Вопрос15

Принципы построения лазерных технологических установок; классификация оптических систем лазерных технологических установок.

Лазерное оборудование для сварки, резки, гравировки, прошивки отверстий и других операций, выпускаемое ОКБ «Булат» (Зеленоград), отличается высокой технологичностью, надежностью и качеством, а также оригинальностью технических решений и конкурентоспособностью. По объему выпускаемой лазерной техники ОКБ «Булат» является сегодня ведущим российским предприятием.

     Универсальные лазерные установки серии LRS предназначены для выполнения технологических операций по прецизионной лазерной сварке, наплавке и поверхностного термоупрочнения. Отличительная особенность лазерной сварки – при ее использовании нагрев поверхности обрабатываемого участка детали носит локальный характер. Лазерная сварка позволяет в ограниченном объеме расплавлять соединяемые детали, не подвергая тепловому воздействию ближайшие части конструкции. В результате геометрия свариваемых деталей остается практически неизменной. Хорошо себя зарекомендовал метод импульсного лазерного нагрева для локальной поверхностной закалки инструментальных сталей.

     Широкий диапазон регулирования параметров излучения лазерных установок LRS позволяет производить сварку и наплавку как на конструкционных сталях, так и на цветных металлах и сплавах. Работы могут выполняться как на малогабаритных (10х10х10 мм), так и крупногабаритных (300х200х100 мм) деталях и узлах весом до 100 кг.

     Данные установки включают в себя лазерный излучатель с системой фокусировки и наблюдения, источник питания с блоком охлаждения лазера, координатный стол с ручным приводом и пульт управления. Возможность плавного вертикального перемещения излучателя лазера по высоте в сочетании с трехкоординатным позиционированием свариваемых деталей расширяет инструментальную зону обработки и оперативность технологической перестройки под новые изделия.

В технологических процессах с применением лазерной техники используются различные по конструкции и по назначению лазерные технологические установки (ЛТУ), которые, тем не менее, имеют общую структурную схему и аналогичные конструктивные элементы.

Источником энергии во всех установках является лазер 2 с оптической системой 5. Перемещением образца (устройство 8), параметрами лазера (датчик 3), остротой фокусировки и отслеживанием состояния поверхности обработки (датчик 9) управляют с помощью программного устройства 1. Иногда для обработки возникает необходимость в дополнительной энергии (механической, электромагнитной, световой, ионной, электрической, тепловой и др.) или в создании определенной технологической среды (газовой или жидкостной, защитной или реактивной). Для этого предусмотрены соответствующие узлы 6 и 10. Одним из важнейших и сложных узлов в лазерном оборудовании является оптическая система.

4.2. ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ ЛТУ

Оптические системы ЛТУ служат для передачи энергии излучения лазера к месту обработки, регулирования параметров излучения, формирования светового пучка с высокой плотностью мощности, для визуальной наводки излучения в точку обработки, контроля за процессом обработки и для оценки результатов работы. Оптические системы, служащие для передачи и трансформирования рабочего мощного лазерного излучения, называются энергетическими ОС. По функциональным признакам такие системы можно разделить: а) фокусирующие; б) сканирующие; в) проекционные; г) распределительные. Элементная база оптических систем состоит из фокусирующих, преломляющих и отражающих элементов. В видимой и ближней ИК-области используют призмы полного внутреннего отражения и интерференционные зеркала с многослойными диэлектрическими покрытиями, использование которых позволяет уменьшить потери излучения. В ЛТУ, работающих на l _и = 10,6 мкм, применяют зеркала с покрытиями из Al и Au, которые имеют высокий коэффициент отражения R и устойчивы к окислению.

В энергетических оптических системах с использованием мощных лазеров, особенно работающих в непрерывном режиме, повышается требование к элементам оптики. Для излучения с l = 0,69 и 1,06 мкм большинство сортов оптического стекла имеют небольшой коэффициент поглощения и используются до I _о = 10³ Вт/см². На длине волны l = 10,6 мкм они непрозрачны, материалом для изготовления линз служат монокристаллы KBr, NaCl, GaAs, Ge и др.

4.2.1. ФОКУСИРУЮЩИЕ ОС

 В зависимости от назначения установки требования к характеристикам светового пучка в зоне обработки формируются по-разному. Так, в технологических операциях пробивки отверстий, резки, сварки методом глубокого проплавления и во многих других требуется заданная плотность мощности в некотором объеме обрабатываемого материала. Чаще всего это достигается за счет фокусировки излучения. В этом случае важно знать диаметр светового пятна в фокальной плоскости, которая определяется выражением

d _г = Ф_г × tg Q_d = Ф _г×Q_d. (4.1)

Из этой формулы видно, что для уменьшения d_г можно уменьшить Ф_г, но это не всегда удобно, так как передняя линза в этом случае очень часто повреждается продуктами эрозии из обрабатываемой области. Чтобы получить пятно сфокусированного излучения d_г порядка единиц микрометра на достаточно большом рабочем удалении от линзы, перед длиннофокусным объективом устанавливают телескопическую систему (рис.4.2). Диаметр светового пятна в этом случае определяется по формуле

d _г = ( Q_d × Ф_г ) / Г, (4.2)

где Г - увеличение телескопической системы. То есть чем больше увели-

чение телескопической системы, тем меньший диаметр сфокусированного пучка можно получить. В качестве примера возможности сконструированного таким образом оптического узла. На установке "Квант-3" получено пятно диаметром 5 мкм при фокусном расстоянии 70 мм. Без применения телескопа это расстояние равнялось бы 5 мм.

4.2.2. СКАНИРУЮЩИЕ ОС

 При обработке по контуру (шовная сварка, резка) или по координатам возникает необходимость относительного перемещения луча и детали. Проще всего это сделать, перемещая деталь относительно луча. Однако в современных установках с большими скоростями обработки более рациональным становится перемещение луча, что облегчает управление и повышает точность обработки. На рис.4.3 показаны две схемы сканирующей оптической системы. Для движения луча по произвольному контуру применяют системы подвижных зеркал, перемещающихся по соответствующим координатам. Круговую траекторию луча можно получить за счет вращения вокруг оси луча оптической системы, состоящей из зеркала и объектива. Если радиус необходимой окружности не превышает поля зрения объектива, то можно круговую траекторию получить путем смещения объектива и его вращения относительно луча. То же самое будет достигнуто, если луч отклонить от оптической оси объектива с помощью вращающегося клина. Используя два вращающихся или перемещающихся по оси клина, можно в принципе получить систему.

4.2.3. ПРОЕКЦИОННЫЕ ОС

 В производстве изделий микроэлектроники иногда возникает необходимость получения рисунков на тонких пленках, нанесенных на диэлектрические подложки. Наряду с традиционными (напыление пленок через маски, фотолитография) существует возможность использования лазеров, резко поднимающих производительность. Для этого разработаны несколько вариантов оптической системы, позволяющей спроецировать изображение маски в зону обработки с масштабом уменьшения намного больше единицы. В такой системе, если диаметр входного зрачка объектива 5 меньше размеров маски 3, то для исключения виньетирования применяют коллективную линзу. Не оказывая влияния на масштаб изображения эта линза направляет пучки лучей от каждой точки маски в объектив. Для расширения излучения до размеров маски используются телескопические системы 2. В такой системе обработка всей площади маски (фотошаблона) осуществляется за один импульс. Однако при этом резко возрастают требования к самому лазеру: от него требуется большая мощность и равномерность светового пучка. Для снятия этих требований очень часто пользуется сканирование луча по всем элементам маски.

 Преимуществом такой системы также является то, что обрабатываемая подложка, проекционная система и маска неподвижны, что упрощает управление системой, увеличивает точность обработки. Вместо сканирующей призмы 2 могут быть использованы две призмы или подвижные зеркала.

4.2.4. РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫЕ ОС

В лазерной технологии очень часто возникает необходимость распределения одного излучения на несколько рабочих позиций. Чаще всего это делается для повышения производительности установок. Рис.4.6 иллюстрирует несколько возможных вариантов такого распределения. В показанном на рис.4.6,а варианте расщепление осуществляется с помощью светоделительных зеркал 4. В этой схеме количество рабочих ветвей определяется энергией излучателя и потерями на зеркалах, причем сохраняется форма поперечного сечения луча. Схема обеспечивает разделение с помощью призмы 9, которая в принципе может иметь несколько отражающих поверхностей. Схема предусматривает двухсторонний вывод излучения прямо из резонатора с помощью светоделительной призмы-куба 8.

При необходимости расщепить излучение на две позиции очень часто используется решение, продемонстрированное на рис.4.7. Здесь в оптический канал вводится бипризма 2, расщепляющая излучение на два луча под небольшим углом друг к другу. Оба луча фокусируются объективом 5 в виде двух световых пятен. Расстояние между ними рассчитывается по формуле

L = Ф_г × tg Y, (4.3)

где Y = 2 j (n - 1); j - преломляющий угол бипризмы; n - коэффициент преломления стекла бипризмы. Как правило, при использовании в лазерных установках подобных ОС расстояние между световыми пятнами не превышает 1 мм.

Если в такой системе вместо бипризмы установить аксикон с такими же преломляющими углами, то излучение в фокальной плоскости будет фокусироваться в кольцо. Это может быть использовано при сварке в торец деталей, сопрягающихся по цилиндрической поверхности.

 Таким образом, в предыдущих разделах были кратко рассмотрены физические процессы, развивающиеся в веществе при действии лазерного излучения, рассмотрены основные, конструктивные разработки, положенные в основу при создании лазерных технологических установок. Далее рассмотрим небольшой перечень технологических операций при механической и тепловой обработке материалов с использованием лазеров.