5. Физические основы технологических процессов электронно-лучевой обработки заготовок

1. Общие сведения об электронно-лучевой обработке заготовок

Изобретение электронной лампы положило начало широкому использованию в науке и технике потоков электронов. В конце XIX в. был разработан первый электронно-лучевой осциллограф, в котором электронный луч использовался для воспроизведения на экране параметров различных быстропротекающих процессов.

В 1904 г. профессор Петербургского университета Б. Л. Ро- зинг разработал конструкцию электронно-лучевого кинескопа. По­сле изобретения в 1905 г. А. С. Поповым радио бурными темпами начали развиваться радиотехника, электроника, а затем телевиде­ние и радиолокация. Все это привело к созданию целого ряда но­вых электронных приборов, стимулировало изучение специфики получения и управления электронными потоками. В физике сфор­мировалось специальное направление - электронная оптика, кото­рое изучает вопросы получения электронных пучков требуемой конфигурации и интенсивности.

Необходимость создания электронных приборов привела к возникновению новой отрасли промышленности - электронной техники и способствовала развитию вакуумной техники и техно­логии.

Средствами электронной техники удалось получить мощные электронные пучки, энергия которых достаточна для осуществле­ния технологических процессов. В настоящее время электронно­лучевая технология сформировалась как самостоятельное, обла­дающее широкими технологическими возможностями, направле­ние в области обработки материалов.

Электронный луч как технологический инструмент позволяет осуществлять нагрев, плавку и испарение практически всех мате­риалов, сварку и размерную обработку, нанесение покрытий и за­пись информации. Такая универсальность электронного луча дает возможность использовать одно и то же оборудование для различ­ных технологических целей и совмещать в одном цикле обработки различные технологические процессы.

Несмотря на широкие технологические возможности элек­тронного луча как источника энергии, его использование не везде получило широкое распространение. Причина этого лежит, прежде всего, в высокой стоимости электронно-лучевого оборудования, в необходимости высокой квалификации обслуживающего персона­ла, в сложности средств обеспечения безопасности. Кроме того, применение лазера позволяет решать аналогичные технологиче­ские задачи не в вакууме, а в атмосфере, что в ряде случаев значи­тельно упрощает организацию процесса.

2. Установки для электронно-лучевой обработки

Электронно-лучевой метод обработки материалов основан на использовании тепловой энергии, выделяющейся в результате столкновения быстродвижущихся электронов с обрабатываемым материалом.

Основные части электронно-лучевых технологических уста­новок:

• электронная пушка, служащая источником электронов;

• фокусирующая и ускоряющая система, позволяющая полу­чить поток электронов большой плотности и энергии;

-отклоняющая система, с помощью которой управляют пе­ремещениями электронного луча по обрабатываемой поверхности;

• система координатных перемещений детали;

• оптическая система, позволяющая вести визуальное наблю­дение за процессом.

Принципиальная схема электронно-лучевой обработки приве­дена на рис. 1.21. Свободные электроны, эмитируемые прямона­кальным катодом б, ускоряются разностью потенциалов между анодом 9 и катодом. Изменяя напряжение смещения между управ­ляющим электродом 5 и катодом б, можно регулировать величину потока электронов 8. Управляющий электрод одновременно фоку­сирует электронный поток. Электронный луч сжимается до необ­ходимых размеров электромагнитными линзами 10, их действие основано на взаимодействии движущихся электронов с электриче­ским или магнитным полем.

Рис. 1.21. Схема электронно-лучевой обработки

Сфокусированный и ускоренный поток электронов проходит через диафрагму 11, которая пропускает центральную часть луча и отсекает краевые электроны. Положение оси луча относительно отверстия диафрагмы корректируется стигматором 4, представ­ляющим собой электромагнитную систему. Фокусирующая элек­

тромагнитная линза 2 концентрирует поток электронов на обраба­тываемой поверхности изделия 16, а отклоняющая электромагнит­ная система 14 позволяет перемещать электронный луч по обраба­тываемому контуру.

В зависимости от технологического назначения установки могут быть укомплектованы координатными столами 17, обеспе­чивающими перемещения деталей в горизонтальной плоскости по двум координатам с ЧПУ, устройством для вращения детали во­круг горизонтальной или вертикальной осей. Обрабатываемая де­таль и механизмы координатных перемещений располагаются в боксе 1, имеющем вакуумный затвор 15 для герметизации элек­тронно-оптической колонны 7 во время установки детали.

Для визуального наблюдения за процессом имеются системы зеркал 12, системы подсветки 3 и бинокулярный микроскоп 13.

Электроны, эмитируемые катодом, в электрическом поле ме­жду катодом и анодом приобретают кинетическую энергию (в Дж):

где т₀ - масса электрона, равная 9,1 • КГ³¹ кг; и - скорость электрона, м/с; е - заряд электрона, равный 1,6 • 10“¹⁹ Кл; и - ускоряющее напряжение, В.

Если считать массу электрона постоянной, то его скорость (в м/с), согласно формуле (1.4), будет

и = 5,93-10 ⁵4и.

П

Современные электронно-лучевые технологические установ­ки позволяют ускорить электроны до скорости 2-10⁵ км/с.

ри больших значениях ускоряющего напряжения (до 100 кВ) скорости электронов оказываются соизмеримы со скоростью света с = 310⁵ км/с. В этом случае необходимо учитывать изменение массы электрона т_и при движении:

Удельная мощность электронного луча р определяется током в луче /, ускоряющим напряжением II и радиусом луча на обраба­тываемой поверхности, т. е.

р = —7, Вт/см .

%г~

Величина наибольшего тока в луче достигает 500 мА, а наи­меньший радиус луча 2,5 мкм.

3. Взаимодействие электронного луча с веществом

Проходя сквозь вещество, электроны взаимодействуют с кри­сталлической решеткой или отдельными атомами вещества. При этом увеличивается амплитуда колебаний составляющих вещество частиц, изменяются параметры его кристаллической решетки, по­вышается температура. В ряде случаев энергия, сообщенная элек­тронами атомам, приводит к разрыву связей между отдельными атомами.

Торможение электрона в веществе сопровождается рядом различных явлений:

1. собственно нагревом поверхности, используемым в техно­логических целях;

2. тормозным рентгеновским излучением, возникающим при электронной бомбардировке материалов;

3. вторичной электронной эмиссией, отражением электронов и термоэлектронной эмиссией с обрабатываемой поверхности.

Нагрев обрабатываемого материала электронным лучом осу­ществляется за счет выделения энергии в поверхностных слоях вещества и дальнейшей теплопередачи во внутренние слои. Благо­даря высокой интенсивности ввода энергии в вещество при элек­троннолучевой обработке на обрабатываемой поверхности разви­ваются столь высокие температуры, что они могут превышать точ­ку кипения самых тугоплавких материалов.

По данным акад. Н. Н. Рыкалина, при ускоряющем напряже­нии и = 20 кВ и удельной поверхностной мощности Р_а = ю'° Вт/м² за время т =10~⁵ ...10"⁶ с в поверхностных слоях различных мате­риалов развиваются следующие температуры (в скобках указаны температуры кипения), К:

Алюминий (2593) Титан (3773) Нержавеющая сталь (3323)

БИБЛИОТЕКА 19

СПб ! Т1ЭУ 19

ф₍, = ф±р;<р_ы=4>, ±р. 29

ь. 53

I г юоог 61

тг 103

„ _(К\+К2+К1+К*⁺Кь) 124

т, 128

гг 224

II 224

£ы⁺£ы 276

\/ёГ. 277

Съем металла с обрабатываемой поверхности за счет его испарения н взрывного вскипания лежит в основе размерной электронно-лучевой обработки.

При электронной бомбардировке вещества часть его атомов возбуждается и испускает тормозное рентгеновское излучение, суммарная доля которого в общем балансе выделяемой энергии Р составляет

(1.5)

где Р_х - мощность рентгеновского излучения;

Z- атомный номер элемента;

и - ускоряющее напряжение, кВ.

В целях безопасности стараются ограничить ускоряющее на­пряжение до минимального уровня, при котором энергия электро­нов достаточна для решения поставленной технологической задачи.

Падающий на поверхность обрабатываемой заготовки элек­тронный поток вызывает вторичную электроивую эмиссию с об­рабатываемой поверхности и термоэлектронную эмиссию из ра­зогретой до высоких температур зоны обработки. Обычно теряемая при этом мощность не превышает 1% мощности электронного пуч­ка. В ряде случаев вторичная электронная эмиссия может быть ис­пользована для контроля за нагревом и плавлением вещества, пра­вильностью установки электронного луча на обрабатываемый уча­сток заготовки и т. д.

Не все электроны, попадающие на обрабатываемую поверх­ность, поглощаются. Некоторая часть из них отражается, причем тем сильнее, чем больше атомный номер элемента. Доля отражен­ных электронов может достигать 40%. Отражение электронов уве­личивается при отклонении оси пучка от нормали к поверхности заготовки, поэтому обработку всегда целесообразно вести лучом, перпендикулярным обрабатываемой поверхности.

В результате бомбардировки электронным лучом материала большая часть кинетической энергии электронов (порядка 90%)

превращается в тепло. Это тепло и используется при электронно­лучевой обработке. Выделившееся тепло расходуется на нагрев об­рабатываемого участка, расплавление материала в зоне обработки и его испарение (это полезно используемое тепло), а также на по­тери части тепла вследствие теплопроводности и лучеиспускания. Размерная обработка электронным лучом возможна лишь в том случае, если количество полезно используемого тепла значительно превышает потери на теплоотвод.

В зависимости от материала катода его рабочая температура может достигать 1600...2800 К. Подогрев катода чаще всего осуще­ствляется с помощью накаливаемого электрическим током подог­ревного элемента; в некоторых случаях сам этот элемент может выполнять функции катода (катод прямого накала). Из-за тяжелых температурных условий работы и интенсивного испарения срок службы катодов обычно не превышает нескольких десятков часов. Поскольку замена катода требует последующей регулировки и на­стройки электронной пушки, то основные усилия разработчиков направлены на увеличение срока службы катодов.

Следует отметить, что в рабочем пространстве электронной пушки необходим высокий вакуум, чтобы молекулы остаточных газов не препятствовали свободному прохождению электронов. Кроме того, условия работы подогревного катода также требуют защиты его от взаимодействия с атмосферными газами, так как за счет соударений с молекулами атмосферных газов электроны от­дают им свою энергию и луч «рассеивается».

С редняя длина свободного пробега электрона в газе по газо­кинетической теории определяется выражением

(1.6)

где. п - молярная концентрация газа на пути движения электрона;

ст_а - размер эффективного сечения ионизации атома (молеку­лы) газа пролетающим электроном (величина ст„ зависит от энергии электронного луча, ее значение максимально для электронов с энергией 5...200 эВ).

Для воздуха (при Т - 293 К) в зависимости от давления р средняя длина Я свободного пробега электрона составляет

р, Па	105	133	1,33	1,33 1<Г2
X, м	3,5- 1(Г7	2,66-10^	2,66~2	2,66

Таким образом, в зависимости от размеров промышленных установок допустимое максимальное значение давления составляет примерно 1(Г² Па. На практике это значение стараются довести до 10 ³... 10“⁵ Па, так как при худшем вакууме в электронной пушке резко увеличивается число ионизированных электронами молекул остаточных газов, и это может привести к пробою промежутка ме­жду анодом и катодом.

Иногда в технологических целях (например, при сварке) элек­тронный луч выводят из вакуума в область с более высоким давле­нием. Путь электронов в этой области должен быть предельно мал. Пушка при этом перемещается непосредственно по свариваемому изделию, и ход луча в атмосфере (вне рабочей камеры) составляет

1. 1...0,3 мм. Ускоряющее напряжение составляет 150...200 кВ, а в зону между пушкой и свариваемой поверхностью подается защит­ный газ (гелий или аргон).

4. Применение электронно-лучевой обработки

Основным видом электронно-лучевой обработки являются процессы, связанные с выделением теплоты в зоне взаимодействия потока электронов с заготовкой. Кроме того, получили распростра­нение и процессы нетермического типа, где электронный луч ис­пользуется для интенсификации различных химических реакций, полимеризации, стерилизации продуктов питания и т. д.

Главными достоинствами электронно-лучевой обработки с технологической точки зрения можно считать:

1. возможность за счет фокусировки луча плавно изменять в широких пределах удельную энергию в зоне нагрева;

2. большую мощность (от десятков ватт до мегаватт) в месте его взаимодействия с обрабатываемой заготовкой;

3. сравнительную простоту управления пространственным положением луча с помощью магнитной системы и возможность модулирования луча по мощности;

4. наличие вакуума как рабочей среды;

5. возможность получения малоразмерной (прецизионной) зоны воздействия электронного луча на обрабатываемый материал.

К недостаткам электронно-лучевой технологии следует от­нести прежде всего:

1. необходимость обеспечивать высокий вакуум, что для ряда изделий трудно осуществимо;

2. сложность изготовления и эксплуатации электронно-луче- вого оборудования.

Все основные технологические операции электронно-лучевой обработки можно условно разбить на три группы: плавление (тех­нологические операции локального переплава, плавка в вакууме, сварка); испарение (испарение в вакууме, размерная электронно­лучевая обработка); термообработка без изменения агрегатного состояния вещества.

Плавление

Локальный переплав обрабатываемых поверхностей с по­мощью электронного луча дает возможность получать чрезвычай­но высокие скорости кристаллизации металла в зоне плавления. Образующиеся при этом структуры значительно отличаются от структур, получаемых в обычных условиях: расширяются границы растворимости для твердых растворов, измельчается микрострук­тура, значительно повышаются пластичность и твердость. Быстрое остывание расплавляемого металла приводит к последующей до­полнительной закалке и за время т = 10 ³...1 с температурного цик­ла «нагрев - охлаждение» у закаливающихся сталей образуется структура мелкозернистого мартенсита с весьма высокой твердо­стью. Включение этих зон в более пластичный основной металл повышает износостойкость поверхности сталей и чугунов. Иногда такое поверхностное оплавление материала называют «облагора­живающим», что позволяет для изготовления ответственных кон­струкций с высокими показателями износостойкости использовать недорогие исходные металлы и сплавы.

• Плавка электронным лучом в вакууме применяется в тех случаях, когда необходимо выплавлять особо чистые металлы, в том числе химически активные.

Плавка электронным лучом имеет значительные преимущест­ва по сравнению с другими способами плавки в вакууме (индукци­онным и дуговым), так как позволяет получать более высокий пе­регрев жидкого металла в ванне и наиболее полно производить де­газацию металла, отгонку летучих примесей, а также осуществлять другие физико-химические процессы, которые при иных методах плавки не успевают проходить полностью или не протекают вооб­ще. При электронно-лучевой плавке переплавляемый материал может быть использован практически в любом виде (шихта, пру­ток, лом, спеченные штабики, губка).

Особую роль в достижении этих целей играет наличие вакуу­ма как защитной среды.

1. В вакууме происходит интенсивное удаление растворенных в металле газов, что значительно улучшает их механические свой­ства, особенно пластичность. Многие сплавы на основе титана, вольфрама, молибдена, ниобия и других химически активных ме­таллов получили промышленное применение только благодаря то­му, что их выплавляют в вакууме.

2. Некоторые из вредных примесей (нитриды, карбиды, оксиды) при нагревании в вакууме разлагаются; при этом происходит вакуум­ное рафинирование переплавляемого металла. Переплавленный ме­талл содержит меньше неметаллических включений, и это повышает эксплуатационные характеристики изготовленных из него изделий.

3. При плавке металла в вакууме все время происходит удале­ние газообразных продуктов из зоны реакции, что дает возмож­ность повысить качество выплавляемого в вакууме металла, значи­тельно снизить содержание в нем газов, прежде всего кислорода.

На рис. 1.22 показаны варианты схем плавки электронным лу­чом 5, создаваемым пушками 4. Слиток I вытягивается из тигля 2 с заданной скоростью и через вакуумный шлюз удаляется из рабочей камеры. Переплавляемый металл подается в виде бруска (штабика) 3 (рис. 1.22, а) или порошка, гранул» кусочков 3 (рис. 1.22,6).

а б в

Рис. 1.22. Варианты схем плавки электронным лучом

Электронно-лучевая плавка очень удобна для выращивания монокристаллов по схеме Чохральского (рис. 1.22, в), когда на за­травку 6 наплавляется материал из тигля 2 и она вытягивается с за­данной скоростью вертикально вверх.

Иногда бывает необходимо осуществлять многократный пе­реплав материала; в этом случае применяется схема, представлен­ная на рис. 1.23.

3

Рис. 1.23. Схема многократного переплава материала

Переплавляемый материал 1 входит в зону действия кольце­вой электронно-лучевой пушки 2, которая воздействует электрон­ным лучом 3 на материал, производя его зонный переплав. Мате­риал после выхода из зоны плавки 5 кристаллизуется, образуя сли­ток 4 с лучшими характеристиками. Метод электронно-лучевой зонной плавки применяется в промышленности для выращивания монокристаллов. Из полученных монокристаллов германия и крем­ния изготовляют различные полупроводниковые приборы, а моно­кристаллы ниобия и вольфрама используют как конструкционные материалы при производстве ответственных узлов и деталей, рабо­тающих в экстремальных условиях.

Электроино-лучевая сварка является одним из самых рас­пространенных технологических применений электронного луча Поскольку при сварке происходит локальное плавление с после­дующей кристаллизацией, ширина зоны расплавленного металла имеет важное значение. Кристаллизация металла в сварочной ван­не в значительной мере определяет свойства металла шва, и изме­нение ширины зоны проплавления при сварке оказывает сущест­венное воздействие на свойства сварного соединения. Кроме того, от объема расплавленного при сварке металла зависят деформации и напряжения, возникающие в конструкциях после сварки. Фоку­сировка электронного луча позволяет в широких пределах изме­нять ширину сварочной ванны. При относительно небольшой удельной поверхностной мощности электронного луча форма про­плавления имеет такой же характер, как при традиционных про­цессах газовой и дуговой сварки (рис. 1.24, а).

Рис. 1.24. Формы проплавления при традиционной (а) и электронно-лучевой

(б) сварке

По мере увеличения удельной поверхностной мощности на­чинается интенсивное испарение металла с поверхности сварочной ванны. Это приводит к деформации жидкого металла под действи­ем реакции паров, углублению сварочной ванны и получению швов с глубоким проплавлением (рис. 1.24, б).

По чисто внешним признакам проплавление такого вида часто называют кинжальным. Такие швы имеют ряд преимуществ по сравнению со сварными швами традиционной формы.

Кинжальное проплавление дает возможность за один проход сваривать без разделки кромок заготовки толщиной до 100 мм (рис. 1.25, а), в то время как при дуговой сварке для этой цели не­обходима разделка кромок и несколько десятков проходов. Глубо­кое проплавление позволяет получать сварные соединения прин­ципиально новой формы (рис. 1.25, б), которые нельзя получить другими способами.

а б

Рис. 1.25. Примеры применения кинжального проплавлення

Вакуум как защитная среда при сварке целого ряда химически активных и тугоплавких металлов и сплавов позволяет получать значительно более высокие показатели свойств сварного шва, чем при сварке в защитных газах. Поэтому сварные конструкции из та­ких материалов, как вольфрам, молибден, титан, цирконий, тантал и др., изготовляются в основном с помощью электронно-лучевой сварки.

Малый объем ванны расплавленного металла, получаемый при электронно-лучевой сварке, резко снижает деформации свари­ваемых изделий. Открывается возможность сваривать конструкции из уже окончательно обработанных деталей с незначительной по­следующей размерной обработкой или вовсе без нее. Возможна также сварка термообработанных изделий (например, после закал­ки). Зона разупрочнения в результате сварки настолько мала, что это не сказывается на работоспособности изделия в целом.

Так, при традиционных методах обработки шевронное колесо нарезается с помощью пальцевой фрезы. Это малопроизводитель­ный способ, который не обеспечивает требуемую точность. При использовании электронно-лучевой технологии (рис. 1.26) сначала изготовляют два отдельных косозубых: блока 1 и 2 (например, с помощью червячной фрезы), а затем сваривают их. Сварные шев­ронные зубчатые колеса устанавливают в весьма ответственных конструкциях авиационных двигателей.

1 2

Рис. 1.26. Схема электронно-лучевой сварки шевронного колеса

Электронно-лучевую сварку целесообразно применять при изготовлении толстостенных конструкций, так как за один проход можно получить проплавление глубиной до 200...300 мм. Преиму­щество метода заключается в снижении остаточных деформаций благодаря малому количеству расплавляемого металла и в сокра­щении времени сварки. Таким способом сваривают узлы тяжелого энергетического оборудования (атомных реакторов, бойлеров элек­тростанций и т. д,).

Используя электронно-лучевую технологию сварки, можно получать швы малых размеров в конструкциях различных радио­электронных схем и устройств, где сварку часто приходится вести с применением микроскопа.

Микросварка применяется для соединения элементов микро­схем. Электронно-лучевым способом сваривают различные выводы и контактные элементы толщиной не более 0,3 мм и проводники диаметром 10...300 мкм. Как правило, число соединений в одной микросхеме может достигать нескольких сотен. Сварка ведется с использованием микроскопа для точной наводки на место будуще­го соединения или в автоматическом режиме со сканированием лу­ча малой мощности по всей поверхности. В последнем случае на места сварки наносится специальное флюоресцирующее вещество; при попадании электронного луча на место сварки световой сигнал улавливается фотоэлектронным устройством, управляющим мощ­ностью луча. В месте сварки мощность луча резко увеличивается и происходит образование сварного соединения.

Микросварка используется в приборостроении. На рис. 1.27 показана конструкция молоточка печатного блока ЭВМ. Электрон­но-лучевая технология позволяет получить сварные соединения и в то же время устранить возможность отпуска пружин молоточка. Сварка ведется в специальном приспособлении на 300 деталей. За смену на одной установке изготовляют 1 200 деталей.

Место

Рис. 1.27. Схема электронной микросварки молоточка печатного блока ЭВМ

Электронным лучом в вакууме сваривают герметичные мем­бранные узлы приборов для измерения давления, корпуса микро­схем, полупроводниковых приборов, реле.

В целях экономии дорогостоящих инструментальных сталей в промышленности с помощью электронно-лучевой сварки налажено производство заготовок для ленточных пил. Лента 2 (рис. 1.28) шириной 1...3 мм из инструментальной стали сваривается с мате­риалом полотна 1, выполненного из менее дефицитного материала (обычно вязкой конструкционной стали). При нарезке корни 3 зубьев специально доводятся до зоны более вязкого металла по­лотна 1, что снижает выкрашивание зубьев при эксплуатации пилы по сравнению с полотном, выполненным целиком из инструмен­тальной стали. Установки для сварки биметаллических полотен ленточных пил работают в непрерывном режиме (скорость сварки до 6 м/мин). В некоторых установках ленточные заготовки нахо­дятся вне вакуумной камеры и подаются в нее через вакуумные шлюзы. Сваренное полотно также выводится из камеры через ва­куумный шлюз с холодильником.

Рис. 1.28. Схема получения заготовок ленточных пил электронно-лучевой сваркой

В автомобильной промышленности электронно-лучевая свар­ка нашла применение при изготовлении зубчатых блоков коробок передач. С точки зрения технологичности этих узлов целесообраз­но изготовлять отдельные шестерни, проводить их полную терми­ческую обработку, а затем собирать на валу и фиксировать с по­мощью сварки. По такой технологии производят сотни тысяч изде­лий в год. На предприятиях используют специализированные сва­рочные установки, встроенные в общий технологический цикл.

Большие перспективы для развития метода открывает сварка с помощью электронного луча в условиях космоса. На высоте свыше 200 км над поверхностью Земли давление составляет около 10^-4 Па и там вполне возможно осуществлять электронно-лучевые процессы в естественных условиях. В 1969 г. на космическом ко­рабле «Союз-6» впервые были проведены эксперименты на уста­новке «Вулкан». Наряду с другими процессами была осуществлена электронно-лучевая сварка металлических образцов. Аналогичное оборудование испытывалось в 1973 г. на американской станции «Скайлэб». Сварка электронным лучом рассматривается как один из основных процессов для монтажа и ремонта в космосе различ­ных конструкций и агрегатов.

Испарение

Испаренве в вакууме материалов при нагреве их электрон­ным лучом широко используют для получения тонких пленок. В отличие от других способов испарения, где „энергия подводится к испаряемой поверхности через стенку тигля или высокотемпера­турный нагревательный элемент, при электронно-лучевом испаре­нии осуществляется прямой нагрев поверхности испаряемого ма­териала Это позволяет испарять материалы из водоохлаждаемых тиглей, что особенно важно при работе с химически активными и тугоплавкими материалами. Испарение материала из охлаждаемого тигля дает возможность получать покрытия высокой чистоты, по­скольку при этом почти полностью исключается реакция испаряе­мого материала с материалом тигля, а материал тигля и продукты реакций практически не испаряются.

Важно отметить, что при электронно-лучевом испарении уда­ется управлять электронным пучком в пространстве и во времени, регулируя тем самым интенсивность ввода энергии в испаряемое вещество, а следовательно, скорость испарения и распределение плотности потоков пара

Практика показывает, что скорость испарения вещества должна быть и_и > 0,1... 100 г/(м² с). Достижение таких скоростей испарения возможно только при испарении из жидкой фазы, что и определяет конструктивные особенности испарительных установок.

На рис. 1.29 приведена принципиальная схема одного из ва­риантов построения испарительных установок для нанесения по­крытий. Из бункера 5 испаряемый материал по желобу 7, приводи­мому в действие вибратором 6, порциями поступает в охлаждае­мый тигель 9.

12 3 4

Рис. 1.29. Схема построения испарительной установки для нанесения покрытий

Траектория электронного луча 3, получаемого с помощью электронной пушки I, искривляется отклоняющей системой 2 в на­правлении испаряемого вещества 8. В результате воздействия луча 3 на поверхность материала 8 последний испаряется и частицы пара, поднимаясь вверх, оседают на поверхность подложки 4, образуя плотную пленку. Применение отклоняющего магнитного поля по­зволяет располагать электронную пушку I практически в любом удобном месте. Угол поворота луча может достигать 270°.

Существует много вариантов схем испарения (например, многотигельное испарение), когда на одну подложку наносят покрытие сложного состава параллельно из нескольких тиглей. При этом подложку следует располагать в месте перекрещива­ния потоков испаряемых материалов. Можно осуществлять ис­парение разных веществ и из одного тигля, если в него подают материалы из нескольких бункеров. Такими способами получа­ют, например, тройной псевдосплав из 90% титана, 6% алюми­ния и 4% ванадия.

При испарении материалов наличие вакуума обеспечивает получение чистых по составу пленок и улучшает адгезию осажден­ной пленки.

В зависимости от назначения процесса в промышленности применяют электронные пушки мощностью от 250 Вт до 200 кВт, а производительность процесса составляет от 1 г/ч до 100 кг/ч.

Электронно-лучевое испарение применяют в микроэлектро­нике при нанесении различных металлических покрытий на сталь­ную ленту при изготовлении фольги из псевдосплавов сложного состава. Электронным лучом можно испарять и различные неме­таллические материалы - диоксид кремния, оксид алюминия, раз­личные виды стекла. Такие покрытия применяются в оптической промышленности и в различных областях электроники.

Типичным примером технологического использования элек- тронно-лучевого напыления является изготовление листового тепло­отражающего стекла. На заготовку напыляют тонкие слои хрома, ме­ди, а затем боросиликатного стекла. Установка для напыления стекла содержит 72 электронные пушки суммарной мощностью 3,6 МВт. Производительность установки составляет около 10⁶ м² листа в год.

Размерная обработка электронным лучом дает возмож­ность получать в заготовке глухие и сквозные отверстия заданных размеров или заданный контур на заготовке с определенными до­пусками на его размеры.

Размерная обработка электронным лучом основана на том, что при достаточно большой удельной поверхностной мощности скорость испарения обрабатываемого материала и давление пара возрастают настолько, что весь жидкий металл с потоком пара вы­брасывается из зоны обработки.

Использование электронного луча для размерной обработки накладывает целый ряд ограничений на его параметры. Электрон­ный луч является постоянно действующим источником теплоты для поверхности, на которую он попадает. При образовании на за­готовке вырезаемого контура ухудшается точность его размеров из-за оплавления краев.

Следовательно, необходимо обеспечить строгое дозирование энергии электронного луча в месте соприкосновения его с поверх­ностью заготовки. Осуществить это требование при размерной об­работке можно, введя либо импульсное действие электронного луча на поверхность, либо организуя перемещение луча по по­верхности со строго заданной скоростью.

Таким образом, можно определить три режима размерной электронно-лучевой обработки.

1. Моноимпульсный режим, когда обработка ведется одиноч­ным импульсом, т. е. отверстие получают за время действия только одного импульса.

2. Многоимпульсный режим, когда отверстие получают воз­действием на заданное место заготовки несколькими импульсами.

3. Режим обработки с перемещением электронного луча по заготовке с заданной скоростью. Последний режим реально осу­ществим в основном для прямолинейных профилей получаемых деталей.

Параметры электронно-лучевой размерной обработки связаны с физическими характеристиками материала заготовки (температу­рой плавления, теплоемкостью, удельной теплотой испарения, уп­ругостью пара) и не зависят от его механических свойств (прочно­сти, твердости, пластичности), которые обычно влияют на обраба­тываемость материалов при обработке резанием. В связи с этим электронный луч нашел применение в первую очередь для размер­ной обработки твердых материалов - алмазов, кварца, керамики, кристаллов кремния и германия.

Образование полостей с помощью электронно-лучевой раз­мерной обработки обычно ведут в многоимпульсном режиме (вре­мя импульса т„= 10 ⁷...10 ³ с, скважность ц = 100...200). В периоды пауз между импульсами материал в зоне обработки успевает охла­диться до температуры, близкой к начальной температуре заготов­ки, и общий нагрев заготовки невелик. С увеличением числа им­пульсов глубина обрабатываемой полости растет по логарифмиче­ской зависимости. При очень большом числе импульсов скорость обработки резко уменьшается, поэтому на практике размерную электронно-лучевую обработку обычно ведут на глубине не более

15. .20 мм.

Форма продольного сечения сквозного отверстия при размер­ной обработке электронным лучом показана на рис. 1.30. Кромки обычно имеют плавное скругление, а диаметр по глубине умень­шается. В ряде случаев такая форма отверстия благоприятна для работы конструкции (алмазные волочильные фильеры, часовые камни). Лучшие образцы установок для электронно-лучевой раз­мерной обработки позволяют при глубине реза до 5 мм получать уклон стенок а < 1°.

Сфокусированный электронный луч в фокальной плоскости может иметь диаметр менее 1 мкм - съем металла производится в весьма малых количествах и на малых площадях, что трудно осу­ществимо традиционными способами обработки. Минимальная ширина реза при электронно-лучевой размерной обработке может достигать 5... 10 мкм, можно получать отверстия такого диаметра. Малые размеры сечения электронного луча как технологического инструмента определили его применение прежде всего в микро­электронике для изготовления, например, микросхем с высокой плотностью монтажа, масок и трафаретов.

Важной особенностью процесса электронно-лучевой размер­ной обработки является возможность перемещения электронного луча с помощью отклоняющей системы. В сочетании с модуляцией мощности луча это позволяет обрабатывать отверстия сложных профилей, получать на поверхности заготовок канавки различной формы, изготовлять отверстия в стеклянных и металлических пла­стинках, гравировать клише для глубокой печати. При этом траек­тория перемещения луча обычно задается в виде электрических сигналов, поступающих на отклоняющую систему. Зона переме­щений луча при этом обычно ограничена размерами 10x10 мм. При необходимости обработки большей поверхности используют до­полнительные механические перемещения заготовки.

Особой разновидностью размерной электронно-лучевой обра­ботки является перфорация (получение мелких сквозных отвер­стий) различных материалов. Перфорацией изготовляют металли­ческие и керамические элементы фильтров, пористый материал для охлаждения камер сгорания и лопаток турбин. Электронным лучом перфорируют искусственную кожу, чтобы обеспечить ее воздуш­ную проницаемость. Производительность перфорации зависит от

мощности луча и толщины заготовки и может достигать 10⁵ отвер­стий в секунду.

Точность размеров и качество поверхности при размерной обработке зависят от рода материала, вида обработки, параметров процесса и характеристик электронной пушки. Погрешность раз­меров при этом не превышает ±5 мкм, а шероховатость поверхно­сти Я, = 5 мкм.

При жестких режимах электронно-лучевой обработки, когда в зоне воздействия луча возникают значительные градиенты темпе­ратур, достигающие 10⁸ К/м, в хрупких материалах образуются микротрещины. В этом случае обычно или уменьшают удельную поверхностную мощность луча, или подогревают заготовку перед обработкой. На рис. 1.31 показан элемент дифракционной решетки, изготовленной из нержавеющей стали толщиной 0,3 мм с помощью электронного луча. Обработка ведется при перемещении луча по заданной программе, заготовка неподвижна.

Рис. 1.31. Фрагмент дифракционной решетки

При производстве искусственных волокон широко применя­ются фильеры из различных твердых сплавов, керамики, стекла. Обычно фильеры выпускают диаметром до 30...50 мм при толщине

1. ..3 мм, они могут содержать до 500 отверстий. Отверстия в филь­ере целесообразно выполнять не только круглой, но и более слож­ной формы поперечного сечения (рис. 1.32). Каждое отдельное от­верстие изготовляют перемещением луча, а переход от одного от­верстия к другому осуществляется движением стола. В микроэлек­тронике распространена электронно-лучевая резка заготовок из по­лупроводниковых материалов и ферритов на отдельные малораз­мерные элементы и прошивание в них отверстий.

•+и^

20 мкм

Рис. 1.32. Формы отверстий, полученных электронным лучом

Обработка электронным лучом получила распространение при изготовлении валков печатных машин, где глубина обрабаты­ваемой полости обычно не превышает 15...20 мкм. Достоинством процесса является относительная простота и быстрота перевода изображения посредством модуляции мощности луча, сканирую­щего по обрабатываемому изделию.

Термообработка

Электронно-лучевая термообработка возникла как процесс, позволяющий осуществлять локальный нагрев обрабатываемых участков поверхности с целью получения структурных превраще­ний материала (в основном закалки) или для отжига в вакууме об­рабатываемых листовых материалов для увеличения их пластично­сти и очистки поверхности от адсорбированных газов.

Закалка без плавления посредством электронно-лучевой об­работки применяется сравнительно редко, так как применение за­калочных сред, увеличивающих скорость охлаждения (вода, мас­ло), в вакууме затруднено. Однако в тех случаях, когда зона закал­ки должна бьггь достаточно малой, интенсивность теплоотвода в основной металл вполне достаточна для образования закалочных структур в зоне электронно-лучевого нагрева. Закалка, в частности, применяется для упрочнения лезвий инструмента из быстрорежу­щей стали - ресурс работы повышается в два раза по сравнению с инструментом, закаленным обычным способом.

Термообработка листового материала или фольги обычно проводится в специализированных установках для получения ма­териалов с покрытиями; их наносят в вакууме на обезжиренный и предварительно нагретый до 200...400°С металл - нагрев удобно осуществлять электронным лучом. Для равномерного нагрева ма­териала в этом случае обычно используют сканирование луча по обрабатываемой поверхности с помощью магнитной отклоняющей системы.

6. Физические основы технологических процессов светолучевой обработки материалов

   1. Общие сведения о светолучевой обработке

Свет как источник энергии издавна привлекал к себе внима­ние человечества.

Создание волновой теории света и усовершенствование тех­нологии изготовления оптических линз, стекол и зеркал позволили создать целый ряд разнообразных оптических приборов. Была ус­тановлена принципиальная возможность фокусирования светового потока на относительно небольших поверхностях и получения вы­соких удельных плотностей энергии, достаточных для нагрева и плавления различных материалов. В качестве источника светового излучения использовалось Солнце.

Дальнейшее изучение физической природы светового излуче­ния привело к открытию его квантового характера, что позволило осуществить новый подход к получению световой энергии. В нача­ле XX в. у физиков сложилось мнение, что обычный полихромати­ческий свет (представляющий собой смесь волн разной длины) может быть получен излучением нагретых тел или из электриче­ского газового разряда.

В 1917 г. А. Эйнштейн, изучая равновесие между энергией атомных систем и их излучением, высказал предположение, что световые волны строго определенной длины можно получить за счет индуцированного (вынужденного) излучения атомов и моле­кул вещества. Это положение, по сути, послужило основой для создания нового направления науки и техники - квантовой элек­троники. Квантовая электроника изучает различные эффекты, свя­занные с получением и применением электромагнитных колебаний оптического диапазона. Особую ценность представляет получение когерентного (монохроматического) света, т. е. световой волны строго определенной длины.

В 1940 г. советский ученый В. А. Фабрикант впервые экспе­риментально подтвердил выдвинутое А. Эйнштейном положение об индуцированном излучении, а в 1952 г. был предложен новый принцип генерации и усиления сверхвысокочастотных электро­магнитных колебаний на основе использования индуцированного излучения. В СССР это открытие принадлежит Н. Г. Басову и

А. М. Прохорову, в США - Ч. Таунсу, Д. Гордону и X. Цайгеру, в Канаде - Д. Веберу. Были созданы квантовые генераторы и усили­тели волн сантиметрового и дециметрового диапазонов, известные сейчас под названием мазеров.

В 1960 г. в результате многочисленных теоретических иссле­дований был разработан первый образец оптического квантового генератора (ОКГ), в котором в качестве рабочего тела был исполь­зован синтетический рубин. Ученые и инженеры дали ОКГ назва­ние лазер по первым буквам английского выражения Light Ampli­fication by Stimulated Emission of Radiation (усиление света с по­мощью индуцированного излучения). Оба термина - ОКГ и ла­зер - тождественны и используются в литературе как синонимы.

В 1961 г. был создан газовый лазер с активным рабочим телом, состоящим из смеси гелия и неона Газовые ОКГ в настоящее время являются наиболее мощными из семейства лазеров, они позволяют получать непрерывное излучение мощностью до сотен киловатт.

Дальнейшие исследования привели к разработке полупро­водниковых лазеров, где излучение возникает в /ьл-переходе и возбуждается непосредственно электрическим током.

В качестве рабочего вещества в лазерах могут быть использо­ваны самые разнообразные материалы: кристаллы, активированные стекла, пластмассы, газы, жидкости, полупроводники, плазма. Ра­бочий диапазон излучения ОКГ охватывает область от ультрафио­летового X = 0,3 мкм до инфракрасного X = 300 мкм.

Сразу после создания лазеры стали широко применяться в различных исследованиях по передаче информации и связи, для измерения расстояний с большой точностью. Особое место зани­мает лазерная технология - группа процессов, использующих мощное излучение ОКГ для нагрева, плавления, испарения, сварки и резки материалов. В настоящее время ОКГ рассматривается как один из наиболее перспективных лучевых источников энергии.

По плотности потока энергии (до 10^IJ Вт/м²), по возможно­стям управления лазерным лучом и возможности осуществления процесса в самых различных средах лазер, по крайней мере сейчас, не имеет себе равных.

2. Основные схемы ОКГ

Лазер является источником электромагнитного излучения. Излучение может быть в видимом, инфракрасном и ультрафиоле­товом диапазонах. ОКГ обладает способностью генерировать не­прерывные или импульсные световые лучи, характеризующиеся высокой плотностью энергии, не расширяющиеся на значительном расстоянии (когерентные) и монохроматичные.

Каждый атом или молекула (частица) вещества может обла­дать различным, но вполне определенным значением энергии и на­ходиться на ряде вполне определенных дискретных энергетических уровней. При термодинамическом равновесии число частиц, нахо­дящихся на верхнем энергетическом уровне, значительно меньше, чем на нижнем; при этом, чем выше располагается энергетический уровень, тем меньше находится на нем частиц.

Если частица изменяет свое энергетическое состояние, то она переходит с одного уровня на другой. Для перехода на более высо­кий энергетический уровень частица должна поглотить квант энер­гии - фотон. При переходе на нижний энергетический уровень происходит испускание энергии в виде кванта света.

Для получения электромагнитного излучения необходимо обеспечить условия, при которых число частиц, находящихся на верхнем энергетическом уровне, будет больше, чем на нижнем, т. е. условия, противоположные термодинамическому равновесию. Эго обеспечивается возбуждением частиц, называемым накач­кой. Накачка осуществляется различными способами (например, облучением потоком фотонов или электронов). Если после накачки на верхнем энергетическом уровне обеспечить больше частиц, чем на нижнем, и подвергнуть возбужденные частицы облучению фо­тонами, то произойдет лавинное размножение фотонов. Взаимо­действие одного фотона с возбужденной частицей приводит к из­лучению еще одного фотона, движущегося в том же направлении. Эти два фотона, встретив соответственно две возбужденные части­цы, образуют четыре фотона и т. д. Усилению света способствует многократное отражение его от зеркальных торцов рабочего тела, образующих волновой резонатор. Один из зеркальных торцов ре­зонатора выполнен полупрозрачным, через него осуществляется выход излучения. В результате такого процесса можно получить узконаправленный пучок большой интенсивности.

Любой ОКГ независимо от конструктивного выполнения со­держит следующие основные элементы:

• рабочее тело (вещество), состоящее из ансамбля атомов или молекул, для которых может быть создана инверсия населенностей;

• систему, позволяющую осуществлять инверсию. Ее обычно называют системой накачки, она может функционировать за счет различных физических явлений;

• оптический резонатор, который служит для осуществления взаимодействия излучения с рабочим веществом и в котором про­исходит отбор энергии от ансамбля генерирующих излучение частиц;

• устройство для вывода энергии из резонатора;

-систему управления концентрацией энергии и пространст­венным положением полученного пучка света;

• различные специальные системы, связанные с конкретным применением ОКГ.

Для инверсии населенности в ОКГ применяют следующие виды накачки:

-оптическую накачку за счет облучения вещества мощным световым потоком;

• электрическую накачку, осуществляемую при прохождении через вещество электрического тока;

• химическую накачку, когда инверсия возникает за счет хи­мической реакции, в которой принимает участие рабочее вещество.

В зависимости от режима работы ОКГ делятся на устройства, работающие в непрерывном и импульсно-периодическом режимах.

По типу применяемого рабочего вещества различают твер­дотельные, газовые, жидкостные и полупроводниковые ОКГ.

Для технологических целей используют лазеры на твердом теле и газовые.

Твердотельные лазеры

Схема такой лазерной технологической установки приведена на рис. 1.33. Лазерная головка 3 состоит из рабочего тела 4, двух зеркал-резонаторов 2 (одно из них полупрозрачное), лампы накач­ки/с отражателем, оптической системы 5 для фокусировки луча на обрабатываемой детали 6, установленной на координатном сто­ле 7; блок управления БУ управляет положением координатного стола и источником питания ИЛ лампы накачки.

Рабочим телом твердотельных лазеров служит рубин, пред­ставляющий собой кристалл корунда с примесью хрома; иттриево- алюминиевый гранат (ИАГ), являющийся также кристаллом ко­рунда с примесью неодима; стекло с примесью неодима. Рабочими частицами являются примеси хрома или неодима. ОКХ на рубине и стекле работают в импульсном режиме, на ИАГ могут работать как в импульсном, так и в непрерывном режиме.

Накачка ОКГ, работающих в импульсном режиме, осуществ­ляется импульсными ксеноновыми лампами питаемых от батареи конденсаторов. Рабочее тело и лампу накачки помещают в отража­тели с целью более полного и равномерного использования свето­вого потока. При накачке не вся энергия, поглощенная рабочим те­лом, превращается в излучение, значительная часть ее теряется на нагрев (для рубина около 50%). Для отвода тепла от рабочего тела в некоторых случаях предусматривают принудительное охлажде­ние воздухом, водой или жидким азотом.

Газовые лазеры

Рабочим телом газовых лазеров могут быть чистые газы: ксе­нон, аргон, криптон, гелий, азот или смеси газов (например, угле­кислого с азотом и гелием). Накачка осуществляется, как правило, электронами при прохождении электрического тока через газ. При столкновении электрона, движущегося с большой скоростью, с атомом или молекулой газа электрон передает энергию атому и пе­реводит его на более высокий энергетический уровень.

Газовые лазеры подразделяются на три большие группы: ла­зеры на атомных, молекулярных и ионных переходах. Газовые ла­зеры могут работать как в импульсном режиме, так и в режиме не­прерывного излучения.

Примером атомного лазера является гелиево-неоновый ОКТ (рис. 1.34). Длины волн генерируемого когерентного излучения лежат в видимой (А.1 = 0,633 мкм) и в инфракрасной (Х₂ = 1,15 мкм и Яз = 3,39 мкм) частях спектра.

3 4

Рис. 1.34. Схема гелиево-неонового О КГ

Газоразрядная трубка 1 этого О КГ заполняется гелием и не­оном с парциальными давлениями соответственно 133 и 13 Па. От источника высокого напряжения 2 в трубке создается высоко­вольтный электрический разряд 3, который возбуждает атомы ге­лия и неона за счет соударений с электронами. Излучение выходит через полупрозрачное зеркало 4, Гелиево-неоновый ОКГ имеет сравнительно небольшую мощность, но из-за простоты устройства, надежности и достаточно высоких параметров излучения он полу­чил широкое распространение.

В ионных газовых ОКГ используются переходы между энер­гетическими уровнями ионов благородных газов (ксенона, аргона, неона, криптона), а также фосфора, серы и хлора. Типичным пред­ставителем этой группы является аргоновый лазер, который по конструкции похож на гелиево-неоновый ОКГ. Наполнение газо­разрядной трубки - аргон под давлением в несколько десятков пас­калей. Мощность ОКГ этой группы выше, чем лазеров на атомных переходах. Газовый ОКГ, например, на аргоне, генерирует излуче­ние с длинами волн А.1 = 0,4880 мкм и = 0,5145 мкм в видимой сине-зеленой части спектра с мощностью излучения до 150...500 Вт в непрерывном режиме.

Наибольшую мощность и КПД имеют газовые ОКТ, генери­рующие колебания на молекулярных переходах. К этой группе от­носят ОКГ на основе углекислого газа. Молекулы С0₂ возбужда­ются ударами электронов в газовом разряде, причем для увеличе­ния мощности добавляют молекулярный азот N2. При этом проис­ходит резонансная передача энергии от возбужденных молекул Ы₂ молекулам С0₂. Соотношение парциальных давлений С0₂ и Ы₂ обычно выбирается в пределах 1/1 ...1/5 при суммарном рабочем давлении в несколько сотен П. Мощность лазеров еще больше по­вышается при добавлении к смеси гелия. ОКГ на основе С0₂ имеет весьма высокий КПД (теоретически - до 40%, практически -

8...30%).

В газовом разряде часть молекул диссоциируют по схеме со₂ -» СО + О.

Продукты диссоциации снижают эффективность генерации и со временем уменьшают мощность ОКГ. Поэтому мощные лазеры работают при непрерывной подаче свежего газа или имеют специ­альные системы окисления оксида углерода. Повышение темпера­туры рабочего газа приводит к резкому снижению выходной мощ­ности ОКГ, из-за чего необходимо интенсивно охлаждать рабочую смесь.

Схема ОКГ на С0₂ приведена на рис. 1.35. Электрический разряд возбуждается в охлаждаемой стеклянной газоразрядной трубке 3 диаметром до 60 мм. Использование трубок большего диаметра (свыше 80... 100 мм) неэффективно из-за ухудшения теп­лопередачи из внутренней области трубки к ее периферийной ох­лаждаемой части. Разряд возбуждается между электродами 1 с по­мощью высоковольтного источника питания 2. Излучение с длиной волны X = 10,6 мкм выводится через окно 4 из материала, пропус­кающего инфракрасные лучи (например, из кристаллов КВг, №С1 или германия).

При схеме ОКГ с продольной прокачкой газа, как показано на рис. 1.35, с 1 м длины резонатора можно снимать мощность не бо­лее 50 Вт; для получения большей мощности приходится значи­тельно увеличивать длину трубы резонатора.

2

} Вода

7

£5П\

Рис. 1.35. Схема ОКГ на углекислом газе

Уменьшение габаритов ОКГ может быть достигнуто за счет использования многотрубных систем (рис. 1.36), в которых луч с помощью зеркал 1 последовательно проходит через все трубки 2. При большом количестве зеркал в многотрубной системе резко возрастают потери, поэтому более 15 труб в одном ОКГ не приме­няют. ОКГ на С0₂ с 15 трубами общей длиной 200 м развивает в режиме непрерывной генерации мощность 8,8 кВт при КПД поряд-

ка 15%.

2

Рис. 1.36. Схема применения многотрубных систем в ОКГ

Основные параметры лазеров технологического назначения и области их применения приведены в табл. 1.6.

3. Применение лазерной обработки

Промышленные ОКГ появились уже после начала широкого использования электронно-лучевых установок. Поскольку техноло­гические возможности лазерных и электронно-лучевых процессов обработки во многом близки, промышленное внедрение лазерной

Основные параметры лазеров технологического назначения

Рабочее тело	Режим работы	Средняя мощность излучения, Вт	Частота следования импульсов, Гц	Длительность импульса	Область использования
Рубин	Импульсный	1-20	1	0,3-6 мс	Сварка, сверление
Стекло с неодимом	Импульсный	1-15	1	0,5-10 мс	Сварка, сверление, резка
ИАГ	Непрерывный Импульсный	2-110 1-100	1-100	0,01-5 мс	Испарение, сварка, резка Сварка, сверление, испарение
СОг^2-Не	Непрерывный Импульсный	5—1-Ю3 1-250	1-М0'1	5-150 мкс	Резка, сварка, термообработка Сверление
Аг	Непрерывный Импульсный	1-15 1-20	1-1 -10’	5-100 мкс	Сварка Испарение

технологии проводилось для тех видов обработки, где невозможно обеспечение высокого вакуума (микросварка, сварка изделий с на­полнителями). В дальнейшем твердотельные и отпаянные газовые ОКГ получили в промышленности достаточно широкое распро­странение, вытеснив в некоторых случаях электронно-лучевые ус­тановки.

Хотя эти системы имеют большие габариты, потребляют зна­чительную мощность, сложны в изготовлении и эксплуатации, ис­пользование мощных ОКГ дает целый ряд технологических пре­имуществ, что и определяет их широкое применение.

1. Энергию в виде светового луча можно передавать на рас­стояние (в том числе и через прозрачную разделительную перего­родку или по специальному световоду).

2. Отсутствует механический и электрический контакт между источником энергии с изделием в месте обработки.

3. Высокая концентрация энергии в пятне нагрева при «ост­рой» фокусировке.

4. Можно плавно регулировать плотность потока в пятне на­грева за счет изменения фокусировки луча.

5. Высокие температуры в зоне воздействия излучения.

6. Можно получать как импульсы энергии весьма малой дли­тельности (до 10-9 с), так и непрерывное излучение.

7. Малые размеры (до нескольких мкм) зон обработки.

8. Можно перемещать луч с высокой точностью и скоростью с помощью систем развертки при неподвижном объекте обработки.

9. Мощность луча можно модулировать по требуемому закону.

10. Технологический процесс можно вести в любой оптически прозрачной среде.

Указанные особенности лазерного излучения во многом сов­падают с особенностями применения электронных пучков, что оп­ределяет близость технологических возможностей этих методов обработки.

Нагрев излучением ОКГ

Нагрев излучением ОКГ может вестись в широком диапазо­не температур и удельных тепловых потоков. При этом круг воз­можностей ОКГ шире, чем у электронного луча. Однако специфика самого процесса получения когерентного излучения и сложность оборудования мощных ОКГ привели к тому, что использование ла­зеров для энергоемких процессов (например, плавки), не получило распространения. Здесь доминируют более простые по оборудова­нию - электронно-лучевой и плазменный методы, имеющие, кроме того, более высокий КПД.

Нагрев излучением ОКГ применяется для отжига фольги в различных средах при большой скорости ее движения.

Поверхностную термообработку с использованием ОКГ можно проводить для отдельных зон поверхности с последующим их охлаждением с помощью практически любых охлаждающих сред (вода, воздух, эмульсия и т. д.). Это позволяет избирательно термоупрочнять поверхность изделий из склонных к закалке мате­риалов (чугуны, стали).

Нагрев излучением ОКГ для закалки выгодно использовать для таких изделий, как шейки валов и осей, гильзы, вкладыши, зу­бья шестерен и т. д. По сравнению с закалкой токами высокой час­тоты здесь не требуется изготовлять для каждого изделия специ­альный индуктор, можно получать более узкие зоны закаленного материала. Твердость поверхностных слоев стали и чугуна после закалки излучением ОКГ возрастает в 3...5 раз, что резко увеличи­вает износостойкость деталей даже из низколегированных мате­риалов. По сравнению с индукционной закалкой производитель­ность труда повышается на 70...90%.

Нагрев без плавления узкой зоны обрабатываемого мате­риала с помощью излучения ОКГ приводит к образованию в этой зоне термических напряжений, уровень которых может быть дос­таточно высоким. В хрупких материалах это приводит к образова­нию микротрещин и может быть использовано в целях разделения заготовок.

По аналогии с процессом скрайбирования, где алмазным или твердосплавным инструментом наносится риска, инициирующая дальнейшее разрушение материала по линии ее нанесения, процесс разделения хрупких материалов с местным лазерным нагревом по­лучил название «лазерное скрайбирование». Он применяется для резки стекла, керамики, пластин из полупроводниковых материа­лов. Процесс характеризуется малой шириной зоны реза, имеет вы­сокую производительность и достаточно высокую точность (по­грешность при резке не превышает 30 мкм).

Резка полупроводниковых пластин с интегральными микро­схемами и заготовок кристаллов из германия и кремния в промыш­ленных масштабах с помощью лазерного скрайбирования дает зна­чительно меньший процент брака (около 0,5%) против 15...20% при алмазном скрайбировании. Пластина кремния диаметром 50 мм разделяется лазерным скрайбированием на элементы размером 1,2-1,2 мм за 2 мин с учетом всех вспомогательных операций. Рез имеет малую ширину (»10...20 мкм) и ровный край.

Под воздействием лазерного излучения в ряде материалов (например, в стекле) можно создавать направленные термические напряжения, приводящие к управляемому термораскалыванию. Этот процесс более производителен, чем лазерное скрайбирование, и позволяет получать резы криволинейной конфигурации. Мощ­ность излучения лазера на С0₂, обычно применяемого для этой це­ли, не превышает 10... 100 Вт, скорость резки деталей из стекла, си- талла, керамики толщиной 1...5 мм достигает 35 мм/с.

Особенно целесообразно применение этого процесса в сте­кольной промышленности при резке стеклопрофилита, где помимо повышения производительности резко снижается процент брака.

Плавление излучением ОКТ

Локальный переплав поверхностных слоев обрабатываемо­го материала осуществляется с целью повышения их эксплуатаци­онных характеристик (прежде всего твердости). Нагрев излучением ОКГ до плавления и затем быстрое охлаждение и кристаллизация небольших объемов металла приводят к образованию структур, ко­торые в обычных условиях получить нельзя.

Для массивных деталей необходимая скорость охлаждения может быть получена просто за счет теплоотвода в обрабатывае­мый материал.

Для изделий из чугуна и высокоуглеродистой стали целесооб­разен не сплошной поверхностный переплав, а создание зоны про­плавления в виде отдельных линий, сеток, спиралей и т. д. В этом случае удается сочетать прочность и пластичность основного мате­риала (матрицы) с повышенной твердостью и износостойкостью переплавленных зон, причем вкрапление этих зон в более пластич­ный основной материал увеличивает их прочность и снижает склонность к трещинообразованию. Подобная технология получает распространение для изготовления направляющих, опор, поверх­ностей трения и т. д. Наиболее целесообразно осуществлять этот процесс для материалов типа чугунов и низколегированных сталей, где можно получить значительное повышение твердости переплав­ляемого материала при сравнительно простом и недефицитном по легирующим компонентам его составе.

Лазерная сварка как технологический процесс, связанный с локальным плавлением, находит все более широкое применение, конкурируя как с традиционными способами сварки, так и с элек­тронно-лучевой сваркой. Импульсные твердотельные ОКГ приме­няются для сварки малогабаритных деталей, где важно получать швы с минимальным разогревом окружающего зону сварки мате­риала. Применяют как точечную, так и шовную сварку герметич­ными швами, получаемыми перекрытием отдельных точек Сварка импульсным ОКГ применяется при изготовлении герметичных корпусов различных конструкций из тонколистовых материалов толщиной 0,1...1,0 мм (рис. 1.37) Сравнительно небольшой разо­грев свариваемого изделия позволяет осуществлять герметизацию корпусов, заполненных различными веществами, нагрев которых может привести их в негодность. Например, таким образом, герме­тизируются корпуса малогабаритных герметичных кадмий- никеяевых аккумуляторов, наполненных щелочным электролитом.

Рис. 1.37. Схема лазерной сварки герметического сосуда

Герметизация лазерной сваркой корпусов различных микро­схем и полупроводниковых приборов обычно осуществляется в инертной среде (чаще всего в гелии, который затем используется для контроля герметичности соединения). Процесс ведется в им­пульсном режиме с помощью твердотельных ОКГ с энергией им­

пульса 1...5 Дж отдельными перекрывающими друг друга точками. Такая схема ведения процесса обеспечивает минимальный общий нагрев изделия и минимальное тепловое воздействие на заключен­ные в корпус полупроводниковые приборы.

М

Рис. 1.38. Формы соединений, полученных лазерной сваркой

&

Некоторые электронные приборы (электронно-лучевые труб­ки, электронно-оптические преобразователи и т. д.) целесообразно собирать, вакуумировать, а затем после настройки фиксировать взаимное расположение их узлов с помощью сварки. Для этой цели используется излучение ОКГ с длиной волны X < 1,06 мкм, для ко­торой герметичный стеклянный корпус прибора прозрачен.

Мощные газовые ОКГ непрерывного излучения позволяют проплавлять за один проход металл на значительную толщину. Экспериментально установлено, что для стали толщиной до 5 мм требуется 1 кВт мощности излучения на 1 мм глубины проплав­ления. При большой толщине свариваемых кромок зависимость мощности от глубины проплавления становится нелинейной и для сварки деталей толщиной более 20 мм требуются уже весьма мощные ОКГ, потребляющие сотни киловатт. Электронно­лучевая сварка позволяет сваривать за один проход кромки зна-

икросварка импульсным излучением твердотельных ОКГ применяется при монтаже навесных элементов в гибридных мик­росхемах, при монтаже интегральных микросхем на платы, при сборке элементов радиоламп. Типичные формы соединений приве­дены на рис. 1.38. Диаметр соединяемых проводников круглого се­чения - 0,05...!,О мм, толщина плоских выводов - 0,03...0,5 мм. Выполненная лазером сварная точка хорошо фиксируется визуаль­но, и по характеру проплавления и формирования этой точки мож­но косвенно судить о качестве сварного соединения, что невоз­можно для контактной и термокомпрессионной сварок, приме­няющихся для этих же целей.

чительно большей толщины (до 200 мм) при меньшей потреб­ляемой мощности.

Сварка лазером дает узкий шов «кинжального» типа с малы­ми деформациями свариваемых деталей, что позволяет применять этот способ для соединения окончательно обработанных узлов и деталей.

В автомобилестроении ОКГ непрерывного излучения на С0₂ с выходной мощностью до 10 кВт нашли применение для сварки деталей кузова, шестерен коробки передач, карданного вала. При­менение лазерной сварки при изготовлении карданного вала, на­пример, в 2...3 раза увеличивает производительность процесса по сравнению с дуговой сваркой и снижает деформации вилки карда­на настолько, что исключает необходимость всякой дополнитель­ной механической обработки.

Сварка неметаллических материалов (стекла, керамики и др.) осуществляется за счет хорошего поглощения ими излучения с большой длиной волны (например, X — 10,6 мкм у лазера на С0₂). По сравнению с газопламенным нагревом, обычно используемым для сварки и пайки стекла, излучение ОКГ позволяет увеличить скорость нагрева места сварки или пайки (но не более 80... 100 К/с из-за возможности термического растрескивания) и уменьшить зо­ну нагрева. По такой технологии изготовляют стеклянные корпуса термометров, где капилляр вваривается в оболочку и осуществля­ется заварка донышка. Операция проводится на специализирован­ном полуавтомате.

ОКГ на С0₂ мощностью 100 Вт используется в промышлен­ности для сварки ножек пальчиковых ламп и для сварки стеклян­ных и кварцевых труб диаметром до 200 мм с толщиной стенки до 6 мм.

Резка и размерная обработка

Резка и размерная обработка с использованием излучения ОКГ являются наиболее распространенной в промышленности группой технологических процессов, основанных на применении энергии когерентных световых потоков.

Резка материалов концентрированным излучением ОКГ мо­жет быть основана на локальном плавлении материала и его даль­

нейшем удалении под действием силы тяжести, конвективного по­тока или газовой струи. Пары перегретого материала могут уда­ляться из зоны реза за счет собственной упругости и дополнитель­но струей инертного газа. Процесс разрезания в этом случае может проводиться более эффективно. В том случае, если разрезаемый материал содержит связанную или кристаллизационную воду (ор­ганические соединения, минералы), интенсивный локальный на­грев излучением ОКГ приводит к разрыву молекулярных связей и испарению воды. Внутри материала может возникнуть высокое давление, что приводит к образованию микротрещин и выбросу частиц материала. Аналогично протекает процесс разрезания по­ристых материалов, содержащих газы, и химических соединений, деструктирующих с образованием газообразных продуктов (слои­стые пластики, дерево и др.).

Э

о

X

Рис. 1.39. Схема газолазерной резки Кислород в этом процессе:

1) за счет реакции окисления обеспечивает выделение основ­ной части энергии, необходимой для резки;

А

ффективность резки может быть значительно повышена за счет введения в зону обработки газа (например, кислорода). Экзо­термическая реакция между разрезаемым материалом и кислородом значительно увеличивает выделение энергии в месте взаимодействия излучения с материалом. На этом принципе основан процесс газола­зерной резки (ГЛР), схема которой приведена на рис. 1.39.

2. значительно увеличивает поглощающую способность мате­риала за счет создания на его поверхности оксидов, имеющих меньший коэффициент отражения;

3. снижает поверхностное натяжение расплавленных метал­лов, имеющих жидкотекучие оксиды;

4. струя газа под давлением способствует удалению расплав­ленных оксидов из зоны реза;

5. охлаждает кромки разрезанного материала.

Максимальная толщина заготовок при газолазерной резке

ОКГ непрерывного действия на С0₂ мощностью 5 кВт составляет:

Низкоуглеродистая сталь	Легированные стали	Никелевые сплавы	Титан
до 10 мм	до 6 мм	до 5 мм	до 10 мм

Металлы, образующие тугоплавкие оксиды с большой вязко­стью, плохо поддаются газолазерной резке, так как затруднено удаление оксидов из зоны реза. К таким металлам относятся алю­миний и его сплавы, магний, латунь, хром и др. Их выгоднее резать плазменной резкой.

Подача газа в зону резки целесообразна и при лазерной резке диэлектриков. У горючих материалов поток инертного газа охлаж­дает кромки реза и поверхность образца, предотвращая термиче­ское повреждение и возгорание. Ширина реза при ГЛР зависит в первую очередь от диаметра фокального пятна, однако слишком малое расстояние между образующимися кромками реза может препятствовать вытеканию расплава.

Скорость резки материалов излучением ОКГ определяется целым рядом различных факторов, главными из которых являются мощность излучения, толщина и материал заготовки, расход и дав­ление газа, а также характер его взаимодействия с разрезаемым ма­териалом. С точки зрения эксплуатационных особенностей обору­дования в промышленности для резки в основном нашли примене­ние газовые ОКГ непрерывного излучения мощностью до 1 кВт. Значения скорости разрезания материалов на действующих про­мышленных установках приведены в табл. 1.7.

Скорость газолазерной резки в ряде случаев значительно больше, чем при других способах резки, что и определяет эффек­тивность применения процесса ГЛР в промышленности.

Значения скорости разрезания материалов на действующих промышленных установках

Материал	Толщина, мм	Мощность излучения, Вг	Скорость резания, м/мин	Газ
Низкоуглеродистая	0,51	250	3,635	Кислород
сталь	1,0	100	1,6	»
	1,2	400	4,6	»
	2,2	850	1,8	»
Углеродистая сталь	3,0	400	1.7	»
Нержавеющая сталь	0,5	250	2,6	»
	1,0	100	0,94	»
	2,5	400	1,27	»
	9,0	850	0,36	»
	4,7	20 000	1,27	»
Титан	0,5	850	3,24	»
	0,6	250	0,2	»
	1,0	600	1,5	»
Фанера	6,5	850	5,22	Аргон
Керамика	6,5	850	0,6	»
Асбоцемент	6,3	250	0,025	Воздух
Кварц	1,2	100	0,5	Кислород
Резина	2,0	100	Ь?	»

Машины для ГЛР оснащаются специальными программными устройствами цифрового типа или системами фотокопирования и используются для вырезки изделий со сложными фигурными конту­рами. Например, специализированная лазерная установка для рас­кроя ткани позволяет с помощью газового ОКГ мощностью 250 Вт раскраивать за один час материал на 20...25 мужских костюмов.

Кроме линейных резов излучение ОКХ может быть использо­вано для прошивания отверстий в различных материалах. Получе­ние отдельных отверстий и каналов осуществляется чаще всего с помощью импульсных твердотельных ОКГ за один или несколько импульсов.

Лазерное прошивание по сравнению с механической обра­боткой отверстий обладает рядом преимуществ:

• можно обрабатывать практически любые материалы незави­симо от их механических свойств (прежде всего твердости);

• можно получать отверстия малых диаметров (с/ <0,1 мм) с большим отношением глубины к диаметру;

• отсутствует механический силовой контакт между инстру­ментом и материалом;

• можно получать отверстия, ось которых наклонена под уг­лом к обрабатываемой поверхности;

• увеличивается точность расположения осей отверстий на обрабатываемой заготовке благодаря высокой точности систем на­водки луча.

Параметры и технологические показатели прошивания раз­личных материалов с помощью ОКГ приведены в табл. 1.8.

Таблица 1.8