Промышленное применение лазеров

метки, зенковки входной части, снятия заусенцев, существенно по­ вышается производительность обработки.

К деталям, для изготовления которых целесообразно примене­ ние лазерной технологии, относится также большая номенклатура специальных видов крепежа с отверстиями под шплинт или контро­ вочную проволоку. Эти отверстия в большинстве случаев имеют диахметр более 1 мм при толщине заготовки в зоне обработки 2+3 мм. Механическое сверление таких отверстий затруднено из-за их распо­ ложения на криволинейных или находящихся под углом к оси сверла плоскостях.

Отклонения диаметральных размеров обработанных с помощью лазерной установки отверстий обычно лежат в пределах 10+12 % но­ минала, что соответствует 6+7 квалитету.

Для повышения точности и качества прошиваемых отверстий могут быть использованы различные технологические приемы: ульт­ развуковая модуляция излучения; подача в зону обработки синхрон­ но с излучением струи воздуха или газа; выполнение обработки в жидкой среде; использование дополнительных доводочных опера­ ций, например калибровки пуансоном, наложение на обрабатывае­ мую поверхность экрана с целью устранения конусной (кратерной) части отверстия.

Для интенсификации лазерного прошивания отверстий можно использовать предварительный нагрев металлической заготовки, на­ ложение ультразвуковых колебаний на заготовку, подвод энергии электрического разряда в зону лазерного воздействия (электролазерная обработка). Эти приемы дают возможность увеличить диаметр отверстий и улучшить качество получаемой поверхности.

Лазеры нетрудно приспособить для обработки неметаллических материалов. Обычно с помощью лазера с фиксированными парамет­ рами можно испарить значительно большее количество неметалли­ ческого материала, чем металла, что, по крайней мере частично, обу­ словлено различием значений удельной теплопроводности. Особенно легко испаряются органические материалы. В данном случае выгод­ нее использовать С02-лазеры. поскольку многие неметаллические

материалы имеют очень сильное поглощение на длине волны 10,6 мкм. Для эффективной пробивки отверстий во многих неметал­ лических материалах можно использовать С 02-лазер, работающий в режиме повторяющихся импульсов со средним уровнем мощности ~100 Вт. Для этих же целей используются также рубиновые лазеры и лазеры на АИГ с неодимом, работающие в непрерывном режиме или режиме повторяющихся импульсов.

С помощью рубинового лазера можно пробивать узкие глубо­ кие отверстия в относительно толстых образцах хрупких материалов (например, в керамике или кремнии). Так, в глиноземе были сделаны отверстия с аспектным отношением (отношением глубины отверстия к его диаметру), превышающим 25. Такое аспектное отношение вы­ ше досгижихмых отношений при изготовлении отверстий малого диаметра в керамике обычными методахми. Рубиновым лазером, ра­ ботающим в режиме повторяющихся импульсов, можно пробить ке­ рамику толщиной 3,2 мм.

Из-за высокой хрупкости керамики сверление обычными спо­ собами, как правило, выполняется на «сыром» ^материале, до того как он подвергнется обжигу. При обжиге размеры изделия могут изме­ ниться. Лазерная пробивка отверстий выполняется уже после обжи­ га, и поэтому эти проблемы не возникают. Использование лазера для пробивки отверстий в твердой, обожженной при высокой температу­ ре глиноземной керамике может оказаться перспективным, посколь­ ку обычные методы сверления керамики очень сложны и требуют, как правило, применения сверлильных головок из закаленной стали с алмазными наконечниками. Чрезвычайно трудно на основе сущест­ вующей технологии получить небольшие отверстия диаметром менее 0,25 мм. В тохм случае, когда толщина керамики превышает диаметр получаемого отверстия, часты поломки сверла. С помощью лазера хможно пробивать в указанном хрупком материале небольшие отвер­ стия без риска растрескивания образца.

В пластине из хрупкого материала лазером можно пробить от­ верстия, расположенные вблизи друг от друга или от края пластины. Лазеры можно использовать для пробивки отверстий, предназначен­

ных для присоединения вводов к подложкам интегральных схем. Сверление подобных материалов обычными методами сопряжено с большими трудностями. Применение лазеров позволяет полностью исключить проблемы износа и поломки сверлильных головок.

Внескольких областях применение лазеров для пробивки от­ верстий достигло промышленных масштабов. Одна из них - пробив­ ка отверстий в драгоценных камнях. Лазеры обычно используются для пробивки отверстий в алмазах, предназначенных для применения

вкачестве фильер для вытягивания проволоки. Применение лазеров

вэтой области сулит большие выгоды, поскольку из-за высокой твердости алмаза применение прежних методов оказывается слиш­ ком трудоемким и дорогостоящим. Исходные отверстия для фильер пробиваются одним или несколькими импульсами рубинового лазе­ ра. Для того чтобы сгладить стенки полученных отверстий, необхо­ дима дополнительная чистовая обработка, но пробитые лазером ис­ ходные отверстия очень удобны для окончательной доводки. Данный пример относится к области применения, в которой лазеры имеют существенные преимущества по сравнению с другими методами. Пробивка отверстий в рубиновых камнях для часов стала обычной процедурой.

Возможность пробивки отверстий в керамике с помощью лазе­ ра находит применение в электронной промышленности. Для про­ бивки отверстий в глиноземной подложке плат электронных схем обычно используются импульсные С02-лазеры.

Внастоящее время все более широкое распространение полу­ чают автоматизированные лазерные системы для пробивки: сложной совокупности отверстий в материалах толщиной ~0,6 мм. В состав такой системы входят крепежное устройство для керамики, ступен­ чатый двигатель для перемещения крепежного устройства в необхо­ димое для пробивки отверстия положение и устройство цифрового контроля (которое, по существу, является небольшой ЭВМ), осуще­ ствляющее включение и выключение лазера и двигателя, в результа­ те чего обеспечивается пробивка отверстий в строго определенных местах. Оператору остается лишь установить керамическую пла­

стинку и включить систему. Остальной процесс выполняется автома­ тически, и в керамике пробиваются нужные отверстия. На рис. 4.7 показаны отверстия, пробитые при помощи лазера.

На практике пробивка отверстий с помощью лазера имеет ряд недостатков. Один из них заключается в ограниченной глубине про­ никновения лазерного пучка, которая определяется ограниченным количеством энергии в лазерном импульсе. Этот недостаток можно было бы устранить, если использовать непрерывной СОг-лазер и на­ правлять его пучок на одно и то же место в течение длительного времени. Однако при этом тепловая энергия распространяется на значительно большую площадь и теряются все преимущества ис­ пользования лазера. Второй недостаток состоит в том, что удаляе­ мый материал вновь конденсируется вокруг входа в отверстие, в ре­ зультате чего входной край отверстия приобретает форму кратера. Причина этого явления состоит в том, что выходящий из отверстия испаряющийся материал легко конденсируется на первой же холод­ ной поверхности, которая встречается на его пути. Образовавшиеся вокруг отверстия закраины нетрудно удалить, но это означает добав­ ление еще одного этапа к процессу пробивки отверстия. Третий не­ достаток связан с общей неровностью стенок отверстия, которая обычно нежелательна. Для твердых хрупких материалов типа алмаза можно вводить этап окончательной обработки отверстия, пробитого с помощью лазера.

Из-за этих недостатков лазерная пробивка отверстий в металлах не получила столь широкого распространения, как пробивка отвер­ стий в керамике и аналогичных ей материалах. Связано это также с тем, что обычные методы сверления отверстий в металлах часто дают вполне удовлетворительные результаты. Но в применении к твердым хрупким материалам типа керамики, которые легко раска­ лываются и быстро изнашивают сверлильные головки, обычные ме­ тоды сверления, как правило, не дают хороших результатов. Приме­ нение лазеров для пробивки отверстий в таких материалах часто дает целый ряд преимуществ.

ми разделения, так как при реализации этих процессов нет необхо­ димости весь объем реза в материале приводить в расплавленное или испаренное состояние и таким образом тратить значительное количе­ ство энергии на обработку. Вместо этого, создавая с помощью лазер­ ного излучения особое напряженно-деформированное состояние, можно для разделения этих материалов использовать их основное свойство - хрупкость.

При традиционном скрайбировании (от английского to scribe - царапать) на поверхность хрупкого твёрдого материала наносится алмазным или твердосплавным инструментом направляющая цара­ пина («подрез»), по которой при приложении незначительного уси­ лия осуществляется разделение материала. Однако этот процесс до­ вольно трудоемок и обычно сопряжен с появлением высокого про­ цента брака.

Лазерное скрайбирование представляет собой широко распро­ страненный метод резки и фасонной обработки образцов, в ходе ко­ торого испарением охватывается лишь часть поверхности вдоль гра­ ницы раздела. Этот метод применим для обработки хрупких мате­ риалов типа керамики, кремния или стекла. Скрайбирование осуществляется путем нанесения на поверхности сплошной канавки или пробивки последовательности близко расположенных отверстий импульсным или непрерывным излучением с высокой скоростью (до 15 м/мин). После этого материал легко надламывается вдоль ли­ нии скрайбирования.

По сравнению с алмазным скрайбированием возможно увели­ чение в 2-КЗ раза глубины подреза. Благодаря бесконтактности мето­ да обработки достигаются высокие точность разделения материала и качество поверхноста. Оптимальная глубина подреза обычно должна составлять 25^-35 % толщины материала.

В ряде случаев для разделения материала не требуется получе­ ния сплошного подреза, достаточно выполнить лишь серию несквоз­ ных отверстий вдоль линии раздела заготовки.

Операции лазерного скрайбирования используют в микроэлек­ тронной промышленности для разделения пластин из кремния, арсе­

нида галлия или специальной керамики (например, электрокорундовой или бериллиевой).

Раскалывание материала происходит за счет механических напря­ жений, возникающих в структуре при различных воздействиях извне.

При термораскалывании материала с помощью лазерного из­ лучения при поглощении энергии лазерного излучения происходит быстрый нагрев поверхности хрупкого материала, в результате кото­ рого возникают механические напряжения, приводящие к локально­ му расколу материала.

Величину этих напряжений можно определить из выражения

рЕТ <з = — ------,

2(1 -Ц )

где Р - линейный коэффициент термического расширения; Еупр - мо­ дуль упругости; Т - температура в зоне воздействия луча; р - коэф­ фициент Пуассона.

При перемещении материала относительно лазерного пучка тре­ щина распространяется вдоль пути, проходимого пучком. Разделение материала на куски происходит без разрушения его поверхности и без потерь самого материала, исключая дополнительные усилия.

Обычно значения развиваемых термоупругих напряжений

в4+6 раз превышают предел прочности хрупкого материала.

Вряде случаев возникающие в зоне лазерного воздействия гра­ диенты температур и напряжений настолько велики, что приходится их снижать путем предварительного нагрева заготовки газовыми го­

релками до Т= 150-^400° С.

Лазерное термораскалывание эффективно на операциях разде­ ления различных стеклянных изделий - труб, баллонов электроваку­ умных приборов, а также кристаллов естественных алмазов и т.п.

По сравнению со скрайбировнием метод раскола обладает сле­ дующим недостатком: трещина может распространяться за пределы намеченной линии раздела (что часто наблюдается при попытке по­ лучить угол с резкими очертаниями). Поэтому для контролируемого

разделения хрупких материалов обычно используется метод скрайбирования, а метод раскола применяется в тех случаях, когда необ­ ходимо избежать потерь материала в процессе разделения.

4.2.4. Поверхностная лазерная обработка

Лазерная поверхностная обработка вызывает улучшение мно­ гих эксплуатационных характеристик облученных материалов.

На режимах, не вызывающих разрушения материала, реализу­ ются различные процессы лазерной поверхностной обработки. В ос­ нове этих процессов лежат необычные структурные и фазовые изме­ нения в материале, возникающие вследствие сверхвысоких скоро­ стей его нагрева и последующего охлаждения в условиях лазерного облучения. Важную роль при этом играют возможность насыщения поверхностного слоя элементами окружающей среды, рост плотно­ сти дислокаций в зоне облучения и другие эффекты.

В зависимости от степени развития указанных явлений в мате­ риале различают несколько видов поверхностной лазерной обработ­ ки (табл. 4.5), возможность реализации которых определяется в ос­ новном уровнем плотности мощности излучения.

Таблица 4.5

Виды поверхностной лазерной обработки

Упрочнение без фазового перехода предполагает структурные изменения в материале при уровне плотности мощности излучения, не приводящем к расплавлению облученной зоны. При этом виде обработки сохраняется исходная шероховатость обрабатывающей поверхности. Быстрый локальный нагрев поверхности и последую­ щее охлаждение за счет теплоотвода в массив материала приводят к образованию в поверхностном слое стали специфической высоко­ дисперсной, слаботравящейся, дезориентированной в пространстве структуры, имеющей микротвердость, в 2+4 раза превышающую микротвердость основы (матрицы).

При малых плотностях мощности, скоростях нагрева й охлаж­ дения, не превышающих критических значений, может быть реали­ зован режим отжига (отпуска) ранее закаленных материалов. Необ­ ходимость такой операции возникает, например, при изготовлении листовых пружин, отбортовке краев обоймы подшипника и т.п.

Упрочнение с фазовым переходом предполагает плавление ма­ териала в облученной зоне. Этот вид упрочнения требует более вы­ сокой плотности мощности излучения, что позволяет добиться зна­ чительных глубин упрочненного слоя. Поверхность этого слоя имеет характерное для закалки из жидкого состояния дендритное строение. Затем идет ЗТВ, а между ней и материалом основы расположена пе­ реходная зона. При данном виде поверхностной обработки, естест­ венно, нарушается исходная шероховатость, что требует введения в технологический процесс изготовления изделия дополнительной финишной операции (шлифования).

При реализации рассмотренных видов обработки не требуется специальной среды, процесс проводится на воздухе. При этом возможна частичная диффузия составляющих воздуха в облученную зону.

Важную роль при этом также играет вид поглощающего покры­ тия, наносимого на поверхность для повышения эффективности об­ работки.

Разработано и используется большое многообразие поглощаю­ щих покрытий: фосфатные, хромовые, коллоидные растворы, графит, различные краски, оксиды металлов, силикаты и пр. Если для срав­