3. - Испаряемый материал; 5 - поток наносимого материала; 6- термокатод;

7 - фокусирующая система; 8 - электронный луч; 9- покрытие; 10- подложка

Отклоняющая система предназначена для создания магнитного поля, перпендикулярного направлению скорости движения электронов, выходящих из фокусирующей системы пушки, и состоит из полюсных наконечников 1 и электромагнита 2. Между полюсными наконечниками расположены водоохлаждаемый тигель 3 и электронная пушка. Отклоняя электронный луч магнитным полем, его направ­ляют в центральную часть водоохлаждаемого тигля 3. В месте падения луча создается локальная зона испарения вещества из жидкой фазы. Нагретый электронной бомбардировкой материал 4 испаряется, и поток паров 5 осаждается в виде тон­кой пленки 9 на подложке 10. Изменяя ток в катушке электро­магнита 2, можно сканировать лучом вдоль тигля, что предо­твращает образование "кратера" в испаряемом материале.

6.3. Лазерная обработка

Одним из качественно новых технологических процессов, все шире внедряемых в производство, являются лазерные технологии. В их основе лежит тепловое воздействие на материалы электромагнитного излучения, создаваемого оптическими генераторами — лазерами.

Технологии обработки материалов с использованием лазеров дают возможность осуществления процессов, недоступных большинству других технологий при полной автоматизации и высокой производительности процессов.

Создание технологических лазеров мощностью в несколько киловатт непрерывного излучения и пиковой мощностью импульсного излучения (длительностью 10^-8...10^-6 с) в сотни мегаватт позволяет достичь при фокусировке этого излучения интенсивностей до 10⁸ Вт/см² в непрерывном режиме и до 10¹² Вт/см² в импульсном режиме.

В термических видах технологических процессов (резке, пробивке отверстий, закалке, наплавке, сварке и др.) применяется лазерное излучение при интенсивности 10⁴...10⁷ Вт/см².

При действии лазерного луча на поверхность металла, происходит преобразование энергия его электромагнитной волны в тепловую энергию электронов решетки в тонком слое глубиной 10^-6 см за время 10^-11 с.

Лазерная обработка материалов производится без изоляции образцов в вакууме. При лазерной обработке отсутствует последующее рентгеновское излучение от образца.

В основе работы лазера лежат три фундаментальных явления, происходящих при взаимодействии электромагнитных волн с веществом, а именно - процессы спонтанного и вынужденного излучения и процесс поглощения.

Если в некоторой физической среде существуют два энергетических уровня 1 и 2 с энергиями Е₁ и Е₂ (Е₁ < Е₂), из которых уровень 1 принят в качестве основного, то можно предположить, что атом (или молекула) вещества находится первоначально в состоянии, соответствующем уровню 2 (рис. 6.17). Поскольку Е₂ > Е₁, атом будет стремиться перейти на уровень 1. Следовательно, из атома должна выделиться соответствующая разность энергий Е₂ – Е₁. Когда эта энергия освобождается в виде электромагнитной волны, процесс называют спонтанным излучением. При этом частота υ излученной волны определяется из формулы Планка:

h υ = Е₂ – Е₁,

где h - постоянная Планка.

Рис. 6.17. Схематическое представление процессов: а) спонтанное излучение,

б) вынужденное излучение, в) поглощение

Таким образом, спонтанное излучение характеризуется испусканием фотона с энергией при переходе атома с уровня 2 на уровень 1. Заметим, что спонтанное излучение - только один из двух возможных путей перехода атома из одного состояния в другое. Переход может происходить также и без излучения. В этом случае избыток энергии Е₂ – Е₁ выделяется, в какой-либо иной форме (например, разность энергии может перейти в кинетическую энергию окружающих молекул).

Имеется вероятность того, что падающая волна (рис. 6.17, а) вызовет переход атома с уровня 2 на уровень 1. При этом разность энергии Е₂ - Е₁ выделится в виде электромагнитной волны, которая добавится к падающей (рис. 6.17, б), такое явление называется вынужденным излучением.

Между процессами спонтанного и вынужденного излучения имеется существенное отличие. В случае спонтанного излучения атом испускает электромагнитную волну, фаза которой не имеет определенной связи с фазой волны, излученной другим атомом. Более того, испущенная волна может иметь любое направление распространения. В случае же вынужденного излучения, поскольку процесс инициируется падающей электромагнитной волной, излучение любого атома добавляется к этой волне в той же фазе. Падающая волна определяет также направление распространения испущенной волны.

Если атом первоначально находится на основном уровне 1, то атом будет оставаться на нем до тех пор, пока на него не подействует какое-либо внешнее возмущение. При воздействии на физическую среду электромагнитной волна с частотой υ (рис. 6.17, в) существует вероятность того, что атом перейдет на верхний уровень 2. Разность энергий Е₂ – Е₁, требующаяся для того, чтобы атом совершил переход, берется из энергии падающей электромагнитной волны. В этом случае происходит процесс поглощения.

На языке фотонов эти процессы описываются следующим образом.

1. В процессе спонтанного излучения атом, испуская фотон, переходит с уровня 2 на уровень 1.

2. В процессе вынужденного излучения падающий фотон вызывает переход 2→1, в результате чего мы получаем два фотона (падающий плюс испущенный).

3. В процессе поглощения падающий фотон просто поглощается, вызывая переход 1→2.

Как показал А. Эйнштейн, это означает, что вероятности вынужденного излучения и поглощения равны друг другу. Число атомов в единице объема, находящихся на данном энергетическом уровне, будем называть населенностью N этого уровня.

Рассмотрим в какой-либо среде два произвольных энергетических уровня 1 и 2 с соответствующими населенностями N₁ и N₂ (рис. 6.18). Пусть в этой среде в направлении оси 2 распространяется плоская волна с интенсивностью, соответствующей плотности потока фотонов F. Тогда, изменение плотности потока, обусловленное как процессами вынужденного излучения, так и процессами поглощения, в слое dz.

Если удастся достигнуть неравновесного состояния, для которого N₂ > N₁, то среда будет действовать как усилитель. Среда, в которой осуществлена инверсия населенностей, называется активной средой.

Рис.6.18. Изменение плотности потока фотонов dF при прохождении плоской электромагнитной волны через слой вещества толщиной dz

Если частота перехода υ = (Е₂ – Е₁)/h соответствует оптическому диапазону, то усилитель называется лазером. Практически, слово лазер широко используется не только для частот видимого диапазона, но и для частот, лежащих в инфракрасном, ультрафиолетовом и даже в рентгеновском диапазонах.

Для того чтобы усилитель превратить в генератор, необходимо ввести положительную обратную связь. В лазере обратную связь обычно получают размещением активной среды между двумя зеркалами с высоким коэффициентом отражения (например, между плоскопараллельными зеркалами, как показано на рис. 6.19).

Рис. 6.19. Схема устройства лазера

В этом случае плоская электромагнитная волна, распространяющаяся в направлении, перпендикулярном зеркалам, будет поочередно отражаться от них, усиливаясь при каждом прохождении через активную среду. Если одно из двух зеркал сделано частично прозрачным, то на выходе системы можно выделить пучок полезного излучения. В лазерах генерация возможна лишь при выполнении порогового условия, когда инверсия населенностей N₂ - N₁ - приближается к некоторому критическому значению, называемому критической инверсией. Как только достигнута критическая инверсия, генерация разовьется из спонтанного излучения: действительно, будут усиливаться фотоны, которые спонтанно испускаются вдоль оси резонатора. Этот механизм и лежит в основе лазерного генератора, называемого обычно просто лазером.

Наиболее важными свойствами лазерного пучка являются: а) направленность; б) монохроматичность; в) когерентность; 4) яркость.

Направленность является следствием того, что активная среда помещена в плоскопараллельный резонатор. В таком резонаторе могут поддерживаться только такие электромагнитные волны, которые распространяются вдоль оси резонатора или в очень близком к ней направлении.

Монохроматичность. Это свойство определяется двумя обстоятельствами: а) усиливаться может электромагнитная волна только с частотой υ, определяемой выражением ; б) поскольку устройство из двух зеркал образует резонатор, генерация может возникать только на резонансных частотах этого резонатора.

Когерентность. Для любой электромагнитной волны можно определить пространственную и временную когерентность, или согласованное протекание во времени нескольких колебательных или волновых процессов. Если разность фаз двух колебаний остается постоянной во времени или меняется по строго определенному закону, то колебания называются когерентными.

Если эта разность фаз остается равной нулю в любой момент времени t, то говорят, что между двумя точками имеется полная когерентность. Если такое условие выполняется для любых пар точек волнового фронта, то данная волна характеризуется полной пространственной когерентностью.

Если же это имеет место лишь для определенного интервала времени τ, такою, что 0 < τ < τ₀, то волна характеризуется частичной временной когерентностью с временем когерентности τ₀. На рис 6.20 в качестве примера показана электромагнитная волна с временем когерентности τ₀, которая имеет вид синусоидального электрического поля со скачкообразным изменением фазы через интервалы времени τ₀.

Рис. 6.20. Пример электромагнитной волны

со временем когерентности порядка τ₀

Яркость В какого-либо источника электромагнитных волн определяется как мощность P излучения, испускаемого с единицы поверхности S источника в единичный телесный угол d. На рис. 6.21 показана яркость источника электромагнитного излучения, испускаемая элементом поверхности dS, в направлении ОО' под углом θ между направлением ОО' и нормалью n к поверхности.

Лазер даже небольшой мощности (например, несколько милливатт) имеет яркость, которая на несколько порядков превосходит яркость обычных источников. Это свойство является следствием высокой направленности лазерного пучка.

Рис. 6.21. Поверхностная яркость источника

электромагнитного излучения в точке О

Лазеры разделяются по их активной физической среде. Существуют газовые, жидкостные и твердотельные лазеры.

Газовые лазеры выделяются среди остальных типов лазеров способностью работы в широком спектральном интервале длин волн (от субмиллиметрового диапазона до ультрафиолетового). Они имеют пять разновидностей: газоразрядные, газодинамические, плазмодинамические, химические и электроионизационные.

Наибольшее применение в лазерных технологиях нашли газоразрядные лазеры на углекислом газе, наиболее эффективно работающих на волне с длиной λ = 10,6 мкм.

Активная среда лазеров на углекислом газе представляет собой смесь газов СО₂ + N₂ + Не. Молекулы СО₂ возбуждаются ударами электронов в газовом разряде, причем для увеличения мощности добавляют молекулярный азот (N₂). При этом происходит резонансная передача энергии от возбужденных молекул N₂ молекулам СО₂. Соотношение давлений СО₂ и N₂ обычно выбирается в пределах 1/1—1/5 при суммарном рабочем давлении в несколько сотен паскалей. Добавление в смесь гелия (Не) способствует более быстрому обеднению нижнего лазерного уровня и повышению выходной мощности излучения.

Лазеры на СО₂ имеют коэффициент полезного действия (КПД) до 40%. На величину эффективности преобразования энергии накачки в энергию когерентного излучения влияет температура активной среды. Повышение температуры приводит к увеличению населенности нижнего лазерного уровня. Повышение мощности генерации достигается за счет эффективного охлаждения активной среды и быстрой прокачки смеси газов через рабочую полость.

На рис. 6.22 представлена схема устройства СО₂-лазера с поперечным возбуждением.

Рис. 6.22. Схема устройства СО₂-лазера с поперечной прокачкой

В случае лазеров с поперечной прокачкой не возникает ограничения по давлению сверху. Однако поднять давление выше 50-100 мм ртутного столба нелегко, поскольку увеличение давления требует соответствующего повышения напряжения разряда. Данное осложнение можно преодолеть, если пустить разрядный ток в направлении, перпендикулярном оси резонатора как показано на рис. 6.23.

В твердотельных лазерах активными центрами являются ионы Cr³⁺ или ионы редкоземельных элементов, введенные в кристаллическую физическую среду. В качестве рабочего вещества используют твердые тела типа синтетического рубина.

Синтетический рубин представляет собой искусственно выращенный кристалл оксида алюминия А1₂О₃, в который вводятся и равномерно распределяются по объему атомы хрома Сr в количестве 0,05% от массы кристалла. Примесь хрома придает рубину характерный розово-красный цвет. Атомы хрома в кристалле рубина являются оптически активными центрами и генерируют когерентное излучение в видимой части спектра с длиной волны λ=0,6943 мкм (красный цвет).

Твердотельные полупроводниковые лазеры подразделяют на инжекционные, лазеры с электронной или оптической накачкой. Они обладают: а) миниатюрностью, обусловленной очень большим усилением; б) большим КПД; в) возможностью широкополосной внутренней модуляции излучения по цепи накачки; г) перестройкой длины волны излучения в широком диапазоне.

Рис. 6.23. Схема устройства СО₂ - лазера с поперечным возбуждением

В соответствии с методами создания инверсии населенностей уровней, полупроводниковые лазеры подразделяют на инжекционные, лазеры с электронной или оптической накачкой.

Наиболее распространены полупроводниковые инжекционные лазеры. В них генерация когерентного излучения происходит при вынужденной рекомбинации избыточных носителей заряда в областях, прилегающих к полупроводниковому переходу с энергией кванта, близкой к ширине запрещенной зоны.

Если температура полупроводника такова, что заштрихованная область V соответствует полностью заполненным энергетическим состояниям (рис. 6.24, а), то при попадании электронов E_g из валентной зоны F_v в зону проводимости F_c в течение интервала времени ~10^-13 с электроны «переместятся» на ее самый нижний уровень. Это означает, что между валентной зоной F_v и зоной проводимости F_c возникнет инверсия населенностей hv (рис. 6.24, б). Поскольку электроны стремятся перейти из зоны С в зону V, то при помещении такого полупроводника в соответствующий резонатор, можно получить генерацию лазерного излучения.

В качестве полупроводникового инжекционного лазера наибольшее распространение получили диоды на кристаллах арсенида галлия (GаАs). Применяют полупроводниковые лазеры для оптической накачки твердотельных лазеров.

Рис. 6.24. Принцип действия полупроводникового лазера

В технологиях машиностроения лазеры применяют для следующих видов обработки материалов: а) лазерная резка; б) лазерная закалка; в) лазерное легирование; г) лазерная сварка. Оборудование для выполнения этих операций может быть различно как по составу, так и по назначению. По составу лазерное технологическое оборудование может быть технологическим лазером (ТЛ), лазерной технологической установкой (ЛТУ) и лазерным технологическим комплексом (ЛТК).

Технологический лазер - это источник лазерного излучения, соответствующий заданным техническим требованиям с необходимым комплектом запасных частей. ТЛ является основным компонентом лазерного технологического оборудования.

Лазерная технологическая установка - это технологический лазер с внешним оптическим трактом, комплектом внешней оптики и соответствующим числом запасных частей. В некоторых случаях в ЛТУ имеется манипулятор изделий, работа которого не связана с работой технологического лазера.

ЛТУ предназначены в основном для создания специализированных комплексов на предприятиях заказчика. В настоящее время технологические лазеры поставляются только в комплекте лазерных технологических установок.

Лазерный технологический комплекс – это ЛТУ, снабженная манипулятором изделия или оптики, вспомогательное технологическое оборудование и система управления для проведения технологических операций. Все части ЛТК функционально связаны между собой для выполнения технологического процесса. Практически только при наличии ЛТК можно успешно выполнять те или иные технологические операции в достаточном объеме.

В случае применения автоматизированного манипулятора изделия или оптики и наличия соответствующих систем связи между системами управления манипулятором и лазером комплекс считается автоматизированным технологическим комплексом (АЛТК).

По назначению и способности выполнять то или иное количество операций всю гамму лазерного технологического оборудования подразделяют на универсальное, специализированное и специальное. Соответственно, оно используется в единичном, серийном и массовом производстве.

Специализированные ЛТК создаются на основе одного отработанного технологического процесса при обработке одной детали и предназначен для предприятий, выпускающих ограниченную номенклатуру изделий крупными сериями. При замене технологического процесса большая часть такого оборудования, в частности манипулятор изделия или оптики, подлежат замене.

Специальные ЛТК создаются для решения специальных единичных крупных задач разового исполнения.

Универсальные ЛТК и АЛТК являются общепромышленным оборудованием и предназначены для выполнения целого ряда операций или для обработки нескольких деталей. Обычно универсальные ЛТК используются в серийном и мелкосерийном производстве, и при смене технологического процесса они сохраняют свой состав и основные функции.

Лазерная резка металлов позволяет относительно просто, в автоматическом режиме, изготавливать сложные детали из листовых заготовок без образования стружки при их минимальных тепловых деформациях. Лазерная резка экономически выгодна и технически целесообразна из-за гибкости процессами исключения подготовительных работ (конструкторских и подготовки производства), присущих традиционной технологии получения подобных деталей - холодной листовой штамповке. Скорость резки обратно пропорциональна толщине материала и прямо пропорциональна мощности падающего лазерного излучения при величинах, превышающих определенный порог.

Для реализации технологии лазерной резки в настоящее время созданы различные лазерно-технологические системы, оснащенные лазерными излучателями (газовыми и твердотельными), работающими как в непрерывном, так и в импульсных режимах.

Преимущества лазерной резки перед традиционными способами заключается в следующем:

- отсутствие механического контакта с обрабатываемым объектом;

- возможность концентрирования энергии луча в пятно размером до десятых долей миллиметра;

- транспортировка излучения на большие расстояния;

- возможность автоматизации процесса резки;

- возможность быстрой перестройки производства на другие типоразмеры.

ЛТК с манипуляторами изделия со сложным перемещением обычно создаются на базе двух координатных столов, на которые могут устанавливаться различные ротационные системы. Могут также применяться в качестве манипуляторов промышленные роботы.

По характеру манипулятора оптики можно выделить системы с перемещением оптических элементов по линейной и вращательной траектории. ЛТК с манипуляторами оптики со сложной траекторией получили название «лазер-робот».

ЛТК смешанного типа включают перемещение оптики и детали как по линейным, так и по сложным траекториям.

Имеются многоцелевые ЛТК, которые сконструированы таким образом, что могут после некоторой переналадки выполнять несколько операций, например резку, сварку и закалку. В том случае, когда переналадка при переходе с одной операции на другую происходит автоматически, универсальный комплекс имеет название «лазерный обрабатывающий центр» (ЛОЦ). Сейчас распространение получили ЛОЦ на базе твердотельных лазеров.

По форме обрабатываемых изделий ЛТК предназначаются для обработки плоских деталей (резка и сварка листовых материалов) и для обработки тел вращения (резка и сварка труб, закалка валов).

Разновидностью ЛТК для обработки плоских деталей являются комплексы для лазерной резки листовых материалов, в которых стол является неподвижным, а листы перемещаются по столу по двум координатам с помощью специальных захватных устройств. Для перемещения листа обычно используется электропривод с двигателями постоянного тока в сочетании с шариковинтовыми парами.

На рис. 6.25 приведена схема ЛТК, которая включает СО₂-лазер мощностью 600 Вт с апертурой пучка 12 мм и расходимостью 2 мрад. Перемещение по осям X и Y 1250 и 1000 мм, скорость обработки до 24 м/мин, точность вырезки деталей 0,2 мм, максимальная масса листа 60 кг.

Расход гелия составляет 50...100 л/ч, азота 10...20 л/ч, СО₂ 5...10 л/ч, режущего газа 1,5...2 м³/ч, сжатого газа 1 м³/ч, воды 1000 л/ч. Полная масса АЛТК 5,2 т, занимаемая площадь 30 м². Потребляемая мощность 15 кВт.

Рис. 6.25. Схема АЛТК для лазерной резки листовых материалов: 1 – частично отражающее зеркало; 2 – резонатор; 3 – полностью отражающее зеркало; 4 – выходящий луч; 5 – отклоняющее зеркало; 6 – фокусирующая линза; 7 – узел лазерной резки; 8 – отсос газа; 9 – отвод жидкости; 10 – выход деталей; 11 – сепаратор; 12 – кассета;

13 – зажим заготовки; 14 – система перемещения

Оптический тракт АЛТК показан на рис. 6.26. Для поддержания постоянного расстояния от сопла до поверхности разрезаемого материала оптическая головка перемещается по оси Z в пределах до 600 мм. Поддержание постоянного зазора осуществляется автоматически с помощью емкостного датчика, подключенного к системе обратной связи. Вследствие этого можно резать металлические листы со значительной волнистостью. Все оптические элементы имеют водяное охлаждение.

Комбинированные системы включают в свой состав кроме ТЛ другие машины и инструменты. Наибольшее распространение получили АЛТК для резки, в которых кроме лазера имеется револьверный режущий или вырубной пресс небольшой мощности. Такие АЛТК получили название лазер-пресс.

По конструкции манипулятора эти АЛТК относятся к двухкоординатным системам, поскольку листы при обработке перемещаются с помощью специальных захватных устройств по двум координатам. Комбинация лазера и пресса в одном комплексе существенно расширяет возможность каждого из этих инструментов. При обработке листовых материалов это дает эффект существенного повышения производительности.

Например, лазер-пресс в листе длиной 1500 мм вырубает за 5 секунд 14 отверстий диаметром 10…20 мм, 5 овальных пазов с максимальным линейным размером 100 мм высекает за 20 секунд и вырезает фасонный контур по длине листа за 30 секунд. В результате один лист обрабатывается за 65 секунд, тогда как на листоштамповочном прессе только высечка фасонного контура выполняется за 80 секунд. Кроме того, при резке на лазере-прессе сокращается время на загрузку и разгрузку, так как все операции осуществляют на одном станке.

Рис. 6.26. Схема внешнего оптического тракта АЛТК: 1 - отклоняющие зеркала; 2 - лазерный луч; 3 - оптическая головка; 4 – подача газа;

5 - фокусирующая линза; 6 - емкостный датчик; 7 – обрабатываемый материал; 8 - рабочий стол

В АЛТК «лазер-пресс» (рис. 6.27) оптическая головка и зажим вырубного пресса размещены в одной станине. Отрицательное влияние динамики операций вырубки на юстировку оптического тракта лазера уменьшено за счет того, что во время штамповки оптическая система поднимается на воздушной подушке.

Обрабатываемый лист зажимается в координатной направляющей с помощью гидравлических захватных устройств. Для обеспечения постоянства расстояния от фокусирующей системы до плоскости реза резак плотно прижимается к листу, причем на прижимаемой плоскости резака имеются шарики для обеспечения движения листа; такие же шарики вмонтированы в поверхность стола. Как и в АЛТК 2-координатного типа (см. рис. 6.25), в станине стола имеются сепаратор и система отсоса отработанных газов, что также способствует получению высокого качества реза.

Для штамповки АЛТК (рис. 6.27) оборудован гидравлическим устройством. Инструменты для вырубки (штампы) используют при изготовлении сквозных отверстий простой формы с небольшим диаметром. Для листового материала, плохо обрабатываемого лазером (например, из алюминия и меди) предусмотрены штампы для вибрационной высечки. Кроме того, выполняются операции вытяжки и отбортовки.

Рис. 6.27. Схема АЛТК «лазер-пресс»

Комплект инструментов для штамповки и вибрационной высечки состоит из штампа, матрицы и съемника; они устанавливаются оператором в магазине за 15 с. Установка инструмента в захват головки пресса производится автоматически по команде от ЧПУ. Магазин имеет 15 позиций с максимальным диаметром инструмента 76 мм. Пресс работает от привода эксцентрикового типа.

Лазерные гибкие производственные системы (ГПС), в отличие от АЛТК, включают в свой состав автоматизированный склад листового материала, робот для загрузки и выгрузки листа, АЛТК с набором сменных оптических головок, датчиков и вспомогательных технологических приспособлений и центральную систему управления.

ГПС (рис. 6.28) включает в свой состав СО₂-лазеры мощностью 5 и 10 кВт, а также твердотельный полупроводниковый инжекционный ИАГ-лазер мощностью 300 Вт.

Лазерный обрабатывающий модуль (см. рис. 6.28) имеет три рабочие позиции. На рабочей позиции с CO₂ - лазером мощностью 10 кВт установлены две обрабатывающие головки для резки и сварки листов толщиной до 20 мм.

На рабочей позиции с лазерным осциллятором на CO₂ (см. рис. 6.28) мощностью 10 кВт имеется одна обрабатывающая головка для лазерной закалки торцевых поверхностей валов и шестерен, внутренних поверхностей в валах, поверхностей зубьев шестерен. Головка оснащена сканером, колеблющим луч с частотой 120 Гц. На рабочей позиции ИАГ - лазера (см. рис. 6.28) имеются две обрабатывающие головки: одна предназначена для размягчения металла при токарной обработке, а вторая - для снятия заусенцев с зубьев.

Рис. 6.28. Схема ГПС с 4 лазерными позициями.

Лазерная закалка характеризуется «жестким» термическим циклом и значительным перегревом. Таким образом, сущность закалки состоит в бездиффузионном превращении при быстром охлаждении гранецентрированной кубической решетки аустенита в искаженную объемно-центрированную кубическую решетку мартенсита.

Закалка предполагает не только быстрый нагрев зоны обработки излучением лазера выше температуры фазового перехода, но и его охлаждение со скоростью больше критической. Самоохлаждение при лазерной закалке происходит за счет передачи тепла от нагретого поверхностного слоя вглубь детали. Также используются охлаждающие среды. Если максимальная температура в области, нагреваемой лазерным лучом, не превышает температуры плавления металла, то все фазовые переходы происходят в твердом состоянии и качество механической обработки поверхности остается прежним.

Схема лазерной закалки со сканированием представлена на рис. 6.29. Оптимальность режима термообработки со сканированием характеризуется производительностью процесса.

Режим закалки со сканированием должен обеспечивать необходимую глубину упрочнения слоя при отсутствии на поверхности локальных оплавленных участков.

Чаще всего лазерную закалку применяют для деталей, работающих в парах трения, так как в результате этой закалки значительно повышается износостойкость и улучшаются поверхностные свойства деталей. Наилучшие результаты по износостойкости имеют поверхности с сеткой закаленных лазером дорожек, занимающей 20...25% всей площади для перлитных чугунов и 5...10 % для ферритных чугунов.

Рис. 6.29. Схема лазерной закалки со сканированием: 1 – лазерный пучок, 2 – фокусирующая система, 3 – сканатор с колеблющимся по некоторому закону зеркалом, 4 – обрабатываемый материал, 5 – сечение закаленной дорожки, Р₀ – мощность лазерного излучения, r – радиус лазерного пучка на поверхности материала, σ – площадь сечения лазерного пучка, d – амплитуда сканирования, S – площадь зоны нагрева, z_зак – глубина зоны закалки, v – скорость перемещения обрабатываемого материала относительно зоны нагрева

Лазерное легирование принципиально отличается от закалки из жидкого состояния тем, что изменяется химический состав упрочненного слоя. На деталях, выполненных из простых конструктивных материалов можно создавать локальные области с высокими служебными характеристиками, вместо того, чтобы эти детали целиком изготовлять из дефицитных сплавов.

Используя лазерное легирование, можно внести дефицитные компоненты в тонкий слой на локальном участке изделия, повысив при этом износостойкость, коррозионную стойкость, контактную выносливость и другие служебные характеристики. Схема процесса лазерного легирования показана на рис. 6.30.

Рис. 6.30. Схема процесса лазерного легирования: 1 – образец, движущийся со скоростью v, 2 – легированная дорожка, 3 – ванна расплава, 4 – лазерный пучок, 5 – фокусирующая система, 6- защитный газ, 7 – легирующая обмазка

Образец с тонким слоем легирующей обмазки при движении под лазерным лучом локально оплавляется, легирующие компоненты переходят в объем жидкой ванны металла, которая затем кристаллизуется. При этом происходят взаимосвязанные процессы тепломассопереноса и микрометаллургические процессы.

В качестве легирующих добавок используются три основные группы веществ: неметаллы, металлы и сплавы, карбиды. Легирующие вещества поступают в зону легирования, как непосредственно в процессе лазерной обработки в виде вдуваемого порошка или подаваемой проволоки, так и предварительно наносятся на поверхность металла (гальваническим осаждением, плазменно-вакуумным напылением), а затем расплавляются лазерным лучом.

Легирование малоуглеродистых сталей углеродом приводит к формированию мелкозернистой структуры из мартенсита и остаточного аустенита (при этом микротвердость достигает 9000 МПа), а азотом - к азотистому мартенситу, остаточному аустениту и нитридам железа. Небольшое содержание бора увеличивает микротвердость до (6...12).10³ МПа.

При легировании чистыми металлами (Со, Сr, Ni, Мn, Мо, W, Тi, V и т.д.) происходит формирование пересыщенных твердых растворов и образование интерметаллидов, приводящих также к повышению в несколько раз микротвердости в зонах легирования.

Лазерная сварка является методом сварки плавлением, т.е. соединяющиеся детали сплавляются под воздействием лазерного излучения. Особенностями являются высокая плотность мощности, а при импульсной сварке - быстрое охлаждение с коротким временем воздействия.

ТЛ применяются для точечной и шовной сварки. Шовная сварка может происходить непрерывно или в режиме точечной сварки внахлестку.

Сваривание деталей происходит при значительно меньших плотностях мощности, чем резка. Это объясняется тем, что при сварке необходимы только разогрев и плавление материала, то есть необходимы плотности мощности, еще недостаточные для интенсивного испарения (10⁵ -10⁶ Вт/см²), при длительности импульса около 10^-3-10^-4 сек.

ТЛ для сварки способны сваривать разнородные металлы, производить минимальное тепловое воздействие за счет малого размера лазерного пятна, а также сваривать тонкие проволоки диаметром менее 20 мкм.