Композиционные материалы с металлической матрицей

Композиционные материалы с металлическими матрицами имеют ряд неоспоримых преимуществ перед другими конструкционными материалами, предназначенными для работы в экстремальных условиях. К этим преимуществам относятся:

- высокие прочность и жесткость в сочетании с высокой вязкостью разрушения;

- высокие удельные прочность и жесткость (отношение предела прочности и модуля упругости к удельному весу σ/γ и Е/γ);

- высокий предел усталости; высокая жаропрочность;

- малая чувствительность к тепловым ударам, к поверхностным дефектам;

- высокие демпфирующие свойства;

- электро- и теплопроводность;

- технологичность при конструировании, обработке и соединении.

Сварка композиционных материалов.

Волокнистые и слоистые композиционные материалы чаще всего соединяют внахлестку. Отношение длины перекрытия к толщине материала обычно превышает 20 раз. Такие соединения могут быть дополнительно усилены заклепочными или болтовыми соединениями. Наряду с нахлесточными соединениями возможно выполнение стыковых и угловых сварных соединений в направлении армирования и, реже, поперек направления армирования. В первом случае при правильном выборе способов и режимов сварки или пайки возможно достижение равнопрочности соединения; во втором случае прочность соединения обычно не превышает прочности матричного материала.

Пайка композиционных материалов.

Процессы пайки весьма перспективны для соединения композиционных материалов, поскольку могут осуществляться при температурах, не оказывающих влияния на армирующий наполнитель и не вызывающих развития межфазного взаимодействия. Пайка выполняется обычными техническими приемами, т.е. погружением в припой или в печи. Весьма важен вопрос о качестве подготовки поверхности под пайку. Соединения, выполненные твердыми припоями с применением флюсов, подвержены коррозии, поэтому флюс должен быть полностью удален из зоны соединения.

 

Лазерная сварка

При облучении поверхности тела светом энергия квантов (порций) света поглощается этой поверхностью. Образуется теплота, температура поверхности повышается. Если световую энергию сконцентрировать на малом участке поверхности, можно получить высокую температуру. На этом основана сварка световым лучом оптического квантового генератора - лазера.

Термин «лазер» происходит от первых букв английской фразы, значащей в переводе: «Усиление света посредством индуцирования эмиссии излучения». Академик Н.Г. Басов, удостоенный в 1964 г. совместно с академиком А.М. Прохоровым и американским ученым Ч. Таунсом Нобелевской премии за теоретическое обоснование и разработку лазеров, так характеризует лазер: «Это устройство, в котором энергия, например тепловая, химическая, электрическая, преобразуется в энергию электромагнитного поля - лазерный луч. При таком преобразовании часть энергии неизбежно теряется, но важно то, что полученная в результате лазерная энергия обладает несравненно более высоким качеством. Качество лазерной энергии определяется ее высокой концентрацией и возможностью передачи на значительное расстояние».

Основные элементы лазера - это генератор накачки и активная среда. По активным средам различают твердотельные, газовые и полупроводниковые лазеры. В твердотельных лазерах (рис. 3) в качестве активной среды чаще всего применяют стержни из розового рубина - окиси алюминия Al₂О₃ с примесью ионов хрома Cr₃+ (до 0,05%).

 

Рис. 3 – Схема твердотельного лазера: 1 - рубиновый стержень; 2- генератор накачки; 3 - отражатель; 4 - непрозрачное зеркало; 5 - охлаждающая среда; 6 - источник питания; 7 - полупрозрачное зеркало; 8 - световой луч; 9 -фокусирующая линза; 10 - обрабатываемые детали

 

При облучении ионы хрома переходят в другое энергетическое состояние - возбуждаются и затем отдают запасенную энергию в виде света. На торцах рубинового стержня нанесен слой отражающего вещества (например, серебра) так, что с одного конца образовано непрозрачное, а с другого - полупрозрачное зеркало. Излучение ионов хрома, отражаясь от этих зеркал, циркулирует параллельно оптической оси стержня, возбуждая новые ионы, - идет лавинообразный процесс. Происходит бурное выделение лучистой энергии, которая излучается параллельным пучком через полупрозрачное зеркало и фокусируется линзой в месте сварки. Выходная мощность твердотельных лазеров достигает 107Вт при сечении луча менее 1см². В фокусе достигается громадная концентрация энергии, позволяющая получать температуру до миллиона градусов.

При работе в импульсном режиме существенный недостаток твердотельного лазера - низкий КПД (0,01...2,0%). Более высокую мощность и больший КПД обеспечивают лазеры, работающие в непрерывном режиме, например твердотельный лазер на алюмоиттриевом гранате, активированном атомами неодима (приблизительно 1%). Еще более высокий КПД и мощность у газовых лазеров. В качестве активной среды в них применяют чаще всего СО² или смесь газов, генераторами накачки могут служить искровые разрядники или электронный луч.

Типичная конструкция газового лазера - это заполненная газом трубка, ограниченная с двух сторон строго параллельными зеркалами: непрозрачным и полупрозрачным (рис. 4).

 

Рис. 4 – Схема газового лазера: 1 - разрядная трубка; 2 - непрозрачное зеркало; 3 - источник питания; 4 - вакуумный насос; 5 - полупрозрачное зеркало

 

В результате электрического разряда между введенными в трубку электродами возникают быстрые электроны, которые возбуждают газовые молекулы. Возвращаясь в стабильное состояние, эти молекулы образуют кванты света так же, как и в твердотельном лазере. Газовые лазеры могут работать в непрерывном режиме. Для сварки используют твердотельные и газовые лазеры импульсного и непрерывного действия.

Лазерную сварку производят на воздухе или в среде защитных газов: аргона, СО². Вакуум, как при электронно-лучевой сварке, здесь не нужен, поэтому лазерным лучом можно сваривать крупногабаритные конструкции. Лазерный луч легко управляется и регулируется, с помощью зеркальных оптических систем легко транспортируется и направляется в труднодоступные для других способов места. В отличие от электронного луча и электрической дуги на него не влияют магнитные поля, что обеспечивает стабильное формирование шва. Из-за высокой концентрации энергии (в пятне диаметром 0,1мм и менее) в процессе лазерной сварки объем сварочной ванны небольшой, малая ширина зоны термического влияния, высокие скорости нагрева и охлаждения. Это обеспечивает высокую технологическую прочность сварных соединений, небольшие деформации сварных конструкций. Например, лазерная сварка вилки с карданным валом автомобиля по сравнению с дуговой сваркой увеличивает срок службы карданной передачи в три раза, потому что более чем вдвое уменьшается площадь сечения сварного шва, в несколько раз - время сварки. Деформации вилки, вызывающие преждевременный износ, практически отсутствуют. Основные энергетические характеристики процесса лазерной сварки -это плотность Е мощности лазерного излучения и длительность t его действия. При непрерывном излучении t определяется продолжительностью времени экспонирования, а при импульсном - длительностью импульса. Превышение верхнего предела Е вызывает интенсивное объемное кипение и испарение металла, приводящее к выбросам металла и дефектам шва. На практике лазерную сварку ведут при Е=106...107 Вт/см². При Е < 105 Вт/см² лазерное излучение теряет свое основное достоинство - высокую концентрацию энергии. Изменение Е и t позволяет сваривать лазерным лучом различные конструкционные материалы с толщиной от нескольких микрометров до десятков миллиметров.

Скорость лазерной сварки непрерывным излучением в несколько раз превышает скорости традиционных способов сварки плавлением. Например, стальной лист толщиной 20мм электрической дугой сваривают со скоростью 15м/ч за 5...8 проходов, ширина шва получается 20мм. Непрерывным лазерным лучом этот лист сваривается со скоростью 100м/ч за 1 проход, получают ширину шва 5мм. Однако лазерная сварка импульсным излучением по скорости сопоставима с традиционными способами сварки.

Лазерную сварку можно производить со сквозным и с частичным проплавлением. Сварные швы одинаково хорошо формируются в любом пространственном положении. При толщине свариваемых кромок менее 0,1мм и при сварке больших толщин с глубоким проплавлением по-разному происходит формирование шва и различны подходы к выбору параметров режима сварки. При сварке как непрерывным, так и импульсным излучением малых толщин используют более мягкие режимы, обеспечивающие лишь расплавление металла в стыке деталей без перегрева его до температуры интенсивного испарения. Сварку сталей и других относительно малоактивных металлов можно в этом случае выполнять без дополнительной защиты зоны нагрева, что существенно упрощает технологию, тогда как сварку с глубоким проплавлением ведут с защитой шва газом, состав которого подбирают в зависимости от свариваемого материала. Основные параметры режима импульсной лазерной сварки - это энергия и длительность импульсов, диаметр сфокусированного излучения, частота следования импульсов, положение фокального пятна относительно поверхности свариваемых деталей.

Высокая концентрация энергии, большая скорость лазерной сварки по сравнению с дуговыми способами, незначительное тепловое воздействие на околошовную зону вследствие высоких скоростей нагрева и охлаждения металла существенно повышают сопротивляемость большинства конструкционных материалов образованию горячих и холодных трещин. Это обеспечивает высокое качество сварных соединений из материалов, плохо свариваемых другими способами сварки. Существенно (до десяти раз) снижаются деформации сваренных деталей, что снижает затраты на правку.

Широкое применение лазерной сварки сдерживается экономическими соображениями. Стоимость технологических лазеров пока еще высока, что требует тщательного выбора области применения лазерной сварки. Однако, если применение традиционных способов не дает желаемых результатов либо технически неосуществимо, можно рекомендовать лазерную сварку. К таким случаям относится необходимость получения прецизионной (высокоточной) конструкции, форма и размеры которой не должны меняться в результате сварки. Лазерная сварка целесообразна, когда она позволяет значительно упростить технологию изготовления сварных изделий, выполняя сварку как заключительную операцию, без последующей правки или механической обработки. Экономически эффективна лазерная сварка, когда необходимо существенно повысить производительность, поскольку скорость ее может быть в несколько раз больше, чем у традиционных способов.

При изготовлении крупногабаритных конструкций малой жесткости или с труднодоступными швами, а также при необходимости соединения трудно свариваемых, в том числе разнородных материалов, лазерная сварка может оказаться единственным процессом, обеспечивающим качественные сварные соединения.

 

3 Лазерная резка

Широкое применение в промышленности получили различные механические методы разделения металлов, в первую очередь резка ножовочными полотнами, ленточными пилами, фрезами и др. В производстве используются разнообразные станки общего и специального назначения для раскроя листовых, профильных и других заготовок из различных металлов и сплавов. Однако при многих достоинствах этого процесса существуют значительные недостатки, связанные с низкой производительностью, высокой стоимостью отрезного инструмента, трудностью или невозможностью раскроя материалов по сложному криволинейному контуру.

В промышленности получил распространение ряд процессов разделения материалов, основанных на электрохимическом, электрофизическом и физико-химическом воздействиях. Ацетиленокислородная резка, плазменная резка проникающая дугой и другие физико-химические методы разделения обеспечивают повышение производительности по сравнению с механическими методами, но не обеспечивают высокой точности и чистоты поверхностей реза и требуют в большинстве случаев последующей механической обработки. Электроэрозионная резка позволяет осуществлять процесс разделения материалов с малой шириной и высоким качеством реза, но одновременно с этим характеризуются малой производительностью.

В связи с этим возникла производственная необходимость в разработке и промышленном освоении методов резки современных конструкционных материалов, обеспечивающих высокую производительность процесса, точность и качество поверхностей получаемого реза. К числу таких перспективных процессов разделения материалов следует отнести лазерную резку металлов, основанную на процессах нагрева, плавления, испарения, химических реакциях горения и удаления расплава из зоны резки. Сфокусированное лазерное излучение, обеспечивая высокую концентрацию энергии, позволяет разделять практически любые металлы и сплавы независимо от их теплофизических свойств. При этом можно получить узкие резы с минимальной зоной термического влияния. При лазерной резке отсутствует механическое воздействие на обрабатываемый материал, и возникают минимальные деформации, как временные в процессе резки, так и остаточные после полного остывания. Вследствие этого лазерную резку можно осуществлять с высокой степени точностью, в том числе легкодеформируемых и нежестких заготовок или деталей.

Благодаря большой плотности мощности лазерного излучения обеспечивается высокая производительность процесса в сочетании с высоким качеством поверхностей реза. Легкое и сравнительно простое управление лазерным излучением позволяет осуществлять лазерную резку по сложному контуру плоских и объемных деталей и заготовок с высокой степенью автоматизации процесса. Кратко рассмотренные особенности лазерной резки наглядно демонстрируют несомненные преимущества процесса по сравнению с традиционными методами обработки.

Лазерная резка относится к числу первых технологических применений лазерного излучения, апробированных еще в начале 70-х годов. За прошедшие годы созданы лазерные установки с широким диапазоном мощности (от нескольких десятков ватт до нескольких киловатт), обеспечивающие эффективную резку металлов с использованием вспомогательного газа, поступающего в зону обработки одновременно с излучением лазера. Лазерное излучение нагревает, плавит и испаряет материал по линии предполагаемого реза, а поток вспомогательного газа удаляет продукты разрушения. При использовании кислорода или воздуха при резке металлов на поверхности разрушения образуется оксидная пленка, повышающая поглощательную способность материала, а в результате экзотермической реакции выделяется достаточно большое количество теплоты.

Для резки металлов применяют технологические установки на основе твердотельных и газовых СО₂ -лазеров, работающих как в непрерывном, так и в импульсно-периодическом режимах излучения. Промышленное применение газолазерной резки с каждым годом увеличивается, но этот процесс не может полностью заменить традиционные способы разделения металлов. В сопоставлении со многими из применяемых на производстве установок, стоимость лазерного оборудования для резки еще достаточно высока, хотя в последнее время наметилась тенденция к ее снижению. В связи с этим процесс газолазерной резки (в дальнейшем просто лазерной резки) становится эффективным только при условии обоснованного и разумного выбора области применения, когда использование традиционных способов трудоемко или вообще невозможно.

Параметры и показатели процесса лазерной резки.

Для процесса лазерной резки металлов можно выделить основные факторы, определяющие производительность и качественные показатели процесса. Среди них основными являются: плотность мощности лазерного излучения, скорость резки, давление и состав поддуваемого газа, поглощательная способность поверхности материалов, вид и свойства разрезаемых материалов. Плотность подводимой в зону обработки мощности зависит, в свою очередь, от мощности лазерного излучения, его кодового состава, поляризации и условий фокусировки (фокусного расстояния линз, величины и направления расфокусировки).

В силу ряда причин, области режимов, обеспечивающих высокое качество кромки реза и высокую эффективность процесса, при лазерной резке металлов зачастую не совпадают.

Параметры получаемого реза при лазерной резке металлов имеет много сходных характеристик с другими термическими способами резки. Характеристики получаемого реза определяют следующие показатели: точность, неровность реза R₂, неперпендикулярность (клиновидность) J, протяженность зоны термического влияния b_зтв, ширина верхнего реза b_в, ширина нижнего реза b_н, количество грата (наплывы на нижней кромке разрезаемого материала).

Нагрев поверхности обрабатываемого металла.

Воздействие лазерного излучения на металлы при резке характеризуются общими положениями, связанные с поглощением и отражением излучения, распространением поглощенной энергии по объему материала, за счет теплопроводности и др., а также специфическими для процесса резки особенностями.

На участке воздействия излучения металл нагревается до первой температуры разрушения - плавления. При дальнейшем поглощении излучения металл расплавляется и от участка воздействия излучения в объем материала начинает перемещаться фазовая граница плавления. Наряду с этим энергетическое воздействие лазерного излучения приводит к последующему повышению температуры образца, достигающей второй температуры - кипения.

Процессы нагревания весьма просты, если не учитывать изменение коэффициента поглощения с температурой. Скорость испарения экспоненциально зависит от температуры и максимального своего значения достигает при стационарной температуре испарения, когда скорости фазовых границ плавления и испарения одинаковы.

В зависимости от плотности мощности лазерного излучения количество расплавленного металла, стационарная температура, скорость плавления и испарения будут различными. Указанные параметры характеризуют процесс разрушения, и, следовательно, изменяя плотность мощности лазерного излучения и время его воздействия на материал, можно управлять этим процессом.

Значительное влияние на интенсивность процесса разрушения также оказывает поглощательная способность металлов, зависящая от температуры поверхности, длинны волны, поляризации и угла падения излучения на обрабатываемую поверхность.

Таким образом, при воздействии лазерного излучения на металлы возможны два механизма резки - плавление и испарение. Поверхность разрушения при этом, так называемый канал реза, существует по всей длине и перемещается со средней скоростью в направлении резки.

Практическое использование разрушения металлов посредством механизма испарения затруднено в связи с достаточно высокими энергозатратами на теплопроводность материала и необходимостью поддержания температуры металла на уровне температуры кипения.

Заметное снижение энергозатрат достигается использованием вспомогательного газа для удаления продуктов разрушения металла из канала реза.

Плавление металлов лазерным излучением.

Дальнейшее воздействие лазерного излучения на материал приводит к плавлению материала находящегося в твердой фазе. После достижения поверхностью Т_пл возникает новый режим лазерного нагрева, энергия излучения идет на разрыв связей в кристаллической решетке и изменение теплосвойств возрастает.

Качественные показатели процесса лазерной резки.

Поверхность реза на углеродистой стали при невысоких скоростях обработки представляет собой совокупность равномерно расположенных борозд. Для скоростей резки, превышающих некоторый предел, рез получается гладким, без явно выраженных борозд. Образование неровностей на поверхности реза наблюдается при скоростях обработки меньших 14,5м/мин и обусловлен нестационарным механизмом разрушения материала. Таким образом, при рассмотрении обработки металлов лазерным излучением, достигаются скорости резки, на порядок превышающие типичные скорости механических способов разделения материалов.