ЛАЗЕРНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ
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 термич. действие света, вызываемое его поглощением в
обрабатываемом материале. Для увеличения плотности потока излучения и локализации
зоны обработки применяют оптич. системы. Особенности Л. т.: высокая плотность
потока излучения в зоне обработки, дающая необходимый термич. 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 термич.
влияния, обеспечиваемая кратковременным воздействием излучения; бесконтактный
ввод энергии в зону обработки и возможность ведения технологич. процессов
в любой прозрачной среде (вакуум, газ, жидкость, твёрдое тело), через прозрачные
окна технологич. камер, оболочки электровакуумных приборов и т. д. Наиболее
изучены и освоены процессы сварки, сверления и резки.
Лазерная сварка (рис. 1) может быть
точечной и шовной. В болшинстве случаев применяют импульсные лазеры, обеспечивающие
наименьшую зону термич. влияния. С помощью лазерной сварки можно получать
высоко- качеств. соединения деталей из нержавеющей стали, никеля, молибдена,
ко- вара 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 Мет/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 (напр.,
для материалов с высокой теплопроводностью, при низких темп-pax и т. д.),
а также в тех случаях, когда надо обеспечить минимальную зону термич. 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 применен..л 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. 1. Лазерная сварка: а - медно-кон-
стантановая термопара, сваренная лучом лазера (диаметр проволоки 0,07 мм)',
б - микрофотография шлифа сварного соединения никелевой фольги толщиной
0,2 мм с медной пластиной; в - сварной шов, полученный при сварке листов
ковара и нержавеющей стали толщиной 0,3 мм излучением лазера на алюмо-
иттриевом гранате; г - полупроводниковые приборы, корпуса которых герметизированы
с помощью лазерной сварки.
Рнс. 2. Сверление отверстий лазерным
излучением: а - круглое отверстие диаметром 0,1 мм в пластине из феррита
толщиной 0,5 мм; 6 - фигурное отверстие в пластине из нержавеющей стали
толщиной 0,3 мм', в - продольное сечение цилиндрических отверстий диаметром
0,05 мм в пластине из феррита; г - отверстие в алмазной волоке (толщина
кристалла 1,2 мм, минимальный диаметр отверстия 0,08 мм).
Сверление отверстий лазером (рис.
2) 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 Мет/см2 и более. Макс,
производительность достигается при сверлении отверстий за один импульс
с большой энергией (до 30 дж). При этом осн. масса материала удаляется
из отверстия в расплавл. состоянии под давлением пара, образовавшегося
в результате испарения относительно небольшой части вещества. Однако точность
обработки одноимпульсным методом невысокая (10-20% от размера диаметра).
Макс, 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 (цилиндрич., конич.
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 а глубина структурно изменённого, 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 произ-ве рубиновых часовых
камней и алмазных волок. Напр., успешно выполняется сверление алмазных
волок на установке "Квант-9" с лазером на стекле с примесью неодима (рис.
3). Производительность труда на этой операции увеличилась в 12 раз по сравнению
с ранее применявшимися методами.
(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 динамич. балансировке роторов
гироскопов и при точной подгонке балансов часовых механизмов, что позволяет
существенно повысить точность этих операций и увеличить производительность.
Лазерную резку материалов (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, напр, 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 миним. глубину прогрева
материала и исключает повреждение подложки, на к-рую 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 Мет/см2, частота повторения импульсов
100-5000 импульсов в 1 сек. В сочетании с автоматич. 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 реэис- тивной плёнки с целью подгонки сопротивления (толщина
плёнки 0,5 мкм, ширина реза, указанного стрелкой, 50 мкм); 6 - надрезы
на стекле, пок-рым происходит термическое раскалывание (получены лазером
на углекислом газе).
Лазеры непрерывного действия на углекислом
газе мощностью от неск. сотен вт до неск. кет применяют для газолазерной
резки, при к-рой 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, к-рые 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 экзотермич.
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 кат/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 термич. влияния, отсутствие
вредных отходов при резке стеклопластиков, оплавление краёв реза синтетич.
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 термич. напряжения, превышающие предел прочности материала. Возникающая
трещина развивается вслед за лучом, траектория к-рого может иметь сложную
форму. Скорость резки достигает неск. м/мин. Управляемое термич. раскалывание
применяется при резке стеклянных трубок в произ-ве электровакуумных приборов,
керамич. подложек интегральных схем, для резки листового и фасонного стекла.
Применение лазера вдругих областях.
Термич. действие лазерного излучения может быть применено для поверхностного
упрочнения (закалка и "залечивание" микродефектов оплавлением) быстроизнашивающихся
металлич. деталей, напр, режущего инструмента для создания электронно-дырочных
переходов в произ-ве полупроводниковых приборов. В произ-ве интегральных
схем действие лазера используют для локальной термич. 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 пром-сть выпускает лазерные
технологич. 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 технологич. установки.
Рис. 5. Типичная блок-схема лазерной
технологической установки с твердотельным лазером: 1 - зарядное устройство;
2 - ёмкостной накопитель; 3 - система управления; 4 - блок поджи- га; 5
- лазерная головка; G - система охлаждения; 7 - система стабилизации энергии
излучения; 8 - датчик энергии излучения; 9 - оптическая система; 10 - сфокусиро-
.ванный луч лазера; // - 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 физ. 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. Цельный.
А Б В Г Д Е Ё Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ъ Ы Ь Э Ю Я