Вопрос 50-51

Лазерная обработка материалов основана на том, что использование лазер-

ного излучения позволяет создавать на малом участке поверхности высокие

плотности теплового потока, необходимые для интенсивного нагрева или расплавления практически любого материала.

При воздействии на поверхность обрабатываемых металлов и сплавов часть

потока лазерного излучения отражается от нее, а остальная часть проникает на малую глубину. Энергия лазерного излучения практически полностью поглощается электронами в приповерхностном слое толщиной 10–6...10–7м. Вследствие этого электронная температура Тe резко повышается, тогда как температура кристаллической решетки Тi остается незначительной.

С течением времени интенсивность передачи энергии свободных электронов кристаллической решетки повышается. Начиная со времени релаксации9 11р1 10 0...− − τ = с, разность температур (Тe – Ti) становится минимальной и тепловые процессы в металле можно охарактеризовать общей температурой Тo. Последующий нагрев металла осуществляется по физическим закономерностям, присущим традиционным способам теплового воздействия на металлы. Это дает основание рассматривать распространение теплоты в металлах при лазерной обработке с использованием теории теплопроводности. Процессы распространения теплоты зависят от интенсивности теплового воздействия и в значительной степени — от теплофизических свойств материала. Коэффициент теплопроводности λ т

характеризует свойство материала проводить теплоту, т. е. тепловой поток в материале при действии поверхностного источника нагрева, вызванного лазерным излучением, зависит от коэффициента теплопроводности этого материала. Другим теплофизическим параметром, также определяющим интенсивность теплового потока в материале, является его теплоемкость, в частности, объемная теплоемкость сγ.

Вопрос 52-53

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.