Обработка материалов лазером и электронным лучом

 Обработка материалов лазером  и электронным лучом

1. Сущность процесса

Область применения лазера широка. Одним из способов его применения является резка металлических листов. Применение процесса лазерной резки для листов из мягкой, нержавеющей стали и алюминия обеспечивает высокую точность, отличное качество реза, очень малую ширину реза и небольшую площадь  термического воздействия, что позволяет вырезать очень сложные профили и небольшие отверстия. Многие уже знают, что слово "ЛАЗЕР" фактически является аббревиатурой от Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation – усиление света с помощью индуцированного излучения. Но каким образом свет разрезает стальной лист?

Как это работает

 

На сегодня лазерное излучение представляет собой наиболее концентрированный источник энергии, превосходящий в этом плане возможности электроннолучевой обработки. Тем не менее, при одинаковой мощности излучения лазерная обработка обеспечивает меньшую глубину проплавления, чем электроннолучевая, что является определенным недостатком. В первую очередь это связано с различным характером взаимодействия потоков электронов (при электроннолучевой обработке) и потоков фотонов (при лазерной обработке) с металлической поверхностью (рисунок 14.1.). Кроме того, электроннолучевая обработка требует вакуума, а лазерная обработка может осуществляться в любой газовой среде при атмосферном давлении. Состав газовой среды подбирается специально для соответствующей операции и обрабатываемого металла. 
Однако, при высоких значениях плотности мощности лазерного излучения в защитных газах или в воздухе в результате возникает низкотемпературная плазма, что ведет к снижению мощности и степени сосредоточенности теплового источника на поверхности материала. 
При образовании плазменного факела имеет место развитие так называемой лазерной искры, и образование волны горения газа. Волна распространяется в направлении от поверхности навстречу излучению и сопровождается яркой вспышкой света и резким возрастанием шума. 
В сильнопоглощающем плазменном факеле наблюдается самофокусировка лазерного луча. 
При лазерной обработке, связанной с нагревом до высокой температуры, легированных сталей и других высокоактивных металлов и сплавов, применяют в качестве защитного газа одноатомные инертные газы – аргон и гелий. При тепловой лазерной обработке низколегированных сталей, а также ряда конструкционных материалов в качестве защитной среды используют углекислый газ, азот и воздух. 
 
 
 
 
Рис. 1 Схема взаимодействия лазерного излучения с металлической поверхностью. 
1 – лазерное излучение, 2 – холодный газ, 3 – ионизированный газ, 4 – нагретый газ, 5 – пограничный слой, 6 – пары металла. 
 
При обработке лазерным лучом в среде защитных газов возникающая плазма оказывает экранирующее воздействие, и при рефракции лазерного луча в плазме происходит его перефокусировка. 
 
Возникающий при взаимодействии лазера с металлом пар оказывает заметное воздействие на оптический разряд в газе. При этом происходит снижение эффективного потенциала ионизации и увеличение коэффициента поглощения излучения. В результате экранирования проплавляемого участка происходит остановка процесса испарения. Затем эрозионный плазменный факел разлетается вследствие нагрева поглощаемым им излучением, мощность потока излучения, падающего на поверхность металла, возрастает до первоначального значения, и может опять возникнуть оптический разряд. Таким образом, процесс проплавления металла является периодическим.  
Световой поток лазерного излучения, направленный на обрабатываемую поверхность, частично отражается от нее, а частично проходит вглубь тела. Излучение, проникающее вглубь тела, практически полностью поглощается свободными электронами проводимости в приповерхностном слое, толщина которого составляет 0,1 – 1 мкм. 
Основная доля теплоты при лазерном нагреве переносится вглубь металла посредством электронной проводимости, то есть, так же как и при традиционных способах теплового воздействия. 
Энергетическое воздействие лазерной обработки может быть значительно повышено соответствующей обработкой поверхности. 
Изменение шероховатости поверхности не всегда является технологически оправданной операцией, тогда как использование специальных поглощающих покрытий, безусловно оправдано. 
Универсального покрытия, одновременно удовлетворяющего требованиям простоты получения, высоких температур плавления и испарения, высокой теплопроводности и хорошей адгезии к металлу, пока не найдено. 
 
Находят применение следующие типы покрытий: 
-  химические покрытия: фосфатирование марганцем или цинком;                
- красящие составы, содержащие оксиды металлов Al, Zn и др.; 
- коллоидные растворы углерода в ацетоне, спирте и др.;

- напыленные оксиды различных металлов; 
- сажа, получаемая на поверхности при сжигании резины, масел и др. 
Такие покрытия становятся обязательным условием при операциях лазерной поверхностной термообработки, особенно гладких шлифованных поверхностей. 
В большинстве случаев лазерной сварки и резки поглощающие покрытия не используются. Интенсивность нагрева при углубленном «кинжальном» проплавлении возрастает вследствие поглощения излучения стенками узкого и глубокого каналов. 
По количеству энергии, вводимой в единицу объема обрабатываемого материала, основные виды лазерной обработки можно располагать в следующей последовательности (в порядке возрастания вводимой энергии): поверхностная термообработка, лазерная сварка, лазерная резка. Между этими видами лазерной обработки нет четко установленной количественной границы, и анализ процессов можно проводить с общих теплофизических позиций. 
Выбор защитного газа оказывает влияние на показатели процесса. Так, изменение состава защитной атмосферы при переходе с СО2 на смесь Ar + He приводит с снижению эффективности сварки. 
Изменение положения фокальной плоскости приводит к изменению концентрации энергии на свариваемых кромках и характера плазменных процессов в факеле. Максимальное значение коэффициента эффективности достигается при некотором «заглублении» фокуса под поверхность. 
Значительное повышение эффективности проплаления лазерным лучом достигается при сварке в осциллирующем режиме, которая осуществляется путем периодического заглубления фокуса луча в сварочную ванну, что должно быть согласовано со скоростью движения фронтов плавления и испарения. 
Особенностью глубокого проплавления при лазерной сварке является то, что температуры стенок канала мало изменяются по глубине. Однако, мощность излучения, поглощаемого в канале проплавления, уменьшается экспоненциально по глубине канала. Но в глубине канала, где мощность излучения меньше, там меньше и скорость заглубления, и площадь зоны прямого заглубления подвергается воздействию источника в течение более длительного времени. 
При лазерной обработке необходимо следить за технологической прочностью обрабатываемых металлов. Под технологической прочностью подразумевают способность металлов сопротивляться разрушениям в процессе технологической обработки.

Типовыми операциями лазерной технологии являются:

 

- Нагрев, связанный с поверхностной термообработкой отдельных зон поверхности и последующим их охлаждением в любых средах (вода, воздух, эмульсия и т.п.). Это позволяет избирательно термоупрочнять поверхность изделий из склонных к закалке материалов (чугун, стали и т.д.).

 
- Нагрев для отжига фольги при больших скоростях ее движения.

 
-  Нагрев в узкой зоне без плавления (лазерное скрайбирование) с целью разделения хрупких материалов (стекла, керамики, полупроводниковых пластин по линии нанесения риски. Кроме того, создавая направленные термические напряжения, можно вести процесс термораскалывания (самопроизвольного).

- Плавление, локальный переплав и быстрое охлаждение позволяющие получать структуры, которые иначе получить нельзя. Быстрое охлаждение для массивных деталей достигается теплоотводом в материал.

 
- Лазерная сварка, как процесс, связанный с локальным плавлением, конкурирующая как с традиционными процессами, так и с электроннолучевой сваркой. Наиболее часто лазерная сварка применяется для малогабаритных деталей и конструкций из тонколистовых материалов. Применяется точечная сварки и шовная сварка герметичным швом. Сравнительно небольшой разогрев позволяет осуществлять герметизацию корпусов, заполненных веществами, разогревать которые недопустимо, например, герметизированных корпусов аккумуляторов.

 
 
 
 
 
Рис.2 Схемы управления лазерным лучом при обработке деталей. 
 
1 – обрабатываемая деталь, 2 – лазерный луч, 3 – зеркало.

 
В настоящее время используется два метода маркировки лазерным излучением: при первом методе излучение воздействует на неподвижную маску, соответствующую требуемому изображению (рисунок 3). Второй метод маркировки осуществляется нанесением с помощью сфокусированного лазерного излучения отдельных точек, которые образуются в результате испарения материала на поверхности. 
 
В современном машиностроении к деталям предъявляются высокие требования, которые могут быть повышены за счет создания специальных износостойких покрытий. Они могут быть получены различными вилами лазерной обработки: термической, глазурованием, амортизацией, ударным упрочнением, легированием и наплавкой. Лазерное легирование может осуществляется как неметаллическими компонентами, так и металлами. Лазерное легирование металлическими компонентами осуществляется путем подачи присадочного порошка в зону обработки(рисунок 4). Испаряемый порошок 4 подается из бункера 3 в охлаждаемый тигель 5, где под действием лазерного излучения 1 испаряется и осаждается на обрабатываемой детали 2. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 
 
Рис. 3 Схема маркировки лазерным лучом. 
 
1 – лазерное излучение, 2 – маска с изображением, 3 – фокусирующая линза, 4 - маркируемое изделие. 
 
Этот процесс ведут с использованием непрерывного излучения. В результате в зоне обработки образуется пересыщенные твердые растворы, что приводит к повышению микротвердости. 
Для обеспечения эластичности и гибкости наплавленного слоя используют шликерные пасты на каучуковой основе. 
Основными параметрами шликерной лазерной наплавки являются мощность лазерного излучения, скорость обработки и диаметр лазерного пятна. 
 
Схема наплавки путем оплавления шликерного покрытия представлена на рисунке 5. 
 
 
 
 
 
 
Рис. 4. Схема лазерного напыления металла. 
 

 
 
 
Рис. 5. Лазерная наплавка оплавлением шликерного покрытия.

 
1 – лазерное излучение, 2 – линза, 3 – затягивание порошка, 4 – паста (порошок), 5 – обрабатываемая деталь.

2.  Материалы, обрабатываемые лазером и электронным лучом

 

3. Области применения

Использование лазеров в первую очередь предполагается в тех технологических процессах, которые неосуществимы с помощью других источников энергии или их осуществление связано с большими энергетическими и временными затратами. Предпочтительным оказывается применение лазеров при термической обработке элементов электронных схем, когда обрабатываемые участки сочетаются с участками или деталями, имеющими низкотемпературную стойкость, а также для микроразмерных и локальных термообработок. В последнее время широко используется ЛТ в операциях, где обработка материалов с помощью лазеров осуществляется с меньшими энергетическими и трудовыми затратами (например, для обработки хрупких, твердых и термостойких материалов) по сравнению с другими технологиями. Во многих процессах оказалось возможным сочетать лазерное воздействие с другими видами энергии, например с действием плазмы электрического разряда, взрывной волны, ультразвука, механического и химического воздействия.

  В наши дни лазеры успешно  трудятся на современном производстве, справляясь с самыми разнообразными  задачами. Лазерным лучом раскраивают  ткани и режут стальные листы, сваривают кузова автомобилей  и приваривают мельчайшие детали  в радиоэлектронной аппаратуре, пробивают отверстия в хрупких  и сверхтвердых материалах. Доводка  номиналов пассивных элементов микросхем и методы получения на них активных элементов с помощью лазерного луча получили дальнейшее развитие и применяются в производственных условиях. Причем лазерная обработка материалов позволяет повысить эффективность и конкурентоспособность по сравнению с другими видами обработки. В руках хирурга лазерный луч превратился в скальпель, обладающий рядом удивительных свойств. Лазеры широко используются в современных контрольно-измерительных устройствах, вычислительных комплексах, системах локации и связи. Лазеры позволяют быстро и надежно контролировать загрязненность атмосферы и поверхности моря, выявлять наиболее нагруженные участки деталей различных механизмов, определять внутренние дефекты в них. Лазерный луч становится надежным помощником строителей, картографов, археологов, криминалистов. Непрерывно расширяется область применения лазеров в научных исследованиях - физических, химических, биологических.

В авиации алюминиевую сварку вообще можно считать прорывом — до применения лазера считалось, что алюминиевый шов непригоден для самолетов — слишком слабый и легко разрушаемый. Его требовалось укреплять клепкой, что сильно снижало такую характеристику, как обтекаемость. Лазер же позволяет значительно уменьшить общий вес конструкции, а главное — ускорить процесс сборки фюзеляжа. Стоит обратить внимание на тот факт, что компания, производящая самые дорогие и надежные самолеты в мире, стремится полностью перейти на лазерную сварку алюминия, а это означает, что ее появление — настоящий прорыв, способный изменить прошлые представления о металлургии и теплофизических свойствах металлов.