Лазерные технологии обработки материалов

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ  И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ  БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО  ОБРАЗОВАНИЯ

НАЦИОНАЛЬНЫЙ МИНЕРАЛЬНО-СЫРЬЕВОЙ УНИВЕРСИТЕТ

«ГОРНЫЙ»

 

Кафедра материаловедения

 

 

 

 

КОНТРОЛЬНАЯ  РАБОТА

 

 

«ЛАЗЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ»

 

 

 

 

 

Выполнил: студент  гр.                        __________                   /                                 /

                                                                                                       ^{(подпись)                                                  (Ф.И.О.)}  

                                  

Проверил:                                              ___________                  /                                 /

                                                                                                       ^{(подпись)                                                    (Ф.И.О.)}

 

                                                      

 

 

 

 

 

 

Санкт-Петербург

2013 год

 

 

Содержание

 

Введение            3

 

Электронно-лучевая обработка материалов      3

Технология электронно-лучевой                                                                  4

    обработки конструкционных материалов  

Испарение материалов         5

Электронно-лучевая плавка металлов      7

Электронно-лучевая сварка        8

 

Лазерная обработка материалов        9

 Лазерная поверхностная обработка      9

   Лазерная резка          10

Лазерная обработка отверстий                                                                   11

 

Ионно-лучевая обработка материалов                                                                 11

Ионное легирование                                                                                     12

Ионно-лучевые методы осаждения покрытий и ионная литография      13

 

Список использованной литературы                                                                     15

 

 

 

Введение

 

В течение последних 30 лет сформировалась электронно- и ионно- лучевая технология обработки материалов. В этой новой области электронные и ионные пучки непосредственно используются для осуществления технологических процессов. Возможные применения электронно- и ионно- лучевой технологии простираются от получения субмикроскопических структур в микроэлектронике до выплавки крупных слитков в металлургии. Общим для всех этих установок является использование электронных и ионных пучков.

Приблизительно в 1965 году электронно-лучевая плавка, сварка, напыление и обработка поверхностей были внедрены в промышленное производство. В настоящее время широко используются в производстве и ионно-лучевые технологии. Освоение лазерных технологий значительно повышает эффективность современного производства.

 

 

Электронно-лучевая обработка материалов

 

Электронно-лучевая обработка  осуществляется в вакууме при  наличие специального оборудования: технологической камеры с вакуумной  системой и электронной пушки  с высоковольтным источником питания.

На рис. 1.1 представлена типовая функциональная схема электронно-лучевой установки. Установка состоит из вакуумной камеры 1, в верхней части которой размещается электронная пушка 2. К пушке с помощью кабеля высокого напряжения подводятся питание от высоковольтного выпрямителя 3. Внутри камеры может также находиться механизм перемещения 5 обрабатываемого изделия 6. Управление всеми агрегатами ведется с пульта управления 4. Вакуум в технологической камере создается с помощью вакуумной системы 7.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 1.1 Функциональная схема технологической электронно-лучевой установки: 1 - вакуумная камера; 2 - электронная пушка; 3 - высоковольтный выпрямитель; 4 - пульт управления; 5 - механизм перемещения обрабатываемого изделия; 6 -обрабатываемое изделие

Вакуум при электронно-лучевой обработке необходим как для создания и формирования электронного пучка, так и для защиты обрабатываемого металла от действия кислорода и азота воздуха, ускорения дегозации металла при плавлении, удаления некоторых вредных примесей и др.

К электронно-лучевым установкам предъявляется ряд общих требований. Рабочая камера должна быть газонепроницаемой и обладать прочностью, достаточной, чтобы выдержать атмосферное давление при создании вакуума внутри камеры. В качестве материала камеры лучше применять нержавеющую сталь. Толщину стенки камеры выбирают из условий прочности с учетом обеспечения непроницаемости для рентгеновского излучения. Камера снабжается смотровыми окнами для наблюдения за процессом. Толщина стекла и его качество должны обеспечивать прочность, герметичность и защиту от рентгеновского излучения. Камера должна иметь люки, обеспечивающие загрузку изделий, подлежащих электронно-лучевой обработке.

Электронно-лучевые технологические  установки состоят из двух основных комплексов: энергетического и электромеханического, К энергетическому комплексу относится аппаратура, предназначенная для формирования пучка электронов с заданными параметрами управления его мощностью и положением в пространстве. Электромеханический комплекс установки предназначен для герметизации и вакуумирования рабочего объема, выполнения всех установочных, транспортных и рабочих перемещений обрабатываемого изделия и электронной пушки.

Вакуумные камеры для электронно-лучевой обработки являются одним из наиболее важных узлов установки для электронно-лучевой обработки. От их формы, конструкции, жесткости и габаритов зависят габариты и качество обрабатываемых за одну откачку изделий, удобство их загрузки и выгрузки, возможность пристыковки дополнительных объемов в нужном направлении и др. По степени специализации различают два типа камер: универсальные и специализированные. Универсальные камеры предназначены для обработки изделий любой формы и габаритов в пределах габаритов камеры. Такие камеры используются в единичном и мелкосерийном производстве и выпускаются в соответствии с принятыми параметрическими рядами. Это дает возможность выбрать камеры наиболее подходящих размеров применительно к конкретным изделиям. Специализированные камеры неразрывно связаны с конструкцией и габаритами конкретного изделия или группы изделий. Часто специализированные камеры выполняют по форме обрабатываемого изделия.

Откачные системы служат для создания и поддержания в процессе работы высокого вакуума в ускоряющем промежутке электронной пушки и в вакуумной камере.

Манипуляторы предназначены для рабочих, установочных и транспортных перемещений обрабатываемого изделия и электронной пушки.

Системы наблюдения, используемые при электронно-лучевой обработке, в большинстве случаев нуждаются  в защите их от запыления парами обрабатываемых материалов.

Смотровое окно кроме прочного иллюминаторного стекла содержит рентгеновское стекло, необходимое для защиты обслуживающего персонала от рентгеновского излучения из области взаимодействия электронного пучка с металлом.

Вспомогательные устройства и механизмы предназначены для выкатывания манипуляторов из вакуумной камеры(выдвижные платформы), для сборки изделий и других целей.

Электропривод в установках для электронно-лучевой обработки управляется как в ручном дистанционном режиме для простых систем, так я в автоматическом режиме для более сложных систем.

Управляющие функции могут выполняться с помощью компьютерных систем или средствами локальной автоматики.

 

Технология электронно-лучевой  обработки конструкционных материалов

 

При осуществлении всех электронно-лучевых процессов электронный пучок используют в качестве энергоносителя, который в соответствующем виде воздействует на обрабатываемый материал. Пучок генерируется в электронной пушке и через выходное отверстие пушки выводится в технологическую вакуумную камеру. В ней размещены или в неё вводятся объекты электронно-лучевого процесса - заготовки или материалы.

При встрече электронного пучка с веществом кинетическая энергия электронов пучка. взаимодействующих с атомами вещества, в результате ряда элементарных процессов превращается в другие формы энергии. При сварке, плавке, испарении и термической обработке используется возникающая при этом тепловая энергия. При нетермической обработке и других процессах химической электронно-лучевой технологии столкновения электронов пучка с атомами и молекулами возбуждают и ионизируют последнии, вызывая химические реакции между ними. Эти эффекты воздействия электронного пучка на вещество и определяет области электронно-лучевой технологии.

 

Испарение материалов

 

Испарение (точнее, испарительное осаждение) в вакууме является важным способом получения тонких пленок.

Использование электронных пучков в процессах, связанных с испарением материалов, обусловлено особенностями распределения потоков энергии при нагреве этого материала. При электронно-лучевом испарении испаряемая поверхность непосредственно нагревается бомбардирующими ее электронами. Такой способ подвода энергии дает электронно-лучевому испарению ряд преимуществ по сравнению с традиционными.

Другим стимулом внедрения  электронно-лучевого испарения является возможность, управляя электронным пучком во времени и пространстве, управлять тем самым и потоком энергии в испаряемое вещество и воздействовать на скорость испарения и распределение плотности потоков пара. Испарительное осаждение - это процесс вакуумного нанесения покрытий, при котором между испарителем и подложкой создается направленный поток пара. Принцип электронно-лучевого испарения пояснен на рис. 2.1.

 

Рис. 2.1. Принцип электронно-лучевого испарения материалов: 1 - электронная пушка; 2 - электронный пучок; 3 - поверхность, бомбардируемая пучком; 4 - кожух технологической камеры; 5 - водоохлаждаемый тигель; 6 - испаряемый материал; 7 - расплавленная часть материала; 8 - поверхность испарения; 9 - откачка вакуума; 10 - диафрагма испарителя; 11 -поток пара; 12 - напыляемый слой; 13 - подложка; 14 - подогреватель подложки

 

В основных чертах установка для электронно-лучевого испарения состоит из технологической камеры с системой откачки, тигля с испаряемым материалом, электронной пушки, заслонки для пара и подложки с приспособлениями для её крепления, а иногда – нагрева.

 Для того чтобы электронный пучок в поток пара распространялись в технологической камере беспрепятственно, давление в ней должно поддерживаться достаточно малым.

Нанесение покрытий из сплавов  требует обеспечение одинакового  соотношения компонентов сплава как по всей поверхности подложки, так и по толщине слоя. Слои из сплавов напыляют двумя методами: многотигельного испарения или однотигельного испарения.

При многотигельном испарении  компоненты испаряются порознь, каждый из своего тигля, а конденсируются на подложке совместно. При однотигельном испарении поток пара создается и конденсируется, имея тот состав, который требуется для покрытия. Вариантом однотигельного испарения является процесс, аналогичный фракционной возгонке, когда из тигля с большим количеством расплавленного вещества его испаряют покомпонентно, изменяя мощность подогрева по определенному графику.

Испарение соединений сопровождается частичной или полной их диссоциацией, и получить из таких соединений простым испарением тонкие пленки заданного состава невозможно. Однако для ряда соединений. таких, как хлориды, сульфиды, селениды, теллуриды, а также полимеры, благодаря малой степени диссоциации или вследствие рекомбинации компонентов при конденсации, возможность теоретического напыления все же существует.

Промышленное применение электронно-лучевого испарения, благодаря его преимуществам, существенно потеснило традиционные способы испарения и открыло новые возможности.

 

Электронно-лучевая плавка металлов

 

Электронно-лучевая плавка является весьма удобным способом получения слитков тугоплавких и химически высокоактивных металлов. Здесь используются такие особенности электронно-лучевой плавки, как высокая удельная поверхностная мощность в рабочем пятне пучка и наличие вакуума, препятствующего поглощению газов в ходе плавки. Областью применения электронно-лучевого переплава является производство особо чистых сталей и выплавка слитков и фасонных отливок из химически активных и тугоплавких металлов.

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 2.2. Принцип электронно-лучевого переплава: 1 - электронная пушка; 2 - электронный пучок, направляемый на расплавляемый штабик 5 и ванну  расплавленного металла 7; 3 - откачка вакуума; 4 - плавильная камера; 6 - капли переплавляемого металла; 8 - выплавляемый слиток; 9 - водоохлахдаемый кристаллизатор; 10 - устройство вытяжки слитка; 11 - смотровые окна