Глава 4

ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВАЯ, СВЕТОЛУЧЕВАЯ И ПЛАЗМЕННАЯ ОБРАБОТКА

В главе приведены данные об электрофизических методах обработки (электронно-лучевой, светолучевой и плазменной), основанных на преимущественно тепловых эффектах, которые сопровождают протекание электрического тока, с созданием в зоне обработки высоких плотностей тепловой мощности; даны сведения о комбинированных процессах, объединяющих эти методы с традиционными, например обработкой резанием.

4.1. СУЩНОСТЬ И КЛАССИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССОВ

Сущность. Электронно-лучевая обработка (ЭЛО) основана на воздействии на материал заготовки сформированного пучка электронов, кинетическая энергия которого, преобразуясь в рабочей зоне в тепловую, вызывает нагрев, плавление и (или) испарение обрабатываемого материала.

При светолучевой обработке (СЛО) аналогичное воздействие на материал оказывает сфокусированное полихроматическое или монохроматическое излучение. В последнем (наиболее важном для практики) случае процесс называется лазерной обработкой.

При плазменной обработке (ПЗО) происходят процессы, при которых в результате воздействия потока низкотемпературной (t = 3-103 ч- 3-104 °С) плазмы возникают изменения химического состава, структуры или физического состояния обрабатываемого материала. При этом изменяются форма и (или) геометрические размеры обрабатываемой заготовки.

Классификация. Процессы ЭЛО, СЛО и ПЗО классифицируют на основе их использования в конкретных технологических условиях.

К процессам ЭЛО относятся [11, 23, 33, 341 сварка, пайка, вырезание прецизионных заготовок, прошивание отверстий, резание труднообрабатываемых Материалов, нанесение покрытий, запись информации (рис. 4.1).

К процессам СЛО относятся [2, 21, 24, 29, 34] вырезание заготовок, нанесение маркировки, скрайбирование, локальное легирование и упрочнение, сварка, пайка; в последнее время развиваются комбинированные методы: лазерно-ультразвуковая и лазерно-механическая обработка.

Процессы ПЗО классифицируют по характеру воздействия потока низкотемпературной плазмы [91. Нагрев

обрабатываемого материала вызывает разупорядочение его структуры, что обусловливает наиболее широкое применение ПЗО для разупрочнения (деструкции) как электропроводных, так и неэлектропроводных материалов.

Плазменная обработка электропроводных материалов осуществляется в области разряда при условии наличия электрического поля. При этом передача энергии осуществляется за счет теплопроводности, конвекции и излучения, а также посредством движущихся в электрическом поле заряженных частиц, что позволяет повысить эффективность процессов плавления и рафинирования металла. Высокая концентрация теплового потока в плазменной дуге позволяет широко использовать ее для резания металлов, строгания, полирования и поверхностного переплава. Расширяется применение нового [15, 30] комбинированного метода - плазменно-механи-ческой обработки (ПМО).

Плазменная обработка неэлектропроводных материалов применяется для разрезания, бурения и поверхностного разрушения, реализуемых как в режиме выплавления, так и в режиме термовыкалывания.

Соединение деталей из электропроводных материалов посредством расплавления кромок с последующим затвердением зоны расплавления осуществляется при плазменной сварке

Рэ. Вт

Ю* ~№е №' №ш Ю'г Руф/м*

Рис. 4.1. Области реализации процессов ЭЛО при различных мощностях Ps электронного пучка:

/ - плавление при t7y - 15-э s>40 кВ; 2 - испарение при Uy - = 10 s40 кВ; 3 - сварка при Uy - = 15175 кВ; 4 - резание прн Су = 20© 250 кВ; Uy - ускоряю, щее напряжение; Руд - удельная мощность пучка

В отдельную область ПЗО выделяют синтез материалов, т. е. получение композиционных материалов, выращивание кристаллов, восстановление чистых веществ, получение сфероидизированных и тонкодисперсных порошков

Использование методов ПЗО для формирования поверхности с заданными свойствами развивается по следующим двум направлениям: изменение структуры поверхностного- слоя заготовок и нанесение на них другого материала.

Для электропроводных материалов к первому направлению относятся поверхностный переплав, закалка, азотирование и карбидизация, а для неэлектропроводных материалов - обжиг, оплавление и модифицирование поверхности. Второе направление включает плазменное напыление и наплавку. Применительно к неэлектропроводным материалам эти методы известны как плазменная металлизация, глазирование и торкретирование.

4.2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ, ЗАКОНОМЕРНОСТИ И РАБОЧИЕ СРЕДЫ

Технологические параметры ЭЛО [19, 23, 33, 34] определяются условиями генерации свободных электронов и их ускорения, характером управления (фокусирования, отклонения) электронным пучком и процессами взаимодействия пучка с материалом заготовки.

Дополнительная энергия, необходимая для удаления из атома электрона, может быть подана различными способами; наиболее распространенным является нагрев твердых тел, в результате которого последние начинают эмитировать термоэлектроны; причем плотность тока термоэлектронов растет с ростом температуры. В связи с этим материал катода должен обладать высокой температурой плавления /пл. Однако даже у таких материалов, как торированный вольфрам (W + Th) или гексаборид лантана (LaBe), срок эксплуатации оказывается недостаточным и поэтому в последнее время получили распространение новые методы генерации свободных электронов (например, получение электронов из плазмы газового разряда).

Основным методом ускорения электронов и формирования пучка с определенной энергией является ускорение посредством наложения электрического поля. При этом