Лучевое резание металла: ионно-лучевая обработка и светолучевая обработка

Опубликовано admin Июн 21, 2012 в Резка металлов

Ионно-лучевая обработка (ИЛО) применяется в электронной промышленности. При этом методе используется явление катодного распыления, возникающего при тлеющем газовом разряде. Электроны, эмиттируемые катодом, ионизируют молекулы газа. Ионы ускоряются сильным электрическим полем и фокусируются в узком конусе, вершина которого совпадает с поверхностью обрабатываемой детали. Этот метод применяют для прошивки в тонком листовом материале отверстий диаметром от 5 мкм и более. Направленный поток ионов аргона применяют в США для сверления отверстий в алмазах; отверстия получаются коническими: со стороны катода отверстие имеет диаметр 0,375 мм, на выходном — на 0,05лш меньше. При обработке отверстий большего диаметра значения входного и выходного диаметров составляли соответственно 2,26 и 1,4 мм. Наибольшая скорость обработки составляла 130 мкм/ч. Чтобы получить в алмазе отверстие любой желаемой формы, нужно такое же отверстие сделать в катоде. Время на ионную обработку отверстий значительно больше, чем при использовании пульсирующего лазера, но зато ионная пушка потребляет значительно меньше энергии. Устройство для донного сверления можно применить и для полировки поверхности уже имеющегося отверстия или наружной поверхности алмазов. Этим методом можно также обрабатывать поликристаллические алмазы типа балласа.

Светолучевая обработка (СЛО) использует для резания весьма узкий направленный пучок видимого света, характеризующийся чрезвычайно высокой плотностью тепловой энергии; для его получения служит лазер (начальные буквы слов Light Amplifier by stimulated Emisson Radiation) —оптический квантовый генератор (OKX). Поэтому этот вид обработки часто называется лазерной обработкой.

Особенностью светового луча является его высокая когерентность, т. е. параллельность движения составляющих его фотонов, в результате чего расхождение, луча не превышает 0,05—1,0°. Поэтому часто используется и другое наименование этого метода обработки — обработка когерентным световым лучом. Благодаря отмеченным особенностям СЛО успешно применяют для резки, прошивки, сварки, плавки сверхтвердых и тугоплавких материалов, обработка которых обычными методами чрезвычайно трудоемка, а чаще всего невозможна.

Физическая сущность СЛО — обработки когерентным световым лучом импульсным или непрерывным — заключается в использовании для технологических целей электромагнитных колебаний светового диапазона. Это явление состоит в следующем. Обычный свет представляет собой электромагнитное излучение атомов при их хаотическом самопроизвольном переходе с верхних неустойчивых энергетических уровней на нижние. Процесс перехода сопровождаемся излучением света. Однако при определенном состоянии атомов переход их с верхнего энергетического уровня на нижний происходит одновременно. Такие условия создаются при воздействии на атомы ряда веществ извне электромагнитных колебаний. Этими электромагнитными колебаниями можно управлять, их можно фокусировать в очень тонкие игольчатые пучки, измеряемые единицами угловых минут. Наряду с направленностью это излучение характеризуется высокой когерентностью, т. е. наличием в излучаемом свете электромагнитных колебаний практически одной фазы и частоты. В отличие от этого свет, излучаемый, например, электрической лампой накаливания, представляет собой совокупность «световых порций» — квантов, генерируемых возбужденными атомами и имеющих случайные фазы и частоты колебаний. Направленный когерентный световой пучок обладает огромной световой и тепловой энергией, высоким удельным давлением.

В квантовых генераторах для усиления поля высокой частоты используются квантовые энергетические переходы. Известно, что атом может находиться в различных квантовых состояниях — им соответствует дискретный ряд уравнений энергии. Согласно условию Бора при переходе атома, находящегося в возбужденном состоянии, с одного уровня на другой выделяется энергия.

Переход такого вида называется спонтанным, так как ой происходит самопроизвольно, в результате воздействия процессов, стремящихся возвратить систему в равновесное состояние.

Интенсивность этого вида излучения определяется только числом возбужденных атомов.

Воздействие внешнего электромагнитного поля с частотой спонтанного излучения значительно индуцирует переход атомов. Этот процесс называется индуцированным излучением; его интенсивность зависит как от количества возбужденных атомов, так и от плотности излучения.

Спонтанный переход электронов с «перенаселенных» уровней на нижние энергетические уровни сопровождается испусканием кванта света (фотона) определенной длиной волны. Фотон, выделившийся в активной среде при спонтанном переходе, вызывает переходы других электронов. Таким образом формируется лавинообразный поток фотонов одинаковой длины волны и одинаковой фазы — когерентное излучение высокой интенсивности.

Применяемые для технологических целей лазеры состоят из трех основных элементов:

1. активной среды, обеспечивающей возможность излучения, а также усиление света требуемой длины волны вследствие строго определенного сочетания атомов, ионов или молекул, имеющих по меньшей мере два энергетических уровня. В качестве активных сред используют разнообразные твердые флуоресцентные материалы, а также жидкость и газы;
2. системы возбуждения (подкачки), обеспечивающей перевод большинства атомов (ионов) активной среды на более высокий энергетический уровень; процесс перевода характеризуется перенаселенностью энергетических уровней; это состояние в энергетическом отношении неустойчиво — оно представляет собой запас потенциальной энергии, которая может самопроизвольно переходить в световую энергию;
3. резонатора, обеспечивающего оптическую обратную связь и тем самым превращающего систему в генератор, в котором возбуждаются автоколебания. Обратная связь создается посредством двух плоских зеркал, установленных друг против друга; в этом случае лавинообразный поток фотонов вновь отражается в обратном направлении в активную среду. Это приводит к непрерывности процесса вследствие дальнейших переходов атомов (ионов); в результате этого повышается интенсивность излучения.

Для вывода из системы луча света одно из зеркал делают полупрозрачным. Таким образом, ОКХ подает на обрабатываемую поверхность одиночный световой импульс — когерентный луч. В нем имеет место спонтанное излучение (некогерентный луч), однако оно крайне мало.

Для получения более мощных, но коротких периодических импульсов в конструкцию ОКГ вводят модуляцию добротности; для этого цепь оптической обратной связи прерывают на заданное время .механическим или электроннооптическим устройством. В это время происходит только спонтанное излучение, вследствие чего основная энергия подкачки идет на создание перенаселенности верхних энергетических уровней. В момент открытия обтюратора большая часть накопленной энергии превращается в мощный световой импульс; при этом общая энергия импульса может не превышать нескольких джоулей, однако пиковая мощность может достичь нескольких тысяч меговатт.

Лазеры разделяются на три вида — газовые, твердые (кристаллические) и жидкостные. Для твердых лазеров необходимы хорошо отполированные монокристаллы, имеющие определенную ориентацию кристаллических осей. Кроме того, кристалл должен быть высокого качества, так как его дефекты вызывают рассеивание, уменьшающее когерентное усиление света. Этих недостатков не имеют газовые и жидкостные лазеры. В большинстве твердых лазеров в качестве материала кристалла используют синтетический рубин (плавленая окись алюминия) с добавкой (0,04— 0,05%) трехвалентного хрома. В последние годы взамен рубина применяют фтористый кальций с добавками урана или самария; в этом случае можно получать лазеры, работающие не только в импульсном, но и в непрерывном режиме.