Магнитоимпульсное формообразование. Плазменная, лазерная и электронно-лучевая обработка материалов

Напыление. Напыляемый материл нагревается в плазматроне. Температура подложки в зависимости от цели напыления может быть различной. Формируются слои небольшой толщины – от нескольких мкм до одного мм. Для увеличения адгезии напыленного слоя стремятся повысить степень химического воздействия покрытия с подложкой за счет ее разогрева или введения промежуточных химически активных слоев.

Плазме

нная резка. Достоинства: обрабатываются любые металлы толщиной до 100–150 мм, меньшая ширина реза чем при газовой резке, лучшая поверхность, меньшая зона термических изменений. Скорость: 0,5–1,5 см/с в зависимости от толщины.

Для плазменной резки используются плазматроны прямого действия. Плазмообразующий газ – аргон, азот, водород или воздух. При микроплазменной резке ток 50–100 А, толщина резки до 8 мм, ширина реза до 1-го мм.

Лазерная обработка материалов

Общая характеристика процессов взаимодействия лазерного излучения с веществом

Лазерная обработка проводится с помощью остросфокусированного светового луча, излучаемого оптическим квантовым генератором (ОКГ). Излучение ОКГ является узконаправленным и монохроматичным. Угловая расходимость луча для рубина составляет 30΄, для стекла с примесью ниодима – 10΄.

Рис.6. Схема технологической лазерной установки.

Минимальный размер пятна d0, до которого может быть сфокусирован луч ОКГ, достигает значений 1 мкм.

Процесс взаимодействия лазерного излучения с обрабатываемым материалом можно разделить на следующие стадии:

– поглощение света с последующей передачей энергии тепловым колебаниям решетки твердого тела;

– нагрев материала без разрушения, включая и плавление;

– разрушение материала путем испарения и выброса его расплавленной части;

– остывание после окончания воздействия.

Процессы обработки материалов излучением ОКГ удобно рассматривать пользуясь графиком зависимости удельного выноса вещества η от плотности поглощенного светового потока q.

Под удельным выносом веществу η понимается масса удельного вещества, приходящаяся на единицу падающей энергии.

Рис.7. Зависимость выноса вещества от падающей энергии.

При малых плотностях светового потока материал лишь нагревается излучением. Приближение значения q к q0 приводит к образованию расплавленной зоны в месте локализации излучения на поверхности. Поэтому в области значений q=q0 целесообразно производить сварку материалов. По мере дальнейшего роста плотности светового потока начинается процесс разрушения материала сначала за счет испарения (при q0<q<q1), а в дальнейшем за счет испарения и выноса вещества в жидкой фазе частицами пара (при q1<q<q2). При q>109 Вт/см2 "испарительный" механизм разрушения сменяется "взрывным" и удельный вынос вещества уменьшается примерно в 5 раз.

Рассмотренная выше зависимость позволяет обосновать энергетические режимы лазерной обработки. В области потоков до q0 производится термическая обработка поверхности изделий, сопровождаемая локальным нагревом и плавлением. В области потоков от q1 до q3, сопровождаемых разрушением и выбросом расплавленной части материала, производится резка и сверление отверстий.

Для повышения точности и качества формируемых отверстий используется многоимпульсная обработка материала.

Она заключается в том, что отверстия получаются в результате воздействия серии коротких импульсов (0,1–0,2 мс), период следования которых значительно больше времени остывания материала. Положительный эффект при многоимпульсной обработке достигается за счет:

– повышении динамической прочности материала при укорочении времени термоудара;

– более равномерным по отношению к непрерывной обработке распределением остаточных напряжений по толщине материала.

При многоимпульсной обработке глубина отверстий достигает 1–5 мм и может быть в 25 раз больше диаметра.

Электронно-лучевая обработка

Электронно-лучевая обработка основана на использовании энергии потока направленных электронов для формирования поверхностей деталей путем нагрева, плавления и испарения материала в зоне обработки. Для обработки материалов электронным лучом используются специальные установки, в которых формируются мощные направленные пучки электронов. Принципиальная схема такой установки приведена на рис.8.3. Основными ее элементами являются катодный узел и системы фокусировки и перемещения луча (детали). Электронная пушка состоит из подогревного катода 1, фокусирующего электрода 14 и ускоряющего анода 2. Пучок электронов 3, испускаемых поверхностью нагретого катода 1, собирается в узкий луч фокусирующим электродом 14 и ускоряется разностью потенциалов между анодом 2 и катодом 1. Для сужения электронного пучка до необходимых размеров используются электростатические и электромагнитные линзы 4 и диафрагма 5. Пройдя через них, луч попадает на обрабатываемую деталь 10, укрепленную на рабочем столе 11. Обработка выполняется в камере 12, в которой создается глубокий вакуум (133∙10-6 Па). Наблюдение за процессом обработки проводится с помощью оптической системы 8, окуляра 13, полупрозрачного зеркала 7 и подсветки 6.

В настоящее время существуют две основные системы управления лучом. В первой системе луч движется по поверхности обрабатываемой детали, и линия обработки совпадает с траекторией движения луча. Движение луча задается либо ЭВМ, которая управляет отклоняющей системой 9, либо светокопировальным устройством, которое состоит из фотошаблона, осветительной системы и фотоэлектронного усилителя (ФЭУ). Свет, проходя через фотошаблон, попадает на ФЭУ, усиливается в нем и в качестве управляющего сигнала поступает на отклоняющую систему. В некоторых случаях по заданной программе может двигаться рабочий стол. Во второй системе луч последовательно проходит всю поверхность детали по строчкам, а специальное устройство отпирает электронную пушку лишь в местах обработки.

Рис.8. Принципиальная схема установки формирования направленных пучков электронов.

При воздействии электронного луча на материал электроны проникают на некоторую глубину δ. Ее величина зависит от ускоряющего напряжения U и плотности материала ρ:

U2/ρ(3)

При проникновении электронов в материал их энергия передается электронам и ядрам атомов. Большая часть кинетической энергии электронов переходит в тепловую энергию, оставшаяся часть превращается в электромагнитное излучение фотонов, рентгеновское, излучение и эмиссию вторичных электронов.

Технологические характеристики электронно-лучевой обработки (производительность, точность, шероховатость поверхности и т.п.) во многом определяются возможностями оборудования (табл.1), энергетическими параметрами электронного пучка, свойствами обрабатываемого материала.

 Скачать реферат