книги / Электронно-лучевая, лазерная и ионно-лучевая обработка материалов

-42 -

4.ТЕХНОЛОГИЯ ЛАЗЕРНОЙ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

4.1.Классификация ендов лазерной обработки

Одним из перспективных направлений лазерной технологии явля­ ется поверхностная обработка металлов и сплавов. Она объединяет целый ряд процессов: закалку, отжиг,легирование и наплавку, удар­ но-импульсную обработку, амортизацию поверхности..

Значительный рост средних мощностей и частоты следования им­ пульсов твердотельных лазеров, увеличение мощности непрерывных газовых лазеров на С0а резко повысили интерес и к лазерной сварке и резке.

Классификация основных видов лазерной обработки представлена на рис. 4.1.

4*2. Лазерная поверхностная обработка

Улучшение эксплуатационных свойств металлических материалов при различных видах лазерной поверхностной обработки связано с изменением структурного состояния, фазового и химического соста­ вов поверхностных слоев. Используя лазерный пучок как концентри­ рованный источник тепла, можно выполнять различные виды локальной термической обработки, например, закалку и отжиг.

В 1976 году сотрудниками американской технологической корпо­ рации был предложен метод лазерной повержностной закалки из жид­ кого состояния, названный "лазерное глаэурирование". Для лазерно­ го глаэурнрования, как правило, используют непрерывное излучение с плотностью мощности Ю 4.. . Ю7 Вт/см*. При перемещении обрабаты­ ваемой поверхности под лучом лазера Сили луча по поверхности) тонкие слои материала расплавляются и затем быстро затвердевают за счет передачи тепла ниэлежащим холодным слоям металла основы. Для чистого никеля, например, расплавленные слоя толщиной 2,5 и 25 икм охлаждаются со скоростями 5 10" и 5-10" град/с.

Изменяя мощность и время воздействия лазерного излучения на обрабатываемые участки поверхности материала, можно получить ши­ рокий спектр структурных состояний: ультрамикроскопические стру-

- 43 -

Рис. 4.1. Классификационная схема основных видов лазерной обработки

- 44 -

ктуры, пересыщенные твердые растворы, структуры с повышенной го­ могенностью, тонкве девдрвтные структуры, тонкие эвтектические композиции. При экстремально высоких скоростях охлаждения, наблю­ даема при лазерной глазурированин. на кристаллической основе в ряде случаев могут быть зафиксированы аморфные структуры.

Лазерное оплавление можно также,использовать для поверхностиостиого легирования или обработки покрытий. В последнем случае наблюдается залечивание дефектов Спор и трещин) и улучшается про­ чность 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.

Результаты лазерной поверхностной обработки зависят, прежде всего, от двух основных параметров: плотности мощности лазерного излучения Е и времени воздействия излучения т. Значения указанных параметров для раэлиных видов лазерной обработки приведены на рис. 4.2.

Лазерная ударная обработка производится импульсами с длитель­ ностью 10"* с н плотностью мощности излучения 10е... 10е Вт/см*. При воздействии подобных импульсов излучения на поверхность про­ исходит мгновенное вэрывообраэное испарение части материала и пе­ реход окружающего поверхность вещества в плазменное состояние. Последующее расширение плазмы сопровождается возникновением удар­ ной волны, которая воздействует на поверхность и распространяется в глубь обрабатываемого материала. Следствием распространения волн в кристаллическом веществе является образование различного рода структурных дефектов, что в свою очередь, приводит к измене­ нию свойств материала.

Лазерная закалка принципиально отличается от объемной закалки тем, что она может протекать с оплавлением и без оплавления по­ верхности. В последнем случае структурно-фазовые превращения про­ исходят в твердом состоянии. Этот вид закалки применяют, в основ­ ном, для сплавов, испытывающих полиморфные превращения. Одним из ее важнейших преимуществ является сохранение микрогеометрии по­ верхности, благодаря чему отпадает необходимость последующей ме­ ханической обработки. Такой вариант упрочнения экономически выго­ ден, позволяет встроить операцию лазерной закалки в общий техно-

- 46 -

логический цикл изготовления детали, не усложняя'его, что в боль­ шинстве случаев является определяющим фактором пригодности про­

цесса для его внедрения.

Закалку с оплавлением поверхности можно рассматривать как один из видов, закалки из жидкого состояния. При этом существенно ухудшается исходная микрогеометрия поверхности, поэтому необходи­ ма последующая механическая обработка.

Преимущества лазерной закалки перед традиционными способами закалки Св том числе закалки токамивысокой частоты) следующие:

а) возможность упрочнения поверхности любой формы, труднодос­ тупных мест (пазов, Отверстий) в изделиях сложной конфигурации;

б) локальность нагрева, малые зоны термического влияния, в связи с чем значительно снижаются или совсем исключаются деформа­ ции изделия и обеспечивается прецизионный характер обработки;

свойстве стали, чугуны, твердые сплавы, цветные металлы, порош­ ковые материалы и др.);

г) высокая производительность и экономичность; д) отсутствие громоздкого термического оборудования и охлаж­

определяющие выбор типа лазера, - глубина упрочнения и производи­ тельность процесса. Максимальная глубина упрочнения при закалке импульсными лазерами типа "Квант" и С0алазерами мощностью до 5 кВт составляет в случае оплавления поверхности в среднем 0,2...

термическая обработка металлов без оплавления поверхности практи­ чески невозможна без специальных технологических мер, повышающих поглощающую способность метала. Для получения стабильных резуль­ татов лазерной термической обработки на обрабатываемую поверх­

- 47 -

ность перед облучением наносят соответствующие покрытия. Чаще всего для этой цели используют фосфаты марганца или цинка, раз­ личные краски, суспензии, сахи, оксиды цветных металлов. Так, на­ пример, при термоупрочнении сталей типа 40Х использовались покры­ тия, содержащие оксиды цинка и хрома, красный хелезооксндный пиг­ мент с различными связующими. Способы нанесения покрытия различ­ ны: пневмораспылителем, окунанием, кистью. Продолжительность суш­ ки при 80°С составляет 15 мин.

Поглощательная способность металла повышается и при исполь-

.зовании ряда покрытий из диэлектрических материалов, широко при­ меняющихся в машиностроении. Эти покрытия получаются при фосфатировании коллоидного раствора графита, напылении окислов различ­ ных металлов, силикатов.

В табл. 4.1 приведены значения критических плотностей энергии, при которых наблюдается поверхностное упрочнение ряда сталей, подвергнутых различным видам предварительной термической обработ­ ки. Интервал этих значений зависит от времени воздействия излуче­ ния, химического состава и исходного состояния обрабатываемого материала. Этот диапазон ограничен верхним и нижним критическими уровнями плотности энергии. Верхней критической плотностью энер­ гии qs max считается плотность энергии, соответствующая процессу плавления, нижней - плотность энергии 4smin . при которой наблю­ дается процесс отпуска.

Лазерный отжиг. Наиболее широко возможности.лазерного отжига используют в электронной промышленности. В отличии от обычного печного отжига с помощью лазерного луча можно осуществлять конт­ ролируемый 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 кратко­ временности нагрева позволяет подавить диффузионные процессы и существенно улучшить характеристики полупроводниковых материалов и структур. Так, с помощью лазерного отжига может быть достигнута более высокая эффективность легирования, в 6...8 раз повышена электрическая активность носителей заряда в полупроводниковых структурах.

- 49 -

Одной из перспективных технологических схем лазерной наплавки является проведение процесса с использованием непосредственной подачи наплавляемого порошка в зону обработки. Указанная схема обладает рядом преимуществ по сравнении с лазерной обработкой ме­ таллов с предварительно нанесенными суспензией или пастой: отсут­ ствие нежелательных процессов, связанных со сгоранием или разло­ жением связующих веществ, повышенная технологичность и уменьшение энергоемкости процесса лазерной обработки. Для полного проплавлеслоя предварительно нанесенного материала постепенно наращивают наплавляемый материал в процессе поступления порошка. Например, при проведении лазерной наплавки на сталь хромборникелевого спла­ ва ПГ-ХН80СР2 удельная энергия для получения валика толщиной I ьш для различных технологических схем составляет 30...60 Дж/ым3 при непрывной подаче порошка в зону обработки, 16...120 Дх/мм2 при оплавлении порошковых паст и 180.;.330 Дж/мм3 при оплавлении га­ зотермических напыленных покрытий.

4.3.Лазерная обработка отверстий

Сфокусированное лазерное излучение применяется для обработки отверстий диаметром 0,001...2,5 мм в деталях из различных матери­ алов с толщиной стенки 0,02...12 мм. Целесообразно рассматривать раздельно особенности получения отверстий в двух размерных диапа­ зонах: при чисто лазерной обработке, обеспечивающей формирование отверстий диаметром 0,001.. .0,8 мм и глубиной до 5 мм, и при об­ работке с использованием дополнительно с энергией лазерного пучка других видов энергии,обеспечивающей получение отверстий диаметром 0,8...2,5 мм и глубиной до 12 мы.

При разработке процесса лазерной обработки отверстий необхо­ димо:

а) определить значения параметров лазерного излучения - энер­ гии Е, длительности тж , расходимости пучка в, числа импульсов п; б) выбрать условия обработки: фокусное расстояние рабочего

объектива F, увеличение окуляра наблюдательной системы; вЭ выбрать лазерную технологическую установку;

гЗ установить методы настройки технологического режима лазер­ ной установки - энергии импульса (изменением энергии накачки ах-

- 50 -

тивного элемента Ея; диафрагмированием пучка); длительности им­ пульса (изменением параметров формирующей линии накачки - индук­ тивности LH, емкости С, напряжения питания ламп накачки U}1; ис­ пользованием затворов или комплексом перечисленных приемов);

д) предусмотреть (в случае необходимости) меры дополнитель­ ного Повышения качества лазерного сверления и средства автомати­ зации процесса;

е) определить экономическую эффективность процесса по соот­ ветствующим методикам, используя одно из следующих выражений для оценки машинного времени, необходимого для получения отверстия заданных параметров; для одноимпульсной обработки детали с К от­

При решении поставленных задач особое внимание следует обра­ тить на многоплановое влияние некоторых методов настройки на па­ раметры технологического режима.

Качество является комплексным критерием технологического про­ цесса и характеризует результаты обработки следующими показателя­ ми: точностью диаметральных размеров, степенью соответствия попе­ речной и продольной формы отверстия заданной, величиной шерохова­ тости и волнистости поверхности отверстия, а также состоянием и свойствами приповерхностного слоя.

С технологических позиций точность обработки определяется ве­ личиной поля рассеяния размеров партии деталей и зависит от вели­ чины суммарной погрешности обработки. Основными составляющими суммарной погрешности обработки являются погрешности, создаваемые несовершенством инструмента и оборудования, ошибками технологи­ ческого процесса, нестабильностью процессов взаимодействия излу­ чения с материалом заготовки.

Погрешность обработки определяется колебанием плотности мощ­ ности светового потока Aqs , реализуемой в зоне воздействия лазер­ ного луча, а также включает погрешности, вносимые нестабильностью процессов, обуславливающих разрушение материала.

Нестабильность плотности мощности Aqs зависит от величины ко­ лебания энергии импульсов АЕ, их длительности Ат, флуктуации про­ странственно-временной структуры и угловых характеристик излуче­ ния Ав, а также от погрешностей технологического процесса, вли-