Лучевые методы обработки.

Особенностью лучевых методов обработки является отсутствие рабочего инструмента, роль которого выполняет непосредственно луч. Лучевые методы обработки особенно целесообразны для получения отверстий небольших размеров, так как изготовление инструмента в этих случаях очень трудоемко. Он быстро выходит из строя вследствие поломки, а при точных размерах изделия – из-за износа. Основными разновидностями лучевой обработки является электронно-лучевая и светолучевая.
Электронно-лучевая обработка. Она основана на использовании теплоты, выделяющейся при резком торможении потока электронов поверхностью обрабатываемого изделия. При этом кинетическая энергия электронов преобразуется в тепловую и только незначительная часть (0,1…3%) – в рентгеновское излучение.
Чем выше кинетическая энергия потока электронов и чем меньше площадь, на которой она сосредоточена, тем быстрее происходит нагрев.
В качестве источника свободных электронов (термокатода) используют металлическую проволоку (вольфрам, тантал и др.), нагретую до высокой температуры в глубоком вакууме.
В этих условиях электроны не испытывают столкновений с молекулами воздуха и друг с другом. При этом вся энергия, получаемая отдельными электронами, затрачивается на придание электрону определенной скорости. Количество электронов, испускаемых термокатодом, зависит от температуры нагрева и его материала.
Электроны сжимаются и формируются в узкий луч с высокой концентрацией энергии при помощи магнитных линз, представляющих собой катушки специальной формы.
Частоту и длительность импульсов подбирают таким образом , чтобы материал находился под воздействием электронного луча в течение очень малого промежутка времени. В этом случае луч будет расплавлять материал в ограниченной зоне, не вызывая резкого повышения температуры обрабатываемого материала в близко расположенной области.
Толщина слоя вещества, в котором электрон полностью теряет свою скорость, называется пробегом электрона. Глубина проникновения электрона зависит от значения ускоряющего напряжения.
Проникающий в материал электрон теряет энергию не сразу, а в процессе многочисленных соударений с решеткой, в результате этих столкновений меняются скорости и направление движения электронов. Потеря энергии электронами максимально на некотором расстоянии от поверхности материала. Наиболее интенсивное выделение теплоты наблюдается на глубине пробега электрона.
На рис. 1.26 показана схема установки для обработки и сварки с помощью электронного луча. Источником электронов является катод 1, помещенный в формирующий электрод 2. При нагреве катода с его поверхности излучаются электроны, которые под воздействием электрического поля, создаваемого высокой разностью потенциалов между анодом 3 и катодом, приобретают высокую скорость и направляются в фокусирующую катушку 4. С помощью отклоняющей катушки 5 луч можно перемещать по поверхности детали 6, установленной на столе 7. Оптическая система наблюдения состоит из зеркала 8 и микроскопа 9.
Если система, отклоняющая луч, не работает, а изделие стоит неподвижно, то луч выполняет роль сверла.

Обработка осуществляется лучом малого диаметра (1…10 мкм) при плотности энергии в

на поверхность, а температура в месте воздействия луча достигает 8000 градусов Цельсия. При этом металл мгновенно испаряется.
Электронно-лучевая обработка применима для всех материалов (металлов, ферритов, стекла, алмазов, графитов и др.). благодаря малому времени воздействия теплоты термическое влияние на периферийные области незначительны. Недостатком метода является сложность установки из-за необходимости иметь вакуумную камеру.

Светолучевая обработка. Она основана на применении лазера, представляющего собой квантовый генератор (усилитель) когерентного излучения оптического диапазона. Слово “лазер” составлено из начальных букв английского словосочетания ”усиление света вынужденным излучением”. Он способен давать весьма узкие направленные пучки монохроматического и когерентного излучений, характеризующиеся очень высокой плотностью тепловой энергии. Температура в зоне действия луча доходит до С.°8000
Наиболее важным свойством лазерного излечения, используемого для технологических целей, является когерентность. При когерентном излучении волновые лучи, которыми называют несколько волн, идущих друг за другом, распространяются в одном направлении, имеют одинаковую длину волны и находятся в фазе друг с другом. Высокая степень когерентности проявляется также в малой расходимости лазерного луча. Когерентной лазерный луч может быть сфокусирован в пятно диаметром порядка длины световой волны (1…10мкм). Используя фокусировку, можно повысить интенсивность лазерного излучения.
В зависимости от рода активного материала различают лазеры на основе твердого тела (твердотельные), газовые и жидкостные.
В твердотельных лазерах в качестве активного элемента используют диэлектрики (рубин, стекло с добавками неодима, алюминоиттриевый гранит и др.) или полупроводники (например, арсенид галлия). Лазеры, построенные на диэлектриках, имеют малый энергетический КПД (0,1…0,01%), а лазеры на полупроводниках – 1…4%.
В газовых лазерах в качестве активного вещества используют смесь газов или один газ. Газовые лазеры (на азоте, оксиде углерода) могут использоваться для размерного испарения материалов (например, в технологии подгонки тонкопленочных резисторов интегральных схем). Их основное преимущество – непрерывное излучение, что улучшает качество обработки по сравнению с твердотельными импульсными лазерами. Недостатком газовых лазеров является малая выходная мощность.
В жидкостных лазерахв качестве активного вещества используют неорганические жидкости. Преимуществом жидкостного лазера является возможность циркуляции в нем жидкости для охлаждения. Это позволяет получать большие энергии и мощности излучения в импульсном и непрерывном режимах. При большом разнообразии конструкций у всех лазеров имеются общие функциональные элементы.
Лазер на основе синтетического рубина показан на (рис. 1.27). Он представляет собой оксид алюминия, в котором некоторые из атомов алюминия заменены атомами хрома (до 0,05%), являющимися активными центрами.

Рубиновый стержень изготовляют из монокристалла, полученного выращиванием в плазменной индукционной печи. Диаметр стержня 2…20мм, длина 80…200мм.
Торцы рубина 1 отполированы и представляют собой зеркала. Один торец покрыт плотным непрозрачным слоем серебра, а другой (со стороны линзы 4) имеет коэффициент пропускания около 8%. Линза 4 формирует испускаемое излучение и направляет его к обрабатываемому изделию 3.
Непрозрачные и полупрозрачные покрытия могут изготовляться и из других теплостойких материалов с хорошей отражательной способностью.
Шероховатость на плоских полированных торцах должна быть не более 0,1 длины волны желтой линии натрия, параллельность торцевых поверхностей 2", а отклонение от угла 90˚ между торцевыми плоскостями и продольной осью стержня не более . Рубин 1 и импульсная лампа вспышки 5 устанавливаются в камере 2. внутренняя поверхность камеры отполирована и является отражателем света. Зарядный агрегат 6 состоит из батарей конденсаторов 7. при помощи пускового устройства 8 происходит разряд конденсаторов и появляется вспышка света длительностью

Свет фокусируется на рубиновом стержне в результате чего атомы хрома переходят на более высокий энергетический уровень (рис. 1.28).
Под воздействием фотона атом, находящийся на верхнем уровне (возбужденный атом), может перейти на прежний (нижний) уровень. При этом появится новый фотон (вторичный). Переход атома на прежний уровень может происходить и за счет релаксационных процессов, стремящихся возвратить систему в равновесное состояние. Такой переход называется самопроизвольным или спонтанным, который имеет случайный характер. Если большинство атомов окажется на верхнем уровне, то будут происходить процессы индуцированного (вынужденного) излучения.
Основной задачей при создании квантовых генератор является получение инверсного состояния, то есть такого, когда число на верхнем уровне превышает их число на нижнем уровне. Лу света, образовавшийся в результате возвращения атомов в исходное состояние, проходя вдоль оси рубина и многократно отражаясь, достигает большой интенсивности и проходит через полупрозрачный торец рубина.
Лазерную технологию широко используют при производстве электронных устройств, для получения отверстия малого размера в твердых материалах (ферритах, стекле и др.), сварке, термообработке, скрабирования, маркировки и ряда других процессов.
Важной особенностью светолучевой сварки является малая длительность термического цикла, что обеспечивает возможность обработки материалов, особенно чувствительных к воздействию теплоты. Краткость импульсов предотвращает возможность, получения крупнозернистой структуры и окисления метала
Возможность точной дозировки энергии делает этот метод особенно перспективным для сварки монтажных соединений в интегральных микросхемах. При этом возможна сварка через прозрачные оболочки, которые не являются препятствием для светового луча.
Сварка световым лучом имеет достаточно высокую производительность. Ее можно выполнять на воздухе, в атмосфере инертных газов и вакууме. При этом не требуется защиты обслуживающего персонала от рентгеновского облучения, вследствие чего оборудование значительно упрощается.
В производстве интегральных микросхем широко используют процесс скрабирования, который заключается в нанесении на поверхность материала канавок, после чего материал легко раскалывается. Замена механического алмазного скрабирования полупроводниковых пластин на лазерное скрабирование или резку обеспечивает высокую производительность процессов и высокое качество выполнения операций.
Лазеры широко применяют при маркировке хрупких изделий малых размеров и для зачистки монтажных проводов. В последнем случае обеспечивается высокая частота поверхности и не оказывается вредное влияние на металл токовыводящей жилы (не образуются «задиры» материала и др.)
Отечественная промышленность выпускает ряд лазерных установок для обработки материалов:
«Кристалл-6» - для сверления и фрезерования феррита, керамики, ситалла, рубина и др. диаметр отверстий 0,1…0,6мм, глубина 3мм. Ширина обрабатываемого паза 0,05…0,2мм, точность обработки по 7-8 квалитетам;
«Квант-50» - для пайки интегральных микросхем на печатные платы, резки, сварки и термоупрочнения металлических деталей предусмотрена возможность использования устройств с программным управлением.