1) Предельное состояние равновесия двухфазных систем, в котором обе сосуществующие фазы становятся тождественными по своим свойствам; 2) состояние вещества в точках фазовых переходов II рода. К. с., являющееся предельным случаем равновесия двухфазных систем, наблюдается в чистых веществах при равновесии жидкость - газ, а в растворах - при фазовых равновесиях газ - газ, жидкость - жидкость, жидкость - газ, твёрдое тело - твёрдое тело. На диаграммах состояния К. с. соответствуют предельные точки на кривых равновесия фаз (см. рис.1,а и б) - т. н. критические точки. Согласно фаз правилу критическая точка изолирована в случае двухфазного равновесия чистого вещества, а, например, в случае бинарных (двойных) растворов критические точки образуют критическую кривую в пространстве термодинамических переменных (параметров состояния). Значения параметров состояния, соответствующие К. с., называются критическими - критическое давление рк_, критическая температура Тк_, критический объём V_к, критический состав хк и т. д.

Рис. 1 а - диаграмма состояния чистого вещества в координатах р, Т. Кривые сосуществования обозначены цифрами: 1 - равновесие жидкость - газ, 2 - твёрдое тело; 3 - твёрдое тело - жидкость; К - критическая точка, Т = Тк - критическая изотерма; б - диаграмма в координатах р, V. Цифрами обозначены области сосуществования двух фаз: 1 - жидкость - газ; 2 - твёрдое тело - газ; 3 - твёрдое тело - жидкость

С приближением к К. с. различия в плотности, составе и др. свойствах сосуществующих фаз, а также теплота фазового перехода и межфазное поверхностное натяжение уменьшаются и в критической точке равны нулю.

В том случае, когда кривая сосуществования фаз заканчивается критической точкой, оказывается принципиально возможным перевести вещество из одной фазы в другую, минуя область расслоения на две фазы (например, газ превратить в жидкость, изменяя его состояние по линии AB на рис.1,а, т. е. минуя область, где одновременно существуют газ и жидкость). Сжижение (конденсацию) газов возможно осуществить лишь после их охлаждения до температур, меньших Тк.

В двухкомпонентных системах характерные для К. с. явления наблюдаются не только в критической точке равновесия жидкость - газ, но и в так называемых критических точках растворимости, где взаимная растворимость компонентов становится неограниченной. Существуют двойные жидкие системы как с одной, так и с двумя критическими точками растворимости - верхней и нижней (см. рис.2,а и б). Эти точки являются температурными границами области расслаивания жидких смесей на фазы различного состава. Аналогичной способностью к расслаиванию при определённой критической температуре обладают некоторые растворы газов и твёрдые растворы.

Рис. 2 а - верхняя критическая точка (Кв) жидкой смеси фенол - вода (Tк » 66°С). Заштрихована область, где смесь состоит из двух фаз, имеющих различную концентрацию компонентов; б - двухкомпонентная жидкая система никотин - вода, имеющая как верхнюю критическую точку растворения (Кв с Tк = 208°С), так и нижнюю критическую точку (Кн с Тк » 61° С)

Переход системы из однофазного состояния в двухфазное вне критической точки и изменение состояния в самой критической точке происходят существенно различным образом. В первом случае при расслоении на две фазы переход начинается с появления (или исчезновения) бесконечно малого количества второй фазы с конечным отличием её свойств от свойств первой фазы, что сопровождается выделением или поглощением теплоты фазового перехода. Поскольку возникновение такой новой фазы приводит к появлению поверхности раздела и поверхностной энергии, для её рождения требуются достаточно большие зародыши. Это означает, что при таком фазовом переходе (фазовом переходе 1 рода) возможны переохлаждение или перегрев первой фазы, обусловленные отсутствием жизнеспособных зародышей новой фазы.

Фазовые переходы в критических точках, являющихся предельными на кривых равновесия фаз, представляют собой частные случаи фазовых переходов II рода. В критической точке фазовый переход происходит в масштабах всей системы. Флуктуационно возникающая новая фаза по своим свойствам бесконечно мало отличается от свойств исходной фазы. Поэтому возникновение новой фазы не связано с поверхностной энергией, т. е. исключается перегрев или переохлаждение, и фазовый переход не сопровождается выделением или поглощением теплоты и скачком удельного объёма (фазовый переход II рода).

При приближении к К. с. физические свойства вещества резко изменяются: теоретически неограниченно возрастает теплоёмкость и восприимчивость системы к внешним воздействиям (например, изотермическая сжимаемость в случае чистых жидкостей, магнитная восприимчивость у ферромагнетиков и т. д.); наблюдается целый ряд др. особенностей в поведении вещества. Эти особенности, характерные для К. с. объектов самой различной природы, объясняются тем, что свойства вещества в К. с. определяются не столько конкретными законами взаимодействия его частиц, сколько резким возрастанием в веществе флуктуаций и радиуса их корреляции. Знание особых свойств веществ в К. с. необходимо во многих областях науки и техники: при создании энергетических установок на сверхкритических параметрах, сверхпроводящих систем, установок для сжижения газов, разделения смесей и т. д.

Лит.: Фишер М., Природа критического состояния, пер. с англ., М., 1968; Браут Р., фазовые переходы, пер. с англ., М., 1967; Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М., Статистическая физика, 2 изд., М., 1964 (Теоретическая физика, т. 5); Кричевский И. Р., Фазовые равновесия в растворах при высоких давлениях, 2 изд., М.- Л., 1952.

С. П. Малышенко

Твердая губчатая масса железа (с низким содержанием углерода, серы, фосфора и кремния) со шлаковыми включениями, заполняющими поры и полости.

К. может быть получена либо непосредственно из руды путем ее восстановления при температуре 1250 - 1350^о С, либо из чугуна.

Процесс рафинирования чугуна (удаления избыточного количества углерода, кремния, марганца) с целью получения ковкого кричного (сварочного) железа.

К. п. возник примерно в 14 в. одновременно с развитием производства чугуна, просуществовал до нач. 19 в. и был вытеснен более эффективным процессом - пудлингованием.

К. п. осуществлялся в кричном горне, куда на слой горящего древесного угля над фурменной зоной помещали чушки чугуна. Чугун плавился и, стекая по каплям вниз через окислительную фурменную зону, подвергался рафинированию. Получаемый продукт скапливался на поду горна, где благодаря окислительному воздействию железистого шлака дополнительно обезуглероживался, образуя крицу массой 50-100 кг. Готовую крицу извлекали из горна и проковывали с целью уплотнения и выжимания шлака.

Отрасль тяжёлого машиностроения, производящая различные металлические изделия (от деталей машин до предметов домашнего обихода) ковкой, штамповкой, прессованием. В основе методов К.-ш. п. лежит способность материалов деформироваться, т. е. изменять свою форму без разрушения под действием внешних сил. Выбор условий, благоприятных для пластического деформирования, производят исходя из основных положений теории обработки металлов давлением. Ценность способов К.-ш. п. заключается в том, что при обработке заготовок давлением их форма изменяется в результате перераспределения металла, а не за счёт удаления его излишка, как при обработке металлов резанием, что позволяет резко сократить отходы и одновременно увеличить прочность материала. Поэтому обработка металлов давлением применяется для изготовления наиболее ответственных деталей машин. Так, в самолёте до 80-90%, в автомобиле до 85% деталей (от общей массы) - штампованные. Машины К.-ш. п. более производительны, чем металлорежущие станки, например производительность холодновысадочных автоматов в 5-6 раз превосходит производительность токарных автоматов, причём отходы металла сокращаются в 2-3 раза. Замена механической обработки штампованием при переработке каждого млн. т проката позволяет экономить до 250 тыс. т металла.

Для увеличения пластичности при обработке давлением часто применяют нагрев, что позволяет снизить усилия в 10-15 раз по сравнению с обработкой холодной заготовки, а также избежать появления трещин и сократить время операции. В качестве нагревательных устройств в К.-ш. п. используют печи: пламенные (камерные и методические) и электрические (с нагревательными элементами и индукционные).

Основные способы обработки металлов, применяемые в К.-ш. п., характеризуются состоянием исходного материала (прокат, слиток, лист и т. д.), оборудованием (пресс, молот), инструментальной оснасткой и технологическими приёмами. По этим признакам различают: ковку (преимущественно с нагревом), объёмную и листовую штамповку (горячую и холодную), прессование (главным образом с нагревом).

Ковка - способ обработки металлов, характеризующийся тем, что течение материала в стороны, как правило, не ограничено инструментом - штампом. Ковкой получают изделия массой до 200 т. Ковка применялась ещё до освоения выплавки железа из руды, поковки из метеоритного железа производили вручную в 4-3 тыс. до н. э. В современном К.-ш. п. ковку ведут вручную или на машинах: молотах с массой падающих частей от 1 до 5000 кг и ковочно-гидравлических прессах с усилием от 2 до 200 Мн (200-20000 тс). Заготовки деформируются непосредственно верхним бойком штампа или простейшими приспособлениями, кузнечным инструментом. Для перемещения тяжёлых заготовок (до 350 т) и инструментов используют мостовые и поворотные подъёмные краны, кантователи, манипуляторы (см. рис.1). Ковкой получают детали из слитков или проката.

Рис. 1 Ковочно-гидравлический пресс с усилием 10 Мн (1000 тc), работающий с двумя манипуляторами

Штамповка - способ обработки металлов давлением, при котором течение металла ограничено поверхностями полостей и выступов штампа. Верхняя и нижняя части штампа образуют замкнутую полость по форме изготовляемой детали - штамповки. В зависимости от формы заготовки (лист, прокат и т. д.), оборудования и технологических приёмов различают объёмную штамповку и листовую штамповку. Кроме того, штамповку можно осуществлять с нагревом и без нагрева. Прообразом штамповки можно считать чеканку монет. Широкое применение процесса штамповки началось в конце 18 - начале 19 вв. в связи с переходом на промышленный выпуск изделий, в частности первый патент на изготовление штампованием латунных гильз был выдан в 1796 (Германия). С появлением паровых машин на штамповочных прессах стали осуществлять различные пробивные и вырубные операции, например пробивку отверстий под заклёпки. Наибольшее развитие штамповка получила в середине 20 в. с ростом серийного и массового производства в приборо- и машиностроении, радиоэлектронной промышленности и др. отраслях, т. к. является в десятки раз производительнее ковки. Штампованные детали имеют в 2-3 раза меньшие припуски на обработку, чем кованые, т. е. выше процент использования металла. Штамповку осуществляют на молотах с массой падающих частей 0,5-30 т, криво-шинных горячештамповочных прессах с усилием от 6 до 100 Мн (600-10000 тс), гидравлических прессах с усилием до 750 Мн (75000 тс), горизонтально-ковочных машинах, кузнечно-штамповочных автоматах, гидровинтовых пресс-молотах. Чтобы сократить отход металла, уменьшить последующую обработку применяют безоблойное штампование. При горячей штамповке на молотах окалина удаляется в промежутках между первыми ударами. На прессах штамповку выполняют за один ход. В связи с этим применяют т. н. безокислительный нагрев заготовок (обычно прокат), например в индукционных печах. Это обеспечивает получение изделий почти без окалины. Труднодеформируемые материалы штампуют, как правило, на гидравлических прессах в штампах, нагретых до температуры обрабатываемого материала (например, для титановых сплавов до 800 °С), - т. н. изотермическая штамповка.

Для обеспечения более высокой чистоты поверхности, большей точности размеров изделия применяют холодную штамповку, процесс которой аналогичен горячей штамповке, но исключает нагрев.

Листовая штамповка - способ получения тонкостенных изделий плоской или пространственной формы. Тонколистовой материал (до 4 мм) штампуют без нагрева, толстолистовой (свыше 4 мм) - с нагревом. Получаемые этим способом детали имеют точные размеры и обычно не нуждаются в дальнейшей обработке резанием. В мелкосерийном и серийном производствах применяют универсальные машины и оснастку; в крупносерийном и массовом производствах используют многооперационные штампы. Штамповку выполняют на кривошипных прессах с усилием 63-50000 кн (6,3-5000 тс), с числом ходов от 5 до 15 в мин, на листоштамповочных автоматах с усилием 50-40000 кн (5-4000 тс), с числом ходов до 120 в мин, на гидравлических вытяжных прессах с усилием от 8 до 200 Мн (800-20000 тс). В массовом производстве особое значение при листовой штамповке приобретают использование комбинированных штампов, механизация и автоматизация целых участков, автоматические линии (см. рис.2).

Рис. 2 Схема автоматизированной линии для штамповки картеров двигателей: I - исходное положение рулона стальной ленты; II - размотка; III - чистка; IV - правка; V - подача; VI - вырубка заготовки; VII - смазка; VIII - вытяжка изделия; IX - переформовка радиусов и правка фланцев; X - обработка фланцев по контуру; XI - формовка ребер жесткости и фланцовка по контуру; XII - пробивка отверстий; 1 - разматывающее устройство; 2 - листоправильная машина; 3 - двухкривошинный пресс простого действия с валковой подачей; 4 - механизм передачи и подъема стопы заготовок; 5 - однокривошипный пресс двойного действия для вытяжки; 6 - механизм передачи изделий и съёма штампа; 7 - многопозиционный пресс с грейферной подачей; 8 - механизм транспортирования изделий и съёма штампа

При производстве однотипных деталей из листа (толщина алюминиевого листа 1,5-2 мм, стального - 0,5-0,6 мм), в частности в авиационной промышленности, большое распространение получила т. н. штамповка резиной, позволяющая удешевить инструмент, упростить конструкцию пресса. На гидравлическом прессе простого действия укрепляется подушка из резины или др. упругого материала в металлической коробе, установленном на подвижных частях пресса. Нижний боёк штампа имеет форму штампуемой детали. Пока штампуются одни детали, подготавливают новые заготовки.

При гидравлической вытяжке, являющейся также разновидностью листовой штамповки, деформирование заготовки осуществляется непосредственно жидкостью.

Прессование - способ получения изделий из различных профилей, прутков, труб и др., при котором заготовка, помещенная в специальный контейнер, выдавливается из него пуансоном (пресс-штемпелем) через отверстие в матрице, имеющее форму (очертания) будущего изделия. Осуществляется на гидравлических прессах с усилием до 200 Мн (20000 тс). Прессование получило распространение с 60-х гг. 19 в., хотя первый патент на гидравлический пресс был выдан в 1797 (Великобритания). Прессованные изделия имеют высокую точность размеров и в большинстве случаев практически не требуют последующей механической обработки. Установка инструмента проста, что позволяет быстро переналаживать оборудование для изготовления различных изделий.

Новые способы обработки металлов. В 50-х гг. 20 в. разработаны и начали успешно внедряться в К.-ш. п. принципиально новые технологические процессы, позволяющие обрабатывать труднодеформируемые материалы (жаропрочные стали, титановые, молибденовые, вольфрамовые и др. сплавы).

При взрывном штамповании ударная волна, возникающая при сгорании заряда взрывчатого вещества, деформирует заготовку, придавая ей нужную форму. Вследствие кратковременности процесса (мсек - мксек) штампы можно изготовлять не только из дешёвых малоуглеродистых сталей, но и из таких материалов, как бетон, дерево, пластмасса и т. д.

Высокоскоростная штамповка- способ обработки труднодеформируемых материалов с высокой точностью на молотах, скорость падающей части (бабы) которых при ударе достигает 40-60 м/сек. У обычных молотов не выше 8 м/сек. Масса соударяющихся частей у высокоскоростных молотов при одинаковой энергии удара во много раз меньше, чем у обычных молотов.

Для получения различных изделий применяют деформирование заготовок силами, возникающими при взаимодействии электромагнитных полей, образующихся во время разряда мощной конденсаторной батареи (см. рис.3). Этот способ, называемый электромагнитной формовкой, позволяет получать до 600 изделий в час. Применяется для изготовления различных изделий, например рефлекторов из полированных листов без последующей обработки, для соединения деталей, в том числе и из разнородных материалов (например, металла и керамики), и т. д. Разновидностью этого способа является электрогидравлическая формовка, при которой используется энергия ударной волны, образующейся в результате электрического разряда в жидкости (см. рис.4).

Рис. 3 Схема электромагнитной формовки: 1 - конденсаторная батарея; 2 - разрядник; 3 - катушка индуктивности; 4 - трубная заготовка

Рис. 4 Схема электрогидравлической формовки: а - установка заготовки; б - получение детали после действия разряда (формовки): 1 - ползун; 2 - электроды; 3 - подвижная матрица; 4 - вода; 5 - заготовка; 6 - неподвижная матрица; 7 - подштамповая плита; 8 - выталкиватель

Гидростатическое прессование, или гидроэкструзия, основано на использовании жидкости для передачи высокого давления - от 10 до 3000 Мн/м² (100-30000 кгс/см²). Этим способом выдавливают прутки и профильные изделия, получают детали, имеющие форму тел вращения, главным образом из малопластичных и труднодеформируемых сплавов.

Изделия из порошкообразных материалов получают способом гидростатического спрессовывания (или газостатического). Материалы в эластичной (резиновой, полимерной, свинцовой, тонкой стальной и т. и.) оболочке помещают в контейнер, в который подаётся жидкость под давлением до 800 Мн/м² (8000 кгс/см²). При этом происходит равномерное уплотнение заготовки, форма получаемых изделий повторяет форму исходной заготовки. Гидростатическое спрессовывание осуществляется при температурах до 400-500°С, a газостатическое - до 2000-2500°С. При газостатическом спрессовывании рабочей средой является нейтральный газ (обычно аргон). Давление газа достигает 200-500 Мнм² (2000-5000 кгс/см²).

Изделия К.-ш. п. применяют в автомобильной и авиационной промышленности, тракторостроении, приборостроении, лёгкой промышленности, в производстве предметов широкого потребления. производство кузнечно-прессовых машин в СССР в 1940 составляло 4,7 тыс. штук, в 1972 составило 43,9 тыс. штук, а к 1975 достигнет 60-65 тыс. штук в год.

Лит.: Рыбаков Б. А., Ремесло древней Руси, М., 1948; Сторожев М. В., Попов Е. А., Теория обработки металлов давлением, М., 1971; Залесский В. И., Оборудование кузнечно-прессовых цехов, М., 1964; Пихтовников Р. В., Завьялова В. И., Штамповка листового металла взрывом, М., 1964; Романовский В. П., Справочник по холодной штамповке, М.- Л., 1965; Ковка и объемная штамповка стали. Справочник, под ред. М. В. Сторожева, т. 1-2, М., 1967-68.

Б. В. Розанов, В. П. Линц

Кузнечная машина для штамповки изделий из проволоки, прутка, ленты, полосового материала и др. Все движения исполнительных органов К.-ш. а. совершаются взаимосогласованно в автоматическом цикле. Подача материала или заготовок осуществляется также автоматически без участия рабочего. К.-ш. а. подразделяются на группы: для холодной объёмной штамповки (в т. ч. холодно-высадочные), для горячей штамповки, обрезные, например обрезной пресс, и для повторной высадки, резьбонакатные автоматы, листоштамповочные автоматы, гвоздильные, пружинонавивочные станки (в т. ч. для изготовления пружинных шайб), цепеделательные автоматы, универсально-гибочные и различные специальные и специализированные автоматы. На К.-ш. а. изготовляют детали, полуфабрикаты или штампованные заготовки многих типоразмеров крепежных изделий; шариков, роликов, колец и сепараторов подшипников качения; звеньев цепей; шаровых, ступенчатых и полых пальцев и осей; колпачковых гаек автомобилей, корпусов свечей автомобильных двигателей, клапанов; деталей приборов, электромашин, некоторых изделий оборонной техники; стрелок часов, деталей фурнитуры и т. п. Штамповку сравнительно простых изделий осуществляют на однопозиционных (одно-, двух- и трёх-ударных) К.-ш. а., более сложные детали и полуфабрикаты изготовляют на двух- и многопозиционных автоматах и комбайнах. Изделия, полученные на. автоматах для холодной объёмной штамповки, имеют точность классов 2а, 3 и 3а, чистоту 6-10-го класса. На горячештамповочных автоматах получают изделия более крупные, но их точность и чистота поверхности ниже, чем холодноштампованных изделий. Диапазон диаметров материала, обрабатываемого на К.-ш. а. в холодном и горячем состоянии, составляет соответственно 0,8-52 мм и 16-90 мм. Наибольшее номинальное усилие К.-ш. а. для объёмной и листовой штамповки соответственно 50-40000 кн (5-4000 тс); производительность от 16 до 2200 изделий в минуту.

Лит.: Навроцкий Г. А.., Кузнечно-штамповочные автоматы, М., 1965.

Г. Л. Навроцкий

Инструменты, применяемые при ручной и машинной ковке. К. и. служат для перемещения, захвата, поддержания, измерения заготовок в процессе кузнечно-штамповочных работ. Ручную ковку ведут на наковальне (см. рис.1). Молотобоец наносит удары кувалдой. Кузнец манипулирует поковкой, держа её в клещах, указывая молотобойцу место удара ручником, которым также наносит лёгкие удары. Для пробивки отверстий пользуются бородками, для разрубки материала - зубилом, при отделке поковок применяют подбойники и обжимки.

Рис. 1 Инструменты для ручной ковки: а - однорогая наковальня; б - кувалда с продольным задком; в - ручник с поперечным задком; г - продольные клещи с круглыми губками; д - круглый бородок; е - прямое зубило для горячей рубки; ж - плоский подбойник; з - круглая обжимка

При машинной ковке (см. рис.2) заготовку укладывают на нижний боёк молота или пресса. Заготовка деформируется непосредственно от действия верхнего бойка, закрепленного на ползуне кузнечной машины, или в подкладном инструменте. Бойки бывают плоскими, фасонными (вырезными), закруглёнными. Подкладным инструментом для отделки цилиндрических и гранёных поковок служат обжимки, для местной вытяжки, разгонки и создания разнообразных местных углублений - раскатки, для закрепления и перемещении заготовки - патроны. Кроме указанных К. и., используют также топоры для разрубки заготовок, прошивки для пробивки отверстий в поковках, кронциркули и нутромеры для измерений и др.

Рис. 2 Инструменты для машинной ковки: а - плоские бойки; б - вырезные бойки; в - закруглённые бойки; г - обжимки; д - раскатки; е - пережимки; ж - патроны

В. П. Линц

От соединения символов трёх химических элементов: Cu (Cuprum - медь), Ni (Niccolum - никель) и Al (Aluminium - алюминий).

Высокопрочный коррозионностойкий сплав меди с никелем (4-20%) и алюминием (1-4%). В СССР выпускаются две марки К.: куниаль А (МНА 13-3), содержащий 12-15% Ni и 2,3-3,0% Al, и куниаль Б (МНА 6-1,5) содержащий 5,5-6,5% Ni и 1,2-2,8% Al. Сплавы отличаются высокой коррозионной стойкостью в атмосферных условиях, пресной и морской воде. К. не уступают по прочности некоторым конструкционным сталям. Так, для К. А после закалки и упрочняющего старения гарантируются следующие свойства: предел прочности s_Bі700 Мн/м² (70 кгс/мм²) относительное удлинение dі7%. В нагартованном состоянии К. А имеет s_B до 950 Мн/м² (95 кгс/мм²) при d=2-4%. К. применяются для изготовления деталей специального назначения, которые должны обладать одновременно прочностью и высокой коррозионной стойкостью.

От анг. Laser, составленное из первых букв фразы Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation.

Усиление света с помощью индуцированного излучения) - прибор, в котором осуществляется генерация монохроматических электромагнитнитных волн оптического диапазона вследствие индуцированного излучения. В технологии металлов Л. применяются для сварки, резки твердых и тугоплавких материалов, для нагрева плазмы до температуры - 20×10⁶К;

В Л. всех типов излучение генерирует активная среда с избытком частиц (атомов, молекул и др.) на верхнем возбужденном энергетич. уровне Е₂ по сравнению с числом частиц на нижнем уровне рабочего перехода Е₁ (т.е. среда с инверсной заселенностью уровней). Излучаемые частицами при вынужд. (индуцированных) переходах Е₂ ’ Е₁ волны по частоте и направлению распространения, поляризации и фазе тождественны падающей волне, и, следовательно, эти волны когерентны друг другу независимо от способа возбуждения атомов активной среды. Л. различаются:

1) способом создания в среде инверсной заселенности или способом «накачки» (оптич. излучением, электронным пучком, хим. реакцией и др.);

2) лазерным в-вом (газы, жидкости, твердые диэлектрик, ПП);

3) конструкцией резонатора (плоский, кольцевой и др.);

4) режимом работы (импульсный, непрерывный). Л. характеризуются также мощностью, КПД преобразования к.-л. вида энергии в энергию излучения, энергией в импульсе и др. параметрами. Л. применяются в геодезии - для измерения расстояний и углов; в космической и наземной локации - для определения скоростей и курса кораблей, самолетов, ракет; в технологии металлов - для сварки, резки твердых и тугоплавких материалов, для нагрева плазмы до температуры - 20×10⁶К; в спектроскопии, в голографии - для записи и хранения информации, в хирургии и др.

Процессы обработки и сварки материалов излучением лазеров. В Л. т. применяют твердотельные и газовые лазеры импульсного и непрерывного действия. В большинстве процессов Л. т. используется термическое действие света, вызываемое его поглощением в обрабатываемом материале. Для увеличения плотности потока излучения и локализации зоны обработки применяют оптические системы.

Особенности Л. т.: высокая плотность потока излучения в зоне обработки, дающая необходимый термический эффект за короткое время (длительность импульса 1 мсек и менее); локальность воздействия излучения, обусловленная возможностью его фокусировки в световые пучки предельно малого диаметра (порядка длины волны излучения); малая зона термического влияния, обеспечиваемая кратковременным воздействием излучения; бесконтактный ввод энергии в зону обработки и возможность ведения технологических процессов в любой прозрачной среде (вакуум, газ, жидкость, твёрдое тело), через прозрачные окна технологических камер, оболочки электровакуумных приборов и т.д. Наиболее изучены и освоены процессы сварки, сверления и резки.

Лазерная сварка (см. рис. 1а-г)может быть точечной и шовной. В большинстве случаев применяют импульсные лазеры, обеспечивающие наименьшую зону термического влияния. С помощью лазерной сварки можно получать высококачественные соединения деталей из нержавеющей стали, никеля, молибдена, ковара и др. Высокая мощность лазерного излучения позволяет сваривать материалы с высокой теплопроводностью (медь, серебро). Возможна лазерная сварка материалов, плохо поддающихся сварке др. методами (вольфрам с алюминием, медь со сталью, бериллиевая бронза с др. сплавами). Плотность потока излучения на поверхности свариваемых деталей в зависимости от их материала находится в пределах 0,1-1 Мвт/см². Глубина проплавления материала при сварке импульсным твердотельным лазером может быть 0,05-2 мм при её отношении к диаметру сварной точки или ширине шва от 0,5 до 5, что делает возможным надёжную сварку деталей толщиной от 0,01 до 1 мм. Оборудование для лазерной сварки обеспечивает работу в следующих режимах: энергия излучения в импульсе 0,1-30 дж, длительность импульса 1-10 мсек, диаметр светового пятна 0,05-1,5 мм. Производительность точечной сварки 60 операций в мин, шовной - 1 м/мин при глубине проплавления 0,5 мм. Наиболее эффективно применение лазера для сварки в труднодоступных местах конструкций, при соединении легкодеформируемых деталей, в условиях интенсивного теплоотвода (например, для материалов с высокой теплопроводностью, при низких температурах и т.д.), а также в тех случаях, когда надо обеспечить минимальную зону термического влияния. Экономически выгодна замена пайки миниатюрных деталей сваркой с помощью лазера, т.к. в этом случае исключается загрязнение свариваемых деталей флюсом, получается соединение более высокого качества, конструкция весит меньше. Области применения лазерной сварки: изготовление электровакуумных и полупроводниковых приборов, интегральных схем, приборов точной механики и т.д. Лазерная сварка позволяет повысить производительность труда в 3-5 раз по сравнению с обычными способами сварки и пайкой.

Рис. 1а Лазерная сварка: медно-константановая термопара, сваренная лучом лазера (диаметр проволоки 0,07 мм)

Рис. 1б Лазерная сварка: микрофотография шлифа сварного соединения никелевой фольги толщиной 0,2 мм с медной пластиной

Рис. 1в Лазерная сварка: сварной шов, полученный при сварке листов ковара и нержавеющей стали толщиной 0,3 мм излучением лазера на алюмо-иттриевом гранате

Рис. 1г Лазерная сварка: полупроводниковые приборы, корпуса которых герметизированы с помощью лазерной сварки

Сверление отверстий лазером (см. рис. 2 а-г)возможно в любых материалах. Как правило, для этой цели используют импульсные лазеры с энергией в импульсе 0,1-30 дж при длительности 0,1-1 мсек, плотности потока излучения в зоне обработки 10 Мвт/см² и более. Максимальная производительность достигается при сверлении отверстий за один импульс с большой энергией (до 30 дж). При этом основная масса материала удаляется из отверстия в расплавленном состоянии под давлением пара, образовавшегося в результате испарения относительно небольшой части вещества. Однако точность обработки одноимпульсным методом невысокая (10-20% от размера диаметра). Максимальная точность (1-5%) и управляемость процессом сверления достигается при воздействии на материал серии импульсов (многоимпульсный метод) с относительно небольшой энергией (обычно 0,1-0,3 дж) и малой длительностью (0,1 мсек и менее). Возможно сверление сквозных и глухих отверстий с различными формами поперечного (круглые, треугольные и т.д.) и продольного (цилиндрического, конического и др.) сечений. Освоено сверление отверстий диаметром 0,003-1 мм при отношении глубины к диаметру 0,5-10. Шероховатость поверхности стенок отверстий в зависимости от режима обработки и свойств материала соответствует 6-10 классам чистоты (С6-С10), а глубина структурно измененного, или дефектного, слоя составляет 1-100 мкм. Производительность лазерных установок для сверлений отверстий обычно 60-240 отверстий в мин. Наиболее эффективно применение лазера для сверления труднообрабатываемых др. методами материалов (алмаз, рубин, керамика и т.д.), получения отверстий диаметром менее 100 мкм в металлах, сверления под углом к поверхности. В СССР сверление отверстий лазерным лучом нашло особенно широкое применение в производстве рубиновых часовых камней и алмазных волок. Например, успешно выполняется сверление алмазных волок на установке «Квант-9» с лазером на стекле с примесью неодима (см.рис.3). Производительность труда на этой операции увеличилась в 12 раз по сравнению с ранее применявшимися методами.

Рис. 2а Сверление отверстий лазерным излучением: круглое отверстие диаметром 0,1 мм в пластине из феррита толщиной 0,5 мм

Рис. 2б Сверление отверстий лазерным излучением: фигурное отверстие в пластине из нержавеющей стали толщиной 0,3 мм

Рис. 2в Сверление отверстий лазерным излучением: продольное сечение цилиндрических отверстий диаметром 0,05 мм в пластине из феррита

Рис. 2г Сверление отверстий лазерным излучением: отверстие в алмазной волоке (толщина кристалла 1,2 мм, минимальный диаметр отверстия 0,08 мм)

Рис. 3 Лазерная установка «Квант-9» для сверления отверстий в алмазных волоках: 1 - лазерная головка; 2 - оптическая система; 3 - обрабатываемая деталь; 4 - система управления; 5 - источник питания; 6 - система охлаждения; 7 - стол оператора

Бесконтактное удаление лазером весьма малых масс материала применяют также при динамической балансировке роторов гироскопов и при точной подгонке балансов часовых механизмов, что позволяет существенно повысить точность этих операций и увеличить производительность.

Лазерную резку материалов (см. рис. 4) осуществляют как в импульсном, так и в непрерывном режиме. При резке в импульсном режиме непрерывный рез получается в результате наложения следующих друг за другом отверстий. Наиболее широкое применение получила резка (фрезерование) тонкоплёночных пассивных элементов интегральных схем, например с целью точной подгонки значений их сопротивления или ёмкости. Для этого применяют импульсные лазеры на алюмо-иттриевом гранате с модуляцией добротности, лазеры на углекислом газе. Импульсный характер обработки обеспечивает минимальную глубину прогрева материала и исключает повреждение подложки, на которую нанесена плёнка. Лазерные установки различных типов позволяют вести обработку при следующих режимах: энергия излучения 0,1-1 мдж, длительность импульса 0,01-100 мксек, плотность потока излучения до 100 Мвт/см², частота повторения импульсов 100-5000 импульсов в 1 сек. В сочетании с автоматически управляющими системами лазерные установки для подгонки резисторов обеспечивают производительность более 5 тыс. операций за 1 ч. Импульсные лазеры на алюмо-иттриевом гранате применяются также для резки полупроводниковых пластин-подложек интегральных схем.

Рис. 4 Лазерная резка: а - резка тонкой хромовой резистивной плёнки с целью подгонки сопротивления (толщина плёнки 0,5 мкм, ширина реза, указанного стрелкой, 50 мкм); б - надрезы на стекле, по которым происходит термическое раскалывание (получены лазером на углекислом газе)

Лазеры непрерывного действия на углекислом газе мощностью от нескольких сотен вт до нескольких квт применяют для газолазерной резки, при которой в зону воздействия лазерного луча подаётся струя газа. Газ выбирают в зависимости от вида обрабатываемого материала. При резке дерева, фанеры, пластиков, бумаги, картона, текстильных материалов в зону обработки подаётся воздух или инертный газ, которые охлаждают края реза и препятствуют сгоранию материала и расширению реза. При резке большинства металлов, стекла, керамики струя газа выдувает из зоны воздействия луча расплавленный материал, Что позволяет получать поверхности с малой шероховатостью и обеспечивает высокую точность реза. При резке железа, малоуглеродистых сталей и титана в зону нагрева подаётся струя кислорода. В результате экзотермической реакции окисления металла выделяется дополнительное тепло, что позволяет значительно повысить скорость резки. Характерные режимы газолазерной резки: мощность излучения 300-1000 вт, плотность потока излучения в зоне обработки 100 квт/см², ширина реза 0,3-1 мм, толщина разрезаемого материала до 10 мм; скорость резки зависит от толщины и свойств обрабатываемого материала и может быть от 0,5 до 10 м/мин, для тонких материалов (бумага, ткань) до 50 м/мин и более. Достоинства газолазерной резки: простота автоматизации процесса, малая ширина реза и небольшая глубина зоны термического влияния, отсутствие вредных отходов при резке стеклопластиков, оплавление краев реза синтетических текстильных материалов, что препятствует их распусканию.

Лазеры на углекислом газе применяют для резки хрупких материалов (стекло, керамика) методом управляемого термического раскалывания. При локальном нагреве материала по траектории движения луча создаются термические напряжения, превышающие предел прочности материала. Возникающая трещина развивается вслед за лучом, траектория которого может иметь сложную форму. Скорость резки достигает нескольких м/мин. Управляемое термическое раскалывание применяется при резке стеклянных трубок в производстве электровакуумных приборов, керамических подложек интегральных схем, для резки листового и фасонного стекла.

Применение лазера в других областях. Термическое действие лазерного излучения может быть применено для поверхностного упрочнения (закалка и «залечивание» микродефектов оплавлением) быстроизнашивающихся металлических деталей, например режущего инструмента для создания электронно-дырочных переходов в производстве полупроводниковых приборов. В производстве интегральных схем действие лазера используют для локальной термической диссоциации некоторых металлсодержащих органических соединений при изготовлении плёночных элементов схем; для интенсификации процессов локального окисления и восстановления; для получения тонких плёнок путём испарения материалов в вакууме.

В СССР промышленность выпускает лазерные технологические установки различного назначения с лазерами на стекле с неодимом, алюмо-иттриевом гранате, углекислом газе и на др. активных средах. На рис. 5 представлена типичная блок-схема лазерной технологической установки.

Рис. 5 Типичная блок-схема лазерной технологической установки с твердотельным лазером: 1 - зарядное устройство; 2 - ёмкостной накопитель; 3 - система управления; 4 - блок поджига; 5 - лазерная головка; 6 - система охлаждения; 7 - система стабилизации энергии излучения; 8 - датчик энергии излучения; 9 - оптическая система; 10 - сфокусированный луч лазера; 11 - обрабатываемая деталь; 12 - координатный стол; 13 - система программного управления

Дальнейшее развитие Л. т. связано с увеличением мощностей лазеров, что позволит обрабатывать материалы ещё большей толщины. Задачами Л. т. в области обеспечения более высокой точности обработки является разработка эффективных методов управления параметрами излучения, улучшение равномерности распределения интенсивности излучения по сечению пучка, повышение стабильности выходных параметров лазеров, а также детальное изучение физических процессов воздействия лазерного излучения на материалы в различных режимах работы лазеров.

Лит.: Действие излучения большой мощности на металлы, М., 1970; Лазерная технология, М., 1970; Технологическое применение газовых лазеров, Л., 1970; Лазерная литография, Л., 1971.

М. Ф. Стельмах, А. А. Чельный

Жидкие или пласто- или порошкообразные составы, которые при нанесении тонким слоем на твердую подложку высыхают с образованием пленки (лакокрасочного покрытия), удерживаемой на поверхности силами адгезии.

К Л. м. относятся лаки, краски, грунтовки, шпатлевки.