки с программным управлением, лазерные автома­тизиро­ван­ные технологические комплексы, различающиеся схемой перемещения материа­ла относительно лазерного луча.

Лазерное оборудование на базе твердо­тельных лазеров в основном используется для прецизионной обработки: прошивки отверстий в различных мате­риалах (в керамике, ситалле, феррите, рубине); прецизионной резки, маркировки и скрайбирования.

Для процессов разделения материалов используется лазерное излучение как с непре­рывной, так и с импульсной генерацией на базе твердотельных и газовых лазеров; при этом более высокую производительность имеют технологические установки на базе газовых лазеров непрерывного излучения.

Лазерную разрезку целесообразно применять при раскрое листов из сталей, ти­тановых сплавов и цветных металлов толщи­ной 4–10 мм, неметаллических материалов (фанера, картон, ткани, резины, пластмассы) и при обработке заготовок сложного профиля. При этом скорости разрезания достигают десятков метров в минуту при толщине мате­риала до 2 мм и 1–2 м/мин – при толщине материала 10–20 мм. На установках для разрезки можно произво­дить также разметку и маркировку листовых металлических материалов.

Управляя интенсивностью лазерного об­лучения, можно реализовать различные про­цессы в поверхностном слое обрабатываемого материала: нагрев до температур, не превы­шающих температуру плавления, но достаточ­ных для структурно-фазовых превращений; нагрев до температур, превышающих темпера­туру плавления, но ниже температуры испаре­ния; интенсивное испарение поверхности.

Эффекты, которые возникают в поверх­ностном слое обрабатываемого материала, подразделяются на три группы: 1 группа – лазерная обработка без оплавления материала, обеспечивающая термоупрочнение, отпуск, отжиг; 2 группа – лазерная обработка с оплавлением, обеспечивающая термоупрочнение, аморфизацию, по­верхностное микролегирование и наплавку; 3 группа – лазерная обработка с испарением обрабатываемого материала.

Электронно-лучевая обработка основана на ускорении и фокусировании электронов в узкий пучок, излучаемых катодом в глубоком вакууме мощным электрическом полем, при последующем их направлении на обрабатываемую де­таль-анод. Физическая сущность процесса электронно-лучевой обработки состоит в концентрации и преобразовании кинематической энергии электронов в тепловую энергию, благо­даря чему возможна обработка небольших отверстий, щелей размерами до нескольких десятков мик­рон. Её применяют для получения микроотверстий в прецизи­онных деталях радиоэлектронной промышлен­ности, в охлаждаемых лопатках турбин, в осо­бо чистых материалах, для которых недопус­тим контакт с воздухом, при изготовлении сеток в листовом материале.

Для формирования электронного пучка используют специальные устройства называемые генераторами электронного луча (электронная пушка), рис. 21.7.

Рис. 21.7. Принципиальная схема установки для электронно-лучевой обработки:

1 – электронная пушка; 2 – магнитное поле; 3 – испаряющее пятно сконцентрированного электронного пучка; 4 – нагреватель заготовки; 5 – обрабатываемая заготовка;

6 – вакуумная система; 7 – корпус установки; 8 – поток испаряемого пара;

9 – бленда (затвор); 10 – охлаждаемый тигель с веществом, подлежащим испарению

Обработка электронным лучом обычно выполняется в высоком вакууме. Это связано с необходимостью исключения взаимодействия генерируемых электронов с молекулами и атомами воздушной среды, приводящего к дисперсии электронного луча и заметному снижению концентрации его энергии.

Поэтому размеры технологической камеры установки должны быть соизмеримы с длиной пробега управляемых свободных электронов. Длина пробега свободных электронов λ_e может быть рассчитана по формуле

λ_e =1 / (π·n·σ), (21.1)

где n – молекулярная газовая концентрация (число молекул на единице объема); σ – размер полезной площади сечения газовой ионизации молекулы летящими электронами.

Согласно формуле (21.1) длина пробега электронного луча до обработанной поверхности определяется величиной остаточного давления, как показано в таблице 21.2.

Таблица 21.2

P, Па	1,01·105	133	1,33	1,33·10-2
λe, м.	3,5·10-7	2,66 · 10-4	2,66·10-2	2,66

Таким образом, в зависимости от величины давления в камере установки величина допустимого давления остаточных газов может колебаться в пределах 10^-1–10^-2 Па.

Сконцентрированный поток электронов является идеальным инструментом для тепловой обработки металлов. Преимущества электронно-лучевой обработки по сравнению с обработкой лазерным лучом состоят в достижении более высокого коэффициента полезного действия (0,9-0,98) и возможности; эффективного управления мощностью, распределением плот­ности теплового потока в пятне нагрева и т. д. Технологические возможности электронно-лучевой обработки являются главной причиной ее широкого применения в промышленности для плавления, сварки, размерной обработки тугоплавких металлов.