Технологические процессы лазерной обработки
Покупка
Тематика:
Технология машиностроения
Год издания: 2006
Кол-во страниц: 664
Дополнительно
Вид издания:
Учебное пособие
Уровень образования:
ВО - Бакалавриат
ISBN: 5-7038-2701-9
Артикул: 082544.03.99
Доступ онлайн
В корзину
Рассмотрены теоретические основы лазерной обработки и обобщены аналитические и численные методы анализа физических процессов при воздействии лазерного излучения на различные материалы. Представлены технологии лазерной термической и химико-термической обработки, легирования, оплавления, наплавки, сварки, резки и других высокоэффективных процессов лазерной обработки. Изложены особенности лазерных технологических процессов в микроэлектронике, определяющих подходы к нанотехнологиям в современном производстве. Большое внимание уделено перспективным направлениям лазерной обработки. Показано, что наряду с повышением производительности и качества процесса достигаются новые результаты, обеспечивающие реализацию технологии изготовления современных деталей и конструкций.
Для студентов высших технических учебных заведений машиностроительных специальностей.
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
УДК 621.7 ББК 34.441 Г834 Р е ц е н з е н т ы: директор, главный конструктор ЦНИИ робототехники и технической кибернетики, зав. кафедрой «Сварка и лазерные технологии» Государственного политехнического университета (С.-Петербург), чл.-кор. РАН, д-р техн. наук, проф. В.А. Лопота; зав. кафедрой «Высокоэффективные технологии обработки» ГОУ ВПО Московского государственного технологического университета (СТАНКИН), д-р техн. наук, проф. С.Н. Григорьев Григорьянц А.Г., Шиганов И.Н., Мисюров А.И. Технологические процессы лазерной обработки: Учеб. пособие для вузов / Под ред. А.Г. Григорьянца. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Бау- мана, 2006. – 664 с.: ил. – ISBN 5-7038-2701-9. Рассмотрены теоретические основы лазерной обработки и обобщены ана- литические и численные методы анализа физических процессов при воздейст- вии лазерного излучения на различные материалы. Представлены технологии лазерной термической и химико-термической обработки, легирования, оплав- ления, наплавки, сварки, резки и других высокоэффективных процессов ла- зерной обработки. Изложены особенности лазерных технологических процессов в микроэлектронике, определяющих подходы к нанотехнологиям в современ- ном производстве. Большое внимание уделено перспективным направлениям лазерной обработки. Показано, что наряду с повышением производительности и качества процесса достигаются новые результаты, обеспечивающие реали- зацию технологии изготовления современных деталей и конструкций. Для студентов высших технических учебных заведений машинострои- тельных специальностей. УДК 621.7 ББК 34.441 © А.Г. Григорьянц, И.Н. Шиганов, А.И. Мисюров, 2006 © Оформление. Издательство МГТУ ISBN 5-7038-2701-9 им. Н.Э. Баумана, 2006 Г834
ОГЛАВЛЕНИЕ ПРЕДИСЛОВИЕ ..................................................................................................... 7 ВВЕДЕНИЕ.............................................................................................................. 9 СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ..................................................................................... 11 Ч А С Т Ь I ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЛАЗЕРНОЙ ОБРАБОТКИ Г л а в а 1. Лазерное оборудование для обработки материалов.................... 13 1.1. Перспективы развития лазерной техники и технологии....................................... 13 1.2. Принципы работы, типы и конструкции технологических лазеров ................... 17 1.3. Свойства лазерного излучения................................................................................ 43 1.4. Фокусировка лазерного излучения ......................................................................... 48 Г л а в а 2. Физические процессы при взаимодействии лазерного излуче- ния с материалами............................................................................................ 84 2.1. Энергетические условия взаимодействия лазерного излучения при обработке материалов................................................................................................................ 84 2.2. Плазменные процессы при лазерной обработке.................................................... 95 2.3. Тепловые процессы при лазерном воздействии .................................................... 110 Г л а в а 3. Термодеформационные процессы и превращения в металлах при воздействии лазерного излучения........................................................... 156 3.1. Деформации и напряжения при лазерной обработке ............................................ 156 3.2.Теоретические методы определения деформаций и напряжений......................... 164 3.3. Экспериментальные методы определения деформаций и напряжений.............. 175 3.4. Особенности распределения остаточных деформаций и напряжений ............... 181 3.5. Технологическая прочность металлов при лазерной обработке .......................... 194
Оглавление ———————————————————————————————————————— 4 Ч А С Т Ь II ПРОЦЕССЫ ТЕРМИЧЕСКОЙ ЛАЗЕРНОЙ ТЕХНОЛОГИИ Г л а в а 4. Поверхностная лазерная закалка сплавов..................................... 233 4.1. Классификация методов поверхностной лазерной обработки .............................. 233 4.2. Особенности фазовых переходов при лазерном нагреве железоуглеродистых сплавов....................................................................................................................... 235 4.3. Особенности образования структур в сталях при лазерном нагреве................... 240 4.4. Особенности структуры, образовавшейся при большой скорости охлаждения.... 244 4.5. Особенности формирования структуры сплавов при лазерной термообработ- ке с оплавлением поверхности ................................................................................ 246 4.6. Расчетные подходы для решения задачи процесса аустенитизации при лазер- ном нагреве ............................................................................................................... 252 4.7. Структура и строение поверхностных слоев сталей и чугунов после лазерной обработки .................................................................................................................. 259 4.8. Структура и механизмы упрочнения цветных металлов и сплавов..................... 278 4.9. Основные параметры импульсной лазерной закалки и характеристики упрочненной поверхности ................................................................................................. 286 4.10. Основные параметры лазерной закалки непрерывными лазерами и характеристики упрочненной поверхности .............................................................................. 292 4.11. Факторы, влияющие на геометрические размеры зон лазерного воздействия. 297 4.12. Свойства сплавов после лазерной закалки............................................................ 302 4.13. Лазерный отжиг....................................................................................................... 319 4.14. Лазерный отпуск...................................................................................................... 321 Г л а в а 5. Получение поверхностных покрытий с помощью лазерного излучения............................................................................................................. 323 5.1. Лазерное поверхностное легирование..................................................................... 323 5.2. Лазерная наплавка ..................................................................................................... 333 Г л а в а 6. Лазерная сварка металлов................................................................ 362 6.1. Классификация способов лазерной сварки ............................................................. 362 6.2. Технологические особенности лазерной сварки .................................................... 367 6.3. Физические процессы образования сварного соединения при сварке материалов малых толщин .................................................................................................... 371 6.4. Физические процессы образования сварного соединения при лазерной сварке с глубоким проплавлением ................................................................................. 379
Оглавление ———————————————————————————————————— 5 6.5. Технология лазерной сварки материалов малых толщин ..................................... 393 6.6. Технология лазерной сварки металлов с глубоким проплавлением................... 406 6.7. Особенности проектирования деталей с использованием лазерной сварки с глубоким проплавлением........................................................................................ 420 6.8. Гибридные технологии лазерной сварки................................................................ 428 6.9. Технологические особенности лазерной сварки различных материалов ............... 447 6.10. Примеры промышленного применения лазерной сварки................................... 486 Г л а в а 7. Лазерное разделение конструкционных материалов................... 494 7.1. Особенности лазерного разделения материалов.................................................... 494 7.2. Технология лазерной резки неметаллических материалов................................... 501 7.3. Лазерная обработка хрупких материалов............................................................... 511 7.4. Технология газолазерной резки металлических материалов................................ 523 Г л а в а 8. Лазерная размерная обработка ........................................................ 549 8.1. Лазерная маркировка и гравировка......................................................................... 549 8.2. Лазерная обработка отверстий ................................................................................ 554 Г л а в а 9. Лазерное оборудование и технологические комплексы.............. 583 9.1. Специализированные комплексы............................................................................ 584 9.2. Универсальные лазерные комплексы (УЛК) ......................................................... 586 9.3. Комбинированные системы..................................................................................... 599 Ч А С Т Ь III ЛАЗЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ И ПЕРСПЕКТИВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ЛАЗЕРНОЙ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ Г л а в а 10. Лазерные технологии в микроэлектронике................................. 603 10.1. Лазерный отжиг, рекристаллизация и легирование полупроводников ............ 603 10.2. Лазерное нанесение тонких пленок и изменение химического состава по- верхностных слоев деталей электронных приборов............................................. 608 10.3. Лазерная обработка пленочных материалов ........................................................ 614 Г л а в а 11. Перспективные направления технологий лазерной обра- ботки..................................................................................................................... 627
Оглавление ———————————————————————————————————————— 6 11.1. Методы быстрого прототипирования с использованием лазерного излу- чения .......................................................................................................................... 627 11.2. Лазерная динамическая балансировка деталей..................................................... 640 11.3. Интенсификация механической обработки с использованием лазерного из- лучения ...................................................................................................................... 644 11.4. Лазерная ударная обработка материалов .............................................................. 646 11.5. Лазерная технология создания объемных изображений в стекле...................... 652 11.6. Лазерная пайка металла с керамикой .................................................................... 656 ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................................................................................ 661 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ....................................................................................... 662
ПРЕДИСЛОВИЕ Едва ли учредители Нобелевского премиального фонда могли прогнозировать столь стремительный прогресс квантовой электроники в XX веке, приведший к созданию лазеров. Вряд ли профессора Н.Г. Басов, А.М. Прохоров и Ч. Таунс в момент получения Нобелевской премии в 1964 г. могли предусмотреть все воз- можные конструкции лазеров и сферы применения лазерной техники. Высокая концентрация энергии лазерного излучения предопределяет значи- тельную интенсификацию процессов обработки материалов наряду с принципи- ально новыми результатами. На основе последних достижений физики и техни- ки в последние годы созданы новые типы мощных технологических лазеров с существенно более высокой энергетической эффективностью, обеспечивающей значительный прогресс в развитии технологических процессов лазерной обра- ботки. В нашей стране и за рубежом выполнен большой объем исследований по применению лазеров при обработке материалов, сформированы основные науч- ные направления и созданы условия для широкого использования лазеров в про- мышленном производстве. По инициативе и под руководством академика Г.А. Николаева в МВТУ им. Н.Э. Баумана начиная с 1978 г. стали систематически проводить научные ис- следования по применению мощного лазерного излучения для обработки мате- риалов и изучению происходящих в них при этом физических процессов. В 1981 г. в МВТУ им. Н.Э. Баумана была создана первая в стране кафедра «Оборудование и технология лазерной обработки». В работах кафедры реализо- ван комплексный подход к изучению и решению современных проблем лазер- ных технологий — от создания теоретических основ до разработки технологиче- ских процессов лазерной сварки, резки, наплавки, поверхностной обработки, прошивки отверстий, микротехнологий обработки, стереолитографии и других видов лазерной обработки. Сотрудниками кафедры был выполнен большой объ- ем научно-исследовательских работ, многие из которых были приоритетными в нашей стране и за рубежом. Опубликовано множество статей, получены сотни авторских свидетельств и патентов, выпущен ряд монографий, сборников трудов и учебных пособий. Накопленный научный потенциал знаний позволил уже в 1984 г. открыть на кафедре первую в стране новую учебную специальность «Оборудование и тех- нология лазерной обработки» (050307), а в 1988 г. на ее базе — специальность «Машины и технология высокоэффективных процессов обработки» (150700). Были разработаны учебные планы, программы, изданы учебники, учебные посо-
Предисловие ———————————————————————————————————————— 8 бия, необходимый методический материал, подготовлен полный комплекс лабо- раторного оборудования. Методические основы учебного процесса были апробированы в течение ря- да лет при обучении студентов и переподготовке ученых кадров. С 1981 г. орга- низована подготовка и выпуск инженеров и переподготовка инженерных кадров по специальности «Лазерная техника и технология», проведены ставшие тради- ционными школы «Актуальные проблемы развития лазерной техники и техно- логии» для молодых ученых и инженеров всей страны. Настоящее учебное пособие «Технологические процессы лазерной обработ- ки» создано на основе синтеза научных знаний и многолетнего учебно-методи- ческого опыта обучения студентов.
ВВЕДЕНИЕ Издание учебной литературы по лазерной технике и технологии стано- вится традицией кафедры «Лазерные технологии в машиностроении» МГТУ им. Н.Э. Баумана. В 1987–1989 гг. издательством «Высшая школа» под редак- цией профессора А.Г. Григорьянца была выпущена серия учебных пособий «Лазерная техника и технология», состоящая из семи книг. В них был последо- вательно рассмотрен основной комплекс сведений, необходимых будущим спе- циалистам для разработки технологических процессов. Наука о лазерах и лазерной технологии является бурно развивающейся об- ластью знаний. В последние годы сделаны открытия принципиально новых типов лазеров, обладающих высоким коэффициентом полезного действия, простых и удобных в эксплуатации, обеспечивающих высокую надежность и, таким обра- зом, весьма пригодных для применения в различных отраслях промышленности. В результате этого существенно расширился диапазон выполняемых функций лазерной техники. Наряду с увеличением производительности и качества тради- ционных лазерных технологических процессов обработки были разработаны новые процессы, обеспечивающие общий прогресс развития теории и практики в технологии машиностроения. Возникла потребность в обобщении последних достижений лазерной техники и технологии для подготовки современных высо- коквалифицированных специалистов. Настоящая книга представляет собой учебное пособие по основополагаю- щему курсу специальности 150700 «Технологические процессы лазерной обра- ботки», в котором представлены современные проблемы лазерной технологии — от разработки теоретических основ до формирования практических рекоменда- ций по эффективному использованию лазерного излучения, а также созданию технологических процессов лазерной обработки и соответствующей лазерной техники. В части I учебного пособия даны теоретические основы лазерной обработки, являющиеся базой для разработки технологических процессов. Изложены прин- ципы работы и конструкции основных разновидностей технологических лазе- ров. Наибольшее применение в лазерной обработке находят газовые лазеры, среди них в первую очередь СО2-лазеры и твердотельные лазеры, как ламповые, так и диодные. Однако следует отметить, что в последние годы активно разви- ваются весьма перспективные волоконные лазеры, энергетическая эффектив- ность которых достигает 50 %, что значительно выше, чем в твердотельных ламповых лазерах и СО2-лазерах. Широкое развитие волоконных лазеров в бли-
Введение ———————————————————————————————————————— 10 жайшие годы может обеспечить значительное возрастание удельного веса ла- зерной обработки в промышленности. Рассмотрены физические явления при взаимодействии лазерного излучения с различными материалами. Большое вни- мание уделено обобщению энергетических параметров при воздействии лазеров с различными длинами волн излучения на металлы и неметаллические материа- лы. Представлены особенности плазменных процессов, возникающих при взаи- модействии высококонцентрированного лазерного излучения с газами и парами металлов. На этой основе показаны условия повышения эффективности лазерной обработки. Обобщены аналитические и численные методы расчета тепловых процессов, которые являются базовыми для выбора режимов лазерной обработки. Вопросы точности изготовления деталей и узлов конструкций в значительной степени определяются термодеформационными процессами и превращения- ми в металлах при воздействии лазерного излучения, анализу которых уделено достаточное внимание. Для получения качественного результата в процессе лазерной обработки следует достигать высоких показателей технологической прочности материалов, обеспечивающих отсутствие дефектов и разрушений. В части II учебного пособия представлены технологии лазерной термиче- ской, химико-термической обработки, легирования, оплавления, наплавки, свар- ки, резки и других видов лазерной обработки. Технологические процессы изло- жены в конкретной постановке с указанием оптимальных условий и параметров режимов, оригинальных способов обработки, с анализом преимуществ и реко- мендациями по применению в производственных условиях. Рассмотрены мно- гочисленные результаты лазерной обработки разнообразных сталей, чугунов, алюминиевых, медных, никелевых и титановых сплавов, керамических, компо- зиционных и других современных материалов. В части III учебного пособия рассмотрены особенности лазерных технологических процессов в микроэлектронике, определяющих подходы к нанотехнологиям в современном производстве. Большое значение придается перспективным направлениям лазерной обработки. Показано, что наряду с увеличением производительности процесса и качества обработки достигаются принципиально новые результаты, обеспечивающие новые подходы к реализации технологии изготовления современных деталей и конструкций. Основная часть материала, представленного в этом учебном пособии, получена в результате научных исследований, выполненных авторами и коллективом исследователей под руководством авторов на кафедре «Лазерные технологии в машиностроении» Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана. Большое внимание при подготовке учебного пособия уделялось обобщению комплекса разработок в области лазерной технологии, выполненных ведущими коллективами России и других стран мира. Учебный курс «Технологические процессы лазерной обработки» является базовым при подготовке инженеров, читается студентам уже более 20 лет, по- стоянно совершенствуется и дополняется информацией о последних достижениях в лазерной технологии.
Введение ———————————————————————————————————— 11 Данное учебное пособие предназначено для подготовки студентов по специальности « Машины и технология высокоэффективных процессов обработки» (150700), для подготовки и повышения квалификации инженеров — специалистов по металловедению и термообработке, сварке и другим специальностям, связанным с современными технологическими процессами обработки материалов высокоэффективными потоками энергии. Содержание учебного пособия «Технологические процессы лазерной обработки» представляет собой выражение современного уровня знаний и достижений в лазерной технологии.
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ АРДС — аргонодуговая сварка ГАП — гибкое автоматизированное производство ГПС — гибкие производственные системы ЖФПК — жидкие фоточувствительные полимерные композиции ЗЛВ — зона лазерного воздействия ЗМВ — зона механического влияния ЗТВ — зона термического воздействия ЛДО — СО2-лазер с диффузионным охлаждением ЛПМ — лазеры на парах меди ЛТК — лазерный технологический комплекс ЛТУ — лазерная технологическая установка МИО — многоимпульсная обработка материала МКМ — металлические композиционные материалы МКР — метод конечных разностей МКС — металлокерамическое соединение МКУ — металлокерамический узел ПНУ — плоскость наилучшей установки ПЭВ — поверхностные электромагнитные волны СЛТК — специализированный лазерный технологический комплекс СОЖ — смазочно-охлаждающая жидкость ТВ — тепловой взрыв ТИХ — температурный интервал хрупкости УЛК — универсальные лазерные комплексы УТР — управляемое термораскалывание ШВП — шариковинтовая пара ЭЛС — электронно-лучевая сварка
ЧАСТЬ I ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЛАЗЕРНОЙ ОБРАБОТКИ Глава 1 ЛАЗЕРНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ 1.1. Перспективы развития лазерной техники и технологии Развитие современного производства обуславливает все возрастающее внедрение наукоемких технологий. К ним относится лазерная обработка мате- риалов. Такая обработка является одной из технологий, которые определяют со- временный уровень производства в промышленно развитых странах. Использо- вание лазерной обработки материалов позволяет обеспечить высокое качество получаемых изделий, заданную производительность процессов, экологическую чистоту, а также экономию людских и материальных ресурсов. В настоящее время применение лазерных технологий в машиностроитель- ном производстве чрезвычайно разнообразно. К числу таких технологий отно- сятся сварка, термоупрочнение, легирование, наплавка, резка, размерная обра- ботка, маркировка, гравировка, прецизионная микросварка и многие другие. В некоторых случаях лучевые технологии находятся вне конкуренции, так как с помощью лазеров можно получить технические и экономические результаты, которых нельзя достичь другими техническими средствами. Спектр оборудования, используемого для лазерной обработки материалов, чрезвычайно широк. Большинство производителей поставляют на рынок не от- дельные технологические лазеры, а лазерные технологические комплексы. В них имеются устройства внешней оптики, управляемые столы, манипуляторы, робо- ты для перемещения изделия во время обработки, а также программное обеспе- чение, необходимое для реализации конкретной технологии. Среди лазерных источников, используемых для обработки материалов, наиболее широкое распространение получили высокомощные СО2-лазеры. Такие лазеры, мощность которых достигает 20 кВт, на сегодняшний день составляют абсолютное большинство среди установок, применяемых для резки, сварки и термообработки. Их серийно выпускают в Европе, США, Японии и в России. Основным направлением развития и совершенствования лазеров этого типа является повышение их надежности и экономичности.
Глава 1. Лазерное оборудование для обработки материалов ———————————————————————————————————————— 14 В настоящее время большое внимание уделяют технологиям гибридной ла- зерно-дуговой сварки, когда излучение CO2-лазера комбинируется с воздействием сварочной электрической дуги с плавящимся либо с неплавящимся электродом. Этот метод находит применение в автомобильной и судостроительной промышленности. Целый ряд таких широко известных фирм, как Messer- Gresheim, Weldaix и SAAB, серийно производят сварочные головки и другое технологическое оборудование для гибридной сварки. Высокими темпами растет производство твердотельных лазеров (рис. 1.1). Они превосходят газовые по технологичности, экономичности, массе и габарит- ным размерам. Их существенным технологическим преимуществом является возможность применения для передачи излучения гибким световодом. Благода- ря этому были созданы роботизированные лазерные технологические комплексы (ЛТК), используемые для резки и сварки корпусных элементов сложной пространственной конфигурации. Конкурентоспособность твердотельных лазе- ров особенно резко повысилась после начала применения лазеров с диодной на- качкой. Хотя эти лазеры дороже твердотельных с ламповой накачкой, они зна- чительно экономичнее и надежнее. Наряду с указанными, в последнее время были разработаны лазеры на дисковых активных элементах, обеспечивающие высокое качество излучения. Рис. 1.1. Распределение мирового рынка недиодных лазеров по типам
Доступ онлайн
В корзину