ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ (Что-то вроде лекций или метод), страница 6

Инверсия населенностей в твердотельных лазерах создается оптической накачкой с помощью ламп-вспышек, световой поток которых поглощается рабочим веществом, возбуждая его.

Питание лампы-вспышки В осуществляется от источника 8 (рис. 4.15, а). Для лучшей концентрации светового потока на элементе П применяется рефлектор Г.

Рис. 4.15. Схема ОКГ на твердом теле (а) и структура импульса излучения (б):

1 — блок охлаждения; 2 — наблюдательная система; 3 — глаз; 4 — оптическая система; 5 — заготовка; 6 — рабочий стол; 7 — блок управления; 8 — источник питания лампы накачки; 9 — лазерная головка; П — активный элемент; Е, Ж — глухое и полупрозрачное зеркала резонатора; В — лампа-вспышка; Г — рефлектор; Д — лазерный луч; τ_ии — длительность импульса излучения лазера; τ_ис — длительность импульса лампы-вспышки

Значительная часть энергии (до 50%), поглощенной активным элементом П, тратится на его нагрев, ухудшающий работу ламп. Чтобы исключить это, применяют блок охлаждения /. Луч света, испускаемый активным элементом, усиливается за счет многократного отражения от глухого зеркала Е и выходного полупрозрачного зеркала Ж и выходит из оптического резонатора в виде узконаправленного светового луча с малым углом расходимости, который с помощью оптической системы 4 можно сфокусировать в точку, линию, группу параллельных лучей, окружность и т.д.

Диапазон длин волн, генерируемых различными типами лазеров, весьма широк и составляет примерно 0,1...70 мкм. Для технологических целей обычно используют ОКГ, у которых длина волн X находится в пределах 0,4... 10,6 мкм. Диаметр луча на выходе ОКГ без системы 4 определяется размерами активного элемента и зависит в основном от энергии накачки W„. Несмотря на то, что лазерный луч высококогерентен, он имеет определенную угловую расходимость θ, которая определяется как

θ = 4λ/(πd_Д),

где d_Д — диаметр луча в месте его выхода из резонатора.

Практически из-за дифракционных явлений величина θ на 1—2 порядка больше расчетной и составляет единицы или несколько десятков угловых минут.

Длительность импульса τ_им излучения лазера определяется длительностью импульсного разряда лампы-вспышки В, оптическими свойствами активного элемента, свойствами резонатора и температурным режимом. У твердотельных ОКГ τ_им = 0,1 ...5 мс, при этом на протяжении всего импульса генерация происходит отдельными пичками, последовательность которых, как правило, нерегулярная, τ_пич = 1 ...5 мкс, а длительность интервала между пичками составляет 0,1...0,5 мкс в течение основного времени генерации и может увеличиваться до десятков и сотен микросекунд в конце светового импульса (рис. 4.15, б). Средняя мощность импульсного излучения твердотельных ОКГ лежит в диапазоне от единиц до сотен киловатт. Мощность газовых лазеров на нейтральных атомах составляет милливатты, а молекулярных — от единиц до сотен ватт. В последнее время разработаны С0₂-лазеры с быстрой поперечной прокачкой газа, циркулирующего в замкнутом объеме. При сравнительно небольших габаритах на них удается получить уровни мощности 6...10 кВт в непрерывном режиме генерации.

Выходная энергия твердотельных лазеров находится в пределах от долей джоуля до тысяч джоулей, а КПД их не более 1 ...2%.

Система нуждается в охлаждении, так как при температуре выше 70°С эффективность работы ухудшается.

Средняя плотность потока энергии в поперечном сечении луча при использовании фокусирующих оптических систем может достигать 10¹² МВт/м², сварка и резка тонких пленок осуществляется при плотностях менее 10⁴ МВт/м², а размерная обработка материалов значительной толщины — при плотностях потока энергии более 10²...10³ МВт/м² и длительности импульса менее 1,5 мс.

Анализ условий формообразования при обработке лучом ОКГ. Тепловой эффект в зоне обработки возникает вследствие торможения потока фотонов в тонких поверхностных слоях материала. Глубина обработки определяется в основном длительностью импульса облучения и положением фокуса управляющей линзы относительно поверхности. Вследствие того, что фокус в процессе обработки (рис. 4.16) может оказаться на поверхности заготовки, под поверхностью заготовки или над поверхностью заготовки, имеем три различных случая обработки.

При совпадении фокуса с поверхностью, при действии каждого импульса последовательно возникают две фазы — квазистатическая (как бы равновесная), характерная постепенным нагревом зоны обработки, что уменьшает прочностные связи обрабатываемого материала с основным массивом, и динамическая, заключающаяся во взрывоподобном удалении жидких и газообразных продуктов облучения из кратера.

При расположении фокуса в толще обрабатываемого материала на некоторой глубине под поверхностью образуется тепловое ядро, из которого в конце импульса через каналы проводимости вырывается расплавленный металл в виде жидкой или паровой фазы. Стенки канала истечения оказываются оплавленными.

При расположении фокального пятна над поверхностью обработки в фокальной области возникает высокотемпературная плазма, вызывающая при высоких плотностях энергии пробой газа,

Рис. 4.16. Образование отверстий:

а — фокус луча лазера выше обрабатываемой поверхности; б — фокус на обрабатываемой поверхности; в — фокус ниже обрабатываемой поверхности; F — фокусное расстояние; ΔF — расстояние между фокусом луча и обрабатываемой поверхностью

фронт которого распространяется к фокусирующей линзе, что приводит к поглощению части энергии; однако остальная часть энергии взаимодействует с верхними слоями заготовки, причем, как и в предыдущих случаях, могут осуществляться квазистатическая и динамическая фазы. При значительных смещениях фокуса — (более 1,5 мм) пробой газа поглощает большую часть энергии, и динамическая фаза может не возникнуть. Образование глухих и сквозных отверстий происходит по примерно одинаковой схеме — входная конусная часть отверстия возникает вследствие оплавления стенок истекающим металлом. Бочкообразная форма отверстия соответствует положению фокуса под обрабатываемой поверхностью. Действию плазмы соответствует широкий угол конуса на входной поверхности. При образовании сквозных отверстий возникает выходной конус (на рис. 4.16 не показан).

При РОСЛ доминирующее значение имеют погрешности, связанные с неточностью изготовления элементов оптической системы, их износ и неточность наводки. Суммирование всех перечисленных факторов приводит к получению поля рассеивания диаметральных размеров по 7—8-му квалитетам. Суммарное поле рассеивания линейных размеров при обработке ОКГ соответствует 7—12-му квалитетам. Точность взаимного положения отверстий, оцениваемая в полярных координатах, соответствует ±1’.

Макро-и микрогеометрия поверхности, обработанной лучом ОКГ. Состояние поверхности обработки определяется материалом, энергетическими параметрами импульса и положением фокуса. Чем выше энергия импульса и меньше время его действия, тем чище поверхность обработки. Характерные особенности макрогеометрии поверхности — это волнистость, наплывы, впадины. Микрогеометрия зависит от вида материала. Для нержавеющих сталей характерна гладкая с цветами побежалости поверхность с шероховатостью Ra 0,16...0,08 мкм. Латунь Л62 дает гладкую поверхность с Ra 0,32...0,16 мкм, а алюминий — оплавленную матовую поверхность с Ra 0,63...0,32 мкм.

Керамику покрывают слоем стекловидного оплавленного материала с Ra 0,08...0,04 мкм. Однако этот слой непрочен и, скалываясь, обнажает поверхность шероховатостью Ra 0,63...0,32 мкм.

Вход и выход отверстий имеют шероховатость хуже в 2—4 раза.

Повышение качества поверхности и точности обработки ОКГ может быть достигнуто как уменьшением составляющих суммарной погрешности и совершенствованием процессов управления параметрами импульса, так и дополнительными операциями, например калибровкой отверстия струей сжатого воздуха или световым лучом. При этом шероховатость поверхности может быть снижена в 2-4 раза и уничтожаются такие погрешности, как выходной конус и ошибки поперечной формы отверстия.

Лазерную обработку применяют для прошивания сквозных и глухих отверстий, разрезки заготовок на части, вырезания заготовок из листовых материалов, прорезания пазов. Этим методом можно обрабатывать заготовки из любых материалов, включая самые твердые и прочные. Например, лазерную обработку отверстий применяют при изготовлении диафрагм для электронно-лучевых установок. Диафрагмы изготовляют из вольфрамовой, танталовой, молибденовой или медной фольги толщиной приблизительно 50 мкм при диаметре отверстия 20...30 мкм. С помощью лазерного луча можно выполнить контурную обработку по аналогии с фрезерованием, т.е. обработку поверхностей по сложному периметру. Перемещениями заготовки относительно луча управляет система ЧПУ, что позволяет прорезать в заготовках сложные криволинейные пазы или вырезать из заготовок детали сложной геометрической формы.

4.8. ПЛАЗМЕННАЯ РАЗМЕРНАЯ ОБРАБОТКА И СВАРКА МАТЕРИАЛОВ

Плазменная струя, применяемая для технологических целей, представляет собой направленный поток частично или полностью ионизированного газа, имеющего температуру 10 ООО...20ООО "С.

Плазменная струя выделяется из токоведущего столба дуги в дуговых плазменных головках (рис. 4.17). Дуговой разряд возбуждается в канале 2 между электродом / из вольфрама и соплом 5. Канал 2 электрически изолирован от сопла и электрода. Вдоль дуги по каналу пропускают газ (аргон, гелий, азот, водород, метан

Рис. 4.17. Схемы дуговых плазменных головок:

а — с раздельным соплом и каналом со струей, выделенной из столба дуги; б — с совмещенным соплом и каналом со струей, выделенной из столба дуги; в — с совмещенными соплом и каналом со струей, совпадающей со столбом дуги; / — электрод; 2 — канал; 3 — охлаждающая вода; 4 — столб дуги; 5— сопло; б — плазменная струя; Е — источник тока

и др.). Этот газ обжимает столб дуги 4, что повышает плотность его энергии и температуру. Мощность столба повышается, газ при соударении с электронами ионизируется и выходит из сопла в виде ярко светящейся плазменной струи 6.

Применяют два основных плазменных источника нагрева: плазменную струю, выделенную из столба косвенной дуги, и плазменную дугу, в которой дуга прямого действия совмещена с плазменной струей.

Различают дуговые плазменные головки с раздельными (рис. 4.17, а) и совмещенными (рис. 4.17, б) соплом и каналом. Плазменная струя может быть выделена из столба или совпадать с ним (рис. 4.17, в). Струя, совпадающая с токоведущим столбом, используется для обработки электропроводных материалов. Плазменная струя, выделенная из токоведущего столба дуги, используется как независимый источник теплоты. Основная характеристика плазменной струи в качестве источника теплоты — это эффективная тепловая мощность, Дж/с,

q = η_иUI,

где η_и — эффективный КПД плазменного нагрева заготовки; U — напряжение дуги, В; / — ток дуги, А.

Эффективная тепловая мощность плазменной струи может регулироваться изменением тока и напряжения дуги, расхода и состава газа, диаметра канала и сопла, расстоянием между соплом и нагреваемым изделием. При среднем расходе газа для плазменной струи, выделенной из столба дуги, η_и = 30...50%.

Плазменной струей можно проводить размерную обработку различных материалов: металлов, полупроводников и диэлектриков. Плазменной струей проводят также резку материалов, особенно тех, резка которых другими способами затруднена, например меди, алюминия и др.

Процесс резки осуществляют путем расплавления и выдувания расплавленного материала потоком газа, имеющего скорость 300... 1000 м/с, и частичного испарения. Плазменной струей можно разрезать цветные металлы и сплавы, высоколегированные стали, тугоплавкие металлы, керамику и прочее (практически все материалы).

Плазменным методом обрабатывают заготовки из любых материалов, выполняя прошивание отверстий, вырезку заготовок из листового материала, строгание, точение. При прошивании отверстий, разрезке и вырезке заготовок головку устанавливают перпендикулярно к поверхности заготовки, при строгании и точении — под углом 40...60°.

Принципиально новый метод изготовления деталей — это плазменное напыление с целью получения заданных размеров.

Плазменное напыление применяют и для получения деталей из напыляемого материала.

4.9 Ионная обработка оптических материалов

Ионная обработка – это управляемый процесс формирования оптических поверхностей с заданными характеристиками и топографией, в основе которого лежит физическое явление атомной эмисси (распыление) с поверхности мишени под действием бомбардировки энергетическими частицами (ионами).

25