1tom350

13. ELEKTROTERMTA 702

Istotną cechą tej techniki jest odchylanie wiązki z częstotliwością do 1 MHz. W metodzie powierzchniowej obróbki wybrany fragment wsadujest poddawany działaniu pojedynczych nanosekundowych impulsów o gęstości powierzchniowej energii ok. Kr J/m² przy kilkudzicsięciomilimetrowej średnicy wiązki. Stosowane napięcia — 20 -e- 35 kV, gęstości powierzchniowe mocy — ok. 10⁴ W/cm². W metodzie pasmowej obróbki stosuje się taśmową wiązkę elektronową „omiatającą” powierzchnię materiału. Urządzenie tego rodzaju o mocy 6 MW umożliwia obróbkę taśmy stalowej o grubości 1 mm z wydajnością 30 Mg/h przy szybkości przesuwu 75 m/min [13.2]. Ponadto są stosowane obróbki: punktowa i rastrowa [13.30].

Mikroobróbka elektronowa polega na usuwaniu materiału w miejscu oddziaływania wiązki na wsad. Pochłaniana energia cieplna koncentruje się pod powierzchnią wsadu i powoduje crupcyjne odparowanie materiału, co pozwala na głębszą penetrację wiązki, a tym samym na realizację takich procesów jak: drążenie otworów o małych średnicach (m.in. w diamentach), perforację cienkich blach metalowych i folii z tworzyw sztucznych oraz mikrospawanic, przecinanie, nacinanie, frezowanie. Napięcia przyspieszające w mik-roobrabiarkach 20 h-150 kV, moce od kilku do kilkunastu kilowatów, praca ciągła lub impulsowa.

Wytwarzanie cienkich warstw polega na kondensacji próżniowej par metali czystych, stopów metali, krzemu, azotków lub węglików na wsadach w celu wytworzenia warstwy ochronnej, dekoracyjnej, przewodzącej lub odpornej np. na ścieranie. Realizuje się to kierując wiązkę elektronów na stopiony materia! utrzymywany w tyglu, w którym jest on nagrzewany, topiony i z którego jest odparowywany (rys. 13.42b). Istnieje możliwość równoczesnego odparowania kilku materiałów. Wydajności urządzeń sięgają 10⁷ m²/a, moce —-1,4 MW.

Inne technologie to przede wszystkim rafinacja strefowa, czyli beztyglowa metoda przetapiania i oczyszczania metali i materiałów półprzewodnikowych, cięcie i kruszenie skał, spawanie elektronowe — technika umownie nie zaliczana do elektrotermicznych [13.2]. Cięcie i kruszenie skał, podobnie jak niektóre odmiany spawania, wymaga wyprowadzenia wiązki poza obszar próżni typowej dla wyrzutni. Wiąże się to jednak z koniecznością stosowania napięć przyśpieszających sięgających 200 kV. W takich warunkach emisja promieniowania rentgenowskiego z obszarów nagrzewanych ma już znaczący udział i wymaga stosowania specjalnych osłon.

13.13. Nagrzewanie laserowe

Nagrzewanie laserowe jest to technika wytwarzania i wykorzystywania ciepła oparta na przemianie różnych postaci energii w energię promieniowania elektromagnetycznego emitowanego przez lasery. Jeżeli wzbudzenie ośrodków czynnych laserów odbywa się kosztem energii elektrycznej, to nagrzewanie takie jest kategorią nagrzewania elektrycznego. W zastosowaniach technologicznych używa się prawie wyłącznie laserów, których ośrodki czynne są wzbudzane kosztem energii elektrycznej. Lasery o innym sposobie realizacji inwersji obsadzeń, np. poprzez reakcje chemiczne, także bywają wykorzystywane jako źródła promieniowania przemienianego w ciepło, lecz w dziedzinach, które nie są zaliczane do elektrotermii (zastosowania militarne).

Nagrzewanie laserowe jest bezpośrednim sposobem nagrzewania i pod pewnymi względami jest zbliżone do elektronowego. Technika laserowa pozwala uzyskiwać bardzo zróżnicowane zarówno moce wiązki promieniowania, jak i czasy jego emisji. Możliwa jest praca ciągła i impulsowa przy minimalnych czasach trwania impulsów rzędu femtosekun-dy(l(T^f*s)(tabl. 13.15).

Laserowe urządzenia grzejne są zawsze układami bezkomorowymi (nagrzewnice, obrabiarki, drążarki, spawarki, urządzenia do cięcia i in.). Podstawowe zespoły takiego urządzenia to: laser z układem zasilania, układ optyczny i układ pozycjonowania wsadu. Promień laserowy (monochromatyczny i koherentny) jest kierowany i zwykle skupiany na wsadzie przez układ optyczny. Część doprowadzanej mocy jest absorbowana, przy czym głębokość wnikania fali mieści się w granicach 0,01 -+-0,1 pm. Współczynnik absorpcji jest

Tablica 13.15. Podstawowe parametry typowych laserów stosowanych w technologiach elektrotermicznych

Rodzaj lasera	Moc ciągła względnie energia impulsu	Czas trwania impulsu	Szczytowa moc impulsu	Częstotliwość ciągu impulsów
Nd: szkło Impuls normalny Nd: szkło	1-50 W s	210 ^2r-510 ‘s	10^7-M0^4 w	ok. 1 Hz
Impuls gigantyczny	do 10 W-s	10'^7 s	do 10* W	ok. 1 Hz
Nd: YAG Praca ciągła	10—200 W	moc ciągła	_	10^4 Hz^11
Nd: YAG Praca impulsowa	50-^400 W^21	0,1 -s-10"^3 s	30-50 kW	400 Hz
C02 — konwencjonalny	10-1000 w	moc ciągła		—
CO 2 — z przepływam gazu	1 +10 kW	moc ciągła	—	—
CO; Impuls gigantyczny	do 5 kW^21	10"* s	ok. I0^4 kW	10^4 Hz
CO, Impulsowy TEA	0,5-r 50 W-s	10 ^7 s	10* W	do 300 Hz
^l> Przy pracy niby-ciągłej z szybkim ciągiem impulsów. ^2) Moc średnia.

oczywiście zależny od długości fali, właściwości powierzchni napromienianego materiału, jego temperatury, kąta padania. Istnieje wartość krytyczna gęstości powierzchniowej mocy (IO^l0^-10¹³ W/m²), powyżej której absorpcyjność powierzchni praktycznie skokowo wzrasta do jedności. Efekt ten jest spowodowany powitaniem w wyniku „normalnej absorpcji” obłoku pary, która ulega jonizacji, a promieniowanie odbite przemienia się wówczas całkowicie w ciepło plazmy, oddawane z kolei do obrabianego materiału. Proces ten trwa tak długo, jak długo istnieje bezpośredni kontakt plazmy z obrabianą powierzchnią. Jeśli gęstość powierzchniowa mocy przekracza znacznie wartość krytyczną, dochodzi wówczas do odsunięcia obłoku plazmy i gwałtownego zmniejszenia przekazywanej do wsadu mocy. Odsunięcie to może mieć formę detonacji, wskutek lokalnego wzrostu ciśnienia do 10⁷ Pa. W konsekwencji zniszczeniu może ulec obrabiany wsad. Przy kontrolowanym przebiegu tego zjawiska realizuje się utwardzenie detonacyjnc powierzchni.

W dziedzinie obróbki materiałów współcześnie są stosowane głównie dwa rodzaje laserów: C0₂ i neodymowe (tabl. 13.15). Są one wytwarzane w wielu odmianach i mogą

Rys. 13.43. Gęstość powierzchniowa mocy w' funkcji czasu napromienienia wiązką laserową dla różnych gęstości powierzchniowych energii przy realizacji niektórych procesów' cieplnych, wg [13.25]