Промышленное применение лазеров

Другая область успешного применения лазерной резки связана с распиловкой керамических подложек сложной формы. Простое разделение пластины глиноземной керамики на прямоугольные под­ ложки с прямолинейными краями отреза можно, по-видимому, осу­ ществить значительно проще путем скрайбирования, которое будет рассмотрено ниже.

При изготовлении многих интегральньгх схем возникает необхо­ димость в нарезке керамических подложек сложной формы. Процесс изготовления таких подложек обычными методами оказывается слиш­ ком дорогостоящим и медленным. В то же время применение ССЬ-ла- зеров позволяет нарезать подложки неправильной формы из стандарт­ ных прямоугольных заготовок и существенно сокращает расходы на их изготовление. В одной из таких систем применен непрерывный ССЬ-лазер мощностью 250 Вт. Она позволяет нарезать из глиноземной пластины толщиной 0,6 мм подложки со сложным контуром при ли­ нейной скорости резки 1,2 см/с. Перемещение лазерного пучка по за­ данному контуру осуществляется с помощью пантографа. Время, не­ обходимое для вырезания типичной подложки из исходной заготовки при условии хорошего воспроизведения деталей контура и высокого качества края отреза, не превышает 30 с. Стоимость изготовления подложки указанным способом оказывается ниже, чем при использо­ вании обычных методов резки. Кроме того, лазерный метод позволяет значительно сократить разнообразие форм исходных заготовок, по­ скольку достаточно иметь .лишь прямоугольные заготовки.

Большие возможности технология лазерной резки открывает в про­ изводстве гибридных интегральных схем. Одной из основных операций этого производства является подгонка номиналов тонко- и толстопленоч­ ных резисторов интегральных схем, которая традиционно выполняется струей сжатого воздуха с абразивным материалом. Применение лазерной технологии позволяет повысить производительность изготовления рези­ сторов с 1-М-тыс. резисторов в час до 2(К30 тыс.

Лазерная резка импульсным излучением применяется для полу­ чения пазов в кристаллах естественных алмазов перед их распилов­ кой дисками, шаржированными алмазным порошком. В этом случае

по сравнению с традиционной обрабогкой при лазерной резке паза шириной 0,1 мм и глубиной 0,5 мм вместо 15 мин требуется 5 с.

Технология лазерной резки незаменима при изготовлении дета­ лей из слюдыслюда не расслаивается, практически отсутствует дефектный слой.

Применение СС>2-лазеров для резки материалов на основе ба­ зальтовых волокон связано с тенденцией увеличения использования материалов на основе базальтового волокна. Ранее изделия из ба­ зальтовых волокон были практически недоступны, но по мере разви­ тия науки и техники применение этих материалов охватывает все большие области. В связи с этим возникает необходимость обработ­ ки данных материалов.

Применяемые в настоящее время методы механического рас­ кроя материалов на основе базальтового волокна отличаются суще­ ственными недостатками, такими как: невысокая точность реза, низ­ кая скорость резки, быстрое изнашивание режущего инструмента, расслоение материала в направлении, перпендикулярном резу, рас­ пад листа на отдельные волокна и т.д. В связи с этим встает вопрос о получении качественного материала.

На предприятии «Исток-Лазер» (дочернем предприятии корпо­ рации «Исток», г. Фрязино) были отработаны технологические режи­ мы резки материалов на основе базальтового волокна. Результаты этой работы позволили следующие преимущества лазерной резки по срав­ нению с традиционными методами раскроя материалов (рис. 4.4):

-отсутствие расслоения волокон с одновременным оплавлени­ ем поверхности реза, что позволяет существенно увеличить износо­ стойкость материала;

-высокая скорость лазерной резки значительно увеличивает производительность;

- исключаются затраты средств и времени на изготовление

изамену режущего инструмента;

-технологические режимы лазерной резки позволяют обраба­ тывать материалы различной толщины (ткань от 1 до 8 и более слоев, картон от 5 до 50 мм, вату 1 и 2 слоев) и химического состава, что

Резка металлов

На начальном этапе развития лазерной техники технология резки металлов развивалась очень медленно. Чтобы обеспечить резку метал­ лов. обладающих высокой теплопроводностью и высоким коэффици­ ентом отражения от поверхности, с достаточно высокой скоростью, необходимы большие значения средней мощности излучения. Указан­ ную проблему удалось разрешить в результате создания мощных лазе­ ров. Так как средняя мощность излучения должна быть большой, для резки металлов чаще всего используются С02-лазеры. Требуемая мощность лазерного излучения была снижена за счет применения ме­ тода лазерной резки с одновременной продувкой кислорода.

В этом случае большая часть энергии, затрачиваемой на резку, получается за счет экзотермических реакций между металлом и ки­ слородом. Лазерное излучение нагревает материал до точки возгора­ ния, а сам процесс резки протекает в результате реакции металла с кислородом. Указанный процесс позволяет разрезать с высокой ско­ ростью металлические пластины большой толщины при мощности источника лазерного излучения всего лишь в несколько сотен ватт. В присутствии кислородной струи скорость резки возрастает пример­ но на 40 % по сравнению с резкой в присутствии струи инертного газа.

В наиболее типичной конструкции кислородная форсунка рас­ полагается коаксиально с лазерным пучком. Пучок С02-лазера фоку­ сируется через форсунку на поверхность обрабатываемого образца с помощью линз, изготовленных из прозрачного в ИК-области мате­ риала (например, германия или галоидов щелочных металлов). Обычно для подачи кислорода используются конусные форсунки диаметром 1,3-К>,5 мм, работающие при давлении Н2 атм.

В табл. 4.3 приведены значения скорости резки, достижимые при использовании лазерно-кислородного метода на С02-лазерах с мощностью порядка нескольких сотен ватт. Данные таблицы при­ ведены лишь для того, чтобы проиллюстрировать уровень достигну­ тых в экспериментальных условиях скоростей резки, и поэтому от­ нюдь не обязательно являются оптимальными. Более того, получен­

ные различными авторами значения скорости резки могут различать­ ся даже при одинаковых условиях проведения эксперимента. Причи­ ной указанных различий могут быть неконтролируемые параметры и возможные различия методик измерения мощности.

Без продувки кислорода резка осуществляется на существенно меньших скоростях. Значения скорости резки довольно большие и представляют интерес для промышленности. Для того чтобы пре­ дотвратить сгорание материала, можно воспользоваться защитным инертным газом (например, гелием).

Лазерно-кислородный метод наиболее удобен для резки хими­ чески активных металлов типа титана. Все исследования, результаты которых опубликованы, выполнены с помощью непрерывных СО2-лазеров. В ходе процесса получается узкий разрез с небольшой шириной зоны, подвергающейся тепловому воздействию.

Применение лазерно-кислородного метода резки обеспечивает значительную экономию при резке некоторых металлов за счет сни­ жения расхода материала и уменьшения требований к последующей чистовой обработке. В табл. 4.4 приведены стоимостные оценки рез­ ки листового титана различными методами. Полностью автоматизи­ рованная лазерная система резки характеризуется высокими началь­ ными капитальными затратами. В полную стоимость резки в расчете на единицу длины сделанного разреза входят расходы на сам процесс резки и на операции по вторичной обработке. Применение лазерных методов резки обеспечивает значительное снижение стоимости резки в расчете на единицу длины (в особенности для достаточно большой толщины материала).

Методы лазерной резки достигли уровня промышленного при­ менения в таких областях, как производство самолетов и космиче­

ских летательных аппаратов, где они применяются для резки метал­ лов типа титана. Производительность одной из лазерных установок для резки материала на основе С02-лазера мощностью 250 Вт со­ ставляет - 30 000 м/год. Для разрезки поверхностей со сложным кон­ туром используются сложные системы с перемещением по несколь­ ким степеням свободы. Процесс резки алюминия в авиационной промышленности пока еще не достиг стадии промышленного приме­ нения и в настоящее время подвергается тщательной проверке.

В случае, когда заготовки из листового материала имеют уни­ фицированные окна, отверстия и другие стандартные элементы, це­ лесообразно сочетание на одном оборудовании выполнений двух операций: лазерного раскроя и получения с помощью вырубного штампа стандартных (унифицированных) элементов. Такая обработ­ ка ведется на оборудовании типа лазер-пресс.

Способом лазерной резки изготовляются дисковые пилы с раз­ личным профилем режущих зубьев, ножи грануляторов химического машиностроения, пуансоны и матрицы наборных вырубных штампов, специальные матрицы для резки или тиснения картонной упаковки.

Микрогеометрия поверхности реза специфична. На ряде режи­ мов проявляется характерная «бороздчатая» структура микрорелье­ фа. Неоднородна структура рельефа и по глубине реза. Обычно на выходе луча из материала шероховатость несколько выше, чем в средней части реза и на входе его в материал. Наибольшее влияние на шероховатость поверхности реза оказывает скорость обработки. Для каждого вида и толщины материала можно найти оптимальную скорость, при которой шероховатость будет минимальной. Следует, однако, учесть, что такая скорость в то же время не соответствует самому производительному режиму обработки.

Тем не менее по сравнению с другими методами раскроя мате­ риала лазерная резка обеспечивает четкие кромки реза, практическое отсутствие грата при обработке (рис. 4.5).

Положительные качества лазерной резки: высокая скорость рез­ ки, невысокая стоимость расходных материалов (газ).

Рис. 4.5. Поперечное сечение реза в углеродистой стали

Отрицательные качества лазерной резки: термическая закалка кромок, дополнительная механическая обработка, оплавление кромок.

Интенсификация механической обработки лазерным излучени­ ем заключается в его использовании для предварительного нагрева слоя материала на заготовке перед последующим удалением его ре­ жущим инструментом (рис. 4.6). При нагреве улучшается обрабаты­ ваемость стали вследствие изменения механических характеристик материала в зоне стружкообразования, увеличения его пластичности, снижения прочности и твердости.

Рис. 4.6. Схема лазерного воздействия при механической обработке

4.2.2. П робивка отверстий

Режим лазерного воздействия, приводящий к эрозии материала, используется не только при резке и раскрое металлических и неме­ таллических материалов, но и для прошивания отверстий малых раз­ меров, получения прецизионных щелей и пазов.

Это связано с тем,.что луч лазера при встрече с твердым телом может в месте встречи развивать температуру до 40 000° С и дать испарение любого материала. Лазерный луч служит обрабатываю­ щим инструментом высокой точности, он может делать отверстия, диаметр которых меньше диаметра человеческого волоса; может проникать в места, не доступные для обычных сварочных горелок.

Обработка отверстий, как правило, выполняется импульсным излучением, хотя есть ряд операций, на которых для этих целей це­ лесообразно использовать непрерывное излучение. Как правило, ис­ пользуются импульсы излучения с длительностью порядка несколь­ ких сотен микросекунд (или же более короткие).

Управляемыми параметрами процесса лазерной обработки от­ верстий являются энергия излучения Е, длительность импульса т (определяющие мощность Рср излучения), фокусное расстояние фо­ кусирующей системы F, смещение поверхности детали относительно фокальной плоскости фокусирующей системы AF (определяющие площадь S пятна фокусирования), число импульсов п. Эти параметры на современном технологическом оборудовании могут изменяться

(при заданных Е й т) приводит к уменьшению плотности мощности q лазерного излучения, что вызывает уменьшение глубины и входного

импульсов вследствие возрастания плотности мощности излучения увеличивается доля испаренного материала в продуктах эрозии. К области обычной размерной обработки следует отнести диапазон

длительностей от 0,1-19~3 до 21 (Г3 с. Рост числа импульсов п приво­ дит к увеличению глубины, диаметра отверстия, изменению его формы в продольном сечении.

Производительность П обработки отверстий может быть оце­ нена числом прошиваемых отверстий в единицу времени. Она зави­ сит как от частоты v подачи импульсов и их числа п, необходимого для прошивания одного отверстия, так и от времени tn, связанного с относительным перемещением луча и заготовки после прошивания очередного отверстия:

где /?кан - число лучевых каналов установки, обычно пкш = 1.

В зависимости от частоты следования импульсов и степени ав­ томатизации оборудования производительность обработки может достигать от одного до нескольких десятков и даже сотен отверстий в секунду.

Пробивка отверстий в металлах при помощи лазера может ока­ заться выгодной во многих областях (например, для изготовления небольших отверстий в соплах и устройствах для контролируемого напуска газов, апертур для электронно-лучевой аппаратуры и точеч­ ных диафрагм для оптических устройств). При помощи лазера можно без особого труда пробить в тонких металлических листах аккурат­ ные отверстия размером не более 25 мкм. Метод позволяет формиро­ вать близкие к заданной конфигурации отверстия без нагрева и за­ грязнения прилегающих областей. При необходимости можно про­ бивать очень небольшие отверстия специальной формы в таких изделиях, где обычные методы не приводят к хорошим результатам.

С помощью одиночного лазерного импульса с высокой энерги­ ей или последовательности импульсов меньшей энергии, направляе­ мых на одно и то же место, в металлических листах можно пробить отверстия глубиной порядка нескольких миллиметров. Максималь­ ная глубина отверстия, которое может быть получено на практике