Светолучевая обработка материалов

 

Введение. Свет как источник энергии издавна привлекал к себе внимание человека. По мере развития науки и техники различные физические явления, связанные со световым излучением, находят все более широкое применение в научных и промышленных целях.

Создание волновой теории света и усовершенствование технологии изготовления оптических линз, стекол и зеркал позволили создать целый ряд разнообразных оптических приборов. Была установлена принципиальная возможность фокусирования светового потока на относительно небольших поверхностях и получение высоких удельных плотностей энергии, достаточных для нагрева и плавления различных материалов. В качестве источника светового излучения использовалось Солнце. Солнечная энергия, попадающая на земную поверхность (около 40 Вm/м²), стимулирует развитие различных способов ее преобразования в другие виды энергии (прежде всего в тепловую и электрическую).

Дальнейшее изучение физической природы светового излучения привело к открытию его квантового характера (фотон оптического излучения), что позволило осуществить новый подход к получению световой энергии. В начале XX века у физиков сложилось мнение, что обычный полихроматический (многоцветный) свет (семь волн различной длины) может быть получен излучением различных тел или из электрического газового разряда.

В 1917 г. А.Эйнштейн высказал предложение, что световые волны строго определенной длины можно получить за счет индуцированного (вынужденного) излучения атомов и молекул вещества. [1].

Это было новое направление науки и техники — квантовая электроника. Она изучает различные эффекты, связанные с получением и применением электромагнитных колебаний оптического диапазона. Особую ценность представляет получение когерентного (монохроматического) света, то есть световой волны строго определенной длины.

В 1940 г. советский ученый В.А. Фабрикант впервые экспериментально подтвердил выдвинутое А. Эйнштейном положение об вынужденном излучении, а в 1952 г. был предложен (Н.Г. Басовым и А.М. Прохоровым) новый принцип генерации и усиления сверхвысокочастотных электромагнитных колебаний на основе использования вынужденного излучения.

Были созданы квантовые генераторы и усилители волн сантиметрового и дециметрового диапазонов, известные сейчас под названием мазеров.

В 1961 г. был разработан первый образец оптического квантового генератора (ОКГ), в котором в качестве рабочего тела был синтетический рубин.

Термин Лазер получился по первым буквам английского выражения: Light Amplification by Stimulated Emisson of Radiation (усиление света с помощью индуцированного излучения).

В 1961 г. был создан газовый лазер (рабочее тело — гелий+неон). Это наиболее мощные лазеры. С их помощью можно получить непрерывное излучение мощностью до сотен кВm. Затем появились полупроводниковые лазеры.

Рабочий диапазон излучения ОКГ охватывает область от ультрафиолетового с длиной волны 0,3 мкм до инфракрасного с длиной волны 300 мкм.

Лазеры нашли широкое применение (для передачи информации и связи, для измерения расстояний с большой точностью).

Особое место занимает лазерная технология – использование ОГК для нагрева, плавления, испарения, сварки и резки материалов.

По плотности потока энергии (до Вm/м²) лазер пока не имеет себе равных.

 

 

1.Физические основы получения и применения светолучевых источников энергии

 

1.1 Полихроматический свет и его использование для технологических целей

Обычное световое излучение – полихроматический свет – состоит из различных частот, лежащих в диапазоне видимой части спектра.

По длинам волн λ (мкм) диапазон светового излучения условно делится на несколько областей:

 

ИК 750…0,76 мкм

Красная 0,76…0,62 мкм

Оранжевая 0,62…0,59 мкм

Желтая 0,59…0,56 мкм

Зеленая 0,56…0,50 мкм

Голубая 0,50…0,48 мкм

Синяя 0,48…0,45 мкм

Фиолетовая 0,45…0,40 мкм

УФ 0,40…0,005 мкм.

Полихроматическое излучение возникает в результате нагрева тел. Это излучение происходит в виде отдельных порций — квантов или фотонов.

Энергия фотона: ε =h·f, Дж(6.1)

Где h =6,625 —постоянная Макса Планка (1858…1947 г.г.) — немецкого физика, в 1918 г. получившего Нобелевскую премию;

f — частота излучения, Гц.

В обычных условиях атомы вещества излучают одновременно кванты различной энергии, так как переход электронов с одних орбит (с дальних на ближние) на другие не носит организованного характера.

Для применения энергии света для тех или иных технологических процессов требуется фокусировка луча; полихроматичность играет в данном случае отрицательную роль.

Так как волны разной длины имеют различный коэффициент преломления, то полихроматичный свет (проходя через линзу) фокусируется в виде пятна довольно значительных размеров.

Это явление носит название хроматической аберрации (отклонение от норм, искажение …).

Диаметр светового пятна достигает сотен и тысяч мкм. В результате максимальная плотность энергии в пятне нагрева не превышает Вm/м², что соизмеримо с нагревом от пламени газовой горелки и в 10⁴…10⁵ раз меньше, чем для монохроматического луча лазера.

Система линз ø75…120 мм не дает возможность получить в фокусе пятно диаметром менее 1…2 мм, а сферическое зеркало диаметром 1 м фокусирует солнечные лучи в пятно диаметром 20…60 мм.

В промышленности световую энергию используют от источников света в виде ламп накаливания или дуговых газоразрядных ламп. Их мощность до нескольких десятков кВm (в кварцевых корпусах).

Кварцевые лампы нагревают поверхности до температуры 600…1200 °К; газоразрядные (с системами фокусировки) — до 1800…2000 °К, что вполне достаточно для плавления ряда материалов.

 

1.2. Когерентное излучение

 

Если частота f и длина волны λ постоянны и не зависят от времени τ, то волна монохроматична.

Если амплитуда, частота, фаза, направление распространения и поляризация электромагнитной волны постоянны во времени или изменяются по определенному закону, то такая волна когерентна.

Монохроматичная волна всегда когерентна, а когерентность двух немонохроматических волн означает, что они обладают одинаковым набором частот f и разность их фаз постоянна во времени.

Чем короче длина волны, тем меньше расходимость параллельных пучков энергии этих волн. Это используется (для) при локации и определении расстояний до предметов.

Для монохроматического излучения теоретически достижимый диаметр сфокусированного луча составляет 0,4…1 мкм (но из-за отсутствия идеальной монохроматичности и когерентности луча этот диаметр несколько больше).

Получить когерентное световое излучение удалось средствами квантовой электроники.

 

1.3. Основная схема ОКГ

Любой ОКГ независимо от конструктивного выполнения содержит следующие основные элементы;

1). рабочее тело (вещество), состоящее из ансамбля атомов и молекул, для которых может быть создана инверсия населенности (неравновесное состояние вещества);

2). систему, позволяющую осуществлять инверсию;

3). оптический резонатор (струна, стержень), который служит для осуществления взаимодействия излучения с рабочим веществом и в котором происходит отбор энергии от ансамбля генерирующих излучение частиц;

4). устройство для вывода энергии из резонатора;

5). систему управления концентрацией энергии и пространственным положением полученного пучка света;

6). различные специальные системы, связанные с конкретным применением ОКГ.

Для инверсии населенности в ОКГ применяют следующие виды накачки:

— оптическую накачку за счет облучения вещества мощным световым потоком;

— электрическую накачку (прохождение через вещество электрического тока);

— химическую накачку, когда инверсия возникает за счет химической реакции, в которой принимает участие рабочее вещество.

В зависимости от режима ОКГ делятся на устройства, работающие в непрерывном и импульсно — периодическом режимах.

 

 

Рисунок 6.1 — Схема твердотелого ОКГ

1 – зеркало с плотным непрозрачным слоем серебра; 2 – рубиновый стержень; 3 – зеркало посеребренное (коэффициент пропускания света ~ 8%); 4 — газоразрядная лампа — вспышка; 5 – отражающий кожух с поперечным сечением в форме эллипса; 6 – высоковольтная батарея конденсаторов; 7 – источник питания; 8 — система оптических линз; 9 – заготовка.

 

Работа ОКГ основана на принципе стимулированного генерирования светового излучения.

Атом вещества, имея определенный запас энергии, находится в устойчивом энергетическом состоянии и располагается на определенном энергетическом уровне. Для выведения атома из устойчивого (стабильного) энергетического состояния его необходимо возбудить.

Возбуждение (“накачку”) активного вещества осуществляют световой импульсной лампой. Частота повторения импульса света лампы-вспышки зависит от времени зарядки батареи конденсаторов, а также от условий охлаждения стержня (рубинового) – резонатора.

Импульс света длится до с с интервалами между ними 3· … с.

Возбужденный атом, получив дополнительный фотон от системы накачки, излучает сразу два фотона, в результате чего происходит своеобразная цепная реакция генерации лазерного излучения.

В твердом ОКГ рабочим элементом-веществом является рубиновый стержень, состоящий из окиси алюминия (Aℓ₂О₃), активированного 0,05% Cr (хрома).

Для рубина поглощаемая кристаллом мощность накачки составляет ~2 кВm на 1см ³ объема кристалла. Коэффициент использования световой энергии лампы-вспышки составляет 10…15%, поэтому ее мощность должна составлять десятки, а то и сотни кВm.

40…70% энергии, поглощенной стержнем идет на его нагрев. Чтобы генерация когерентного излучения не прекратилась, стержень нужно охлаждать (воздухом, водой или жидким азотом).

Начавшееся в рабочем теле (стержне) ОКГ излучение распространяется по всему объему стержня — резонатора и из-за многократного отражения от зеркал вовлекает в процесс генерации когерентного излучения все оптически активные атомы в направлении оси стержня.

Часть когерентного излучения выходит через полупрозрачное зеркало 3 из резонатора.

Спустя 0,5 микросекунды более половины атомов хрома приходит в возбужденное состояние, система становится неустойчивой и вся запасенная в стержне рубина энергия одновременно высвобождается и кристалл испускает ослепительный яркий красный свет – красная флюоресценция рубина-фотоны с длиной волны λ =0,6943 мкм.

Суммарная мощность рубинового ОКГ при энергии импульса лампы от 20 до 100 Дж и частоте их повторения до нескольких десятков герц может достигать десятков кВт (длина стержня при этом составляет 200…250 мм, диаметр 15 мм).

Эта энергия выделяется в миллионные доли секунды и сосредотачивается в луче диаметром 10 мкм за счет системы оптических линз. Что обеспечивает температуру в пределах 6000…8000 °С.

В результате этого поверхностный слой материала заготовки 9, находящийся в фокусе луча, мгновенно нагревается и испаряется.

 

2. Технология светолучевой обработки материалов

 

2.1 Технологические особенности излучения ОКГ

 

Использование мощных ОГК дает целый ряд технологических преимуществ, что и определяет их широкое применение.

1) Энергию в виде светового луча можно передавать на расстояние (по специальному световоду или через прозрачную разделительную перегородку).

2) Отсутствует механический и электрический контакт между источником энергии с изделием в месте обработки.

3) Высокая концентрация энергии в пятне нагрева прострой” фокусировке.

4) Можно плавно регулировать плотность лучистого потока в пятне нагрева за счет изменения фокусировки луча.

5) Высокие температуры в зоне воздействия излучения.

6) Можно получить импульсы весьма малой длительности (до с.), так и непрерывное излучение.

7) Малые размеры зон обработки (до нескольких мкм.).

8) Можно перемещать луч с высокой точностью и скоростью.

9) Мощность луча можно модулировать по требуемому закону.

10) Технологический процесс можно вести в любой оптически прозрачной среде.

 

3. Контрольные вопросы

 

1. Кто является основоположником разработки ОКГ-лазера и когда?

2. В чем состоят основные достоинства и недостатки полихроматического света как источника энергии для технологических целей?

3. Какие основные физические принципы положены в основу работы ОКГ?

4. Как получают когерентное излучение с помощью ОКГ?

5. Какие вещества используются в лазерах для генерации излучения?

6. Как осуществляется накачка (возбуждение) энергией в твердотелых ОКГ?

7. Как производится вывод излучения из ОКГ?

8. С помощью чего осуществляется фокусирование излучения лазера?

9. Каковы основные особенности взаимодействия светового излучения с веществом?

10. Где наиболее целесообразно технологическое применение лазерного излучения?

11. Назовите основные достоинства и недостатки обработки материалов с помощью ОКГ?

 

 

ПЛАЗМЕННАЯ ОБРАБОТКА

 

Введение

В 1923 г. американские физики Л. Тонкс и И. Ленгмюр предложили называть среду, в которой значительная часть молекул или атомов ионизирована-плазмой. Плазма является состоянием вещества, наиболее распространенном в космосе.

Плазму получают чаще всего в электродуговом разряде, в высокочастотном электрическом поле, с помощью энергии лазерного излучения.

Физические свойства плазмы — высокие значения температур, энтальпия и электропроводность – позволяют осуществлять ряд интересных физических и технических проектов.

В атомной физике, например, “горячая” плазма с температурой выше К рассматривается как средство проведения управляемых термоядерных реакций синтеза.

Функционируют ряд магнитогидродинамических ( МГД) генераторов, в которых высокоскоростной плазменный поток служит для прямого преобразования тепловой энергии в электрическую.

Существуют электрореактивные плазменные двигатели.

Плазма нашла применение в металлургии, в сварочном производстве.

Для технологических целей используют так называемую “низкотемпературную” плазму с температурой … К, представляющую собой частично ионизированный газ.

Для получения плазмы разработаны плазмотроны или плазменные горелки.

В дуговых плазмотронах плазма с требуемыми характеристиками может быть получена при различных видах взаимодействия дуги с плазмообразующим газом: аргоном, гелием, азотом, водородом, кислородом и воздухом [1].

Стабилизация дуги в плазмотроне может осуществляться аксиальным потоком газа 1, создающим слой 2, ограничивающий столб дугового разряда.

При тангенциальной подаче газа в дуговую камеру плазмотрона стабилизация дуги достигается за счет вихревого потока 1 плазмообразующего газа.

Рисунок 7.1 — Схема Рисунок 7.2 — Схема

стабилизации дуги тангенциальной газа

аксиальным потоком 1 – вихревой поток газа. 1- газ; 2 – слой газа.

 

Весьма эффективным способом стабилизации дугового разряда в плазмотроне и повышения его удельных энергетических характеристик является ограничение диаметра столба дугового разряда охлаждаемой стенкой (рисунок будет ниже).

Плазмообразующий газ, используемый в плазмотроне, в значительной мере определяет технологические возможности плазменной струи, и его нужно выбирать в зависимости от целей процесса.

Молекулярные газы – азот, водород, кислород и воздух позволяют увеличить эффективность нагрева за счет реакций диссоциации (разложения)-ассоциации (объединения). При этом происходит дополнительное поглощение теплоты в столбе дугового разряда.

При попадании на обрабатываемую поверхность плазмообразующий газ ассоциирует (превращается из атомного в молекулярный); при этом выделяется теплота, затраченная на его диссоциацию.

 

 

1. Основные физические характеристики и свойства плазмы

 

1.1 Степень ионизации плазмы

Это количественная характеристика, определяющая соотношение в плазме заряженных нейтральных частиц:

 

Х = п/ N (7.1)

где n – концентрация в плазме заряженных частиц одного знака (ионов или электронов);

N – число нейтральных молекул или атомов газа до его ионизации.

 

Степень ионизации плазмы зависит от многих факторов (прежде всего от температуры). Для низкотемпературной плазмы ее значение может меняться в широких пределах — 0…100 %.

 

1.2 Квазинейтральность

 

Квазинейтральность плазмы означает, что в определенном объеме число отрицательно заряженных частиц-электронов, равно числу положительно заряженных частиц-ионов, иначе должны возникнуть электрические поля, приводящие к перераспределению зарядов.

По мере снижения давления число частиц в объеме уменьшается и может наступить момент, когда количество частиц будет настолько мало, что условия квазинейтральности не будут выполняться.

Объем, где нарушается квазинейтральность плазмы, определяется дебаевским радиусом (от имени голландского физика П. Дебая):

 

, (7.2)

 

где – температура (электронная), К;

– концентрация электронов, см^-3.

 

Если размеры рассматриваемой области плазмы больше дебаевского радиуса , условие квазинейтральности выполняется (), то есть концентрации в плазме заряженных электронов и ионов равны.

Если же рассматривается объем плазмы радиусом r меньше , в этом объеме плазму нельзя считать квазинейтральной.

Понятие квазинейтральности позволяет более четко определить плазму как форму вещества, в которой число электронов и ионов в объеме настолько велико, что даже небольшое нарушение равенства невозможно из-за образования сильных электрических полей. В реальных плазменных устройствах, применяемых в технологических целях и в вакууме, величина определяется значениями … см.

 

1.3 Температура плазмы

 

Температура плазмы является важнейшей характеристикой, и в реальных плазмотронах она может достигать (2…5)·10⁴ К . В ряде случаев плазму можно рассматривать как идеальный газ, так как при высоких температурах концентрация частиц в плазме, несмотря на сравнительно высокие давления, мала и для нее можно считать справедливым уравнение идеального газа, в том числе основной закон газового состояния:

 

P ∙V= R∙T (7.3)

 

где p – давление газа,Па;

V – объем, м³;

T – температура, К;

R –универсальная газовая постоянная, (R =8,31 Дж/моль·К).

Для плазмы это уравнение удобнее представить в следующей форме:

, (7.4)

 

где – суммарная концентрация заряженных и нейтральных частиц в плазме;

N – число Авогадро (N =6,02· – число молекул или атомов в 1 моле вещества).

Моль – количество вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, столько содержится атомов в углероде – 12 массой 0,012 кг.

Авогадро закон, открытый в 1811 г. итальянским физиком и химиком, гласит – в равных объемах идеальных газов при одинаковых давлениях и температурах содержится одинаковое число молекул.

При рассмотрении плазмы как совокупности заряженных частиц различных знаков (электрон – “–“ и ионов – “+”) вводят понятие:

- электронной температуры — ;

- ионной температуры — .

Такой подход позволяет более детально рассмотреть энергию отдельных частиц, составляющих плазму.

В отличие от обычной газовой смеси, все частицы которой имеют одинаковую среднюю кинематическую энергию беспорядочного теплового движения, у электронов, ионов и нейтральных атомов эта энергия различна.

Электронная температура (энергия электрона) всегда выше энергии ионов и нейтральных атомов из-за большей подвижности электрона.

При понижении плотности (давления) плазмы разница электронной температуры и ионной температур может достигнуть нескольких порядков.

Для плазмы, используемой в технологических устройствах, где давление достаточно велико и концентрация частиц, составляет более см^-3, можно с достаточной для практических целей точностью считать, что , то есть температуры всех частиц равны.

Такая плазма носит название термической.

 

 

 

Рисунок 7.3 — Зависимость температур от давления (плотности плазмы)

 

 

1.4. Энтальпия плазмы

 

Это важная энергетическая характеристика плазменной струи и зависит как от температуры, так и от рода применяемого плазмообразующего газа.

Энтальпия моноатомных газов увеличивается с повышением температуры благодаря повышению энергии теплового движения атомов газа и их ионизации.

У молекулярных газов в процессе нагрева энтальпия газа даже при сравнительно невысоких температурах резко возрастает за счет процесса диссоциации, а затем уже начинается повышение энтальпии за счет ионизации.

Поэтому для технологических процессов, когда не нужны очень высокие температуры (свыше 10⁴ К), в качестве плазмообразующих газов целесообразно использовать азот, водород, кислород и воздух.

Для получения более высоких температур необходимо применять плазму одноатомных газов (аргона, гелия).

На энтольпию плазменного потока сильно влияет расход плазмообразующего газа. Увеличение расхода газа приводит, как правило, к снижению эффективности теплопередачи от дугового или высокочастотного разряда к газовому катоду, и энтальпия газа уменьшается.

В технологических процессах используют водородно-азотную или водородно-аргоновую смесь газов, в которых объемное содержание водорода составляет 10…20 %.

 

1.5. Виды плазменных источников энергии

При нагреве плазмой деталей передача энергии может осуществляться или только за счет процессов теплообмена нагретого газа с твердой или жидкой фазой (деталь электрически не связана с источником питания), или за счет суммарного действия теплообмена и электрического взаимодействия заряженных частиц плазмы с электродом-заготовкой.

В связи с этим в практике плазменной технологии сложилось три основных принципиальных схемы плазмотронов.

В двух схемах (рисунок 7.4 а,б) для получения плазмы используют электрический дуговой разряд; в схеме (рисунок 7.4 в) нагрев газа и образование плазмы осуществляется за счет безэлектродного (высокочастотного индукционного разряда.

Рисунок 7.4 — Основные схемы плазмотронов

а – прямого действия; б – косвенного действия; в – плазмотрон с высокочастотным индукционным разрядом.

 

Схема (а) получила название плазменной дуги, а плазмотрон для ее получения — плазмотрон прямого действия. В схеме (б) изделие 1 гальванически не связано с электродом, поэтому схема называется плазменной струей, а плазмотрон носит название плазмотрона косвенного действия.

 

1.6 Характеристики плазменного источника

 

Основными характеристиками плазменного источника энергии является его эффективная тепловая мощность и коэффициент сосредоточенности, определяющий распределение удельного теплового потока по поверхности обрабатываемого изделия.

Для плазменной дуги эффективная тепловая мощность равна:

 

, Вт

 

где U – напряжение дуги, В;

I – сила тока дуги, А;

– эффективный КПД процесса плазменного нагрева, учитывающий потери энергии при передаче ее к изделию.

 

 

Рисунок 7.5 — Распределение температуры плазменной дуги (а) и плазменной струи (б) по радиусу r и по длине l

Распределение температуры плазменной дуги и плазменной струи по радиусу (r) и по длине () крайне неравномерны. Максимальная температура наблюдается в центре на оси плазменного потока, причем она значительно выше, чем у открытой дуги.

Плотность теплового потока для плазменных источников энергии также выше, чем для открытой дуги, и достигает Вт/см².

Нагрев газа в плазмотроне приводит к резкому уменьшению плотности газа. За счет этого увеличивается скорость его истечения. Скорость потока максимальна в центре, где наблюдается максимальная температура и минимальный массовый расход газа . Максимальная температура составляет 17000 °С, а максимальная скорость достигает 2 км/с.

Большая скорость потока плазмы при выходе его из плазмотрона позволяет получать значительный газодинамический напор, который растет с увеличением силы тока.

В большинстве случаев расход газа в плазмотроне превышает 1 л/с и течение горячего газа носит турбулентный характер.

Уменьшение расхода газа до значений менее 0,1 л/с позволяет получать ламинарные плазменные струи, которые отличаются большей длиной (до 0,4 м) и высокой стабильностью.

В потоке плазмы можно получить практически любое вещество в молекулярной или паровой фазе. Плазменный нагрев позволяет получать в паровой фазе нитриды и карбиды, оксиды тугоплавких металлов и неметаллы высокой чистоты. При этом можно значительно увеличить выход продуктов реакции по сравнению с другими способами проведения химических реакций.

Примером таких процессов может служить плазмохимическое получение абразивных материалов на основе бора, осаждение на рабочей поверхности металлорежущего инструмента нитрида титана и т.д.

 

2. Технология плазменной обработки

 

2.1 Плазменный нагрев

 

Нагрев деталей и материалов до невысоких температур (ниже точки их плавления) с помощью плазменных горелок используется сравнительно редко, однако в последнее время все чаще применяется плазменно-механическая обработка металлов, где осуществляется такой нагрев. Сущность метода состоит в том, что при обработке, например, резанием высокопрочных металлов и сплавов перед резцом устанавливается плазмотрон, нагревающий узкую зону обрабатываемого материала.

Прочность снижается, а пластичность повышается. Можно без ущерба для качества поверхности увеличить глубину резания и подачу. Нет окисления поверхности.

Применение плазменного нагрева при обточке цилиндрических заготовок диаметром 100…350 мм из жаропрочных никелевых сплавов, вольфрама и молибдена показало, что производительность обработки увеличивается в 6…8 раз при уменьшении износа резцов в 5…6 раз. Скорость съема металла при этом может достигать 3…4 кг/мин.

Плазменный нагрев до более высоких температур может приводить к оплавлению шероховатостей механически обработанной поверхности, улучшая тем самым технологические показатели.

 

2.2 Плавление вещества

 

Плавка металлов и сплавов, а также неметаллических материалов с использованием плазменного нагрева получило широкое распространение. Данный способ отличается высокой стабильностью, простотой и гибкостью технологического процесса. Плазменная плавка позволяет использовать самые различные среды и исходные материалы при минимальных потерях легирующих компонентов.

 

 

Рисунок 7.6 — Схема печи для плавки в водоохлаждаемый кристаллизатор

 

Наиболее распространена схема печи для плавки в водоохлаждаемый кристаллизатор. В таких печах обычно выплавляют сложнолегированные сплавы, например, инструментальные сплавы. При этом, благодаря небольшому содержанию в металле неметаллических включений в виде оксидов и кислорода, его механические свойства (особенно пластичность) заметно повышаются.

Плазменный нагрев используется также для плавки металла с последующим измельчением расплава и кристаллизацией его в виде малоразмерных капель.

 

 

Рисунок 7.7 — Схема плавки с получением малоразмерных капель

1 – тигель; 2 – кристаллизатор.

 

Плазменный нагрев используется также для плавки металла с последующим измельчением расплава и кристаллизацией его в виде малоразмерных капель.

В дальнейшем этот материал применяют как исходный продукт порошковой металлургии, для наплавки и т.д.

Измельчение металла чаще всего получают разбрызгиванием расплавленного металла при вращении тигля 1. Попадая на холодные стенки кристаллизатора 2, капли жидкого металла затвердевают и в виде гранул собираются на дне камеры, причем большая скорость охлаждения расплавленного металла позволяет получать неравновесные структуры со специфическими свойствами.

2.3 Сварка и наплавка

 

Сварка с использованием плазменных источников энергии применяется все шире, так по сравнению с обычной свободно горящей электрической дугой удается получить большую глубину проплавления и меньшую ширину шва и соответственно более узкую зону термического влияния. Процесс идет с большей скоростью при улучшении качества сварного шва.

Плазменной сваркой за 1 проход сваривают детали толщиной до 20мм, что дает возможность существенно повысить производительность процесса, уменьшить возникающие при сварке деформации и получить в конечном счете более работоспособное сварное соединение.

Микроплазменная сварка является разновидностью процесса плазменной сварки и характеризуется силой тока плазмы порядка 0,1…10 А. Толщина свариваемых заготовок обычно составляет 0,025…1,0 мм (фольга) – другими методами невозможно сварить (детали радиоэлектронной техники).

Плазменная наплавка используется для нанесения на обрабатываемые заготовки поверхностных слоев (чаще всего из металлов и сплавов, отличных по составу от материала подложки) с целью повышения эксплуатационных свойств деталей. Для наплавки обычно применяют материалы со специальными свойствами (высокой твердостью, повышенной износостойкостью, коррозионной и термостойкостью).

Наплавка позволяет получать изделия из дешевых конструкционных материалов с рациональным распределением свойств по отдельным элементам.

При этом значительно снижается расход дорогостоящих легирующих материалов. Толщина наплавленных за 1 проход слоев может достигать 4…5 мм; возможно многослойная наплавка.

Наплавку проводят плазменной струей, что дает возможность регулировать глубину проплавления основного металла посредством изменения расстояния между горелкой и заготовкой. Чтобы обеспечить защиту ванны расплавленного металла от взаимодействия с атмосферными газами, в качестве плазмообразующих газов используют аргон и водород.

Наплавка рабочих лезвий инструментов позволяет экономить дефицитные и дорогостоящие инструментальные стали (Р18, Р6М5). Масса наплавленной инструментальной стали (на обычную углеродистую сталь) обычно не превышает 4…5 % от общей массы инструмента.

С помощью плазменной наплавки в ремонтных целях восстанавливают дорогостоящие узлы и детали (штампы, пресс-формы, валки и т.д.) металлообрабатывающего оборудования.

 

2.4 Напыление

Существует две основные разновидности процесса:

- подача материала в плазмотрон в виде прутка или проволоки;

- подача материала в плазмотрон в виде порошка (оксиды, нитриды, карбиды).

Плазменным напылением обычно получают слой малой толщины ( … м).

Металлические покрытия, получаемые с помощью плазменного напыления, чаще всего состоят из вольфрама, молибдена, никеля, кобальта и др. металлов и сплавов с достаточно высокой температурой плавления.

Производительность процесса может достигать нескольких напыляемого материала в час, а плотность напыляемого слоя составляет обычно 80…90 % от плотности монолитного металла. Тонкие (до 0,1…0,3 мм) напыленные слои имеют большую плотность и лучшее сцепление с напыляемым подслоем, чем более толстые.

Покрытия по назначению бывают разными: жаростойкие, коррозионостойкие, защитные. Для последних используют оксиды алюминия и циркония.

Напыление повышает стойкость кокилей, изложниц для литья; износостойкость фильер для протягивания (волочения) молибденовых прутков при напылении увеличивается в 5…10 раз.

Одной из разновидностей процесса плазменного напыления является ионная технология нанесения покрытий с помощью плазменных ускорителей.

 

Рисунок 7.8 — Схема ионной технологии нанесения покрытий

1 – катод водоохлаждаемый; 2 – плазма; 3 – обрабатываемая поверхность.

 

В промышленности ионная технология используется для увеличения срока службы металлорежущего инструмента и штампов. При этом износостойкость инструмента увеличивается в 2…5 раз.

Материал покрытия получают испарением в вакууме водоохлаждаемого катода 1. Затем его ионизируют в электрическом разряде и превращают в плазму 2, которая с помощью электромагнитного поля ускоряется и фокусируется в поток по направлению к обрабатываемой поверхности 3.

Значительная энергия, которую можно сообщить ионам в плазме, позволяют глубоко внедрять их в обрабатываемые поверхности и получать прочные поверхностные покрытия (и металлические пленки).

Плазменным формованием деталей с помощью напыления получают тонкостенные детали и заготовки сложной геометрической формы из трудно обрабатываемых металлов (вольфрама, молибдена). Материал в виде плазмы напыляют на оправки или шаблоны, которые в дальнейшем могут или растворяться химическим путем (если они изготовлены из алюминия или меди), или разбираться на части.

Как правило, полученный после напыления слой хрупок, имеет слоистую структуру. После отжига он приобретает равновесную мелкозернистую структуру и механические свойства, позволяющие подвергать его механической обработке и использовать в конструкциях.

Формование деталей плазменным напылением используется для тиглей, деталей ракетных двигателей и МГД-генераторов.

 

2.5 Резка

 

Это термическая резка, независимая от свойств разрезаемых материалов. Возможность разрезания заготовок значительной толщины (до 250…300 мм), получение резов любой конфигурации.

Существуют две основные разновидности плазменной резки: разделительная и поверхностная – строжка (рисунок 7.9.)

При ручных работах используется напряжение в 180 В, для машинных работ-500 В.

При строгании и точении (для удаления деформированного слоя) плазменную головку ставят под углом 40…60° к обрабатываемой поверхности.

При микроплазменной резке используется величина тока в 5…100 А для разрезания заготовок толщиной 6…8 мм. При этом ширина реза получается не более 0,8…1,0 мм.

 

 

 

Рисунок 7.9. — Схема плазменной головки: 1 – заготовка; 2 – плазменная струя; 3 – дуговой разряд; 4 – медный водоохлаждаемый электрод; 5 – вольфрамовый электрод.

 

 

3. Контрольные вопросы

 

1. Что такое плазма?

2. Чем отличается плазменная дуга от свободно горящей электрической дуги?

3. Каковы основные физические характеристики плазмы?

4. Каковы основные физико-химические эффекты при взаимодействии плазмы с веществом?

5. Когда появился термин “плазма”?

6. Основные схемы плазмотронов.

7. Какой эффект дает плазменная обработка при упрочнении поверхности?

8. В чем сущность процессов плазменной резки и строжки?

9. В каких случаях целесообразно применять плазменный прогрев при обработке металлов резанием?

10. Для каких изделий применяется плазменное формование поверхностей?

11. В каких случаях целесообразно применение плазменной строжки?

ЭЛЕКТРОВЗРЫВНАЯ ОБРАБОТКА

Введение

Процесс электровзрывной обработки относится к методу обработки давлением.

 

 

Рисунок 8.1 — Схема электровзрывной обработки

1 – заготовка; 2 – матрица; 3 – вещество; 4 – жидкость; 5 – электроды; 6 – уплотняющие детали; 7 – конденсаторная батарея; 8 – выпрямитель; 9 – переключатель; 10 – отверстие для удаления воздуха.

 

Быстрая деформация заготовки 1 вызывается силами , действующими на ее поверхности. Заготовка деформируется и при ударе о стенки матрицы 2.

Силы создаются вследствие взрывного испарения некоторого вещества 3 при пропускании через него кратковременного импульса тока I. Жидкость 4 служит для передачи механических усилий к заготовке 1, фиксируемой уплотняющими деталями 6.

Импульсный ток получается при разряде конденсаторной батареи 7, которая подсоединяется к электродам 5 с помощью переключателя 9. Конденсаторы предварительно заряжаются до высокого напряжения от выпрямителя 8. При деформации заготовки воздух из полости матрицы 2 удаляется через отверстие 10.

Электровзрывная обработка применяется как для формообразования, так и для разделения заготовки (штамповки, гибки, чеканки, вытяжки, раздачи, а также для дробления хрупких материалов, очистки крупных отливок от пригара, резки, развальцовки труб) [1].

Сама обработка происходит очень быстро.

Известны две основные разновидности электровзрывного формообразования, в которых применяют:

1). высоковольтный разряд при пробое диэлектрической жидкости, которая используется как испаряемое вещество, а также для передачи механических усилий к заготовке;

2). электрический взрыв проводникового испаряемого вещества, помещенного в жидкость, которая служит передатчиком усилий к заготовке.

При высоковольтном разряде, иначе называемом электрогидравлической обработкой, используют электрогидравлический эффект.

На возможность использования импульсных электрических разрядов в жидкости для обработки металлов и для создания кумулятивных струй было указано в работах Лазаренко Б.Р. и Н.И. в 1944г. “Электрическая эрозия металлов”.

Возможности использования импульсного электрического разряда как источника высоких давлений в технологических процессах штамповки, дробления, очистки литья и т. д. сформулированы в работах ЮткинаЛ. А. “ Электрогидравлический эффект и некоторые возможности его применения”, 1955 г. (1959 г.).

Рабочим веществом, как правило, служит техническая вода. Электрический разряд протекает в герметичной камере. В окрестности канала разряда происходит почти мгновенное испарение жидкости, образуется ударная волна — это источник силы для деформации заготовки, а также высокое давление в возникающем газопаровом пузыре.

Энергия разряда может достигать десятков килоджоулей, а длительность составляет несколько десятков микросекунд (мс), мгновенная сила тока достигает 50 кА при длине разрядного промежутка в несколько сантиметров.

Скорость фронта ударной волны заметно превышает скорость звука в воде и доходит до 3000 м/с (скорость звука в воде составляет 1500 м/с).

Начальная скорость стенок газового пузыря может быть больше 100 м/с, наибольший радиус пузыря – несколько сантиметров, максимальное давление в нем – до Па.

Размеры обрабатываемых листовых заготовок толщиной до 5 мм могут превышать один метр.

При электрическом взрыве конденсатор разряжается на проводник в виде тонкой проволоки (или нескольких проволок, фольги или сетки). Проводник располагают в диэлектрической жидкости. Начальное напряжение разряда в данном случае несколько киловольт (значительно меньше, чем в первой разновидности процесса).

При протекании тока большей силы проводник нагревается и происходит его взрывное испарение. Возникает газовый пузырь, давление в котором достигает 10¹⁰ Па. В качестве материалов проводников применяют медь, нихром, константан-сплав меди (основа) плюс 40% никеля и 1,5% марганца. Длина прямой проволоки – до нескольких десятков сантиметров, диаметр — 0,1…0,3 мм.

Достоинства электрогидравлического формообразования:

а) простота оснастки;

б) равномерность нагружения заготовки;

в) сохранение исходного качества поверхности листовой заготовки;

г) возможность изготовления разнообразных деталей из заготовок одного вида;

д) не нужны дополнительные операции;

е) оборудование легко встраивается в автоматические линии.

Электрогидравлические установки в зависимости от назначения различаются устройством камер, расположением заготовки, конфигурацией электродов. Ударная волна может иметь сферическую, цилиндрическую или плоскую форму.

Применяют еще одну разновидность электровзрывной обработки – электрический взрыв в вакууме электропроводного материала (обычно металлической проволоки) с целью нанесения покрытия. Покрытия наносят на различные материалы (в том числе керамику и стекло) без предварительного нагрева изделия.

Этим способом изготовляют детали рентгеновской аппаратуры и электронных приборов, цилиндров автомобильных двигателей и др.

 

1. Физика процесса

 

1.1. Формообразование под действием электрического разряда в жидкости

В схеме рисунок 8.1. напряжение на обкладках конденсатора должно быть достаточным для пробоя межэлектродного промежутка. Когда напряжение достигнет пробивного значения , в разрядной цепи быстро нарастает сила тока I. В жидкости возникает канал разряда и газопаровой пузырь. Вследствие высокого давления в рабочей камере заготовка 1 деформируется и заполняет полость в матрице 2.

 

Пробой жидкости

Начальная энергия конденсатора подсчитывается по формуле:

 

(8.1)

 

где С – емкость батареи конденсаторов, Ф;

– полагают так, В.

 

Механизм пробоя рабочей среды в общем такой же, как и при ЭЭО. Однако техническая вода обладает некоторой электропроводностью, благодаря чему происходит ее местное вскипание еще тогда, когда напряжение на электрод . Поэтому заметная часть энергии расходуется еще до пробоя (из-за электропроводности воды).

После пробоя в жидкости образуется канал разряда начальным диаметром в десятые доли мм. В окружающей жидкости возникает ударная волна. Чтобы большая часть энергии конденсаторов преобразовалась в энергию ударной волны, необходим разряд с высокой скоростью нарастания силы разрядного тока I. Этого добиваются подбором параметров разрядной цепи.

После разрядов в воде накапливаются продукты эрозии электродов и газовые пузырьки. Если жидкость не менять, то продолжительность ее использования влияет на значение пробивного напряжения, на устойчивость пробоя и последующего разряда, а также на показатели самой обработки.

Разряд иногда стабилизируют продольным магнитным полем.

 

Процессы в разрядной цепи

Для описания технологических процессов разрядную цепь представляют схемой замещения – совокупностью идеализированных элементов: индуктивных и емкостных.

 

 

Рисунок 8.2 — Схема замещения разрядной цепи

 

Схема замещения содержит емкость С конденсаторной батареи, а также небольшую индуктивность подводящих проводов и самого канала разряда. Активным сопротивлением учитывают все необратимые потери энергии, главным образом в канале разряда.

 

Обычно принимают, что разрядная цепь линейная, а =const. Электрическое состояние цепи описывают уравнением, вытекающим из 2-го закона Кирхгофа для мгновенных напряжений:

(8.2)

 

где , – мгновенные напряжения соответственно на емкостном, индуктивном и резистивном элементах.

 

Из электротехники известно, что эти напряжения связаны с мгновенным значением силы разрядного тока I:

 

; ; ;

 

 

Технологические показатели обработки в большой степени зависят от характера разряда.

 

 

Рисунок 8.3 — Характер разряда

 

При большом эквивалентном сопротивлении разряд апериодический, а при малом сопротивлении – затухающий периодический с периодом T.

 

 

Чтобы было быстрое нарастание силы тока I сопротивление, должно быть

 

, Ом (8.3)

 

а также мгновенной мощности P= в канале.

Это необходимое условие создания мощной ударной волны и преобразование значительной части электрической энергии в механическую.

За первый полупериод в канале выделяется значительная часть энергии конденсаторной батареи. Амплитуда силы тока и выделяемая в канале энергия уменьшается по мере затухания колебательного процесса в разрядной цепи.

При начальном условии, т.е. , наибольшая сила тока в первом приближении равна:

 

(8.4) (8.4)

Эта сила тока достигается примерно за время , где Т — период колебаний разрядной цепи.

Как известно из электротехники:

, с (8.5)

откуда ,

где L – индуктивность, Гн;

C – емкость, Ф.

В этом момент мгновенная мощность равна

 

P= кВт (8.6)

В течение первой четверти периода мгновенная мощность разряда изменяется примерно по линейному закону (см. рисунок). Можно принять, что мгновенная мощность увеличивается пропорционально времени:

P=P_мах∙ кВт (8.7)

 

Канал разряда между электродами для окружающей жидкости представляет цилиндрический источник энергии. Интенсивность процесса определяется удельной мощностью P/ , где – длина промежутка между электродами.

Если в соотношение (8.7) подставить выражения (8.4), (8.5), (8.6), то в течение первой четверти периода удельная мощность окажется пропорциональной времени разряда:

 

P/ ,

где (8.8)

 

Постоянная — одна из важнейших характеристических величин, определяющих технологические показатели электрогидравлической обработки.

Из электротехники также известно, что в магнитном поле индуктивного элемента накапливается энергия

 

Эта энергия максимальна в конце первой четверти периода, когда сила тока достигает значения I_max. Когда ток в течение второй четверти периода уменьшается, энергия магнитного поля переходит в энергию электрического поля конденсаторов.

Запасение энергии в магнитном поле уменьшает долю энергии конденсаторов, расходуемой в течение первой четверти периода на создание ударной волны. Для повышения КПД процесса необходимо уменьшать индуктивность разрядной цепи.

Ударная волна — это область повышенного давления, распространяющаяся в жидкости в радиальном направлении от канала разряда. На небольшом расстоянии от канала разряда ударная волна имеет форму цилиндра, а при удалении от области разряда становится сферической.

На фронте ударной волны величины, описывающие состояние жидкости, изменяются скачком. В частности давление увеличивается от P_а до очень высокого давления на фронте P_Ф>>P_а. Вследствие сжатия повышается плотность жидкости от нормальной ρ_ж до ρ_ф. На фронте ранее неподвижные частицы жидкости приобретают скорость V_ср. Фронт ударной волны движется со скоростью V_у.в.

Для расчета показателей электрогидравлической обработки необходимо знать значения указанных величин на фронте ударной волны.

Если в системе координат, движущейся вместе с фронтом, составить закон сохранения, то величины оказываются взаимосвязанными. В такой системе неподвижная жидкость перед фронтом обладает относительной скоростью- V_у.в., а скорость жидкости относительно фронта равна V = V_у.в. - V_ф.

Согласно закону сохранения масс

 

(8.9)

 

В соответствии с законом сохранения импульса

 

(8.10)

 

После пробоя жидкости от оси канала расходится ударная волна. Скорость фронта ударной волны (из теории ударных волн) равна:

, м/с (8.11)

 

Обычно при τ <(0,1…0,3) мкс скорость фронта V_у.в. ≈10⁴ м/с, а радиус r_ф ≈1 мм.

Скорость фронта V_у.в. не может быть меньше скорости звука в жидкости V_зв, и постоянная К_р имеет наименьшее допустимое значение , определяется согласно выражению (8.11)

(8.12)

 

Согласно выражению (8.8) и (8.12), в применяемой рабочей жидкости ударная волна может возникать только при определенных соотношениях между начальным напряжением разряда , длиной промежутка и индуктивностью разрядной цепи .

Таким образом, неравенством (8.12) устанавливаются условия осуществимости электрогидравлического формообразования.

Давление на фронте расходящейся ударной волны P_ф можно найти, если подставить величину (V_у.в. - V_ф) из выражения (8.9) в уравнение (8.10) и принять, что для воды существует связь между давлением и плотностью:

Па

 

Для воды давление на фронте ударной волны можно оценить по формуле:

, Па (8.13)

 

Если в соотношение (8.13) подставить выражения (8.8) и (8.11), то (8.14)

 

Также как и скорость фронта, давление на фронте не зависит от емкости разрядной цепи, но растет с повышением напряжения, уменьшением индуктивности и длины промежутка.

Соотношением (8.14) предопределяются основные показатели электрогидравлической обработки при цилиндрической ударной волне.

Обычно скорость частиц на фронте V_ф >100 м/с. После того, как рост мощности разряда прекращается, т. е. при τ≥0,25T, скорость фронта, давление и скорость частиц жидкости начинают уменьшаться.

При большом удалении от оси канала ударная волна переходит в мощную акустическую волну, скорость фронта которой немного повышает скорость звука (в воде около 1500 м/с).

Деформация заготовки вызывается силами, возникающими при подходе к заготовке фронта ударной волны. Как известно из физики, сила, с которой поток действует на неподвижную преграду (в данном случае на заготовку), представляет сумму гидростатического P_ф и динамического давлений.

Плотность поверхностных сил f_п максимальна, когда фронт ударной волны подходит к еще неподвижной заготовке и , а гидростатическое давление потока равно давлению P_ф на фронте ударной волны. Поэтому

 

(8.15)

 

Давление на фронте сохраняется постоянным примерно всю первую четверть периода, т. е. до тех пор, пока ударная волна не отойдет от оси канала на расстояние 0,25·Т·V_у.в..

Если заготовка расположена от оси разряда на расстоянии <0,25·Т·V_у.в., то давление на фронте наибольшее и определяется соотношением (8.14).

Плотность поверхностных сил должна превышать предел текучести, т.е. f_п>σ_τ.

Экспериментально установлено, что давление на фронте ударной волны в десятки и сотни раз превышает σ_τ.

Когда фронт ударной волны достигнет поверхности заготовки, то спустя некоторое время (≈100 мкс) начинается само формообразование. Ударная волна частично отражается, а частично переходит в заготовку, где распространяются продольные и поперечные волны.

При отражении ударной волны от заготовки в жидкости возможна кавитация.

Абсолютные скорости деформации заготовки превосходят 100 м/с.