61

Раздел 3. Лучевая обработка

Методы лучевой обработки используют тепловые эффекты, полученные различными способами на поверхности заготовки.

При электронно-лучевой обработке (ЭЛО) нагрев, плавление и испарение материала заготовки происходят в результате перехода кинетической энергии сфокусированного пучка электронов в тепловую.

При лазерной обработке (ЛО) аналогичное воздействие на материал заготовки оказывает сфокусированное монохроматическое излучение лазера.

При плазменной обработке (ПО) на заготовку действует поток низкотемпературной плазмы (3000 ... 25000°С), изменяющий структуру и состояние материала, в результате чего изменяются форма и размеры заготовки. После изучения раздела следует ответить на вопросы для самопроверки и вопросы теста №2.

3.1. Электронно-лучевая обработка

Технологические возможности ЭЛО определяются способом создания электронного пучка, возможностями его ускорения, фокусирования и отклонения; видом взаимодействия электронного потока с материалом. Обычным методом эмиссии электронов является нагрев, причем эмиссия растет с увеличением температуры. Поэтому катоды делают из вольфрама или гексаборида лантана. Однако срок службы таких катодов недостаточен. Вследствие этого используют получение электронов из плазмы газового разряда и катоды с косвенным подогревом.

Ускорение электронов и формирование пучка с необходимой энергией достигается наложением на пучок электрического поля. При этом увеличивается кинетическая энергия электронов и скорость достигает 5000...10000 м/с. Ускоряющие системы могут быть низковольтными (15...30 кВ), промежуточными (50...80 кВ) и высоковольтными (100...200 кВ).

Управление пучком электронов – фокусирование пучка в рабочей зоне для регулирования концентрации энергии и перемещения по

62

обрабатываемой поверхности – осуществляется воздействием на электроны электрических и магнитных полей. Устройство формирования, ускорения и управления электронным пучком конструктивно оформляется в виде электронной пушки (рис.3.1.1).

4

Рис. 3.1.1. Принципиальная схема электронной пушки (прожектора): 1 – ускоряющие электроды; 2 – катод; 3 – электронный луч; 4 – фокусирующий электромагнит; ИПН – источник питания накала;

ИВН – источник высокого напряжения (стрелками показаны направления электрического и магнитного полей)

Плотность энергии, обеспечиваемая фокусировкой пучка электронов, достигает в промышленных установках 100 кВт/мм2, в опытных – порядка

5000 кВт/ мм2.

Электронные пучки создаются в камерах установок с вакуумом не ниже 10-4...10-9 Па. При технологических процессах электронно-лучевой обработки в камерах происходит газо- и паровыделение, связанное с разогревом обрабатываемых материалов. Поэтому установки оборудуются достаточно мощными откачными системами с последовательно включенными механическим, форвакуумным и паромасляным насосами.

Для размещения заготовки в вакуумной рабочей камере необходимо оборудовать ее специальными устройствами.

63

Таким образом, установки электронно-лучевой обработки включают в себя систему формирования, стабилизации и управления электронным пучком; рабочую вакуумную камеру; вакуумную систему; систему загрузки и перемещения заготовки; систему наблюдения и контроля технологического процесса; систему защиты персонала от рентгеновского излучения.

Области реализации ЭЛО при различных мощностях электронного пучка представлены на рис. 3.1.2.

Рис. 3.1.2. Области реализации ЭЛО при различных мощностях Рэ электронного пучка:

1 – плавление при Uуск =15…40 кВ; 2 – испарение при Uуск =10…40 кВ; 3 – сварка при Uуск = 15…175 кВ; 4 – резание при Uуск = 15…40 кВ; Uуск – ускоряющее напряжение; Руд – удельная мощность пучка

С помощью электронно-лучевой обработки осуществляются следующие процессы:

1. Сварка разнородных металлов, в том числе и тугоплавких. Размеры вакуумной камеры обычно не превышают 500х500 мм. Характер действия электронного пучка на материал заготовки зависит от величины ускоряющего напряжения Uуск , удельной мощности пучка Pэ, средней глубины проникновения электронов в металл hэ.

64

Необходимо заметить, что hэ зависит от энергии электронов и характеристик атомной решетки обрабатываемого материала. Так, при низковольтной ускоряющей системе с напряжением 15...30 кВ ведется плавление и сварка металла, при промежуточной системе с напряжением 50...80 кВ – эффективная сварка, при высоковольтной системе с напряжением 100...200 кВ – резание и микросварка.

В табл. 4.1 (приложение 4) приведены данные по средней глубине проникновения электронов в некоторые металлы.

1.Пайка.

2.Вырезание из кристаллических и жаропрочных материалов тонкопленочных покрытий и т.д.

3.Прошивание отверстий диаметром порядка 0,025...1 мм. Глубина отверстий зависит от радиуса луча и ускоряющего напряжения.

4.Резание труднообрабатываемых материалов (в том числе, керамик).

5.Нанесение покрытий.

6.Запись информации.

Производительность электронно-лучевой обработки 3...102 см3/ч; точность обработки – 0,02...0,01 мм; шероховатость Rz = 20 мкм; ширина зоны термического влияния 0,02...0,01 мм.

3.2. Лазерная обработка

Виды технологических процессов лазерной обработки зависят от энергетических возможностей излучения оптического квантового генератора-лазера (ОКГ) и характера действия его на обрабатываемый материал. Структурная схема ОКГ и различные способы технической реализации его отдельных узлов представлены на рис.3.2.1.

Лазер излучает монохроматический свет. Это позволяет сфокусировать луч оптическими методами и получить очень малые диаметры луча в месте контакта его с поверхностью заготовки. Плотность энергии при этом может быть доведена до 1000 кВт/мм2.

При взаимодействии луча лазера с материалом заготовки происходит интенсивный местный разогрев материала. Для технических целей используются лазеры с твердым (синтетические стержневые кристаллы рубина, граната, неодимовое стекло) или газообразным (смесь гелий-

неон, СО2) рабочим телом. Наиболее перспективны для технологических целей лазеры на углекислом газе, их коэффициент полезного действия достигает 25%, что выше, чем у твердотельных. Типовые схемы ОКГ на углекислом газе представлены на рис.3.2.2.

Рис. 3.2.2. Типовые схемы ОКГ СО2: а – с отпаянным рабочим объемом, б – с продольной прокачкой газа, в – с поперечной прокачкой газа;

1 – рабочий объем; 2 – зеркала резонатора; 3 – система прокачки газа

Технологические возможности ЛО широки вследствие возможностей глубокого регулирования параметров излучения.

ЛО используется для осуществления ряда процессов: 1. Лазерная сварка

Лазерное излучение обеспечивает высокую концентрацию энергии, значительно превосходящую другие источники энергии, используемые для сварки. Электронный луч, используемый для сварки ответственных конструкций, имеет высокую концентрацию энергии, но электроннолучевая сварка ведется в вакуумных камерах для обеспечения устойчивого ведения процесса. Процесс лазерной сварки не требует вакуумных камер и осуществляется на воздухе или в среде защитных газов: аргона, гелия, углекислого газа. Благодаря этому, можно сваривать крупногабаритные конструкции.

66

Лазерный луч с помощью зеркальных оптических систем легко направляется в труднодоступные места. При этом легко регулировать энергетические характеристики. На лазерный луч не влияют электромагнитные поля свариваемых деталей и оснастки, это позволяет получить качественное соединение по всей длине.

Благодаря высокой концентрации энергии в процессе сварки обеспечивается малый объем расплавленного металла, малые размеры околошовной зоны нагрева, высокие скорости нагревания и охлаждения металла. Эти особенности дают малые деформации сварных конструкций, высокую технологическую прочность.

Металл шва при лазерной сварке следует защищать от окисления, используя газовую, флюсовую или газофлюсовую защиту. Газовая защита осуществляется подачей защитного газа через сопло непосредственно в зону воздействия лазерного излучения на материал, как и при дуговой сварке. В качестве защитных используются те же газы, что и при дуговой.

Важным технологическим приемом при лазерной сварке с глубоким проплавлением является применение присадочного материала. Это дает возможность регулировать химический состав шва, исключить неравномерность проплавления, поры в шве, трещины.

Очень эффективна сварка металлов малых и средних толщин (до 10 мм), однако стоимость лазеров пока высока и применять их следует если требуется:

-получение прецизионной конструкции без деформаций;

-существенное увеличение производительности (на скоростях 35 мм/с и более), т.е. в несколько раз выше дуговой;

-сварка крупных деталей малой жесткости с труднодоступными швами без использования вакуумных камер;

-соединение трудносвариваемых материалов, в том числе разнородных.

Сварка алюминиевых сплавов имеет свою специфику. Алюминий

интенсивно окисляется при температуре плавления. Окисная пленка в процессе сварки не расплавляется и адсорбирует газы и пары воды, что приводит к появлению несплошностей. Применение лазера помогает избежать этих трудностей за счет высокой концентрации энергии и применения газовой защиты.

67

Магниевые сплавы также образуют пленку окислов и лучше свариваются лазерным лучом.

Титановые сплавы обладают высокой химической активностью при высокой температуре, особенно к кислороду и водороду. Поэтому лазерная сварка весьма эффективна.

Высокие скорости сварки обеспечивают высокие скорости охлаждения

иприводят к повышению дисперсности металла шва и получению высоких механических свойств сварных соединений по сравнению с другими способами сварки.

Некоторые данные о лазерной сварке приведены в прил. 4, в табл. 4.5, а возможности оборудования – в табл. 4.6 пособия «Техническая физика».

2.Лазерная резка Перспектива применения лазера для резки материалов любой

твердости обусловлена высокой точностью и качеством реза (малая ширина

ипараллельные кромки), малой зоной нагрева, большой производительностью.

Лазерной резке легко поддаются такие высокотвердые материалы, как металлокерамика, стекло, композитные материалы на основе бора. Большое преимущество имеет лазерная резка дерева, так как при раскрое нет опилок

иполучается чистая поверхность кромок при сложных формах кроя. Режимы резки некоторых материалов приведены в приложении 4, табл. 4.2.

3.Изменение свойств поверхности заготовки

Термическое упрочнение основано на локальном нагреве участка поверхности под воздействием излучения и последующем охлаждении этого участка со сверхкритической скоростью в результате теплоотвода тепла во внутренние слои металла. При этом практически отсутствует выдержка при температуре нагрева, что обеспечивает формирование требуемой структуры материала.

При лазерном термоупрочнении различные слои нагреваются до различных температур. Различают три слоя: первый слой – зона оплавления, второй – зона закалки твердой фазы, третий – переходная зона.

Следует отметить, что основной целью лазерного термоупрочнения сталей, чугунов и цветных сплавов является повышение износостойкости деталей, работающих в условиях трения. В результате достигаются высокая твердость поверхности, высокая дисперсность структуры, гораздо выше чем при закалке и отжиге.

68

Возможности поверхностной обработки заготовки газовым лазером приведены в приложении 4, таблице 4.3. Режимы лазерной закалки приведены в приложении 4, табл. 4.4 пособия «Техническая физика».

4. Поверхностное покрытие Новым направлением применения лазерного излучения является

заключается в нанесении на поверхность обмазок или паст с последующим оплавлением поверхности. В состав обмазок добавляют различные активизирующие добавки (бура, хлористый аммоний и т.д.). Лазер применяется также для улучшения свойств напыленных покрытий за счет увеличения прочности сцепления с основой при оплавлении. Кратковременный нагрев и охлаждение способствуют сохранению содержания легирующих элементов и их равномерному распределению в поверхности наплавки.

Газопорошковая лазерная наплавка служит для увеличения стойкости наиболее нагруженных участков различных деталей. Кроме того, лазерная наплавка может быть успешно использована при ремонтновосстановительных работах локально изношенных участков деталей.

5. Прошивание отверстий Возможности лазерной обработки приведены в приложении 4, табл. 4.7

пособия «Техническая физика». Производительность лазерной обработки 2000...4000 см3/ч, точность обработки 0,01...0,02 мм, шероховатость обработанной поверхности Rz = 20 мкм. Ширина зоны термического влияния 0,1...1 мм.

3.3. Плазменная обработка

Технологические возможности плазменной обработки определяются тепловым потоком, среднемассовой температурой и скоростью истечения низкотемпературной плазмы.

Для генерации низкотемпературной плазмы используется устройство, называемое плазмотроном. В плазмотроне имеются электроды, к которым подводится электроэнергия, и между которыми происходит разряд. Схема плазмотрона представлена на рис. 3.3.1. Материал электродов определяет ресурс плазмотрона. При использовании графита и металлокерамик ресурс

69

не ограничен; цирконий и гафний в медной обойме имеют ресурс 20...300 часов, медь на воздухе – 10...200 часов. В промышленных плазмотронах используются дуговой и высокочастотный разряды. На разряд может быть наложено электромагнитное поле. В область разряда вводится плазмообразующий газ (а иногда и порошкообразный материал). Плазмообразующим газом могут быть воздух, азот, аргон и природный газ, подаваемые под давлением в плазмотрон. Ввод плазмообразующего газа может быть относительно электродов аксиальным, тангенциальным и распределенным вдоль или поперек дуги.

Рис. 3.3.1. Схема плазмотрона с вихревой стабилизацией дуги:

1 – катод; 2, 4, 6 – охлаждение; 5 – анод; 7 – изоляция; 8 – камера; 9 – сопло; 10 – струя плазмы

Плазмотроны различают по методам генерации плазмы. Они могут работать на постоянном или переменном токе высокой частоты (ВЧ) или сверхвысокой частоты (СВЧ), а также быть комбинированными.

Подробнее виды плазмотронов описаны в пособии. Процессы плазменной обработки различаются в соответствии с характером действия потока плазмы:

1.Плавление и рафинирование металлов в печах.

2.Резание металлов, строгание, полирование.

Воздушно-плазменная резка получила наибольшее распространение для раскроя листовых заготовок в судостроении и других отраслях

70

промышленности. Установки работают по программе или с фотокопированием чертежа со скоростью до 6 м/мин, толщина металла достигает 100...130 мм, точность ±(0,5...1,5) мм. Плазма используется также для разогрева поверхности заготовки с целью снижения прочности металла при механической обработке с последующим удалением этого слоя резцом (плазменно-механическая обработка). В приложении 4, табл. 4.8 пособия «Техническая физика» приведены сравнительные характеристики механической и плазменно-механической обработки нержавеющих сталей. Еще больший эффект плазменно-механическая обработка позволяет получить при обработке марганцовистых сталей. Общие характеристики плазменной обработки: производительность 2 (104...105) см3/ч, при точности 0,1...0,5 мм и шероховатости Rz = 320 мкм, ширина зоны термического влияния 0,1...0,5 мм.

3.Поверхностный переплав.

4.Обработка неэлектропроводных материалов (разрезание, бурение, поверхностная обработка).

5.Сварка.

Используется для металлов с высокой теплопроводностью (цветных металлов и сплавов). Свариваются большие толщины заготовок со скоростью несколько метров в час. Для примера в приложении 4, табл. 4.9 пособия «Техническая физика» приведены режимы сварки меди.

Плазменная сварка широко используется для сварки тонколистовых (0,15...0,6 мм) труб при токе I = 1...30 А с производительностью до 350 м/ч.

6.Получение композитных материалов, выращивание кристаллов, получение порошков и т.д.

7.Поверхностный переплав, закалка, азотирование, оплавление, напыление и наплавка, металлизация, глазирование.

Плазменная наплавка используется для восстановления изношенных деталей и для улучшения свойств поверхностей новых деталей (антифрикционные, коррозионно-стойкие, износостойкие и другие свойства). Наплавляемый материал подается в плазмотрон в виде проволоки, ленты или порошка.

Характеристики установок для плазменного напыления приведены в приложении 4, в табл. 4.10 пособия «Техническая физика».

71

Вопросы для самопроверки

1.Какими способами получают тепловые эффекты при лучевой обработке?

2.Какова точность обработки и шероховатость поверхностей при электронно-лучевой обработке?

3.Какие виды лазеров являются наиболее перспективными для технологических целей?

4.За счет чего обеспечиваются высокие скорости нагревания и малый объем расплавленного металла при лазерной сварке?

5.В каких случаях экономически целесообразно применять лазерную сварку?

6.С какой целью производят лазерное термическое упрочнение деталей?

7.Какова производительность плазменно-механической обработки?

8.Как плазменная обработка используется при восстановлении изношенных деталей?