ЛЕКЦИЯ  №15

       1. Основные показатели  лазерной технологии.

       2. Плотность мощности  лазерного излучения.

       3. Регулирование параметров  лазерного излучения.

       4. Технологические  задачи, решаемые  лазерным лучом.

1. Возможности  лазерной технологий

       Возможность достижения высоких значений мощности и плотности потока энергии делает лазерный луч уникальным инструментом и для проведения различных операций в термической технологии. Эксперименты показали, что лазерная резка и сварка, поверхностное термоупрочнение, плакирование и легирование позволяют не только экономить материалы, но и получать новые свойства обрабатываемого вещества, недостижимые с помощью традиционных термических технологий. Уже первые результаты использования лазеров в промышленности продемонстрировали возможность и экономическую эффективность их применения в условиях массового производства.

       Широкое применение находит лазерный луч  для размерной обработки –  прошивание отверстий, размерной вырезки  слжноконтурных деталей. Применение излучения ОКГ в технологии машиностроения зависит от плотности мощности излучения. 

                                                                                   6

Рис. 1. Схема  лазерной обработки.

1-обрабатываемая  деталь; 2-объектив; 3-лазерный луч; 4,5-зеркала; 6-диоптоэлемент; 7-лампа-вспышка; 8-рефлектор; 9-активный элемент. C₁ ,C_2m C_n-конденсаторная батарея; L-индуктивность. 

2. Плотность  мощности лазерного излучения.

       Технологические операции лазерной обработки /ЛО/ зависят  от плотности мощности q.

       1.   q <10³ Вт/см² -лазерная термообработка (закалка).

       При лазерной закалке стальных деталей  образуется термически обработанный слой толщиной   не более 0,3мм.

       Кроме того, эксперименты показали, что поверхность, обработанная лазерным лучом, имеет на 20... 25% меньший коэффициент трения.

       2. При q = l0³-l0⁴ Вт/см² лазерный луч сваривает соединяемые детали. В этом случае интенсивность нагрева такова, что происходит расплавление и частичное испарение соединяемых металлов.

       Лазерную  сварку можно осуществлять в непрерывном режиме газовым лазером (мощность Л = 800 Вт...1,5 кВт и более).

       Импульсную  лазерную сварку осуществляют твердотельными лазерами (активным элементом является стержень из стекла с ниодимом, граната алюминия, рубина с ионами трехвалентного хрома). Импульсной лазерной сваркой можно производить точечную и шовную сварку /при этом частота импульсов до 10 Гц.

       3. q > 10⁴ Вт/см² (до 10¹¹ Вт/см² ) - лазерная размерная обработка, лазерная резка. В этом случае обрабатываемый материал мгновенно нагревается до высоких температур, расплавляется и испаряется в зоне воздействия лазерного луча.

       Лазерным  лучом можно прошивать отверстия  в заготовках толщиной до 10 мм, диаметр  прошиваемых отверстий находится  в пределах, от 0,03 мм до 1 мм.

       Плотность мощности лазерного излучения определяется по формуле:

       q=N/S                               (для газового лазера)

       где     N - мощность излучения;

       S  - площадь светового пятна.

       Для импульсного твердотельного лазера q  можно определить выражением:  

       q=η^.c^.U²/(2^.S^.τ_u),

       где  c и U - емкость конденсаторной батареи и напряжение на ней;

       η- КПД ОКГ  (0.1...0.2%);

       τ_u - длительность импульса. 

       3. Регулирование параметров лазерного  излучения.

       Особенностью  лазерного излучения является большая  гибкость в изменении его периметров. Отсюда - большая технологическая гибкость, то есть, на одной и той же установке путем несложного регулирования можно осуществлять лазерное термоупрочнение, лазерную сварку, лазерную размерную обработку, лазерную металлизацию /приваривание металла порошком/.

       Плотность мощности лазерного излучения можно регулировать для газового лазера изменением N и S /расфокусировка оптических систем, изменение отверстия в диафрагме/, для твердотельных лазеров q регулируется посредством изменения величины емкости конденсаторной батареи, напряжения на ней, длительности импульса /а так же путем изменения индуктивности L  на схеме/, также за счет расфокусировки и смены объективов. 

       4. Технологические задачи, решаемые  лазерным лучом,

       4.1. Лазерная сварка. 

       Отечественная промышленность выпускает серийно два типа сварочных установок с излучателями на стекле с неодимом. Установка СЛС-10-1  предназначена для сварки деталей толщиной до 0,3 мм. Вторая установка - "Квант-10"  позволяет получать сварные соединения при глубине   проплавления до 0,7 мм.

       Характеристики  сварочных установок

       Установка "Квант-10" состоит из  сварочного аппарата в стойки питания. В сварочном  аппарате смонтированы излучатель, оптическая система, -система охлаждения, воздухонагревательное  устройство обеспыленной рабочей зоны и приспособление для сварки; на сварочном аппарате установлены система управления и блок измерителя энергии.

       Для шовной сварки разработана лазерная установка "Квант-10"» Она снабжена измерителем энергии излучения, устройством для подачи инертного газа в зону сварки и боксом с обеспыленной атмосферой.

       4.2. Лазерное прошивание отверстий.

         Для волочения проволоки диаметром  от 10 мкм  до 1.2 мм применяются волоки  из естественных и синтетических алмазов. Их  стойкость в сотни раз превышает стойкость волок из твердых сплавов.

       Это делает возможным получение проволока  с более жесткими допусками, повышает скорость волочения, позволяет снизить расход сырья. Волочение проволоки диаметром менее 0,2 мм возможно только с помощью  алмазных волок.

       В производстве алмазных волок значительную часть трудоемкости их изготовления составляет сверление отверстий. Появление лазеров открыло в производстве волок перспективу значительного совершенствования технологического  процесса.

       Широкое применение получило лазерное сверление алмазных волов, не закрепленных в оправе.

       Первыми лазерными установками,  примененными в  серийном производстве волок, были установки К-ЗМ. В дальнейшем была разработана специальная установка "Квант-9",  учитывающая специфические особенности обработка алмазов.

       Основные  технические  характеристики установки:

       - диаметр отверстий при обработке  одним импульсом 0,005...0,4 мм,

       при многоимпульсной обработке до I мм.

       - глубина отверстий при обработке  одним импульсом до I мм. при  многоимпульсном методе - до 3 мм;

       - максимальная энергия излучения  8-Ю Дж, при сверлении алмазов  без оправы 0,1-3,0 Дж.

       - длительность импульса 0,35-00,5 мс;

       - частота следования импульсов  в автоматическом режиме 6-60 имп/мин,  в модернизированном варианте  до 180 имп/мин.

       В установке использован лазер  на стекле с неодимом. Длина активного  элемента 130 мм, диаметр 8 мм.

       Доя повышения производительности сверления  часовых камней, в настоящее время применяются лазеры.

       4.3. Лазерная обработка пленок

       Обработка тонких пленок является одной из наиболее широких областей использования методов лазерной технологии. Среди технологических операций, получивших распространение и внедрение в промышленность, выделяется прецизионная подгонка и нарезка пленочных резисторов. Лазеры применяются также для подгонки  емкости  пленочных конденсаторов, а частоты кварцевых резонаторов. Целый ряд перспективных направлений применения лазеров в технологии  микроэлектроники  связан с задачами получения рисунков тонкопленочных и полупроводниковых интегральных схем.

       Одной из первых установок на газовом лазере, нашедших применение в операциях  по подгонке резисторов была установка  типа ТИЛУ-1. Установка предназначена  для доводки номиналов толстопленочных резисторов  гибридных интегральных схем. Толщина резисторов, подлежащих доводке, составляет 50-200 мкм.

       В установке ТИЛУ-1  используется импульсный с прокачкой лазер на смеси  двуокиси углерода, азота и гелия.

       Технические характеристики:

       - длина волны излучения, мкм......................………………………… 10,6

       - энергия в импульсе, Дж..........................………………………………0,1

       - длительность импульса, мс..................…………………………….0,2...0,5

       - частота следования импульсов,  Гц............………………………..50...200

       - диаметр сфокусированного луча, мкм...........……………………..50...150

       Среди зарубежных установок типичной является установка фирмы Krad (США). Установка предназначена для обработки как тонких, так и толстых пленок.

       Для получения рисунков на пленках с  помощью лазерного излучения  могут быть использованы несколько  методов. Наиболее широко исследовался метод прямого испарения пленки по заданному контуру и т.д.

       Для получения рисунков на тонкопленочных покрытиях за  одну вспышку  лазера на площади диаметром до 30 мм была разработана экспериментальная установка К-5.