Специалисты разработали немало способов обработки бриллиантов для улучшения качеств этих камней. Самым проверенным способом повышения качества бриллиантов считается лазерное сверление.
Такой вид обработки алмазов впервые применили в коммерческой практике в 70-х годах прошлого века. Темные включения такие, как магнетиты, пирротины и углеродные включения не улучшают оптические характеристики камня и тем более не привлекают покупателей. В процессе лазерного сверления эти включения выжигают , растворяют с помощью азотной или серной кислот или же осветляют.
Лазерный луч специального аппарата, квантового генератора ИК-диапазона с длиной волн около 1060 нм, высверливает микроотверстие диаметром не более 20-60 мкм. 20 мкм равно 0,02 мм, такова толщина человеческого волоса. Сверление алмаза проводится на глубину не более 1,6 мм. Этот процесс занимает в среднем от 30 минут и более.
Существует способ осветления темных включений. Через отверстие, высверленное лазерным лучом, поступает воздух, под воздействием которого окраска включения может стать значительно светлее. Еще один способ осветления заключается в том, что в канал лазерного отверстия в вакуумной среде вводят реактив, который осветляет или полностью растворяет включение. Конечный результат зависит от химического состава данного включения.
При десятикратном увеличении под микроскопом или под лупой рассмотреть каналы лазерных отверстий нетрудно, даже если их запломбировали. Они имеют вид воронкообразных выемок на поверхности и прямых линий беловатого цвета внутри. Для заполнения каналов с недавнего времени используются такие вещества, как синтетическая смола или воск из-за высокого коэффициента преломления. После заполнения канала соответствующим веществом канал пломбируют. Хотя запломбированные отверстия менее заметны на поверхности и в меньшей степени подвержены загрязнению, в отраженном свете можно увидеть «кратер» в месте сверления. Выемки круглой формы на поверхности можно нащупать и острием иглы. Следует учитывать, что если в процессе сверления отверстия лазерный луч попал в зону сильного внутреннего напряжения, то вокруг канала образуются легко различимые трещинки напряжения и спайности.
При оценке подобных камней возникают трудности. Конечно, визуальные геммологические характеристики заметно улучшаются, но сверление создает искусственные дефекты в виде мелких трещинок.
Бриллианты относят к определенной группе чистоты с учетом их внешнего вида и наличия просверленных отверстий. Следует отметить, что целью лазерного сверления является не повышение степени чистоты бриллианта, а осветление темных включений. Это приводит к улучшению внешнего вида камня и больше привлекает покупателей.
В соответствующих сертификатах качества, накладных и других документах в обязательном порядке должна содержаться информация о результатах вмешательства со стороны человека и наличии отверстий лазерного сверления.
Недавно был разработан новый метод лазерной обработки алмазов, при котором канал не выводится на поверхность. Этот вид обработки подходит для алмазов с темными включениями, расположенными недалеко от поверхности. Но применение этого метода все же не гарантирует отсутствия новых трещин спайности и напряжения, «перьев» и микротрещин вокруг включений. Дефекты подобного рода, существовавшие до обработки, после применения данного метода могут усилиться. С другой стороны, новые трещинки, достигая поверхности, могут сыграть роль каналов. При введении кислот в эти каналы включения осветляются. Данный метод подходит не для всех камней, но бриллианты с темными включениями , находящимися около поверхности, с мелкими трещинками - идеальный материал для этого способа облагораживания.
Суть данного метода лазерной обработки заключается в том, что лазеры в пульсирующем режиме фокусируют точно на место включения. В результате процесса выделяется значительное количество тепла, которое способствует распространению трещинок до поверхности камня. Таким образом, отпадает необходимость сверлить канал с образованием воронки на поверхности. Растворитель, легко проникающий по новым трещинкам к включению, либо осветляет его, либо растворяет. Но и этот способ может привести к образованию ямок и каверн на поверхности камня с тем отличием, что их форма будет не такой идеально круглой, а размеры будут незначительно меньше.
Еще один метод лазерной обработки разработали израильские специалисты в начале 2000-х годов. Его назвали КМ(сокращение от слов«КидуахМеухад» ), что в переводе с иврита означает «специальное сверление». Способ, ставший популярным в Антверпене, применяется для осветления темных включений с микротрещинами с помощью кислоты при соблюдении особых условий. На ближайший к поверхности дефект направляют лазерный луч, в результате чего дефект распространяется до поверхности.
После лазерноговоздействия алмаз опускают в концентрированную кислоту и нагревают до высокой температуры под давлением. Благодаря созданным условиям, кислота проникает внутрь до включения и растворяет его.
Алмазы после обработки методом КМ можно идентифицировать по наличию голубовато-коричневатых оттенков в отраженном свете в местах искусственно созданных трещин , особенно при перекатывании камня. Чего нельзя сказать об алмазах, которые обрабатываются по традиционной технологии лазерного сверления с образованием заметных отверстий на поверхности. Более того, в алмазах, обработанных методом КМ, иногда можно заметить незначительные остатки веществачерноватого цвета в виде неправильных линий на поверхности трещин напряжения, которые образовались в процессе лазерного воздействия.
Выполняются заказы по лазерной резке широкого круга материалов, конфигураций и размеров.
Сфокусированное лазерное излучение позволяет резать практически любые металлы и сплавы, независимо от их теплофизических свойств. При лазерной резке отсутствует механическое воздействие на обрабатываемый материал и возникают незначительные деформации. Вследствие этого можно осуществлять лазерную резку с высокой точностью, в том числе и легкодеформируемых и нежестких деталей. Благодаря большой мощности лазерного излучения обеспечивается высокая производительность процесса реза. При этом достигается такое высокое качество реза, что в полученных отверстиях можно нарезать резьбу.
Широко применяется в заготовительном производстве. Основное преимущество лазерной резки - она позволяет переходить с одного типа деталей любой геометрической сложности на другой тип практически без затрат времени. По сравнению с традиционными методами резки и механообработки скорость различается в несколько раз. Из-за отсутствия теплового и силового воздействия на изготавливаемую деталь, она не претерпевает деформаций в процессе изготовления. Качество изготавливаемой продукции позволяет совершать сварку встык без смещений кромок среза и предварительной обработки соединяемых сторон.
Твердотельные лазеры неметаллические материалы режут значительно хуже газовых, однако имеют преимущество при резке металлов - по той причине, что волна длиной 1 мкм отражается хуже, чем волна длиной 10 мкм. Медь и алюминий для волны длиной 10 мкм - почти идеально отражающая среда. Но, с другой стороны, сделать CО2-лазер проще и дешевле, чем твердотельный.
Точность лазерной резки достигает 0,1 мм при повторяемости +0,05 мм, причем качество реза стабильно высокое, поскольку зависит только от постоянства скорости перемещения лазерного луча, параметры которого остаются неизменными.
Краткая характеристика реза: окалина обычно отсутствует, небольшая конусность (завист от толщина), получаемые отверстия круглые и чистые, возможно получение совсем небольших деталей, ширина реза 0,2-0,375 мм, прижоги незаметны, тепловое воздействие очень мало, имеется возможность резки неметаллических материалов.
Прошивка отверстий
Немаловажным фактором для лазерной резки является прошивка первоначального отверстия для ее начала. У некоторых лазерных установок имеется возможность с помощью процесса так называемой летающей прошивки в холоднокатаной стали толщиной 2 мм получать до 4 отверстий в секунду. Получение одного отверстия в более толстых (до 19,1 мм) листах из горячекатаной стали при лазерной резке осуществляют с помощью силовой прошивки примерно за 2 с. Применение обоих этих методов позволяет увеличить производительность лазерной резки до уровня, достигаемого на вырубных прессах с ЧПУ.
Пробивка отверстий
С помощью этого метода можно получать отверстия диаметром 0,2-1,2 мм при толщине материала до 3 мм. При соотношении высоты отверстий к их диаметру 16:1 лазерная пробивка превосходит по экономичности почти все другие методы. Объектами применения этой технологии являются: сита, ушки игл, форсунки, фильтры, ювелирные изделия (подвески, четки, камни). В промышленности с помощью лазеров осуществляется пробивка отверстий в часовых камнях и в волочильных фильерах, причем производительность достигает 700 тыс. отверстий в смену.
Скрайбирование
Часто используемым является режим несквозной резки, так называемое скрайбирование. Оно широко используется в промышленности, в частности, в микроэлектронике, для разделения кремниевых шайб на отдельные элементы (фрагменты) по заданному контуру. В этом процессе также оказывается существенным взаимная ориентация проекции вектора электрического поля падающего излучения и направления сканирования для обеспечения высокой эффективности и качества процесса.
Скрайбирование широко используется в промышленности (микроэлектроника, часовая промышленность и др.) для разделения тонких пластин поликора и сапфира, реже для разделения кремниевых шайб. При этом для осуществления дальнейшего механического разделения достаточно скрайбирования на глубину около трети от полной толщины разделяемой пластины.
Процессы микрообработки
Высокая степень автоматизации в последние годы позволила вновь на новой стадии использовать на практике такие процессы, как подгонка номиналов резисторов и пьезоэлементов, отжиг имплантированных покрытий на поверхности полупроводников, напыление тонких пленок, зонная очистка и выращивание кристаллов. Возможности многих процессов к настоящему моменту еще не до конца раскрыты.
|
Технические характеристики: |
|
|
Максимальный размер заготовки, мм |
600 х 650 (другие по согласованию) |
|
Длина волны UV-лазера, нм |
|
|
Частота импульсов, кГц |
|
|
Мощность UV-лазера(Вт) при 60 кГц, не менее |
|
|
Точность позиционирования по осям Х, Y, мкм |
|
|
Мин. диаметр отверстия, мкм |
от 50 (зависит от настроек станка) |
|
Макс. отношение диаметр/глубина отверстия |
|
|
Поле обработки (без движения осей станка), мм |
Макс.: 40х40 |
|
Макс. компенсация изменения высоты поверхности заготовки, мм |
|
|
Габариты и вес: |
|
|
Размеры установки (Ш-Г-В) |
1320 х 1286 х 2286 мм |
|
Вес установки |
|
Станок предназначен для применения в производстве высокоточных печатных плат (ПП), гибко-жёстких ПП, гибких ПП и гибких кабелей, ПП со встроенными компонентами.
Основной отличительной особенностью станка является использование в качестве излучателя УФ лазера с длинной волны 355 нм. Применение УФ лазера с длиной импульса ~ 35 нс позволяет производить обработку различных видов материалов, обеспечивая при этом высочайшее качество обработки (минимизация нагара, гибкое управление процессом, остановка точно на заданном слое меди при выполнении глухих отверстий). Кроме того, в отличие от технологии использующей ИК лазер, применение станка LaserFlex позволяет избавиться от подготовительных операций, необходимых для обработки меди на ИК лазере (например, оксидирование) и постобработки (удаление нагара).
Таким образом, универсальный станок LaserFlex является оптимальным средством для решения таких задач, как:
- Удаление полимерных покрывных пленок
- Сверление и резка фольгированных медью полимерных ламинатов
- Обработка гибких и гибко-жестких ПП
- Сверление и резка внутренних слоев и препрегов, например, FR4
- Отделение или «высвобождение» проводников и структурирование полостей
- Сверление микроотверстий в т.ч. глухих
Скорость, точность и качество обработки обеспечивают следующие узлы:
- Стабильное гранитное основание, предназначенное для компенсации механических моментов при движении осей и для температурной стабилизации параметров движения
- Высокодинамичные линейные двигатели (оси X, Y)
- Встроенный индикатор мощности излучения лазера, позволяющий быстро и точно корректировать параметры источника излучения, опираясь на фактическое значение выходной мощности лазера. Позволяет максимально точно подобрать режим обработки и поддерживать его в любых условиях: при нормальной эксплуатации, в случае загрязнения оптической системы, между регламентными работами и даже в случае потери мощности источником излучения вследствие износа в ходе длительной эксплуатации.
Удобство в использовании и безопасность:
Управляемый при помощи сенсорного дисплея с дружелюбным интерфейсом специализированного программного обеспечения станок LaserFlex будет совмещать в себе простоту и удобство в использовании с
поистине впечатляющей производительностью. Простая и интуитивно-понятная управляющая оболочка избавляет от необходимости проводить длительное обучение операторов.
Станок оснащен всеми необходимыми средствами защиты, удовлетворяющими мировым стандартам. Это обеспечивает, при соблюдении техники безопасности, безопасную и безаварийную работу на станке.
Фиксация и базирование заготовки:
Для фиксации заготовки станок оснащен вакуумным столом, что позволяет избежать замятия, и волнистости при фиксации гибких и гибко-жестких заготовок.
Положения заготовки на столе определяется по меткам с использованием CCD-камеры.
Форматы данных:
В качестве входных используются данные в форматах: DXF, Gerber, Bitmap.
В качестве дополнительного оборудования могут быть приобретены:
- Компрессор с системой фильтров для обеспечения сжатым воздухом требуемого качества
- Источник бесперебойного питания
Станки серии Pico
|
Технические характеристики |
||
|
Управляющий интрефейс |
||
|
Длина волны лазера, нм |
||
|
Мощность Лазера, Вт |
||
|
Длительность импульса, пс |
||
|
Система крепления заготовок |
Вакуумный стол |
|
|
Зона обработки, мм |
||
|
Количество обрабатывающих станций |
||
|
Повторяемость, мкм |
||
|
Точность позиционирования, мкм |
||
|
Габариты и вес: |
||
|
Общий вес, кг |
||
|
Габаритные размеры (ДШВ), мм |
2100х1920х1720 |
|
Назначение и принцип действия
Лазерный обрабатывающий центр Picodrill – это высокопроизводительная и высокоточная установка для сверления, нарезки и структурирования различных материалов. Применение лазера пикосекундных импульсов высокой энергии делает возможным холодное прецизионное снятие материала. В качестве опции предлагается полностью автоматический режим обработки.
Возможные области применения при производстве ПП
- Сверление микроотверстий в заготовках печатных плат, до 4000 в секунду
- Микроструктурирование, прецизионная обработка деталей из стекла и керамики
- Нарезка и сверление электронных компонентов, полупроводниковых подложек
- Сверление микроотверстий
Качество обработки
Благодаря пикосекундному лазеру возможно холодное
удаление практически любого материала. Средняя мощность лазера 25 Вт и пиковая мощность импульса макс. до 70 МВт в импульсе, обеспечивают возможность удаления мельчайших объемов материала без каких-либо остаточных продуктов горения.
Автоматическое управление процессом
- Установка оснащена сенсорами для компенсации толщины компонентов.
- Автоматическая корректировка фокуса осуществляется за счет автоматической подстройки оси Z.
- Устройства измерения энергии лазера обеспечивают обратную связь и автоматическую подстройку энергии лазера. Точность может быть значительно улучшена при
- использовании системы сканирования по 3 осям.
Контроль при помощи CCD-камеры
Обе рабочие станции располагают CCD-камерами высокого разрешения с кольцевой светодиодной подсветкой. Это делает возможной автоматическую корректировку смещения, поворота, сжатия или растяжения заготовки.
Опции
Тенденции развития современной электроники ставят перед производством печатных плат (ПП) задачи нового уровня. Прогресс мобильных технологий и растущий спрос на такие как устройства смартфоны и ультрабуки на сегодняшний день требуют от ПП максимальной миниатюризации, увеличения плотности соединений и при этом высочайшего качества.
Стремительное развитие лазерной техники и технологии открывает для производства печатных плат дверь в завтрашний день, не оставляя без внимания сегодняшний. Лазерное оборудование применяется не только там, где заканчиваются возможности механической обработки (сверление микроотверстий от 50 мкм, обработка материалов тяжело поддающихся механической обработке, и т.п.), но и для выполнения доступных механике операций, с большей точностью и производительностью (сверление микроотверстий со скоростью до 1000 отв./сек, сверх точное сверление и фрезерование на заданную глубину). При этом возможность регулировать режим обработки, как за счет мощности излучения, так и за счет его временных и частотных характеристик позволяет добиться высочайшего качества обработки.
Сверление отверстий в часовых камнях-с этого начиналась трудовая деятельность лазера. Речь идет о рубиновых камнях, которые используются в часах в качестве подшипников скольжения. При изготовлении таких подшипников требуется высверлить в рубине - материале весьма твердом и в то же время хрупком-отверстия диаметром всего 1-0,05 мм. Многие годы эта ювелирная операция выполнялась обычным механическим способом с использованием сверл, изготовленных из тонкой рояльной проволоки диаметром 40-50 мкм. Такое сверло делало до 30 тысяч оборотов в минуту и одновременно совершало при этом около ста возвратно-поступатель- ных перемещений. Для сверления одного камня требовалось до 10-15 мин.
Начиная с 1964 г. малопроизводительное механическое сверление часовых камней стало повсеместно заменяться лазерным сверлением. Конечно, термин «лазерное сверление» не надо понимать буквально; лазерный луч не сверлит отверстие-он его пробивает, вызывая интенсивное испарение материала. В настоящее время лазерное сверление часовых камней является обычным делом. Для этой цели применяются, в част-
29
ности, лазеры на стекле с неодимом. Отверстие в камне (при толщине заготовки 0,5-1 мм) пробивается серией из нескольких лазерных импульсов, имеющих энергию 0,5-1 Дж. Производительность работы лазерной установки в автоматическом режиме-камень в секунду. Это в тысячу раз выше производительности механического сверления!
Вскоре после своего появления на свет лазер получил следующее задание, с которым справился столь же успешно,-сверление (пробивание) отверстий в алмазных фильерах. Возможно, не все знают, что для получения очень тонкой проволоки из меди, бронзы, вольфрама используется технология протягивания металла сквозь отверстие соответствующего диаметра. Такие отверстия высверливают в материалах, обладающих особо высокой твердостью,-ведь в процессе протягивания проволоки диаметр отверстия должен сохраняться неизменным. Наиболее тверд, как известно, алмаз. Поэтому лучше всего протягивать тонкую проволоку сквозь отверстие в алмазе-сквозь так называемые алмазные фильеры. Лишь с помощью алмазных фильер удается получать сверхтонкую проволоку, имеющую диаметр всего 10 мкм. Но как просверлить тонкое отверстие в таком сверхтвердом материале, как алмаз? Механически это сделать очень трудно-для механического сверления одного отверстия в алмазной фильере требуется до десяти часов. Зато, как оказалось, совсем нетрудно пробить это отверстие серией из нескольких мощных лазерных импульсов. />Сегодня лазерное сверление широко применяется не только для особо твердых материалов, но и для материалов, отличающихся повышенной хрупкостью. Лазерное сверло оказалось не только мощным, но и весьма деликатным «инструментом». В качестве примера расскажем о проблеме сверления отверстий в подложках микросхем, изготавливаемых из глиноземной керамики. Керамика необычайно хрупка. По этой причине механическое сверление отверстий в подложке микросхемы производили, как правило, на «сыром» материале. Обжигали керамику уже после сверления. При этом происходила некоторая деформация изделия, искажалось взаимное расположение высверленных отверстий. Проблема была решена с появлением лазерных сверл. Используя их, можно работать с керамическими подложками, которые уже прошли об-
30
Так выглядит в разрезе отверстие в алмазной фильере. Лазерными импульсами пробивают черновой канал в алмазной заготовке. Затем, обрабатывая канал ультразвуком, шлифуя и полируя, придают ему необходимый профиль. Проволока, получаемая при протягивании через фильеру, имеет диаметр d 
Эти аккуратные отверстия диаметром 0,3 мм пробиты в пластинке из глиноземной керамики толщиной 0,7 мм с помощью С02-лазера
жиг. С помощью лазеров пробивают в керамике очень тонкие отверстия-диаметром всего 10 мкм. Заметим, что механическим сверлением такие отверстия получить нельзя.
То, что сверление - призвание лазера, ни у кого не вызывало сомнений. Здесь у лазера фактически не оказалось достойных конкурентов, особенно когда речь шла о сверлении особо тонких и особо глубоких отверстий, когда отверстия надо сверлить в очень хрупких или очень твердых материалах. Прошло сравнительно немного времени и стало ясно, что лазерный
луч может успешно применяться не только для сверления, но и для многих других операций по обработке материалов. Так что сегодня мы можем говорить о возникновении и развитии новой технологии - лазерной.
Промышленная обработка материалов
стала одной из областей наиболее широкого использования лазеров. До появления лазеров основными тепловыми источниками для технологической обработки являлись газовая горелка, электродуговой разряд, плазменная дуга и электронный поток. С появлением лазеров, излучающих большую энергию, оказалось возможным создавать на обрабатываемой поверхности высокие плотности светового потока. Роль лазеров как световых источников, работающих в непрерывном, импульсном режимах или в режиме гигантских импульсов, состоит в обеспечении на поверхности обрабатываемого материала плотности мощности, достаточной для его нагревания, плавления или испарения, которые лежат в основе лазерной технологии.
В настоящее время лазер успешно выполняет целый ряд технологических операций и, прежде всего таких, как резка, сварка, сверление отверстий, термическая обработка поверхности, скрайбирование, маркировка, гравировка и т. п., а в ряде случаев обеспечивает преимущества по сравнению с другими видами обработки.
Так, сверление отверстий в материале может быть выполнено быстрее, а скрайбирование разнородных материалов является более совершенным. Кроме того, некоторые виды операций, которые раньше выполнить было невозможно из-за трудной доступности, выполняются с большим успехом. Например, сварка материалов и сверление отверстий могут выполняться через стекло в вакууме или атмосфере различных газов.
Слово «лазер» составлено из начальных букв в английском словосочетании Light Amplification by Stimulated Emi ion of Radiation, что в переводе на русский язык означает: усиление света посредством вынужденного испускания. Классически так сложилось, что при описании лазерных технологий обработки материалов основное внимание уделяется только непосредственно лазерам, принципам их работы и техническим параметрам. Однако, для того чтобы реализовать любой процесс лазерной размерной обработки материалов, кроме лазера необходимы ещё система фокусировки луча, устройство управления движением луча по поверхности обрабатываемого изделия или устройство перемещения изделия относительно луча, система поддува газов, оптические системы наведения и позиционирования, программное обеспечение управления процессами лазерной резки, гравировки и т.д. В большинстве случаев выбор параметров устройств и систем, обслуживающих непосредственно лазер является не менее важным, чем параметры самого лазера. Например, для маркировки подшипников диаметром менее 10 мм, или прецизионной точечной лазерной сварки время, затрачиваемое на позиционирование изделия и фокусировку, превышает время гравировки или сварки на один-два порядка (время нанесения маркировочной надписи на подшипник приблизительно 0,5 с). Поэтому без использования автоматических систем позиционирования и фокусировки использование лазерных комплексов во многих случаях становятся экономически нецелесообразными. Аналогия лазерных систем с автомобилями показывает, что лазер выполняет функции двигателя. Каким бы хорошим двигатель не был, но без колёс и всего остального автомобиль не поедет.
Ещё одним немаловажным фактором в выборе лазерных технологических систем является простота их обслуживания. Как показала практика, операторы имеют невысокую квалификацию обслуживания подобного оборудования. Одной из причин этого является то, что лазерные комплексы устанавливают в большинстве случаев на замену устаревшим технологическим процессам (ударная и химическая маркировки изделий, механическая гравировка, ручная сварка, ручная разметка и т.п.). Руководители предприятий, которые проводят модернизацию своего производства, как правило, из этических соображений, заменяя старое оборудование новым, оставляют старый (в прямом и переносном смыслах) обслуживающий персонал. Поэтому, для внедрения лазерных технологических систем в производство при данных начальных условиях его развития (в постсоветских республиках) необходимо предусматривать максимально возможный уровень автоматизации и простоты обучения. Не следует отбрасывать и тот факт, что зарплата неквалифицированного персонала ниже, чем подготовленного специалиста. Поэтому экономически выгодней покупать сложное оборудование с возможностью простоты в его обслуживании, чем приглашать высококвалифицированный персонал.
Таким образом, задачу использования лазерных технологий в современном производстве следует рассматривать не только с точки зрения технических параметров непосредственно лазера, но и с учётом характеристик оборудования, программного обеспечения которые позволяют использовать специфические свойства лазера для решения отдельно взятой технологической задачи.
Любая лазерная система, предназначенная для размерной обработки материалов,
характеризуется следующими параметрами:
— скоростью обработки (реза, гравировки и т.п.);
— разрешающей способностью;
— точностью обработки;
— размером рабочего поля;
— диапазоном материалов обработки (чёрные металлы, цветные металлы, дерево, пластмасса и т.д.);
— диапазоном размеров и массы изделий, предназначенных для обработки;
— конфигурацией изделий (например, гравировка на плоской, цилиндрической, волнообразной поверхностях);
— необходимым временем изменения выполняемых задач (смена рисунка гравировки, конфигурации — линии реза, изменение материала обработки и т.п.);
— временем установки и позиционирования изделия;
— параметрами условий окружающей среды (диапазон температур, влажность, запылённость) в ——которых может эксплуатироваться система;
— требованиями к квалификации обслуживающего персонала.
Исходя из этих параметров, выбирается тип лазера, устройство развертки луча, разрабатывается конструкция крепежа изделия, уровень автоматизации системы в целом, решается вопрос о необходимости написания специализированных программ для подготовки файлов рисунков, линий реза и т.д.
Основными техническими характеристиками, определяющей характер обработки, играют энергетические параметры лазера — энергия, мощность, плотность энергии, длительность импульса, пространственная и временная структура излучения, пространственное распределение плотности мощности излучения в пятне фокусировки, условия фокусировки, физические свойства материала (отражательная способность, теплофизические свойства, температура плавления и т. д.).
Рассмотрим основные типы лазеров и характеристики их излучения. В качестве активных сред лазеров используются твердые тела, жидкости и газы. В лазерах на твердых телах активными средами являются кристаллические или аморфные вещества с примесями некоторых элементов. Известно большое количество твердых веществ, пригодных для использования в лазерах, однако в практике обработки материалов широко используются только некоторые: Аl2O3 с примесью окиси хрома (рубин); стекло, иттрийалюминиевый гранат Y3Al5O12 и вольфрамат кальция CaWO4, активированные неодимом. Указанные активные среды позволяют, по сравнению с другими материалами, создавать лазеры с большой выходной энергией и высоким к.п.д. По принципу действия к твердотельным лазерам близки жидкостные лазеры, у которых в качестве активной среды используются жидкие диэлектрики с растворенными примесями.
Энергия импульса излучения твердотельных и жидкостных лазеров (в режиме свободной генерации) изменяется от десятых долей Джоуля до 103 Дж и выше, а в режиме модулированной добротности до нескольких десятков и сотен Джоулей. Мощность излучения импульсных лазеров в зависимости от режима работы может изменяться от сотен киловатт (свободная генерация) до Гиговатт (модулированная добротность). При пичковом режиме работы (неупорядоченная генерация) различие между среднеинтегральной за импульс мощностью и мощностью отдельного пичка может достигать двух порядков. Указанная разница несколько меньше для импульса с упорядоченной структурой (регулярный импульс). Среднеинтегральная мощность незначительно отличается от мощности в любой момент времени для квазистационарного импульса излучения. Поэтому квазистационарный режим генерации представляет практический интерес для процессов сварки и обработки материалов как режим, с помощью которого можно осуществить «мягкий» нагрев. Использование этого режима уменьшает вынос материала из зоны воздействия.
Предельное значение к.п.д. лазеров обусловливается преимущественно внутренними потерями в кристалле активной среды и эффективностью использования энергии накачки. Так, для лазеров на рубине величина реального к.п.д. не превышает 1%, а для лазеров на стекле с неодимом — 2%.
Другой разновидностью являются газовые лазеры
, активной средой которых служит газ, смесь нескольких газов или смесь газа с парами металла. К газовым относятся и химические лазеры
, так как для них применяются газообразные активные среды. В химическом лазере возбуждение активной среды обеспечивается быстропротекающими химическими реакциями. В качестве активных частиц в газовых лазерах используются нейтральные атомы, ионы и молекулы газов. Лазеры на нейтральных атомах позволяют генерировать излучение с длиной волны преимущественно в инфракрасной части спектра и некоторые — в красной области видимого спектра.
Ионные газовые лазеры дают излучение в основном видимое и ультрафиолетовое. Молекулярные газовые лазеры генерируют излучение с длиной волны 10-100 мкм (инфракрасный и субмиллиметровый диапазоны). Мощность лазеров на нейтральных атомах, например гелийнеонового в непрерывном режиме, не превышает 50 мВт, ионных (аргоновый) — достигает 500 Вт, а молекулярные являются наиболее мощными. Так, лазеры на углекислом газе дают в непрерывном режиме выходную мощность в несколько десятков киловатт. К.п.д. лазеров на нейтральных атомах и ионах практически не превышает 0,1%, молекулярные имеют значительно больший к.п.д., достигающий 20%.
Наиболее перспективными для использования во многих технологических процессах являются волоконные лазеры
. В настоящее время на рынке представлены одномодовые волоконные лазеры со средней выходной мощностью до 2 кВт, маломодовые до 10 кВт и многомодовые системы с выходной мощностью до 50 кВт. Наибольшие уровни мощности достигнуты в лазерах на YЬ-активированном волокне, генерирующих излучение с длиной волны 1,07 мкм, которое поглощается в металлах лучше, чем излучение с длиной волны 10,6 мкм. Кроме того, в 10 раз меньшая длина волны позволяет получить меньшую расходимость излучения, а значит, лучше его сфокусировать. Этим объясняется тот факт, что даже относительно маломощные 100-ваттные одномодовые лазеры обеспечивают резку стали толщиной 1,5 мм со скоростью до 4 м/мин. Технические характеристики волоконных лазеров позволяют реализовать режим дистанционной сварки, существенно упрощающий встраивание лазерного оборудования в современные роботизированные производственные линии, и резко увеличивает скорость сварки.
Но не только в мощности и расходимости пучков дело. Еще один параметр, который резко выделяет волоконные лазеры
, — высокая энергетическая эффективность. Накачка активированного волокна осуществляется лазерными диодами, к.п.д. которых превышает 60%, благодаря чему полный (или «от розетки») к.п.д. волоконных лазеров составляет 28-30% (во много раз выше, чем у лучших промышленных лазеров на С02, а также твердотельных лазеров с полупроводниковой и ламповой накачкой). Благодаря этому их эксплуатационные расходы на энергопотребление и охлаждение оказываются в 5-8 раз меньше, чем у лазеров на СО2, и примерно в 20-50 раз меньше, чем у твердотельных лазеров с ламповой накачкой. Последний факт, а также отсутствие в волоконных лазерах юстируемых узлов, выполнение их в виде интегральных волоконных устройств, обеспечивают высокую надежность систем в целом. Конструктивно и с точки зрения эксплуатации волоконные лазеры ближе к чисто электронному оборудованию, чем к промышленным лазерам других типов. К этому следует добавить, что они практически не требуют регламентного обслуживания.
Хорошей интегрируемости волоконных лазеров в современное технологическое оборудование способствует и то, что их выходное излучение прекрасно транспортируется без потери мощности и пространственных характеристик по тонким кварцевым волокнам, защищенным от механических воздействий гибкими металлорукавами диаметром 8…15 мм. Длина подобных волоконных кабелей достигает 200 м и при необходимости может быть увеличена.
Ниже рассмотрены специализированные задачи, решаемые лазерными технологическими системами. Акцент смещён на характеристиках лазеров, предназначенных для решения этих задач.
Лазерная резка металлов
Применение лазеров для резки металлов, так же как и неметаллов, обусловлено следующими преимуществами по сравнению с традиционными методами: обширным классом разрезаемых материалов; возможностью получения тонких разрезов благодаря острой фокусировке лазерного луча; малой зоной термического влияния излучения; минимальным механическим воздействием, оказываемым на материал; возможностью быстрого включения и выключения устройства с высокой точностью; химической чистотой процесса резки; возможностью автоматизации процесса и получения высокой производительности метода; возможностью резки по сложному профилю в двух и даже трех измерениях.
Лазерная резка, как и другие виды лазерной обработки, основана на тепловом действии излучения и происходит при движущемся источнике тепла, который может перемещаться в двух взаимно перпендикулярных направлениях с помощью специальной оптической системы, позволяющей сформировать пятно с большой плотностью и подвести его в необходимую точку обрабатываемого образца.
Резка относительно толстых металлических листов производится, как правило, с поддувом активного газа (кислорода) в зону резания. Сущность этого процесса, получившего название газолазерной резки (ГЛР), состоит в том, что излучение лазера фокусируется оптической системой на поверхности обрабатываемого материала и с помощью специального устройства соосно с лучом подаётся кислород. При лазерной резке металлов кислород выполняет следующие функции:
поддерживает горение металла;
удаляет продукты разрушения и очищает зону резания путём выдувания газообразных продуктов и капельной фракции;
интенсивно охлаждает прилегающие к зоне резания участки материала.
Наличие струи кислорода при резке металлов позволяет существенно увеличить глубину, скорость резания и получить качественные кромки. Небольшая доля падающего излучения поглощается поверхностным слоем металла и приводит к его нагреванию. Образующаяся пленка окислов увеличивает долю поглощаемой энергии, и температура металлов возрастает до точки плавления. Жидкий металл и окислы выдуваются струей кислорода из зоны резки, облегчая тем самым окисление расположенных ниже слоев. Это продолжается до тех пор, пока лист металла не будет прорезан на полную глубину. Малое энерговложение и высокая концентрация энергии позволяют получить параллельные кромки при малой ширине реза (0,1—0,5 мм) и незначительной зоне термического влияния.
Скорость резания толстых листов растет с увеличением мощности лазера и зависит от толщины листа и теплопроводности металла. При мощности лазера около 400-600 Вт можно резать черные металлы и титан со скоростью порядка нескольких метров в минуту, в то время как резка металлов с высокой теплопроводностью (медь, алюминий) представляет определенную трудность. В литературе имеется достаточное количество информации о существенном влиянии энергии химической реакции на скорость резки и чистоту кромок, однако сложность процесса не позволяет произвести какие-либо количественные оценки, тем более что неизвестны состав конечных продуктов окисления, доля капельной фракции металла, выдуваемого струей газа, и скрытая теплота фазовых переходов (плавление, испарение). В таблице 1 показаны средние значения скорости реза различных металлов.
Таблица 1.
Газолазерную резку часто сравнивают с микроплазменной, которая позволяет производить разрез более толстых листов металла и с большей скоростью. Однако следует отметить, что ГЛР обеспечивает лучшую локальность и большую плотность подводимой энергии, вследствие чего уменьшается зона термического влияния.
Механическая резка титана вследствие высокой его вязкости является затруднительной, а плазменная дает большую зону термического влияния и газонасыщение кромок. Применение ГЛР приводит к сокращению затрат на обработку на 75%. При ГЛР важным моментом в определении скорости резания является правильно выбранная скорость истечения из сопла газовой струи, которая определяется давлением газа в резаке.
Эффективность процесса ГЛР алюминия сильно зависит от состояния поверхности. Резка листов с гладкой необработанной поверхностью существенно усложняется, в то время как пескоструйная обработка поверхности позволяет осуществлять ГЛР, но качество реза при этом невысокое (он представляет собой регулярную последовательность отверстий). Оксидирование, пассивирование, анодирование и азотирование поверхности гладкого листа не обеспечивали достаточных условий для ГЛР. Имеются трудности при резке и таких материалов, как медь, латунь. Дело в том, что данные металлы имеют высокий коэффициент отражения лазерного излучения, как в холодном, так и в нагретом состоянии и высокую теплопроводность. Образующиеся на них окисные пленки имеют малую толщину и неэффективно поглощают лазерное излучение.
Лазерное сверление отверстий в металлах
Использование лазера в качестве сверлящего инструмента дает преимущества.
Отсутствует механический контакт между сверлящим инструментом и материалом, а также поломка и износ сверл.
Увеличивается точность размещения отверстия, так как оптика, используемая для фокусировки лазерного луча, используется также и для наводки его в необходимую точку. Отверстия могут быть ориентированы в любом направлении.
Достигается большее отношение глубины к диаметру сверления, чем это имеет место при других способах сверления.
При сверлении, так же как и при резании, свойства обрабатываемого материала существенно влияют на параметры лазера, необходимые для выполнения операции. Сверление осуществляют импульсными лазерами, работающими как в режиме свободной генерации с длительностью импульсов порядка 1 мкс, так и в режиме с модулированной добротностью с длительностью в несколько десятков наносекунд. В обоих случаях происходит тепловое воздействие на материал, его плавление и испарение. В глубину отверстие растет в основном за счёт испарения, а по диаметру за счет плавления стенок и вытекания жидкости при создаваемом избыточном давлении паров.
Как правило, глубокие отверстия желаемого диаметра получаются при использовании повторяющихся лазерных импульсов малой энергии. В этом случае образуются отверстия с меньшей конусностью и лучшего качества, нежели отверстия, полученные с более высокой энергией одиночного импульса. Исключение составляют материалы, содержащие элементы, способные создавать высокое давление паров. Так, латунь сваривать очень трудно лазерным импульсным излучением из-за высокого содержания цинка, однако при сверлении латунь имеет некоторые преимущества, так как атомы цинка значительно улучшают механизм испарения.
Поскольку многоимпульсный режим позволяет получать отверстия лучшего качества нужной геометрии и с небольшим отклонением от заданных размеров, то на практике этот режим получил распространение при сверлении отверстий тонких металлов и неметаллических материалов. Однако при сверлении отверстий в толстых материалах предпочтительными являются одиночные импульсы большой энергии. Диафрагмирование лазерного потока позволяет получить фигурные отверстия, однако этот способ чаще используется при обработке тонких пленок и неметаллических материалов. В том случае, когда лазерное сверление производится в тонких листах толщиной меньше 0,5 мм, имеет место некоторая унификация процесса, состоящая в том, что отверстия диаметром от 0,001 до 0,2 мм могут быть изготовлены во всех металлах при относительно низких мощностях.
Высверливание отверстий в металлах может быть использовано в ряде случаев. Так, с помощью импульсных лазеров может быть произведена динамическая балансировка деталей, вращающихся с высокой скоростью. Дисбаланс выбирается путем локального выплавления определенного объема материала. Лазер может быть использован также для подгонки электронных элементов либо локальным испарением материала, либо за счет общего разогрева. Высокая плотность мощности, малый размер пятна и малая длительность импульса делают лазер идеальным инструментом для этих целей.
Лазеры, применяемые для сверления отверстий в металле, должны обеспечить в фокусированном луче плотность мощности порядка 107 - 108 Вт/см2. Сверление отверстий металлическими сверлами диаметром меньше 0,25 мм является трудной практической задачей, в то время как лазерное сверление позволяет получать отверстия диаметром, соизмеримым с длиной волны излучения, с достаточно высокой точностью размещения. Специалистами фирмы «Дженерал Электрик» (США) подсчитано, что лазерное сверление отверстий по сравнению с электроннолучевой обработкой имеет высокую экономическую конкурентоспособность. В настоящее время для сверления отверстий используются в основном твердотельные лазеры. Они обеспечивают частоту следования импульсов до 1000 Гц и мощность в непрерывном режиме от 1 до 103 Вт, в импульсном — до сотен киловатт, а в режиме с модуляцией добротности — до нескольких мегаватт. Некоторые результаты обработки такими лазерами приведены в табл. 3.
Таблица 3.
| Металл | Толщина, мм | Диаметр отверстия, мм | Продолжительность сверления |
Энергия лазера, Дж |
|
| входного | выходного | ||||
| Нержавеющая сталь | 0,65 0,9 1,78 |
0,25 0,5 0,3 |
0,15 0,25 0,22 |
10 импульсов 2,35 0,8 |
0,15 0,25 16,0 |
| Никелевая сталь | 0,5 | 0,2 | 0,15 | 2,0 | 3,3 |
| Вольфрам | 0,5 1,6 |
0,2 0,35 |
0,2 0,2 |
2,1 1,8 |
4,0 2,1 |
| Магний | 1,6 0,5 |
0,4 0,25 |
0,3 0,2 |
2,0 2,0 |
3,3 3,3 |
| Молибден | 0,5 0,8 |
0,25 0,2 |
0,25 0,2 |
2,35 2,25 |
5,9 4,9 |
| Медь | 1,6 | 0,3 | 0,15 | 2,35 | 5,9 |
| Тантал | 1,6 | 0,3 | 0,1 | 2,42 | 8,0 |
Лазерная сварка в своем развитии имела два этапа. Первоначально получила развитие точечная сварка. Это объяснялось наличием в то время мощных импульсных твердотельных лазеров. В настоящее время при наличии мощных газовых СО2-и твердотельных Nd: YAG-лазеров, обеспечивающих непрерывное и импульсно-непрерывное излучение, возможна шовная сварка с глубиной проплавления до нескольких миллиметров. Лазерная сварка имеет ряд преимуществ по сравнению с другими видами сварки. При наличии высокой плотности светового потока и оптической системы возможно локальное проплавление в заданной точке с большой точностью. Это обстоятельство позволяет производить сваривание материалов в труднодоступных участках, в вакуумной или газонаполненной камере при наличии в ней окон, прозрачных для лазерного излучения. Сваривание, например, элементов микроэлектроники в камере с атмосферой инертного газа представляет особый практический интерес, поскольку в этом случае отсутствуют реакции окисления.
Сваривание деталей происходит при значительно меньших плотностях мощности, чем резка. Это объясняется тем, что при сварке необходимы только разогрев и плавление материала, т. е. необходимы плотности мощности, еще недостаточные для интенсивного испарения (105—106 Вт/см2), при длительности импульса около 10-3-10-4 с. Поскольку излучение лазера, сфокусированное на обрабатываемом материале, является поверхностным тепловым источником, то передача тепла в глубину свариваемых деталей осуществляется за счет теплопроводности и зона проплавления с течением времени при правильно подобранном режиме сварки изменяется. В случае недостаточных плотностей мощности имеет место непроплавление свариваемой зоны, а при наличии больших плотностей мощности наблюдаются испарение металла и образование лунок.
Сварку можно производить на установке для газолазерной резки при меньших мощностях и использовании слабого поддува инертного газа в зону сварки. При мощности СО2-лазера около 200 Вт удается сваривать сталь толщиной до 0,8 мм со скоростью 0,12 м/мин; качество шва получается не хуже, чем при электроннолучевой обработке. Электроннолучевая сварка имеет несколько большие скорости сваривания, но зато проводится в вакуумной камере, что создает большие неудобства и требует значительных общих временных затрат.
В табл. 4 приведены данные по стыковой сварке СО2-лазером, мощностью 250 Вт различных материалов.
Таблица 4. При других мощностях излучения СО2-лазера получены данные шовной сварки, приведенные в табл. 5. При сварке внахлест, торцовой и угловой были получены скорости, близкие к указанным в таблице, при полном проплавлении свариваемого материала в зоне воздействия луча.
Таблица 5. Лазерные сварочные системы способны сваривать разнородные металлы, производить минимальное тепловое воздействие за счет малого размера лазерного пятна, а также сваривать тонкие проволочки диаметром менее 20 мкм по схеме провод-провод или провод-лист.
Резка неметаллических материалов
Лазерный луч с большим успехом применяется для резки неметаллических материалов, таких, как пластмасса, стеклопластики, композиционные материалы на основе бора и углерода, керамика, резина, дерево, асбест, текстильные материалы и т. д. Данный ассортимент материалов, как правило, обладает меньшей температуропроводностью, чем металлы, и поэтому удельное энерговложение для процесса резки значительно меньше. Поэтому пороговая плотность потока, необходимая для начала резки неметаллов, слабо зависит от толщины листа.
Для резки неметаллических материалов, так же как и металлов, используют преимущественно ИАГ- и СО2-лазеры непрерывного излучения. Чтобы повысить эффективность резки, применяют поддув в зону резания активного или нейтрального газа, который выдувает испаренные капельные фракции и производит охлаждение обрабатываемого локального участка, позволяя резать материалы с малым их обугливанием и оплавлением.
В процессе ГЛР диэлектриков решающую роль в их разрушении играет выдувание из зоны резания мелкодисперсной и капельной фракции, образующихся при тепловом воздействии лазерного излучения. Исключение составляют материалы на основе фенолформальдегидных смол: текстолит, стеклотекстолит и др. Данный вид материалов под действием лазерного излучения превращается в вязкую спекшуюся массу, которую трудно удалить из реза с помощью газовой струи: требуются большие энергозатраты на испарение продуктов разрушения.
Газолазерная резка позволяет получать чистый разрез диэлектриков с хорошими качествами кромки реза. При этом со стороны входа луча кромка имеет лучшее качество, а со стороны выхода наблюдается некоторое оплавление. Резка материала органического происхождения большой толщины отличается интересной особенностью; ширина реза на выходе значительно меньше, чем можно было бы ожидать исходя из геометрической расходимости луча, формируемого фокусирующей оптикой.
При наличии достаточной мощности излучения лазера можно выполнить процесс ГЛР стекла и кварца. При этом качество резки высокое, но со стороны выхода и входа луча кромки слегка оплавлены.
Большие перспективы открываются при использовании ГЛР для раскроя текстиля. Имеющиеся результаты экспериментального исследования резки как отдельных слоев, так и многослойных настилов показывают, что в каждом конкретном случае существуют режимы работы лазеров и скорости перемещения обрабатываемого материала, при которых разрез получается высокого качества без обгорания.
В табл. 6 приведены результаты резания некоторых диэлектрических материалов СО2-лазером.
Таблица 6. Сверление неметаллических материалов
Сверление отверстий является одним из первых направлений лазерной технологии. Вначале, прожигая отверстия в различных материалах, экспериментаторы с их помощью оценивали энергию излучения лазерных импульсов. В настоящее время процесс лазерного сверления становится самостоятельным направлением лазерной технологии. К материалам, подлежащим сверлению при помощи луча лазера, относятся такие неметаллы, как алмазы, рубиновые камни, ферриты, керамика и др., сверление отверстий в которых обычными методами представляет определенную трудность или является малоэффективным. При помощи лазерного луча можно сверлить отверстия разного диаметра. Для этой операции используют следующие два метода. При первом методе лазерный луч перемещается по заданному контуру, и форма отверстия определяется траекторией его относительного перемещения. Здесь имеет место процесс резки, при котором тепловой источник перемещается с определенной скоростью в заданном направлении: при этом, как правило, применяются лазеры непрерывного излучения, а также импульсные, работающие с повышенной частотой следования импульсов.
При втором методе, получившем название проекционного, обрабатываемое отверстие повторяет форму лазерного луча, которому с помощью оптической системы можно придать любое сечение. Проекционный метод сверления отверстий имеет некоторые преимущества по сравнению с первым. Так, если на пути луча поставить диафрагму (маску), то таким образом можно срезать периферийную его часть и получить относительно равномерное распределение интенсивности по сечению луча. Благодаря этому граница облучаемой зоны оказывается более резкой, конусность отверстия при этом уменьшается, а качество улучшается.
Существует ряд приемов позволяющих дополнительно выбрать из обрабатываемого отверстия часть расплавленного материала. Один из них — создание избыточного давления сжатым воздухом или другими газами, которые подаются в зону сверления с помощью сопла, соосного с лазерным излучением. Этот способ использовался для сверления отверстий диаметром 0,05—0,5 мм в керамических пластинках толщиной до 2,5 мм при использовании СО2-лазера, работающего в непрерывном режиме.
Сверление отверстий в твердой керамике является непростой задачей: при обычном способе требуется наличие алмазного инструмента, а при других существующих методах трудности связаны с размером отверстия в диаметре, равным десятым долям миллиметра. Эти трудности особенно ощутимы, когда толщина обрабатываемой пластины больше, чем диаметр отверстия. Отношение глубины отверстия (толщины материала) к его диаметру является мерой качества получения тонких отверстий; оно составляет 2:1 при обычном сверлении и около 4:1 при ультразвуковом методе, используемом при сверлении керамики и других тугоплавких материалов.
Лазерный метод сверления данного класса материалов позволяет получить лучшее отношение при очень высокой точности размещения отверстий и относительно меньших временных затратах. Так, при лазерном сверлении высокоплотной поликристаллической глиноземной керамике использовался рубиновый лазер с энергией в импульсе 1,4 Дж, сфокусированной линзой с фокусным расстоянием 25 мм на поверхности диска и обеспечивающей плотность мощности около 4-106 Вт/см2. В среднем 40 импульсов при частоте следования 1 Гц понадобилось, чтобы просверлить керамический диск толщиной в 3,2 мм. Длительность лазерного импульса была 0,5 мс. Полученные отверстия имели конусность с диаметром на входе около 0,5 мм, а на выходе 0,1 мм. Видно, что отношение глубины к среднему диаметру отверстия составляет около 11:1, что значительно больше аналогичного отношения при других способах сверления отверстий. Для простых материалов это отношение при лазерном сверлении может составлять 50:1.
Для удаления продуктов сгорания и жидкой фазы из зоны сверления используется поддув воздухом или другими газами. Более эффективное выдувание продуктов происходит при сочетании поддува с передней стороны и разряжения с обратной стороны образца. Аналогичная схема использовалась для сверления отверстий в керамике толщиной до 5 мм. Однако эффективное удаление жидкой фазы в этом случае происходит только лишь после образования сквозного отверстия.
В табл. 7 приведены параметры отверстий в некоторых неметаллических материалах и режимы их обработки.
Таблица 7.
| Материал | Параметры отверстия | Режим обработки | |||||
| Диаметр, мм | Глубина, мм | Отношение глубины к диаметру | Энергия, Дж | Длительность импульса x10-4, с |
Плотность потока, Вт/см2 | Количество импульсов на | |