Введение. 
Технология конструкционных материалов. 
Обработка концентрированными потоками энергии

Концентрированные потоки энергии различной физической природы — электронные и ионные пучки, световое (лазерное) излучение, плазменные струи и дуги, электродуговые, микродуговые и электроимпульсные воздействия — являются универсальным технологическим инструментом. Воздействием таких потоков можно выполнять различные технологические операции без механического силового воздействия инструмента на заготовку и без непосредственного контакта между инструментом и заготовкой исключительно за счет использования специфических для каждого вида подобных воздействий физических и химических явлений.

Параметры и самая возможность выполнения таких операций определяется, следовательно, не механическими характеристиками заготовки (твердостью, прочностью, пластичностью, ползучестью), а ее физико-химическими свойствами (теплои электропроводностью, температурой и скрытой теплотой плавления и испарения, химическим составом и структурой и др.). Большое влияние на протекание этих операций оказывает среда, в которой они выполняются. Эта среда бывает весьма разнообразной и может представлять собой, например, высокий вакуум и воздух при обычном атмосферном давлении, состоять из инертных или, наоборот, химически активных газов, диэлектрических или проводящих жидкостей (электролитов) и др.

В результате, выполнение технологических операций с помощью воздействия концентрированных потоков энергий представляет следующие принципиально новые возможности:

• — возможность обработки особо твердых материалов, как металлического, так и неметалического типа, пространственных структур (например, композитных), жаропрочных и труднообрабатываемых металлов и сплавов и т. п.;
• — осуществление локальных и дозированных воздействий, позволяющих получать, например, миниатюрные отверстия, резы малой толщины и различной конфигурации, сварочные швы требуемой формы и размера, производить соединение окончательно обработанных компонентов без последующей финишной обработки и др.;
• — выполнение принципиально новых операций, таких как создание масок (трафаретов) и обработка с использованием их, напыление и наплавку покрытий, в том числе многослойных, создание пространственных изделий, осуществление сварки с принципиально новыми конфигурациями и свойствами соединяемых компонентов и сварочных швов (например, герметизация заполненных емкостей и др.).

Существенным является то, что параметры используемых в технологических целях потоков энергий, такие как мощность, удельная плотность мощности (сфокусированность), моноэнергетичность, распределение плотности мощности по сечению потока, однородность массы и атомного номера частиц, воздействующих на заготовку, монохромность и когерентность используемых электромагнитных излучений, оказывающие определяющее влияние на протекание соответствующих технологических процессов, сравнительно легко поддаются весьма тонкому регулированию и управлению. Они достаточно просто поддаются автоматизации и компьютеризации.

Такие показатели как энергоемкость и производительность, влияющие на экономическую эффективность обработки концентрированными потоками энергий, рассматриваются в каждом случае конкретно и, как правило, оказываются лучшими, чем у конкурирующих традиционных технологических процессов.

Все это является причиной того, что подобные виды воздействия на заготовку кладутся в основу новых высокоэффективных высоких технологий в таких передовых и имеющих важное значение областях как аэрокосмическая промышленность, автомобилестроение, радиоэлектроника, промышленное и гражданское строительство и др. и даже в таких, казалось бы, далеких от высоких технологий областях как торговля, пищевая и легкая промышленность, рекламная деятельность и др.

Неотъемлемым звеном в цепи подготовки специалистов, способных эффективно использовать и развивать современные высокие технологии, является наличие соответствующих учебных пособий, где бы в сжатой, доступной и методически организованной форме излагались бы необходимые сведения.

Трудность освоения относящихся к этим проблемам вопросов, заключается, наряду с прочихМ, в большом диапазоне необходимых сведений и в их качественном разнообразии. Здесь требуется знакомство с основами физики твердого тела, с основами теории поля и электромагнитных излучений, с основами квантовой механики и теории химических реакций, не говоря о таких классических разделах физики и химии как теория теплои электропроводности, теория фазово-структурных переходов, валентность, диссоциация и рекомбинация и др. Для полного и свободного владения всем названным требуется и использование соответствующего математического аппарата.

С другой стороны, задача построения и использования технически и экономически обоснованных технологических процессов, основанных на воздействии на заготовку концентрированных потоков энергий, требует знаний как классических инженерных дисциплин, таких как «Технология конструкционных материалов», «Технология машиностроения», «Детали машин», так и сведений о конструкциях новых современных машин, конфигурациях их деталей и новых предъявляемых технических требованиях к отдельным деталям и к изделиям в целом.

Методы мышления, относящиеся к этим двум очерченным выше кругам вопросов, являются существенно различными. Поэтому в настоящее время имеются учебные пособия и справочные издания лишь по отдельным аспектам воздействий концентрированными потоками энергий — лазерным излучением, электронными и ионными пучками, электроэрозионной обработке, конструкции и применению плазмотронов и по некоторым другим.

Имеющиеся публикации по многочисленным конкретным вопросам взаимодействия потоков энергий с теми или иными веществами, как правило, написаны физиками или химиками, и использование этих публикаций напрямую в качестве руководства для инженеров-технологов или менеджеров без предварительной методической обработки и адресации к их производственному назначению является затруднительным.

В настоящем пособии ставится цель единообразного изложения вопросов, относящихся ко всем применяемым в практически имеющих значение масштабах способам обработки концентрированными потоками энергий. При написании этого пособия ставилась задача максимально возможного охвата исключительно апробированных материалов, опубликованных в разное время в различного рода общедоступных источниках. Этим преследовалась цель исключения недопустимых для учебного пособия односторонности и неполноты представления существующих в настоящее время данных и точек зрения. Это напрямую относится ко беем физическим и химическим формулам, рисункам и табличным данным. Они заимствованы из отдельных специализированных изданий, приведенных в прилагаемом списке литературы. Объяснение и истолкование их дается в соответствии с общим стилем изложения данного пособия, делающим его доступным студентам и специалистам в области технологии производственных процессов, а также в области организации и управления различного рода производствами.

Схема такого изложения заключается в том, что последовательно рассматриваются физические и химические явления, имеющие место при взаимодействии данного вида потока энергии со средой, находящейся между источником этого потока и мишенью (заготовкой), а также с материалом самой мишени. Затем рассматривается влияние указанных явлений на выделение в теле мишени энергии и на изменение состояния и свойств материала мишени. Наконец, рассматривается использование выделяемой энергии и изменения состояния и свойств мишени для построения технологических операций, и описываются типовые технологические операции, характерные для данного потока энергии.

Изложение ведется по двухуровневому принципу. Каждой главе, посвященной конкретному виду воздействия, предшествует введение, где в тезисной форме перечисляются основные сведения, которые можно приобрести, прочитав последующий материал главы. После основного материала главы помещается развернутое резюме, в котором без использования математических соотношений и графических иллюстраций сокращенно излагаются основные положения материала данной главы. Затем следуют контрольные вопросы и краткий словарь терминов, относящихся к материалу, освещаемому в данной главе.

Материал пособия может читаться в том порядке, в котором он изложен, но можно начинать с чтения либо введения в главу, либо с резюме. Ознакомившись с этими разделами, можно решить, следует ли изучать основной материал главы.

Текстарезюме и краткого словаря терминов достаточно, чтобы получить первое представление о рассматриваемых вопросах, что соответствует уровню подготовки бакалавров. Полный текст пособия соответствует уровню инженеров и магистров.

В результате изучения материалов пособия студент должен:

знать

• • структуру и правила оформления отчетов, обзоров и публикаций по результатам выполненных исследований;
• • современные проблемы теоретического и прикладного материаловедения и технологии материалов применительно к различным областям техники и технологии;
• • традиционные и новые технологические процессы и операции производства, обработки и переработки металлических и неметаллических неорганических и органических материалов;
• • принципы и методы моделирования структуры материалов и протекающих в них процессов;

уметь

• • представлять результаты выполненных исследований в форме научных отчетов, обзоров, публикаций;
• • собирать, анализировать и обобщать научно-техническую информацию по тематике исследования;
• • осуществлять поиск информации в локальных и глобальных сетях;
• • характеризовать структуру и свойства материалов, полуфабрикатов и деталей, оценивать и прогнозировать их долговечность;

владеть

• • навыками подбора и расчета характеристик необходимого оборудования для обработки концентрированными потоками энергии;
• • навыками составления технологических процессов обработки с назначением их параметров.