Тенденции применения лазеров в технологических процессах

↑

▷ Содержание

⇐ ПредыдущаяСтр 6 из 7Следующая ⇒

Использование лазеров в первую очередь предполагается в тех технологических процессах, которые неосуществимы с помощью других источников энергии или их осуществление связано с большими энергетическими и временными затратами. Предпочтительным оказывается применение лазеров при термической обработке элементов электронных схем, когда обрабатываемые участки сочетаются с участками или деталями, имеющими низкотемпературную стойкость, а также для микроразмерных и локальных термообработок. Во многих процессах оказалось возможным сочетать лазерное воздействие с другими видами энергии, например с действием плазмы электрического разряда, взрывной волны, ультразвука, механического и химического воздействия. Очень часто лазерная обработка проводится в присутствии химических, газовых и других рабочих сред, что позволяет проводить ряд работ, неосуществимых в других технологиях. Предпочтительным оказывается использование лазеров в процессах, где с его помощью возможно выполнение целого ряда операций одновременно или в одном технологическом цикле.

Газовые лазеры обладают большой выходной мощностью, относительно высоким коэффициентом полезного действия и стабильностью параметров излучения.

Твердотельные лазеры, используемые в настоящее время для технологических целей в машиностроении, достигают среднего уровня мощности 50 – 500 Вт, а промышленные, серийно выпускаемые газовые лазеры на СО₂, – более 15 кВт.

Лазерная сварка. Пожалуй, наиболее широкое применение лазерная сварка нашла в производстве изделий электронной техники, так как позволяет сваривать тугоплавкие металлы (вольфрам, молибден); проводить микролокальную сварку (~10 мкм); обрабатывать короткими импульсами (~10^-2 – 10^-3 с), что исключает нежелательные структурные изменения в материалах из-за подавления диффузных процессов; вести сварку в любой атмосфере, в труднодоступных местах, бесконтактно и без загрязнений; соединять материалы с различными теплофизическими и механическими свойствами. Процесс сварки лазером позволяет проводить операции вблизи от термочувствительных элементов. Несколько примеров сварки в труднодоступных местах схематично представлены на рисунке 1.11.

Рисунок 1.11 – Лазерная сварка в труднодоступных местах: а – и б – через
отверстия малых диаметров; в - через прозрачное для лазерного излучения
окно; г – через тыльную сторону полупроводниковой подложки; д – с помощью инструмента из сапфира; 1– свариваемые детали; 2 – луч лазера; 3 – стеклянная крышка; 4 – трубчатый корпус

Лазерная сварка является энергоемким процессом, поскольку требует плавления материала. Основная особенность изучения физики плавления связана с тем, что при плавлении большинства металлов их электропроводность скачком уменьшается в 2 – 3 раза, что влечет за собой скачок теплопроводности и отражательной способности и тем самым приводит к новому режиму нагревания, характеризующемуся дополнительной затратой тепла на плавление. В этом случае очень часто прибегают к решениям, позволяющим резко увеличить производительность лазерной сварки за счет использования дополнительной энергии или специальной реактивной среды.

Важным моментом процесса сварки с помощью лазера является возможность получения максимальной глубины проплавления z_n без выплеска, что нужно для повышения надежности. Поскольку выплcеск связан с процессом испарения, то это означает, что температура поверхности расплава не должна превышать Т_к. Величину z_nможно определить из выражения:

                                   (5)

Максимальное проплавление можно получить, увеличивая длительность импульса t_и или время облучения до величины t >> 10 d_г² / c_э с одновременным уменьшением плотности мощности излучения:

                                               (6)

Дополнительные возможности увеличения глубины проплавления лежат в области технических решений формирования импульсов специальной формы. Энергетически вид сварки, связанный с глубоким кинжальным проплавлением реализуется в интервале значений I_о1 и I_о2.

Лазерная пайка.Другой технологической операцией, также связанной с процессом плавления, является лазерная пайка, которую, подобно сварке, можно проводить в труднодоступных местах, закрытых объемах, используя все замечательные свойства лазерного излучения. Чаще всего для этой операции используются твердотельные лазеры с l = 1,06 мкм.

Основными преимуществами лазерной пайки являются следующие возможности: практически мгновенная скорость нагрева; точное дозирование энергии в процессе пайки; прецизионность позицирования зон обработки и т.д.

Размерная обработка материалов. При лазерной размерной обработке сфокусированный лазерный луч обеспечивает высокую концентрацию энергии и позволяет обрабатывать практически любые материалы независимо от их свойств. Под воздействием лазерного луча материал заготовки плавится, возгорается, испаряется или выдувается струей газа. Обработка проводится с высокой плотностью мощности лазерного излучения, достигающей порядка 10⁷...10⁸ Вт/см². При лазерной обработке отсутствует механическое воздействие на обрабатываемый материал, возникают минимальные остаточные деформации после полного остывания материала. Вследствие этого лазерную обработку можно осуществлять с высокой точностью. Благодаря большой мощности лазерного излучения обеспечивается высокая производительность процесса в сочетании с высоким качеством обработанной поверхности. Компьютерное управление позволяет осуществлять лазерную обработку по сложному контуру поверхности заготовок с высокой степенью автоматизации процесса.

Рисунок 1.12 – Лазерная установка в процессе обработки заготовки

Лазерная обработка реализуется с помощью технологических лазерных установок (см рисунок 1.12) на основе СО₂-лазеров, лазеров на алюмоиттриевом гранате с неодимом, лазеров на рубине и 1Ч₂-лазеров, работающих как в непрерывном, так и импульсно-периодическом режимах излучения. При этом независимо от назначения и типов применяемых лазеров установки содержат следующие узлы:

– источник оптического излучения – лазер;

– оптическую систему для формирования лазерного излучения – энергетический или рабочий канал;

– устройство для закрепления и перемещения обрабатываемого объекта – координатный стол с приводом;

– систему управления работой лазера и координатного стола.

Обработка отпаянным лазером.В разрядном канале 1 возбуждается поперечный разряд между электродами 2 и 3 и возникает состояние с инверсной заселенностью. В начальный момент в разрядном канале 1 реализуются условия, оптимальные для коэффициента усиления (см рисунок 1.13). Однако в дальнейшем из-за диссоциации СО₂ и последующего необратимого избирательного поглощения кислорода в разрядном канале концентрация СО₂ постоянно снижается и, следовательно, снижается коэффициент усиления и мощность излучения лазера. Этот нежелательный эффект устраняется размещением на электроде 3 стабилизаторов 5 газового состава, которые, будучи нагретыми за счет тепла, выделяемого в разряде, начинают эффективно регенерировать (со скоростью ≥ 1 ∙ 10^-2 см³/с) СО в СО₂.

Рисунок 1.13 – Отпаянный газовый СО₂-лазер с поперечным разрядом и его
сечение А-А

В результате вследствие диффузии СО и СО₂ через торцовые отверстия в разрядном канале и зазоры между керамическими пластинами 4 и электродами 2 и 3 в разрядном канале установится и будет поддерживаться газовый состав, близкий к оптимальному, установившемуся в момент включения разряда.

Вышеуказанные зазоры образованы по всей длине разрядного канала, и их величины определяются качеством механической обработки соприкасающихся материалов. Так, при втором классе обработки зазоры составляют порядка 100 мкм, что обеспечивает свободное проникновение в разрядный канал и из него молекул СО, О₂ и СО₂, имеющих соответственно размеры диаметров 2,7 ∙ 10^-4 мкм, 3 ∙ 10^-4 мкм, 3,36 ∙ 10^-4 мкм.

В предложенной конструкции лазера регенерационный запас возрастает по сравнению с прототипом пропорционально количеству стабилизаторов, размещенных на поверхности электрода, и, следовательно, обеспечивается более высокая эффективность процесса регенерации СО в СО₂ за счет большей массы и поверхности взаимодействия с активной средой.

Размещение стабилизаторов газового состава на поверхности электрода на расстоянии l₁ друг от друга и на расстоянии l₂ от разрядного канала, определяемых приведенной выше зависимостью от давления Р, обусловлено скоростями диффузионных процессов, которые, как известно, обратно пропорциональны давлению смеси. Коэффициент k определен экспериментально для различных давлений смеси в диапазоне от 20 до 100 мм. рт. ст., обычно применяемых в отпаянных СО₂-лазерах.

Таким образом, заявляемое изобретение позволяет обеспечить эффективную регенерацию СО₂ (со скоростью не менее 10^-2 см³/с) в пространстве, окружающем разрядный канал и во всем объеме разрядного канала, и тем самым создать отпаянный СО₂-лазер с поперечным разрядом повышенной долговечности.

Лазерная термическая обработка. При направлении лазерного луча на поверхность материала эффективность полезного использования энергии зависит от соотношения поглощенного и отраженного излучения. Поглощенная часть энергии проникает на небольшую глубину материала и преобразуется в тепло.

Поглощение энергии лазерного излучения и переход её в тепловую происходит практически мгновенно и приводит к резкому возрастанию температуры материала в зоне лазерного воздействия. Одновременно происходит отток тепла вглубь материала.

В зависимости от интенсивности излучения в поверхностном слое могут быть реализованы следующие процессы: нагрев до температур, не превышающих температуру плавления, но достаточных для структурно-фазовых превращений; нагрев до температур, превышающих температуру плавления, но ниже температуры испарения; интенсивное испарение.

Тепловые процессы можно разделить на две группы. К первой группе следует отнести процессы, которые не вызывают оплавления поверхности и связаны только с нагревом поверхностного слоя обрабатываемого материала с последующим самоохлаждением.

Ко второй группе целесообразно отнести процессы, связанные с оплавлением поверхности: лазерное термическое упрочнение с оплавлением; аморфизация поверхности; лазерное микролегирование, лазерная наплавка.

Лазерное термическое упрочнение с оплавлениемосновано на локальном нагреве участка поверхности под воздействием луча и последующего охлаждения этого участка путём теплоотвода во внутренние слои. Скорости охлаждения для большинства сплавов превышают 200 °С/с. Сверхвысокие скорости охлаждения локальных участков вызывают специфические особенности при формировании структуры.

При лазерном упрочнении в сталях образуются те же структуры, что и при обычной закалке: мартенсит, цементит, остаточный аустенит. Однако высокие скорости и локальность нагрева вызывают большую неоднородность и как следствие, дефектность структуры. Происходит увеличение плотности дислокации и рост напряжений в кристаллической решётке. Микротвёрдость в 1,1 – 5 раз превышает микротвёрдость структуры основы. Глубина упрочнённого слоя в зависимости от режимов облучения может достигать 0,05 – 3 мм [5].

Пробивка и сверление отверстий. Эта операция широко используется в промышленности, в приборостроении для получения отверстий в любых, в том числе хрупких и твердых, материалах диаметром от 10 мкм до 1 мм. Имеющая место шероховатость стенок при пробивке отверстий может быть уменьшена продувкой газа в процессе формирования канала.

Рисунок 1.14 – Стадии обработки отверстия алмазной волоки: 1 - кристалл алмаза; 2 - пластина из хорошо поглощающего излучение материала; 3 - сфокусированное излучение; 4 - лунка в пластине 2; 5 - начальная лунка в кристалле алмаза; 6 - входная распушка и смазочный конус; 7 - рабочий канал; 8 - выходная распушка

Используя импульсный режим работы лазера с t_и = 0,3 - 0,7 мс можно осуществить сверление с отношением z_и / d_г, равным примерно 30, что не достижимо другими методами. Наиболее выигрышной эта операция является при изготовлении отверстий малых диаметров и в хрупких материалах. Наиболее впечатляющим процессом является технология получения отверстий в алмазных волоках. Этот процесс достаточно сложный и ответственный, поэтому обработку ведут, комбинируя лазерную и ультразвуковую обработки. Ввиду чрезвычайной хрупкости материала используется многоимпульсный метод. Стадии одного из вариантов показаны на рисунке 1.14. Использование лазерного излучения позволило процесс получения отверстий в алмазных волоках или подшипниках ускорить в сотни раз.

Для получения отверстий диаметром d_о < 5 мкм используются лазеры с малыми значениями длин волн.

Познавательные статьи:



Коммуникативные барьеры и пути их преодоления

Рынок недвижимости. Сущность недвижимости

Решение задач с использованием генеалогического метода

История происхождения и развития детской игры