Курс лекций ЭФиЭХМО. Курс лекций эфиэхмо. Лекция Основные понятия. Классификация эф и эх методов
 Скачать 2.54 Mb.
|
|
когерентностью, количественно — монохроматичностью и высокой интенсивностью. Все эти свойства используются при лазерной обработке металлов. В общем случае возможны следующие физические процессы при воздействии лазерного излучения: 1. Испарение (и абляция - унос продуктов разрушения в виде пара, расплава и даже твердых фрагментов) - наиболее распространенный процесс, который лежит в основе большинства промышленных технологий обработки любых материалов в машиностроении и микротехнологиях: в настоящее время актуальными остаются проблемы точности и качества. 2. Плавление материалов с целью их последующего соединения при сварке и пайке. 3. Нагревание до температуры размягчения: (или плавления) с последующим деформированием в вязко-текучей фазе (дополненное тем пли иным механическим воздействием - вытяжкой, вращением и т.п.) применяется для изготовления элементов из стекта и т.п. 4. Направленное локальное нагревание, вызывающее появление контролируемого поля напряжений, приводящего к управляемому деформированию листовых материалов (laser forming), причем не только с целью формообразования, но и прецизионной сборки и юстировки микромеханических компонентов. 5. Формирование ударных волн в твердом теле, в том числе через жидкую среду для лазерной «ковки» (laser peening) и очистки, направленная кавитация (холодное кипение) в жидкости для «гидролазерной» обработки, в т.ч. в медицине. 6. Фотоабляция, термокоагуляция и некоторые другие механизмы, специфические для взаимодействия с биологическими тканями Лазерные технологии могут быть основаны не только на высокой плотности мощности, но также и на большой плотности фотонов, что важно для нелинейных процессов (нелинейное поглощение в слабопоглощаюпшх средах), в селективных технологиях (химические, биомедицинские технологии). Могут найти применение сильные и сверхсильные электромагнитные поля в области фокуса пучка. В последнее время появились технологии (манипулирование микрочастицами, атомно-молекулярная сборка - laser trapping}, где используется давление света. Однако большинство лазерных технологий машиностроения основаны на тепловом действии излучения. 42 Световая волна, падающая на поверхность, взаимодействует с электронами, возбуждая их колебания. Если электроны в твердом теле полностью свободны, то излучение полностью отражается — поглощение отсутствует. Если электроны частично связаны, то часть энергии падающей волны передается твердому телу, вызывая его нагревание. Весь процесс происходит в очень тонком поверхностном слое. Поглощение зависит от состояния поверхности, так как поверхность твердого тела отличается неоднородностью: – физическая неоднородность — вакансии, дислокации, – химическая неоднородность — дефекты, обусловленные примесями, – индуцированная неоднородность — наличие на поверхности посторонних частиц, адсорбированных поверхностью, – качество обработки поверхности — макроскопическая шероховатость — наличие участков, различно ориентированных к направлению падения световой волны. Поглощение в конечном итоге зависит от длины волны и состояния поверхности (рис. 5.1). Рисунок 5.1 – Зависимость коэффициента поглощения от плотности вводимой мощности: 1 — термообработка (закалка, легирование); 2 — сварка; 3 — газолазерная резка; 4 — прошивка отверстий; 5 — технологическая обработка ИК-излучением; 6, 7 — прочие способы Физическая модель лазерной обработки. 1. Поглощение лазерного излучения по закону: 𝑞(𝑥) = 𝑞 0 (1 − 𝑅)𝑒 −𝛼𝑥 при глубине проникновения света 𝛿 = 1 𝛼 ≈ 10 −5 −10 −6 см для металлов (скин-слой). 2. Нагрев материала до точки плавления Т пл. 3. Плавление после поглощения удельной теплоты плавления L пл 43 4. Дальнейший нагрев до точки испарения (кипения). 5. Испарение после поглощения удельной теплоты парообразования L исп 6. Движение испаряемой поверхности вглубь материала со скоростью V 0 7. Образование плазмы и раздет плазменного факела. При лазерном нагреве необходимо полностью учитывать следующие физические процессы, возникающие на поверхности: Эмиссионные: - десорбция газа; - термоэлектронная эмиссия; - термоионная эмиссия, - эмиссия нейтральных атомов, - тепловое излучение (пирометрические измерения), - генерация рентгеновского излучения. Структурные процессы (локально): - рекристаллизация; - структурные изменения в Fe-C сплавах (закалка сталей); - управление плотностью пористых сред (стекол); - аморфизация и кристаллизация стеклокерамик; - аморфизация тонких металлических пленок – взаимная диффузия нагретых слоев (микрометаллургия); - отжиг дефектов (в полупроводниках); - рафинирование металлов. Поверхностные химические реакции – возможность управления размерами и геометрической формой реакционной зоны: - локальное окисление металлов и полупроводников (литография), - восстановление поверхности окисных материалов, - термическое разложение металлоорганических соединений, 44 - полимеризация (и деструкция) полимеров, - фоторазложение химических соединений в газовой фазе, - селективное лазерное фототравление. Термомеханические эффекты: - тепловое расширение, включая импульсное, появление термонапряжений (shock cleaning), - генерация ударных волн в твердом теле (ковка), жидкости и газе, - генерация ультразвука (дефектоскопия), - оптический пробой в прозрачных диэлектриках- в прозрачных твердых телах, жидкостях и газах (зажигание двигателей и т.п.), - светогидравлический эффект, - лазерная реактивная тяга, Физические переходы (фазовые переходы первого рода): - плавление (сварка, пайка), - парообразование: испарение, термическое разложение, (резка, сверление отверстий, маркировка, гравировка) очистка и т.п.) - объемное кипение - термическое и холодное (кавитация), - воспламенение и горение, - детонация активных (дистанционная) и взрыв пассивных сред. Лазерная резка. Лазерная резка — наиболее широко применяемый технологический процесс. Его основные преимущества: – отсутствует механическое воздействие на обрабатываемый материал, – благодаря высокой плотности лазерного излучения обеспечивается высокая производительность процесса, – сравнительно простое управление процессом позволяет осуществлять резку по сложному контуру с высокой степенью автоматизации. При газолазерной резке (ГЛР) различают 2 механизма резки: стационарный и нестационарный. При стационарном механизме резки жидкая ванна расплава существует по всей длине канала реза. Нестационарный механизм характеризуется периодическим выносом расплавленного металла из зоны обработки. При стационарном механизме скорости плавления металла в направлении реза и его удаления равны. При нестационарном механизме после удаления очередной массы жидкого металла из нижней части реза вследствие уширения лазерного пучка нижняя часть реза не успевает расплавиться. Затем при увеличении объема жидкой ванны металл выносится потоком газа из зоны реза. При этом в нижней части разрезаемого материала образуются так называемые бороздки. Процесс резки осуществляется с помощью газа. В качестве режущего газа для сталей и некоторых других металлов используется кислород. Основные функции кислорода: – удаление жидкого металла из зоны реза, – при взаимодействии кислорода с железом происходит дополнительное выделение тепла (экзотермическая реакция), – образование оксидной пленки на поверхности повышает поглощение лазерного излучения расплавленным металлом, – струя кислорода сокращает время остывания металла, что способствует уменьшению остаточных деформаций изделий. 45 Возможен также механизм резки испарением, но для этого необходима более высокая концентрация энергии. Основные показатели, определяющие производительность процесса резки: – плотность мощности, мощность лазерного излучения, – скорость резки, давление и состав поддуваемого газа, – размеры и конфигурация сопла, – расстояние от среза сопла до поверхности металла, – поглощательная способность поверхности, – свойства разрезаемых материалов. Плотность мощности является комплексной величиной и зависит от мощности лазерного излучения, условий фокусировки, модового состава излучения, диаметра луча на выходе из резонатора и расходимости ЛИ. Плотность мощности определяется по формуле: Wp = P/S, где Wp — плотность мощности, Вт/мм 2 2; Р — мощность лазерного излучения, Вт; S — площадь пятна ЛИ на детали, мм 2 Скорость резки и толщина разрезаемого материала связаны обратной зависимостью (см. рис. 5.2). Кривые на графике относятся к разным диаметрам сфокусированного лазерного луча. Ширина реза уменьшается при уменьшении размера фокуса. Однако при очень узком резе и повышенной вязкости расплава жидкий металл трудно удалить из зоны реза. Здесь существуют ограничения по толщине разрезаемого материала. Однако при малых толщинах (1–2 мм) таких ограничений практически нет. При увеличении толщины разрезаемого материала от 2,5 до 7,5 мм диаметр фокусного пятна (D ф ) увеличивается с 0,1 до 0,2 мм. При резке материалов больших толщин разрезаемого металла большое значение приобретает угол схождения лучей и распределение плотности мощности. С увеличением толщины разрезаемого металла необходимо уменьшение угла сходимости лучей, что достигается использованием длиннофокусной линзы. Минимальный размер D ф ограничивается дифракционной расходимостью лазерного излучения и получение ее минимальной величины является проблемой лазерного источника. Рисунок 4.2 – Зависимость глубины реза от скорости резки при различных условиях фокусировки: D Ф = 0,65; 0,40; 0,20 46 При фокусировке лазерного излучения имеет значение также модовая структура лазерного излучения, геометрия фокусировки, выбор фокусирующей линзы и локализация фокуса относительно поверхности разрезаемого материала. Сопловые системы (устройство подачи газа в зону резки) могут иметь различную конструкцию и отличаются способом подачи газа относительно луча. Газ может подаваться соосно с лучом, может быть боковая или кольцевая подачи (см. рис. 5.3). Качество реза зависит от формы и параметров струи газа. Струя газа должна на возможно большей длине сохранять цилиндрическую форму. Диаметр сопла должен быть достаточным, чтобы луч не зарезался на кромках сопла. Диаметр сопла должен быть минимальным, чтобы рационально использовался газ. Давление газа в сопле должно обеспечить достаточную кинетическую энергию для выдувания расплава, и параметры давления газа изменяются в зависимости от толщины разрезаемого материала от 0,2 МПа до 2 и более МПа. Рисунок 5.3 – Схемы подачи вспомогательного газа в зону резки: а — соосная, б — боковая, в — кольцевая Предел толщины разрезаемых материалов в настоящее время определяется экономической целесообразностью и достигает ориентировочно 20 мм. Большие толщины целесообразнее резать с помощью плазмы. Лазерная сварка. Преимущества: благодаря высокой концентрации энергии в процессе лазерной сварки обеспечивается: – малый объем расплавленного металла, – незначительный объем зоны термического влияния, – высокие скорости нагрева и охлаждения металла при сварке. Следствием этого являются минимальные деформации свариваемых конструкций, возможность получения равнопрочных соединений (прочность сварного шва и свариваемого металла одинаковы). Лазерная сварка позволяет сваривать детали толщиной от нескольких микрон до нескольких миллиметров. Основным параметром, характеризующим лазерную сварку, является плотность мощности (Wp). На практике лазерная сварка осуществляется при Wp = 10 5 –10 7 Вт/см 2 Основными параметрами режимов лазерной сварки с глубоким проплавлением являются: мощность лазерного излучения, скорость сварки, параметры фокусирующей системы. При данном значении мощности скорость сварки устанавливается в следующих 47 диапазонах: скорость сварки минимальная — отсутствие кинжального проплавления, скорость сварки максимальная — (V св макс ) — отсутствие качественного формирования шва и появление дефектов (подрезов, пор, непроваров). Лазерная сварка успешно конкурирует с электронно-лучевой сваркой и имеет ряд преимуществ перед ней. Главное из них — возможность работы без использования вакуума. Лазерная сварка применяется в микроэлектронике для сваривания сверхмалых деталей. Толщина свариваемых проводников и плоских выводов не превышает 0,03–0,05 мм. Кроме того, при использовании СО 2 ‑ лазеров мощностью до 10 кВт успешно ведут сварку автомобильных кузовов, карданных валов и других деталей автомобилей. Лазерная сварка широко применяется для соединения стеклянных и керамических изделий, при этом плотность мощности лазеров находится на уровне 10 4 –10 8 Вт/см 2 На качество лазерной сварки оказывают влияние условия фокусировки лазерного излучения. При лазерной сварке размер лазерного пятна D ф составляет 0,5–1,0 мм. При меньшем D ф происходит перегрев металла шва — появление дефектов. При D ф = 1,0 мм снижается эффективность процесса. При сварке больших толщин возникает необходимость заглубления фокуса под поверхностью свариваемого листа. Схема сварки приведена на рис. 5.4. Лазерный луч, попадая на переднюю стенку металла, расплавляет ее и металл переносится по боковым поверхностям расплавленной ванны на заднюю стенку, где и затвердевает. Рисунок 5.4 – Схема продольного сечения сварочной ванны: 1 — лазерный луч; 2 — плазменный факел; 3 — парогазовый канал; 4 — хвостовая часть сварочной ванны; 5 — закристаллизовавшийся металл; 6 — свариваемый материал Для предотвращения образования оксидов в сварном шве необходима защита зоны лазерного воздействия. Для этого используют защитные газы. Газовая защита осуществляется подачей защитного газа через сопло непосредственно в зону лазерного воздействия. В качестве защитных газов используются: Ar, Нe, CO 2 . При этом следует учитывать их потенциал ионизации. Газы, имеющие более высокие потенциалы ионизации и теплопроводность, обеспечивают большее проплавление. Одним из технологических приемов при сварке является использование присадочного материала в виде порошка, проволоки. Это дает возможность регулировать в широких пределах химический состав шва, исключить многие дефекты (поры в корне шва), а также снизить точность при сборке деталей. 48 В практической деятельности полезны следующие рекомендации: – Для низкоуглеродистых и низколегированных сталей, с содержанием углерода не более 0,25 %, содержание легирующих элементов не более 4 % при cкорости сварки V св = 30–40 мм/с достигается равнопрочное соединение. – Для конструкционных средне- и высокоуглеродистых и легированных сталей характерно образование закалочных структур в шве и зоне термического влияния, склонных к хрупким разрушениям, при V св более 30 мм/с можно избежать образования холодных трещин. – Для высоколегированных сталей лазерная сварка может обеспечить повышенные механические свойства сварного шва, а малая зона термического влияния — повышенные коррозионные свойства. Прошивка отверстий. Лазерный луч можно использовать для изготовления отверстий малых диаметров в следующих деталях: диафрагмах, форсунках, ситах, часовых и приборных камнях, фильерах, волоках и т. д. Длительность импульса излучения твердотельного лазера невелика — тысячные доли секунды. Исследования показали, что отверстия с малой конусностью получаются при воздействии на обрабатываемый материал короткими импульсами 0,5–1,5 мс. С увеличением длительности импульса растет конусность отверстия, уменьшается его глубина. При обработке импульсами большой длительности (до 8 мс) наблюдается лишь проплавление материала без образования отверстия. Поэтому режим с большими длительностями импульса применяется при сварке и локальной термообработке. В таблице 4.1 приведены значения скоростей резки различных материалов в зависимости от толщины изделия и мощности лазера. Таблица 4.1 – Скорости лазерной резки некоторых материалов На размерные характеристики обработки влияет также количество импульсов. С увеличением количества импульсов, последовательно подаваемых в зону обработки, увеличивается глубина отверстия. Многоимпульсная обработка практически не увеличивает входной диаметр отверстия. Многоимпульсная обработка импульсами малой энергии улучшает форму поперечного сечения по глубине, дает большую цилиндричность отверстия. Точность изготовления микроотверстий лучом оптического квантового генератора (ОКГ) довольно высока. При правильном выборе режимов обработки и стабилизации энергетических и временных характеристик излучения ОКГ погрешность размерных параметров может составить 8–10 % номинала. Повысить точность можно различными технологическими приемами, такими как ограничение длительности светового импульса, пневматическое калибрование отверстий, обработка лучом ОКГ с использованием экрана, калибрование отверстий обратным действием светового луча и т. д. 49 Машинное время изготовления одного отверстия при многоимпульсной обработке определяется длительностью импульса и составляет 0,001–0,0015 с. Следует, однако, учитывать, что при лазерной обработке еще велика доля вспомогательного времени, что ограничивает ее производительность (несовершенное фокусирование излучения ОКГ на обрабатываемой поверхности). Ручная настройка фокусирующей системы на рабочий режим, помимо увеличения вспомогательного времени технологического процесса, препятствует автоматизации лазерных установок. Критерием для оценки точности фокусирования служит резкость изображения обрабатываемой поверхности в поле зрения визуальной системы, что в значительной степени субъективно. Преимущества лазерной прошивки отверстий: 1. Скорость прошивки не зависит от прочности материала. 2. Можно получать отверстия диаметром от 0,1 мм и выше. 3. Отверстия прошиваются под любым углом к поверхности. 4. Применяется для обработки сверхпрочных материалов (алмазы, фильеры и форсунки из прочных и жаростойких материалов, рубиновые камни). Отдельное направление – использование лазерного излучения в аддитивных технологиях при реализации следующих видов обработки: Селективное лазерное спекание (SLS) и селективное лазерное сплавление (SLM) Стереолитография (SLA или SL) Послойная сборка из плоских слоев (LOM) В настоящее время ведутся работы по использованию лазерного излучения для полирования поверхности. |