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

УДК 621.38 Электронно-лучевая, лазерная и ионно-лучевая обработка

материалов: Учебн. пособие/В.Я.Беленький, В.М.Язовских; Перм.гос. техн. ун-т. Пермь, 1995..

ISBN 5-88151-011-9

В пособии рассмотрены технология и оборудование лучевых ме­ тодов обработки конструкционных материлов. Описаны физические ос­ новы взаимодействия электронного, лазерного и ионного пучков с обрабатываемым материалом.

Учебное пособие предназначено для студентов специальности 1205 "Оборудование и технология сварочного производства". Пособие может, также, использоваться для углубленного изучения курса "Технологические процессы машиностроительного производства".

Табл. 5. Илл. 13. Библиогр.:13 наэв.

- 3 -

4.4.Лазерная резка............................

4.5.Лазерная сварка...........................

4.6.Перспективы применения лазерной обработки..

- 4 -

ВВЕДЕНИЕ

.Фиэихз электронных я конных пучков ухе не раз служила исход­ ным пунктом для прошаганных разработок. Рентгеновские и элект­ ронно-лучевые трубкж, телевидение и электронная микроскопия се­ годня занимают значительное место в науке и технике. В течение последних 30 лет сформировалась еще одна область - электронно- и яоннолучевая технология. В этой новой области электронные и ионные пучки непосредственно используются для осуществления тех­ нологических процессов. Возможные применения электронно- и ионно­ лучевой технологии простираются от получения субмикроскопичес­ ких структур в микроэлектронике до выплавки крупных слитков в ме­

таллургии. Обцим для всех этих установок является использование электронных и ионных пучков.

Работам, связанным с открытием электронов и использованием их энергии в технике, предшествовал.значительный период изучения процессов прохождения электричества в газах и вакууме, который привел к открытию Круксом в 1969 году катодных лучей. В 1879 году Крукс показал возможность нагрева и плавления платины катодными лучами. В 1897 году Томпсон установил, что катодные лучи являются потоком электрически заряженных частиц. Первые попытки электрон­ но-лучевой плавки были предприняты в 1905 году Пирани. Ему уда­ лось плавить даже такие тугоплавкие металлы, как тантал. Но ни вакуумная, ни электронная техника в то время еще ие получили дол­ жного развития, и с другой стороны, еще не возникла потребность в подобной технологии. Поэтому работы Пирани тогда не навита техни­ ческой реализации.

С середины 20-х годов начинается бурное развитие электронной оптики. Вместе с прогрессом вакуумной техники это создало возмож­ ность надежного получения и формирования электронных пучков. Фон Арденне и Рюхе ухв в 1934 году использовали электронные пучки, сфокусированные магнитными линзам, для получения отверстий мало­ го диаметра и для испарения металлов. В I960 году Втейгервальд показал возможности электронного пучка как инструмента для полу­ чения отверстий и прецизионной обработки поверхностей. Необходи­ мость же использования нового технологического способа для та­ ких целей, как сварка, плавка я напыление, появилась прежде

- 5 -

всего в связи с развитием ядерно! н космической техники. Разработка техники и технологии электронно-лучевой сварки

связывается с именем Д.Стора, который работал во Французской ко­ миссии по атомной энергии и опубликовал результаты работы в 1957 году. В 1957 - 1958 годах работы по электронно-лучевой сварке на­ чали проводиться такие в Московском энергетическом институте под руководством Н.А.Ольшанского и в Институте электросварки им. Е.О. Патона на Украине.

Приблизительно к 1965 году способы и установки электронно-лу­ чевой технологии достигли такой степени технического совершенст­ ва. что электронно-лучевая плавка, сварка, напыление и обработка поверхностей были внедрены в промышленное производство. В насто­ ящее время широко используются в производстве и ионно-лучевме технологии.

Изобретение лазера стоит в одном ряду с наиболее видающимися достижениями науки н техники XX века. Первый лазер появился в I960 году, и сразу хе началось бурное развитие лазерной техники.

Вкороткое время были созданы разнообразные типы лазеров и лазерных устройств, предназначенных для решения конкретных науч­ ных и технических задач. Лазер - это устройство, в котором Энер­ гия, например, тепловая,.химическая или электрическая, Преобразу­ ется в энергию электромагнитного поля - лазерный луч. При' таком преобразовании часть, энергии теряется, но полученная в результате лазерная энергия обладает высокой концентрацией, а также сущест­ вует возможность ее передачи на значительные расстояния.

Внаши дни лазеры успешно трудятся на современном производ­ стве, справляясь с самыми разноообразнымн задачами. Лазерным лу­ чом раскраивают ткани и режут стальные листы» сваривают кузова автомобилей и приваривают мельчайшиедетали в радиоэлектронной аппаратуре, пробивают отверстия в хрупких и сверхтвердых материа­ лах.

Освоение лазерных технологий значительно повышает эффектив­ ность современного производства. Лазерные технолога, позволяют осуществить наиболее полную автоматизацию производственных про­ цессов, .одновременно обеспечивается Экономия сырья .и рабочего времени, повышается качество продукции.

-6 -

1.ОБОРУДОВАНИЕ ДОЯ ЭДЕПРОИО-ДУЧЕВОЙ ОБРАБОТКИ

1.1* Функциональней схема технологической электронно-лучевой установки

Электронно-лучевая обработка осуществляется в вакууме при наличии специального обрудоваиия: технологической камеры с ваку­ умной системой и электронной путей с высоковольтным источником

На рис. I.I представлена типовая функциональная схема элект­ ронно-лучевой установки. Установка состоит иэ вакуумной камеры I. в верхней части которой размещается электронная пушка 2. К пушке с помощью кабеля высокого напряжения подводится питание от высо­ ковольтного выпрямителя 3. Внутри камеры монет также находиться механизм перемещения 5 обрабатываемого изделия 6. Управление все- т агрегатам ведется с пульта управления 4. Вакуум в технологи­

ческой камере создается с помощью вакуумной системы 7.

К электронно-лучевым установкам предъявляется ряд общих тре­ бований. 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 рент­ геновского излучения. Камера снабжается смотровыми окнами для на­ блюдения за процессом. Толщина стекла я его качество должны обес­ печивать прочность, герметичность и защиту от рентгеновского из­ лучения. Камера должна иметь люки, обеспечивающие загрузку изде­ лий. подлежащих электронно-лучевой обработке.

Вакуум при электронно-лучевой обработке необходим как для со­ здания и форшрования электронного пучка, так и для защиты обра­ батываемого металла от действия кислорода я азота воздуха, уско­ рения дегазации металла при плавлена, удалена некоторых вредна примесей и др. Поэтому о д н а иэ в а а е й ш а элементов электронно­ лучевых технологически установок является оборудование для соз­

- 8 -

форвакуумного насоса, обеспечивающего вакуум порядка 10"* мм рт., ■ высковакуумного пароыаслянного насоса. Производительность ва­ куумной снстеш выбирается в зависимости от объема рабочей камеры установки, с х е ш ее работы' при смене обрабатываемого изделия и других факторов.

Количество насосов я схема откачки определяется конкретными условиями работы данной установки. Так. например, во многих слу­ чаях используются отдельные откачные системы для электронной пуп­ ки и рабочей камеры с изделием.

1.2.Электронно-лучевые пупки

Широкое применение электронных пучков связано с тем, что электрон, являясь наименее устойчивой заряженной частицей мате­ рии, может быть наиболее простым способом получен в свободном состоянии. В большинстве случаев,.подведя соответствующую энер­ гию, можно вызвать выход электронов с поверхности металла. Наибо­ лее часто для получения свободных электронов используют термоэ­ лектронные катоды, в которых металлы нагреваются до таких темпе­ ратур, при которых электроны приобретают достаточную скорость, чтобы покинуть металл и перейти в окружающее катод пространство, в результате чего возникает эмиссия электронов. Величина тока термоэлектронной эмиссии зависит от температуры катода, работы выхода материала катода и свойств поверхности и определяется по уравнению Ричардсона-Дэвмана:

• . . - А Т - е х р р - ^ ] ,

где плотность тока эмиссии; А - эмиссионная постоянная, зави­ сящая от свойств излучающей поверхности; Т - абсолютная темпера­ тура катода, е - заряд электрона; ро - работа выхода элехтрона из металла; 1с - постоянная Больцмана.

Уравнение показывает, что величина тока эмиссии в наибольшей степени зависит от тешературы катода. Однако при увеличения тем­ пературы сокращается срок службы катода.

Свободные электроны под действием электрических или магнитных полей могут перемещаться. Поскольку электроны обладают самой ма­

- 9 -

лой инертной массой из всех, элементарных частиц, обладающих заря­ дом. то электрону можно сообщить большую.скорость:

V аг 600 U1'* км/С ,

где U - разность потенциалов.

Таким образом, скорость, приобретаемая электроном при движе­ нии в ускоряющем поле, зависит только от пройденной разности по­ тенциалов.

Электроны, двигаясь в электрическом поле, могут накопить зна­ чительную кинетическую энергию. При достижении электроном поверх­ ности металлического анода скорость электронов резко уменьшается вследствие их столкновения с атомами металла* При таких столкно­ вениях кинетическая энергия электронов передается атомам вещест­ ва, подвергающегося бомбардировке. Эффект передачи энергии элект­ ронов веществу проявляется в увеличении температуры .вещества.

В первых установках для формирования электронного луча ис­ пользовались пушки с однокаскадной электростатической фокусиров­ кой, анодом которых являлась обрабатываемая деталь. Фокусирующий электрод у таких пушек либо имел потенциал катрда, либо на него подавался некоторый отрицательный потенциал относительно катода

Основными недостатками такой системы являются:, невозможность формирования интенсивного электронного луча с высокой плотностью энергии; незначительное расстояние между обрабатываемым изделием и катодом, усложняющее наблюдение за процессом; ограничение раз­ меров поверхности, катода, необходимое для острой фокусировки лу­ ча и др.

В современных установках для электронно-лучевой обработки ис­ пользуются электронные пушки, у которых' анод, имеющий в центре отверстие, расположен в непосредственной близости от катода, а для дополнительной фокусировки и отклонения луча используются ма­ гнитные фокусирующая и отклоняющая системы С рис. 1.2 ). Элект­ ронно-оптические системы таких пушек могут иметь два или три эле­