Лазерные технологии обработки материалов

 

 

Процесс плавки изображен  на рис. 2.2, где показано взаимное расположение электронной пушки, переплавляемой заготовки и кристаллизатора. Часть модности пучка расходуется для нагрева переплавляемого металла на торце заготовки до температуры плавления. Расплавляясь, материал в виде капель перетекает в ванну расплава в кристаллизаторе. Скорость плавки пропорциональна мощности пучка, приходящейся на расплавляемую заготовку. Другая часть мощности пучка подводятся в кристаллизатор. Она должна быть достаточной для того, чтобы материал в ванне находился в расплавленном состоянии вплоть до стенки кристаллизатора. Это дает возможность получать слитки с гладкой боковой поверхностью. Если кроме формирования такого слитка требуется проводить еще и рафинирование расплава, то мощность, подводимую в кристаллизатор, следует увеличить.

Электронно-лучевая плавка может сочетаться с литьем. Для этого необходимым элементом является литейный тигель, в котором материал расплавляют и поддерживают жидким в достаточном количестве. Литейный тигель может быть футерованным или медным водоохлаждаемым. Керамическая футеровка тиглей и изложниц допустима только тогда, когда реакции материала футеровки с расплавом не происходят или когда они не наносят вреда качеству продукта.

Перспективы развития электронно-лучевой  плавки обусловлены потребностями ядерной, аэрокосмической техники, электроники и химической технологии в особо чистых материалах, сохраняющих прочностные свойства при высоких температурах или обладающих высокой химической стойкостью.

В настоящее время  в мире насчитывается несколько сотен электронно-лучевых плавильных установок, работающих в промышленности.

Электронно-лучевая плавка занимает прочные позиции в производстве слитков из ниобия и тантала. В металлургии титана и других высокоактивных и тугоплавких металлов, а также кремния, повышается значение электронно-лучевой плавки как способа переработки возвратных отходов производства.

 

Электронно-лучевая  сварка

 

При электронно-лучевой  сварке кинетическая энергия электронов пучка используется для того, чтобы расплавить жестко ограниченные участки примыкающих друг к другу деталей с тем, чтобы расплав, застывая, соединил детали. Положительной стороной электронно-лучевого способа сварки является возможность создания относительно высокой удельной поверхностной мощности в пятне пучка при достаточно высоких значениях мощности всего пучка. Ввиду того, что процесс электронно-лучевой сварки ведется в вакууме, этим способом можно сваривать детали из химически активных металлов.

Электронно-лучевая сварка позволяет получать сварные соединения с отношением глубины шва к его ширине, намного большим единицы, чего невозможно добиться другими способами сварки плавлением.

  Процесс сварки протекает следующим образом. При достаточной поверхностной мощности электронного пучка в месте его встречи с поверхностью детали появляется небольшая ванночка с расплавом. Если увеличить удельную поверхностную мощность, сфокусировав пучок более остро, то в обрабатываемом материале образуется паровая полость - канал проплавления. Этот эффект называют эффектом глубокого (кинжального) проплавления.

Нарушение оптимального режима электронно-лучевой сварки ведет  к появлению в швах дефектов, причем даже на хорошо свариваемых материалах. 

Лазерная обработка  материалов.

 

Для обработки и сварки материалов используются твердотельные и газовые лазеры. Независимо от типа применяемого лазера и назначения лазерные технологические установки состоят из ряда аналогичных функциональных узлов и имеют общую структурную схему (рис. 3.1).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 3.1. Структурная схема лазерной технологической установки: 1 - оптический квантовый генератор (лазер); 2 - лазерное излучение; 3 - оптическая система; 4 - обрабатываемый объект; 5 -устройство для перемещения обрабатываемого объекта; 6 - устройство для подачи защитного газа; 7 - источник вспомогательной энергии; 8 - программное устройство; 9 - датчик контроля параметров излучения; 10 - датчик технологических параметров

 

Основным источником энергии, обеспечивающим процесс обработки, является оптический квантовый генератор (лазер). Лазерное излучение формируется оптической системой в пучок с определенными пространственными характеристиками и направляется на обрабатываемый объект. При помощи оптической системы могут осуществляться также визуальный контроль положения обрабатываемого объекта относительно луча, наблюдение за ходом процесса обработки и оценка его результата. В лазерной технологической установке имеется также устройство для обеспечения перемещения обрабатываемого объекта в процессе обработки.

 

Лазерная поверхностная обработка

 

Улучшение эксплуатационных свойств металлических материалов при различных видах лазерной поверхностной обработки связано с изменением структурного состояния, фазового и химического составов поверхностных слоев. Используя лазерный пучок как концентрированный источник тепла, можно выполнять различные виды локальной термической обработки.

Для лазерного глазурирования, как правило, используют непрерывное  излучение с плотностью мощности 10⁴...10⁷ Вт/см². При перемещении обрабатываемой поверхности под лучом лазера (или луча по поверхности) тонкие слоя материала расплавляются и затем быстро затвердевают за счет передачи тепла низлежащим холодным слоям металла основы.

Лазерное оплавление можно  использовать для поверхностного легирования или обработки покрытий. В последнем случае наблюдается залечивание дефектов (пор и трещин) и улучшается прочность сцепления покрытия с основой вследствие образования жидкой фазы, С помощью лазера можно производить наплавку или напыление различных покрытий аналогично процессам дуговой, плазменной или пламенной наплавки или напыления.

Лазерная закалка принципиально  отличается от объемной закалки тем, что она может протекать с  оплавлением и без оплавления поверхности. Для лазерной закалки могут быть использованы лазеры как импульсного, так и непрерывного действия. Наиболее важные факторы, определяющие выбор типа лазера - глубина упрочнения и производительность процесса.

Практика работы с  лазерным излучением показала, что  лазерная термическая обработка  металлов без оплавления поверхности практически невозможна без специальных технологических мер, повышающих поглощающую способность металла. Для получения стабильных результатов лазерной термической обработки на обрабатываемую поверхность перед облучением наносят соответствующие покрытия. Чаще всего для этой цели используют фосфаты марганца или цинка, различные краски, суспензии.

Широко возможности лазерного отжига используют в электронной промышленности. В отличии от обычного печного отжига с помощью лазерного луча можно осуществлять контролируемый по температуре и времени нагрев поверхностных слоев различных материалов на заданную глубину. При этом температура соседних участков металла практически не изменяется. Применение лазерного отжига вследствие локальности и кратковременности нагрева позволяет подавить диффузионные процессы и существенно улучшить характеристики полупроводниковых материалов и структур.

 

Лазерная резка

 

Разработка мощных и надежных лазеров на алюминий-иттриевом гранате и СО₂, работающих в непрерывном и импульсном режимах, позволила осуществлять технологическую операцию лазерного разделения материалов, которой присущи следующие особенности: обширный диапазон разделяемых материалов; возможность получения узких разрезов и безотходного разделения; малая зона термического влияния; минимальное механическое воздействие, оказываемое на разделяемый материал; возможность автоматизации процесса; возможность резки по заданному профилю; улучшение гигиены производства.

Разделение материалов может быть осуществлено либо при полном удалении материала по линии разреза, либо при частичном удалении материала, например, при образовании системы отверстий малого диаметра в разрезаемой пластине по линии разделения с последующим разломом. Последний метод разделения называется скрайбированием.

Метод резки материалов лучом лазера с подачей в зону реза кислородной струи (газолазерная резка) заключается в следующем. Излучение лазера с помощью соответствующей оптической системы фокусируется на поверхность обрабатываемого материала. Коаксиально падающему излучению в зону реза подается струя кислорода, которая способствует увеличению поглощенной доли излучения вследствие образования на поверхности пленки окисла и удаляет образовавшуюся пленку и расплав из зоны реза до тех пор, пока материал не будет полностью разрезан. Луч лазера является источником теплоты с высокой концентрацией энергии, что приводит к уменьшению ширины реза, снижению размеров зоны термического влияния и дает более высокую 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 термического влияния составляет 0,05...0,2 мм.

 

Лазерная обработка  отверстий

 

При разработке процесса лазерной обработки отверстий необходимо: определить значения параметров лазерного излучения - энергии, длительности, расходимости пучка, числа импульсов; выбрать условия обработки: фокусное расстояние рабочего объектива, увеличение окуляра наблюдательной системы; выбрать лазерную технологическую установку; установить методы настройки технологического режима лазерной установки; предусмотреть (в случае необходимости) меры дополнительного повышения качества лазерного сверления и средства автоматизации процесса; определить экономическую эффективность процесса по соответствующим методикам

Пичковая структура лазерных импульсов свободной генерации является причиной возникновения в полости обработки значительного количества расплава. Неуправляемое течение жидкости по стенкам и дну отверстия искажает продольную форму отверстия и снижает воспроизводимость размерных результатов обработки. Количественная оценка доли погрешности, вносимой нестабильности пичковой структуры лазерного импульса, затруднена. Заметного снижения погрешности можно достичь при использовании импульсов с упорядоченной структурой.

 

 

Ионно-лучевая обработка материалов

 

Ионно-лучевая технология - это комплекс способов обработки  материалов энергетическими потоками ионов, в результате воздействия  которых изменяется форма, физико-химические, механические, электрические и магнитные свойства обрабатываемых изделий.

Несмотря на высокую  стоимость технологического оборудования и относительную сложность его  обслуживания, все больше новейшего  оборудования ионно-лучевой технологии появляется в цехах и лабораториях современных производств.

 

Ионное легирование

 

Ионное, легирование материалов, или другими словами, ионное внедрение  и ионная имплантация. в настоящее  время становится основным технологическим  процессом из применяемых для  модификации электрофизических, химических, оптических, механических и других свойств поверхностных слоев материалов.

Метод ионного легирования  основан на контролируемом внедрении  в материал (твердое тело) ускоренных ионизированных атомов и молекул.

Особенно перспективным  метод ионного легирования оказался для полупроводниковой электроники. Этот метод обладает преимуществами: универсальность, т.е. возможность введения любой примеси в любой материал; локальность воздействия; отсутствие нагрева подложки; возможность строгого дозирования примесей; простота управления; высокая чистота вводимых примесей и т.д.

Оборудование для ионного легирования  поверхностных слоев материалов ионами определенного выбранного вида представляет собой специальные  технологические ускорители. Диапазон энергий, в пределах которого обычно ускоряются ионы, распространяется от 20 до 450 кЭв, хотя перспективны и установки с энергиями до 0,6...I МэВ. Схемы установок однотипны и содержат ряд основных узлов (рис. 4.1).

 

Рис. 4.1. Структурная схема  установки для ионно-лучевого легирования: 1 - система напуска рабочего вещества; 2 - источник ионов; 3 - система формирования ионного луча; 4 - ионопровод; 5 - сепаратор ионов; 6 -система откачки; 7 - камера с образцами; 8 -11 - системы откачки; 12 - блок питания ионного источника; 13 - блок вытягивающего и фокусирующего напряжения; 14 - блок питания сепаратора ионов; 15 - блок контроля дозы облучения

 

Требования к лабораторным и производственным установкам несколько  различны. Для выполнения исследований возникает необходимость в частых изменениях типов ионов и их энергии. Эксплуатация же установок в производстве обычно осуществляется с применением определенного рабочего режима на каком-то одном выбранном типе ионов.

Все типы установок по системам ускорения ионов условно можно разделить на три группы: с ускорением до сепаратора и (или) после сепаратора. При выборе типа установки существенна величина дозы легируемой примеси, и по этому признаку установки также разделяют на три типа: малых и средних доз, больших доз с интенсивными ионными токами, высокоэнергетические.