- •В. С. Кондратенко
- •Содержание
- •Технологические лазерные установки.
- •Система транспортировки и формирования лазерного излучения.
- •2.1 Фокусировка лазерного излучения
- •Физические основы воздействия лазерного излучения на материалы.
- •Физика процесса закалки металлов.
- •Лазерная прошивка отверстий, скрайбирование.
- •Лазерная резка неметаллических материалов.
- •Лазерная резка металлических материалов.
- •Лазерная сварка.
- •Прейскурант на лазерную сварку (пайку)
- •К онтактная сварка
- •Оборудование для контактной сварки
- •Подготовка поверхностей к контактной сварке
- •Технология электрошлаковой сварки
- •Плазменная сварка
- •Общепринятые обозначения
- •Технология плазменной сварки
- •Разновидности
- •Микроплазменная сварка
- •Сварка поверхностными источниками тепла
- •Коэффициент поглощения стекол
- •Лазерная сварка с глубоким проплавлением
- •Лазерная сварка металлических изделий
- •Сварка титановых сплавов
- •Светолазерная сварка и другие комбинационные виды сварки.
- •Плазменная дуговая сварка
- •Поверхностная лазерная обработка
- •Методы лазерной термообработки
- •Энергетические условия
- •Типы покрытий
- •Свойства сплавов после лазерной закалки
- •Лазерные технологии в микроэлектронике
- •Лазерная стереолитография
Физика процесса закалки металлов.
Рис. 21 Диаграмма равновесия системы железо - углерод
Рис. 7 Температурная диаграмма лазерной обработки металлов:
1 — термообработка; 2 — сварка; 3 — газолазерная резка;
4 — прошивка отверстий; 5 — размерная обработка;
6,7 – другие виды обработки.
Рис. Теоретическая и экспериментальная зависимость глубины каналов в кварцевом стекле от времени воздействия лазерного излучения в режиме автоканализации.
Рис. Каналы в кварцевом стекле, образованные в режиме автоканализации сфокусированным излучением СО2 лазера в непрерывном режиме ( Р = 200 Вт)
Лазерная прошивка отверстий, скрайбирование.
Особенности импульсно - периодического воздействия лазерного излучения на материалы.
Рис.1. Профили отверстий при различных положениях фокуса лазерного луча относительно поверхности обрабатываемой детали
Лазерная обработка отверстий
Рис.2. Стадии обработки отверстия алмазной волоки:
1 — сфокусированное излучение; 2 — кристалл алмаза; 3 — лунка в пластине; 4 — пластина из хорошо поглощающего материала; 5 — начальная лунка в кристалле алмаза; 6 — входная распушка и смазочный конус; 7 — рабочий канал; 8 — выходная распушка
Рис. 8. Расчетные температурные профили в алюмооксидной керамике, обработанной излучением СО2-лазера, на различной глубине погружения в керамику.
Диаметр сфокусированного луча — 0,12 мм; плотность мощности — 2,3-105 Вт/см2
Результаты выполненных в [7] расчетов температурных профилей при расположении границы испаряемого вещества на глубине 0,6 мм от поверхности приведены на рис. 8. Как видно из этого рисунка, максимальное значение температуры наблюдается вблизи поверхности испарения. На поверхности материала температура несколько ниже, однако область, занимаемая температурным полем, здесь шире.
На основании результатов расчетов по приведенному методу в работе [7] была теоретически вычислена форма отверстия, образуемого лазерным лучом, путем нахождения изотермы температуры, равной температуре испарения материала (рис. 9). Как показывает сравнение рис. 9, а и б, расчетные форма и размеры образованных лазерным излучением лунок достаточно точно согласуются с экспериментальными результатами, что подтверждает допустимость принятых упрощений.
Прошивка (лазерное сверление) жаропрочных сплавов.
Different drilling processes
Over the years, several drilling processes have developed from the basic method: single-shot drilling and percussion drilling as well as trepanning and helical drilling. The ideal drilling process depends on the required hole geometry and quality as well as the predetermined cycle time. Single-shot drilling is used when a large number of holes need to be produced in a short time. Multi-pulse percussion drilling is suitable for small hole diameters or deep holes. Trepanning and helical drilling can be used to create holes of any diameter. As the pulse count increases, so does the drilling time.
Различные процессы бурения
За эти годы, несколько процессов бурения развились от основного метода: однократное бурение и бурение удара так же как trepanning и винтовое бурение. Идеальный процесс бурения зависит от необходимой геометрии отверстия и качества так же как предопределенного времени цикла. Однократное бурение используется, когда большое количество отверстий должно быть произведено в скором времени. Бурение удара мультипульса является подходящим для маленьких диаметров отверстия или глубоких отверстий. Trepanning и винтовое бурение могут использоваться, чтобы создать отверстия любого диаметра. Как увеличения счета пульса, так что делает время бурения.
Perforating
Roll
materials such as cigarette-tip paper or packaging foil for the food
industry are perforated using special, high-frequency excited, fast
modulating CO2
lasers with extraordinary power stability. The perforation of
cigarette-tip paper is used worldwide to reduce the tar and nicotine
content of light cigarettes. Here, laser perforation ensures above
all the adherence to the applicable threshold values in modern
cigarettes. The perforation of foils for the food industry is used
mainly to prolong the freshness and quality of perishable goods.
When the holes are small enough, transpiration of moisture is
prevented and at the same time an exchange of air is ensured.
Перфорация
Материалы рулона, такие как бумага папиросного наконечника или упаковывающий фольгу для пищевой промышленности перфорированы, используя специальный, высокочастотный взволнованный, быстро модулируя CO2 лазеры с экстраординарной стабильностью власти. Перфорация бумаги папиросного наконечника используется во всем мире, чтобы уменьшить смолу и содержание никотина легких сигарет. Здесь, лазерная перфорация гарантирует прежде всего приверженность применимым пороговым ценностям в современных сигаретах. Перфорация фольги для пищевой промышленности используется главным образом, чтобы продлить свежесть и качество скоропортящихся товаров. Когда отверстия являются достаточно маленькими, испарение влажности предотвращено, и в то же самое время обмен воздухом обеспечен.
С системой PerfoLas диаметр отверстия может быть установлен в 40 - 400 µm - и скорость перфорации теперь столь же высоки как 500 000 отверстий в секунду. Дополнительные отдельно оплачиваемые предметы, такие как линзы двойного пятна, линзы для круглых и овальных отверстий, модуля нулевого метра и сокращения оборудования формируют передний край из технологического развития в настоящее время.
Рис. 9. Образец отверстия в нержавеющей стали на выходе луча в пакетном режиме работы промышленного лазера с активным элементом KULON LT-15CU.
Толщина листа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 мкм
Диаметр диафрагмы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3,4 мм
Число импульсов в пачке . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 имп.
Средняя мощность излучения(после диафрагмы) . . . . . 1,0 Вт
Фокусное расстояние объектива . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 мм
Кратность увеличения резонатора . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
All specification based on 350 μm x 350 μm line spacing on diameter wafers
Для эффективного разделения достаточно, чтобы глубина лунок составляла примерно 25% толщины материала.
Поскольку лазерное скрайбирование в данном случае методически связано с возгонкой в непрозрачном материале отверстий, следует рассмотреть еще одно явление, имеющее непосредственное отношение к рассматриваемому вопросу. Речь идет об автоканализации лазерного излучения, позволяющей проделывать в некоторых материалах исключительно глубокие отверстия, что может представлять в некоторых случаях большой интерес.
Как показано в [14], подбирая угол вхождения лазерного излучения в толщу некоторых материалов, а также расстояние от поверхности материала до фокальной плоскости лазерного объектива, можно обеспечить условия, при которых лазерный луч после схождения в фокальной плоскости больше не расходится, а распространяется в возгоняемом канале на значительное расстояние, образуя глубокое и практически цилиндрическое отверстие. Длинный канал образуется в том случае, если угол схождения луча после прохождения фокусирующей линзы достаточно мал. Чем меньше этот угол, тем глубже образующееся в материале отверстие.
Рис. 14. Каналы в кварцевом стекле, образованные в режиме автоканализации сфокусирован ным излучением С02-лазера в непрерывном режиме (Р = 200 Вт).
Рис. 15. Теоретическая и экспериментальная зависимости глубины каналов в кварцевом стекле от времени воздействия лазерного излучения в режиме автоканализации.
По мере увеличения времени воздействия лазерного излучения глубина канала вначале быстро растет, а затем ее рост плавно снижается. Глубина канала асимптотически приближается к пределу, который зависит как от параметров лазерного излучения, так и от свойств материала.
Такое явление наблюдается в материалах, которые в результате воздействия лазерного излучения образуют оплавленный канал с гладкими стенками, хорошо отражающими лазерное излучение (рис 14). При формировании показанных на рисунке каналов изменялась длительность воздействия лазерного излучения от минимальной (слева) до максимальной (справа). Полученные по данным рис. 14 экспериментальные точки зависимости глубины каналов от времени воздействия лазерного излучения нанесены на рис. 15. Описанные результаты экспериментов указывают на то, что в данном случае имеет место само канализация лазерного излучения в непрозрачном для него материале. Это явление можно объяснить следующим образом. При попадании на поверхность материала лазерного излучения достаточной плотности мощности в нем образуется лунка, диаметр которой примерно равен диаметру лазерного луча в фокальной плоскости объектива. Глубина образующейся лунки охватывает область фокуса, в которой диаметр лазерного луча является минимальным и, следовательно, плотность мощности максимальна.
Расходящийся далее лазерный луч, при определенных условиях, о которых пойдет речь далее, отражается от создаваемой им же оплавленной цилиндрической поверхности, которая автоматически полируется лазерным лучом благодаря равномерному оплавлению. Отраженный внутрь лунки луч увеличивает ее глубину до следующего отражения, после чего процесс повторяется, напоминая распространение оптического излучения в световоде, т.е. в виде цилиндра с отражающими стенками или в стекловолокне. Как известно, коэффициент отражения от поверхности, на которую направляется излучение, значительно возрастает при приближении угла падения луча к 90°. Поэтому автоканализация заметно проявляется при достаточно малых углах влета лазерного излучения в материал (рис. 16). Таким образом, причиной самоканализации (или автоканализации) является образование лазерным излучением световедущего канала (цилиндра) в непрозрачном материале, который автоматически канализирует лазерное излучение одновременно с его образованием.
Скрайбирование
Одним из наиболее известных процессов лазерной обработки стекла является, так называемое, скрайбирование. Название этого процесса происходит от английского глагола to scribe (размечать). Под этим термином понимается процесс механического нарушения прочности материала по описываемому контуру с помощью алмазного или твердосплавного инструмента. При этом образуется не всегда явная последовательность трещин, по которым в дальнейшем стекло разламывается при приложении механического усилия или самопроизвольно. Такой же характер имеет и лазерное скрайбирование, обеспечивающее возможность разделения стекла, а также других хрупких материалов — ситаллов, керамики (из Мачулка).
Механизм лазерного сверления сверхвысокоаспектных отверстий в полимерах Стационарный профиль глубокого отверстия достигается после воздействия достаточно большого числа импульсов в результате процессов самоорганизации и является новым более устойчивым состоянием поверхности в поле интенсивного излучения. Эти представления совместно с обширными экспериментальными данными, полученными при использовании разнообразных полимеров, позволяют построить аналитическую теоретическую модель многоимпульсного сверления отверстий со сверхвысоким (300—600) отношением глубины к диаметру (так называемым аспектным отношением) излучением УФ эксимерного KrF-лазера. Модель дает возможность в простой форме выявить основные факторы, управляющие параметрами многоимпульсного наносекундного УФ лазерного сверления, в частности определить аналитические условия получения отверстий с практически параллельными боковыми стенками и очень высокими аспектными отношениями.