Научная статья на тему 'ПРИМЕНЕНИЕ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ДЛЯ ЛОКАЛЬНОЙ ТЕРМООБРАБОТКИ'

ПРИМЕНЕНИЕ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ДЛЯ ЛОКАЛЬНОЙ ТЕРМООБРАБОТКИ Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

CC BY
78
13
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Область наук
Ключевые слова
ЛУЧ / ИЗЛУЧЕНИЕ / ИМПУЛЬС / ТЕХНОЛОГИЯ / ЗАКАЛКА / ЛЕГИРОВАНИЕ / ОБРАБОТКА / BEAM / RADIATION / PULSE / TECHNOLOGY / QUENCHING / ALLOYING / PROCESSING

Аннотация научной статьи по нанотехнологиям, автор научной работы — Зубарев М.С.

В данной статье рассматривается технологическое применение лазера в качестве инструмента для локальной термообработки. Современные непрерывные лазеры обеспечивают интенсивность сфокусированного излучения на уровне до 1010Вт/см2, а в импульсных системах, применяемых, например, для исследований в области лазерного термоядерного синтеза, эта величина достигает значений 1016-1017 Вт/см2. Для сравнения, средняя интенсивность солнечного излучения на поверхности Земли составляет около 0,1 Вт/см2, и при фокусировке ее можно увеличить до 10 Вт/см2. Высокая интенсивность лазерного излучения открывает широкие возможности его технологических применений в качестве инструмента для локальной термообработки.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по нанотехнологиям , автор научной работы — Зубарев М.С.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

APPLICATION OF LASER RADIATION FOR LOCAL THERMAL TREATMENT

This article discusses the technological application of a laser as a tool for local heat treatment. Modern continuous lasers provide focused radiation intensity up to 1010 W / cm2, and in pulsed systems used, for example, for research in the field of laser fusion, this value reaches values of 1016-1017W / cm2. For comparison, the average intensity of solar radiation on the Earth's surface is about 0.1 W / cm2, and when focusing it can be increased to 10 W / cm2. The high intensity of laser radiation opens up wide possibilities for its technological applications as a tool for local heat treatment.

Текст научной работы на тему «ПРИМЕНЕНИЕ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ДЛЯ ЛОКАЛЬНОЙ ТЕРМООБРАБОТКИ»

УДК 621.785

Зубарев М. С. студент магистратуры

РТФ

Поволжский государственный технологический университет Россия, г. Йошкар-Ола

ПРИМЕНЕНИЕ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ДЛЯ ЛОКАЛЬНОЙ

ТЕРМООБРАБОТКИ

Аннотация: В данной статье рассматривается технологическое применение лазера в качестве инструмента для локальной термообработки. Современные непрерывные лазеры обеспечивают интенсивность сфокусированного излучения на уровне до 1010Вт/см2, а в импульсных системах, применяемых, например, для исследований в области лазерного термоядерного синтеза, эта величина достигает значений 1016— 1017 Вт/см2. Для сравнения, средняя интенсивность солнечного излучения на поверхности Земли составляет около 0,1 Вт/см2, и при фокусировке ее можно увеличить до 10 Вт/см2. Высокая интенсивность лазерного излучения открывает широкие возможности его технологических применений в качестве инструмента для локальной термообработки.

Ключевые слова: луч, излучение, импульс, технология, закалка, легирование, обработка.

Zubarev M.S. master's degree student Radio engineering faculty Volga state technological University Russia, Yoshkar-Ola

APPLICATION OF LASER RADIATION FOR LOCAL THERMAL

TREATMENT

Annotation: This article discusses the technological application of a laser as a tool for local heat treatment. Modern continuous lasers provide focused radiation intensity up to 1010 W/ cm2, and in pulsed systems used, for example, for research in the field of laser fusion, this value reaches values of 1016-1017W / cm2. For comparison, the average intensity of solar radiation on the Earth's surface is about 0.1 W/ cm2, and when focusing it can be increased to 10 W/ cm2. The high intensity of laser radiation opens up wide possibilities for its technological applications as a tool for local heat treatment.

Key words: beam, radiation, pulse, technology, quenching, alloying, processing.

Лазерный луч — это особый тепловой источник, способный нагреть облучаемый участок детали до высоких температур за столь малое время, в течение которого тепло практически не успевает «растекаться». Нагреваемый участок может быть при этом размягчен, рекристаллизован, расплавлен, наконец, его можно испарить. Дозируя тепловые нагрузки путем регулировки мощности и времени лазерного облучения, можно задать практически любой температурный режим и реализовать различные виды термообработки.

Лазерный нагрев применяется для поверхностной закалки и легирования металлов, для плавления при сварке, для плавления и испарения с выбросом паров при резке и сверлении. Лазерные методы обеспечивают возможность дистанционной обработки, возможность обработки труднодоступных участков готовых деталей, селективность воздействия, лазерный луч не загрязняет обрабатываемой поверхности и, наконец, он дает возможность прецизионной резки и сверления материалов, вообще не поддающихся механической обработке,— композитов, сверхтвердых сплавов, изделий порошковой металлургии, керамики и др. Единственным аналогом лазерного луча в этом аспекте является интенсивный электронный пучок, однако лазерный луч имеет два важных достоинства: при его использовании не требуется вакуумирование обрабатываемой детали и не нужно создание мощной биологической защиты для обслуживающего персонала.

Схемы использования лазеров в технологических процессах обычно достаточно просты. Процессы, в которых плотность потока импульса лазерного излучения такова, что за продолжительность его воздействия вещество существенно не плавится, имеют отношение к лазерной термообработке.

Наибольшее распространение в промышленности получила закалка определенных марок стали, действие импульсного лазерного излучения на поверхность изделий из которых усиливает твердость поверхностного слоя толщиной в несколько десятков микрометров и в результате этого повышает износостойкость материала.

Процессы закалки сталей и отжига радиационных дефектов в полупроводниках, использующие лазерное излучение, далеко не равнозначны по условиям их осуществления, так как в каждом из них применяется излучение с существенно отличающимися по длительности импульсами. Для закалки поверхностного слоя в низко - и среднеуглеродистых сталях используют импульсы, длительность которых несколько единиц миллисекунд, а для отжига ионно-имплантированных слоев полупроводниковых материалов — импульсы длительностью в десятки или сотни миллиардных долей секунды.

Лазерная закалка.

Локальная закалка способствует уменьшению деформации изделий после воздействия, сокращению или даже устранению финишной обработки поверхностей. Другое преимущество лазерной закалки — возможность

обработки деталей сложной формы, а также упрочнения деталей в труднодоступных местах. Импульсную лазерную закалку применяют для обработки кромок режущего и штампового инструмента. В итоге существенно увеличивается износостойкость штампов — до 2—5 раз.

Один из наиболее интересных режимов воздействия лазерного излучения на детали из чугуна — закалка поверхности из жидкого состояния, полученного оплавлением поверхностного слоя на глубину до 50 мкм, и последующее затвердевание. При таком режиме толщина слоя расплава мала, и жидкий металл не успевает за время затвердевания стягиваться в капли.

Поверхностное упрочнение чугунных деталей с оплавлением поверхности при действии непрерывного лазерного излучения следует признать многообещающим технологическим процессом. Оно резко повышает долговечность изделий, причем качество поверхности обработанных деталей сравнительно почти не ухудшается, нет коробления, даже если применять излучение лазерных установок с большей мощностью (более 1 кВт), допускающее получать диаметры пятен нагрева более 5 мм с достаточным по равномерности распределением мощности по радиусу.

Поверхностное легирование.

Легирование тонкого поверхностного слоя расплава, вызванного действием импульсного или непрерывно действующего излучения, используют как метод повышения микротвердости, а также для получения локального участка с повышенными антикоррозионными свойствами. Например, для легирования стали, на ее поверхность наносится тонкий слой микропорошка легирующего металла и жидкого стекла, используемого как связывающее вещество. В состав микропорошка входят углерод, марганец, кобальт, хром, ниобий, никель, молибден. Химический состав стали после лазерной обработки изменяется, что приводит к изменению микротвердости, которая выше, чем твердость, облученной на воздухе без легирования.

Стабилизация параметров пленок.

Одна из приоритетных задач в технологии нанесения пленок (для целей микроэлектроники) — искусственное «старение» посредством изменения их структуры. Опыты показывают, что воздействие лучом лазера позволяет существенно ускорить этот процесс по сравнению с традиционным способом нагрева в вакуумных печах. Кроме того, лазерная обработка пленок в 2—3 раза усиливает стабильность их свойств.

Рекристаллизация пленок.

Рекристаллизация тонких кленок полупроводников и металлов на подложках из других материалов имеет некоторый интерес для пленочной технологии, поскольку способствует получению монокристаллической структуры пленок из аморфной. Аморфные слои полупроводников возникают при напылении в вакууме паров, например, германия на неподогретые бесструктурные подложки. Высокие скорости охлаждения вызывают образование аморфной структуры.

Получение металлических стекол.

За последнее время повысился интерес к аморфным материалам. Материалы эти обладают рядом свойств, отличающих их от кристаллических материалов. Эти отличия касаются магнитных, электрических, механических и коррозионных свойств. Так, у аморфных металлов значительно выше магнитная проницаемость, более высокая стойкость к коррозии. В настоящее время в различных странах разрабатываются методы получения аморфных пленок быстрым охлаждением тонкого слоя расплава или его капель, вытягиванием тонких нитей из расплава и др.

Лазерная сварка.

По характеру воздействия излучения на тела лазерная сварка обычно разделяется на импульсную и непрерывную. При помощи импульсного воздействия лазерного излучения можно произвести точечную сварку соединений различной геометрической конфигурации, а также шовную сварку стыковых соединений, получаемую при последовательном нанесении сварных точек с перекрытием отдельных зон облучения при высокой частоте следования импульсов излучения. Непрерывная лазерная сварка на практике проводится только СО2-лазерами является шовной.

Лазерная импульсная сварка значительно эффективна в труднодоступных местах, в условиях интенсивного теплообмена (когда у соединяемых материалов высокая теплопроводность), при соединении легкодеформируемых деталей, а также изделий, требующих ограничения зоны термического влияния и максимальной технологической чистоты.

Лазерная сварка успешно применяется в технологических процессах при изготовлении электровакуумных и СВЧ-приборов. Это объясняется тем, что использование контактной сварки при сборке катодных узлов магнетронов, ламп бегущей волны и клистронов приводит к загрязнению соединяемых деталей частицами материала сварочного электрода. При высоких температурах этот материал испаряется и, попадая на активную поверхность катода, ухудшает его эмиссионные характеристики.

Получение отверстий.

В промышленности лазерные технологические установки широко применяются в основном для получения черновых отверстий, например в рубиновых часовых камнях и заготовках алмазных волок, а также в различных деталях приборов и машин ряда отраслей промышленности в тех случаях, когда не предъявляются серьезные требования к точности обработки. Области практического применения лазерной размерной обработки ограничены преимущественно получением отверстий не выше 3 -го класса точности. Тем не менее, лазерная технология получения отверстий внедрена на ряде предприятий, где с ее помощью получают черновые отверстия.

Один из наиболее эффективных методов повышения точности и воспроизводимости результатов создания отверстий с помощью луча лазера — использование многоимпульсной обработки (МИО). Суть ее в том, что

отверстие формируется не одним импульсом, а серией одинаковых импульсов с определенной энергией и длительностью, действие которых доводит размеры отверстия до необходимого. Этот процесс в определенной степени аналогичен процессам электроэрозионной обработки.

Лазерное разделение материалов.

Процессы разделения материалов можно считать одной из наиболее перспективных областей для применения лазеров большой мощности с непрерывной генерацией. Дело в том, что резка тонколистовых высокопрочных стальных материалов механическими способами — малоэффективный и трудоемкий процесс, особенно при мелкосерийном производстве деталей сложной конфигурации. Использование для этих же целей известных термических способов (кислородная резка, плазменная резка) неэффективно из-за очень низкого качества кромок реза, большой зоны термического влияния и значительных термических деформаций. Не случайно за рубежом лазерная резка по числу патентов стоит на одном из первых мест среди технологических процессов.

Лазерное оборудование сегодня широко вошло в нашу жизнь. Доля энергии, используемая индустриально развитыми странами в форме лазерного луча, быстро растет — настолько быстро, что у экспертов появились основания говорить о начале третьей промышленной революции. Лазеры, выйдя за стены лабораторий, находят широчайшее применение практически во всех отраслях экономики, и число лазерных методик и технологий постоянно растет. Вспомним, какую важную роль играют сегодня системы и оптоволоконной связи, ставшие основой мировой сети телекоммуникации, Интернета и даже современной банковской системы, обеспечивающей клиенту мгновенный доступ к своему счету из любой точки мира, позволяющей использовать пластиковые карты вместо наличных, и так далее.

Миллионы владельцев оптических дисков пользуются системами записи, хранения и считывания информации, подчас и не подозревая об их «лазерной» сущности. Вся современная электронная аппаратура производится с массовым использованием лазерных технологий обработки и контроля, а одна из таких технологий — лазерная фотолитография — напрямую определяет плотность упаковки элементов в чипах, в кубиках, из которых строится электронная схема, и соответственно определяет компактность этой техники.

В медицине лазерная аппаратура давно стала применяться очень широко, и количество используемых врачами способов диагностики и лечения заболеваний с помощью лазерного луча продолжает стремительно увеличиваться. Фотодинамическая и фототермическая терапия, коррекция зрения, косметологические и пластические операции, термопластика хрящевых тканей, диагностика капиллярного кровотока — только немногие примеры новых лазерных технологий в медицине.

Перечень областей применений лазерного луча в наши дни был бы не полон, если бы мы не вспомнили полиграфию с ее лазерными принтерами и

настольными печатными машинами, экологический мониторинг с помощью лидаров и диодных спектроанализаторов, навигацию, использующую лазерные гироскопы, маяки и локаторы. Поэтому объем производства лазерной техники в мир постоянно увеличивается.

Использованные источники:

1. Лазерная техника сегодня и завтра // Наука и жизнь №6, 2002.

2. Лазерная технология: подписная научно-популярная серия Техника №3/сост. Н.Н. Рыкалин, А.А. Углов, 1983.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.