книги / Электронно-лучевая, лазерная и ионно-лучевая обработка материалов

- 51 -

процесса, влияющих на стабильность фокусирования и на настройку технологического режима.

Нестабильность процессов разрушения материала определяется при прочих равных условиях нестабильностью параметров заготовки (материала и размеров).

Величина поля рассеяния размеров партии деталей

где ао , а4 , , сл - коэффициенты, отражающие влияние неста­ бильности на показатель точности процесса.

Пичковая структура лазерных импульсов свободной генерации яв­ ляется причиной возникновения в полости обработки значительного количества расплава. Неуправляемое течение жидкости по стенкам и дну отверстия искажает продольную форму отверстия и снижает вос­ производимость размерных результатов обработки. Количественная оценка доли погрешности, вносимой нестабильностью пичковой струк­ туры лазерного импульса, затруднена. Заметного снижения погреш­ ности можно достичь при использовании импульсов с упорядоченной структурой.

Флуктуации энергетических параметров лазерных импульсов опре­ деляются колебаниями энергии накачки активного элемента при одной ее настройке и переменным характером теплового режима оптического квантового генератора.

Нестабильность временных характеристик лазерных импульсов изза колебаний интегральной длительности импульсов лазерного излу­ чения и их временной макроструктуры (крутизны переднего и задне­ го участков) сказывается на воспроизводимости размеров обрабаты­ ваемых отверстий. Длительность переднего фронта импульса обычно составляет 5... 10 икс. Это обеспечивает быстрое развитие процесса разрушения и при оптимальных условиях фокусирования позволяет по­ лучать отверстия без входного конуса. Наибольшие искажения в ре­ зультат обработки вносит чрезмерно затянутый спад интенсивности импульса.

Нестабильность расходимости лазерных пучков является следст­ вием изменчивости модового состава излучения в пределах импульса генерации, причем порядок наивысшей моды зависит от интенсивности

- 52 -

накачки. Это обуславливает погрешность фокусировки лазерного луча на поверхности заготовки и в пределах ее толщины.

Погрешность установки и закрепления заготовки обусловлена смещением ее поверхности в направлении, параллельном оси лазерно­ го луча, ее перекосом.

Непрерывным и наиболее простым способом воздействия на раз­ мерные характеристики обрабатываемых отверстий является изменение

вок затруднена, тонкая настройка режима осуществляется изменени­ ем уровня их энергии - накачкой и диафрагмированием.

4.4. Лазерная резка

Разработка мощных и надежных лазеров на алюминий-иттриевом гранате и С02, работающих в непрерывном и импульсном режимах, позволила осуществлять технологическую операцию лазерного разде­ ления материалов, которой присущи следующие особенности:

а) обширный диапазон разделяемых материалов; б) возможность получения узких разрезов и безотходного

разделения; в) малая зона термического влияния;

г) минимальное механическое воздействие, оказываемое на разделяемый материал;

д) возможность автоматизации процесса; е) возможность резки по заданному профилю; ж) улучшение гигиены производства.

Разделение материалов может быть осуществлено либо при пол­ ном удалении материала по линии разреза, либо при частичном уда­ лении материала, например, при образовании системы отверстий ма­ лого диаметра в разрезаемой пластине по линйи разделения с пос­ ледующим разломом. Последний метод разделения называется скрайбированием.

Для пластин из хрупких материалов может быть использован ме­ тод термораскалывания, при котором движение источника теплоты

- 53 -

создает.в материале напряжения и малые трещины. Разделение мате­ риалов производится разломом по линии действия источника теплоты.

При резке в зону резца подается струя газа, способствующая удалению продуктов разрушения для легковоспламеняющихся материа­ лов и инициирующая химическую реакцию в зоне воздействия луча ла­ зера на металлические материалы. В первом случае используют азот, во втором - кислород.

Количеств) энергии для резки материала непрерывным лучом ла­ зера существенно зависит от оптических и термических свойств ма­ териала. Для полированных металлов отражение излучения с X = 10,6 мкм велико, однако рост температуры и наличие окислительной атмо­ сферы существенно повышают эффективность процесса вследствие рос­ та поглощающей способности.

Метод резки материалов лучом лазера с подачей в зону реза кислородной струи Сгазолазерная резка) заключается в следующем. Излучение лазера с помощью соответствующей оптической системы фо­ кусируется на поверхность обрабатываемого материала. Коаксиально падающему излучению в зону реза подается струя кислорода, которая способствует увеличению поглощенной доли излучения вследствие об­ разования на поверхности пленки окисла и удаляет образовавшуюся пленку и расплав из зоны реза то тех пор, пока материал не будет полностью разрезан. Луч лазера является источником теплоты с вы­ сокой концентрацией энергии, что.приводит к уменьшению ширины реэа, снижению размеров зоны термического влияния и дает более вы­ сокую скорость разрезания по сравнению с любым из других методов термической резки. Ширина реза близка к диаметру пятна излучения в фокальной плоскости или несколько меньше, а размер зоны терми­ ческого влияния составляет 0,05...0,2 мм.

При резке неметаллов поддув кислорода целесообразен только в тех случаях, когда горение материала способствует увеличению ско­ рости резания, и в то же время обеспечивает сохранность свойств исходного материала по границам разреза. Однако для большинства неметаллических материалов, содержащих в своем составе углерод, воспламенение и горение в струе кислорода отрицательно сказывает­ ся на качестве лазерной резки, и для ее осуществления применяют поддув инертных газов или воздуха. При этом функцией газовой струи является, в основном, удаление продуктов разрушения из об­

- 54 -

ласти разреза. Давление газа при диаметре выходного отверстия сопла до 5 мм составляет 1,5...3 атм, а расстояние от среза сопла до поверхности разрезаемого листа - не более диаметра струи. Под­ дув газа для повышения эффективности лазерной резки увеличивает глубину резания более чем на порядок. Скорости резки металлов и неметаллов при использовании мощных лазеров Сдо I кВт) могут до­ стигать нескольких сантиметров в секунду. Следует отметить так­ ие, что газолазерная резка позволяет осуществить резку таких трудноообрабатываемых материалов, как асбест и бериллиевая кера­ мика.

Лучом лазера можно резать пластмассы, керамику, стекло и дру­ гие материалы толщиной до 50 мм. При этом ширина реэа не превыша­ ет I мм, хотя диаметр луча на расстоянии 20 мм от фокуса линзы составляет около 20 мм. Это объясняется следующим. Луч лазера, сфокусированный на поверхность образца, частично разрушает мате­ риал стенок, образуя экранизирующий слой газов, поглощающий излу­ чение и защищающий стенки реэа от дальнейшего разрушения. Газ, продуваемый из сопла, смешивается с продуктами разрушения я обра­ зует раскаленную газовую струю, которая прорезает материал.

Весьма перспективным является использование лазерной резки в текстильной промышленности. При правильно подобранном режиме рез многослойного настила тканей при максимальной толщине 20...

30 мм получается высокого качества, без обгорания. При многослой­ ной резке материалов типа капрона, болоньи, стеклоткани между слоями материалов делаются прокладки из тонкой Спапиросной) бума­ ги, либо слои увлажняются, что предотвращает их сваривание.

Разделение керамических материалов производится методом скрайбирования. Обычная лазерная резка с применение газа часто не дает качественных результатов из-за низкой теплопроводности кера­ мики и большого модуля упругости. Это приводит к перегреву и разрушению материала около реэа вследствие высоких термических напряжений. Для того, чтобы полная мощность лазерного излучения была невысокой, обычно используют импульсный режим. Высокая плот­ ность потока излучения при небольшой средней мощности достигается с помощью импульсного режима излучения лазера, который высверли­ вает в керамике отверстия малого диаметра. Окончательная операция сводится к разламыванию подложки.

-55 -

4.5.Лазерная сварка

Возможность получения как непрерывного, так и импульсного из­ лучения с различной длительностью и частотой следования импуль­ сов, а также относительная простота локализации нагрева и управ­ ления распределением плотности мощности в световом пятне расширя­ ют область применения лазерной сварки. В первое десятилетие раз­ вития лазерной технологии применялась только точечная микросвар­ ка, что объяснялось импульсным характером и небольшой частотой следования импульсов твердотельных лазеров. Значительный рост средних мощностей и частоты следования импульсов твердотельных лазеров на алюмоиттриевом гранате, увеличение мощности непрерыв­ ных газовых лазеров на С02позволили широко применять и шовную сварку. При этом глубина проплавления увеличилась с десятых долей миллиметра до нескольких миллиметров. Таким образом, лазерная сварка, применявшаяся в основном в электронной промышленности и в приборостроении, все шире, используется в машиностроении.

Высокая плотность мощности излучения на поверхности сваривае­ мых деталей, обеспечиваемая лазерными источниками излучения, обу­ славливает высокий темп нагрева, что облегчает сварку металлов, обладающих высокой теплопроводностью Смеди, серебра) и высокой температурой плавления (вольфрама, тантала, молибдена).

Излучение импульсных лазеров обладает удачным сочетанием свойств, необходимых при осуществлении локального нагрева. Для получения литой зоны с заданными размерами необходима определен­ ная энергия. Чем выше плотность мощности излучения в зоне нагре­ ва, тем меньше требуется времени для ввода этой энергии и расплавления некоторого объема металла и, следовательно, тем меньше будет величина зоны термического влияния.

При сварке металлов световое пятно, получаемое на поверхности свариваемых деталей при фокусировке излучения, является поверх­ ностным источником нагрева, так как излучение поглощается тонким поверхностным слоем толщиной в несколько сотых долей микрона. При плотности мощности излучения, недостаточной для интенсивного ис­ парения (10°...10е Вт/си2 при длительности порядка I0”3..Л 0 _ас), передача тепла в глубину свариваемых материалов осуществляется в основном за счет теплопроводности. Зона проплавления в этом слу­ чае имеет форму, близкую к сферической (рис. 4.3,а).

- 56 -

Рис. 4.3. Стадии развития процессов проплавления при различных плотнос­ тях мощности излучения.

- 57 -

При лазерной сварке в большинстве случаев наблюдается интен­ сивное испарение металла. Это приводит к тому, что под давлением пара поверхность сварочной ванны прогибается. Участок этой по­ верхности; непосредственно, воспринимающий, энергию излучения, опускается (рис. 4.1,6). При этом, если поверхностное натяжение расплавленного металла еще препятствует .его выплеску, то после окончания действия' излучения.еще не застывший металл заполняет образовавшееся углубление. Б результате прогиба сварочной ванны глубина проплавления увеличивается по сравнению с нагревом без заметного испарения. Форма зоны проплавления становится коничес­ кой (рис. 4.1,в).

Увеличению глубины проплавления при интенсивном испарении с поверхности сварочной ванны способствует перемешивание верхних, нагретых до наибольшей-температуры, и нижних, более холодных сло­ ев расплавленного металла, которое-возникает из-за неравномернос­ ти нагрева в- пределах светового пятна.

При увеличении плотности мощности излучения в центре светово­ го пятна до величины порядка 5-10®...5-I07 Вт/см2 в сварочной ванне образуется, как и при электронно-лучевой сварке концентри­ рованным электронным пучком,узкий глубокий канал проплавления, металл из которого частично испаряется, а частично вытесняется к периферии ванны (рис. 4.1,в). После окончания действия импульса еще не застывший металл заполняет-канал.

Таким образом, широкий диапазон энергетических характеристик лазерного излучения позволяет осуществить сварку, пользуясь раз­ личными механизмами проплавления, выбор которых зависит от свойств свариваемых материалов и характера соединения.

Малое поперечное сечение .сфокусированного луча при достаточно больших рабочих, расстояниях фокусирующих оптических систем в со­ четании с бесконтактностью воздействия позволяют производить ла­ зерную сварку в труднодоступных местах.

Уникальным свойством лазерного излучения является возможность подвода энергии к нагреваемой площадке.через любую пропускающую свет среду,.в том числе через твердые прозрачные материалы. Наи­ более близкий по технологическим возможностям метод электронно­ лучевой сварки требует размещения соединяемых деталей в вакууме, что существенно усложняет как процесс сварки, так и конструкцию

- 58 -

оборудования. Лазерное излучение позволяет реализовать преиму­ щества лучевого метода как в вакууме, так и в обычной атмосфере. Появляется возможность применения технологических газовых и жид-^ ких сред, контактирующих с поверхностью сварочной ванны в течение всего термического цикла, что существенно расширяет возможности управления металлургическими процессами при сварке.

При разработке технологии лазерной сварки и оптимизации ее параметров рекомендуется:

а) выбрать тип лазера Сизлучения); б) разработать сварное соединение наиболее приемлемой конст­

рукции; в) определить оптимальные геометрические и энергетические па­

раметры лазерного луча в зависиости от материала конструктивных элементов, их толщины и ограничений по температуре .нагрева;

г) разработать оборудование, позволяющее максимально исполь­ зовать преимущества лазерной сварки.

Выбору лазерной технологии сварки должен предшествовать тех­ нико-экономический анализ предлагаемой технологической задачи,. исходящий из того, что лазерную обработку следует применять в случае невозможности или затруднения использования традиционных недорогих способов .обработки материалов, в том числе и сварки.

4.6. Перспективы применения лазерной обработки

Наибольшие практические успехи достигнуты в области примене­ ния лазеров импульсного действия. Серийный выпуск специализиро­ ванныхустановок типа "Квант” способствовал проведению, многочис­ ленных исследований взаимодействия импульсного излучения с метал­ лами и определению его влияния на структуру, свойства и микрогеометрйю поверхности инструментальных сталей. Эти лазеры, пополь­ зуются, в основном, для обработки малогабаритного инструмента и технологической оснастки из сталей У8, У10, ХВГ, 9ХС, ШХ15, XI2M и др. Лазерному упрочнению подвергают рабочие кромки окончательно изготовленного инструмента путем наложения пятен Закалки с пере­ крытием около 50%. В результате такой обработки микротвердость сталей повышается на 8...10 ГПа и при этом не ухудшается микроге­ ометрия поверхности (обработка без оплавления поверхности).

Многочисленные промышленные испытания показывает, что доста­ точно получить глубину упрочненной зоны 0,07...0,13 мм, чтобы увеличить стойкость штампов для вырубки деталей из латуни, алюми­ ниевых сплавов, бериллиевой бронзы более чем в 2 раза, пуансонов и матриц холодного деформирования металлов в 2...5 раз. Износо­ стойкость различного инструмента после лазерной термической обра­ ботки может повышаться в 2...10 раз.

Экономический эффект от внедрения лазерной обработки инстру­ мента обеспечивается не только за счет повышения стойкости инст­ румента. но и за счет сокращения объема операций на его перешлифовку и ремонт штампов, а такие замены дорогостоящих легирован­ ных сталей на углеродистые, упрочненные лазером.

Положительные результаты получены и по лазерному упрочнению инструмента из быстрорежущих сталей. Так, использование техноло­ гии лазерного упрочнения токарных проходных резцов из сталей F6M5, ХВ5 позволяет повысить их износостойкость в 2 раза. Стой­ кость сверл и фрез из быстрорежущих сталей Р6М5К5, Р9К5, PI8 и протяжек и резцов из сталей PI8, Р9К5 возрастает в 2...3 раза.

Сравнительные исследования износостойкости валов из средне­ углеродистой конструкционной стали, закаленных с помощью лазера и с помощью индукционного нагрева, проведенные фирмой "Ксерокс” (США}, показали, что степень износа валов с лазерным упрочнением значительно меньше. Фирма "Белл гелиокоптер текстрон" (СШАЗ осу­ ществляет закалку зубьев шестерен вертолетов лазерным излучением. При этом имеет место значительная экономия по сравнению с цемен­ тацией.

Исследования показали также целесообразность лазерного упроч­ нения ряда чугунных деталей текстильного машиностроения. Напри­ мер, колосники шляпок чесальных машин из чугуна СЧ18-36 после ла­ зерной обработки имели износ 0,06...0,08 мм за 12 месяцев работы, а износ серийных деталей составлял около I мм за 5 месяцев рабо­ ты. Успешно упрочняются также рапиры ткацкого станка, ползуны прядильных машин, игольные пластины швейных машин.

На автомобильных заводах внедрен процесс закалки корпуса ко­ робки дифференциала из чугуна КЧ35-Ю с помощью 00хлазера типа "Карадамон" мощностью I кВт. Опробованы и другие методы упрочне­ ния этой детали: нитроцементация, азотирование, закалка ТВЧ. Од­

- 6 0 -

нако лазерные. Способ оказался наиболее экономичным. Износостой­ кость детали повысилась в 5 раз'по сравнение с серийной.

Разработан процесс лазерного упрочнения поверхности межкамер­ ных промежутков на головке блока цилиндров из сплава АЛ4. По сравнению с другими способами упрочнения (напылением, чугунной вставкой),- лазерная Закалка сплава AJI4 6 оплавлением поверхности оказалась наиболее! эффективной: Износостойкость головки блока ци­ линдровповысилась в 3 -раза.

ная, авиационная и легкая промышленность. Фирмы "Дженерал моторэ", "Форд моторэ", "Катерпиллер трактор" длительное время экс­ плуатируют СС^-лазеры мощностью 2. ..5 кВт. Интенсивные исследова­

поверхности в требуемом направлении и изготавливать изделия из менее дорогостоящих материалов. Так, известны результаты легиро­ вания алюминиевого поршневого сплава АЛП25 с помощью излучения импульсного лазера "Квант-10". Наибольшая твердость наблюдалась при легировании железом, а жаропрочность сплава увеличилась в 4,5 раза. При лазерной наплавке фаски дизельного клапана наплавочным материалом (порошком Cr+B+Ni) износостойкость клапана повысилась в 3 раза.

. В последнее время для повышения эффективности лазерную .,обра­ ботку совмещают с другими способами термического воздействия на материалы, например с плазменно-дуговой обработкой.

По мере развития лазерной техники и. улучшения ее эксплуатаци­ онных. характеристик области применения лазерной обработки и круг материалов, для которых она может быть использована, будут посто­ янно расширяться.