Для осуществления различных технологических операций – свар-ки, резки, сверления, плавления, закалки и т.п. – используется высокая пространственная интенсивность лазерного излучения, зависящая от направленности лазерного пучка. Эти свойства позволяют сфокусиро-вать лазерное излучение в пятно с очень малым диаметром (единицы мкм) и получить за счет поглощения его обрабатываемым материалом высокую температуру в области взаимодействия. Поглощение лазерно-го излучения зависит от длины волны излучения, свойств материала, температуры окружающей среды и наличия дополнительных воздей-ствий на процесс взаимодействия излучения с веществом.
В зависимости от достигаемой температуры различают три группы технологических операций:
тепловая обработка, тепловой удар при температуре ниже точки плавления обрабатываемых материалов;
резка, сверление, подгонка, фрезерование, удаление материала при температуре выше точки плавления;
сварка, переплавка, поверхностное легирование при температуре выше точки плавления, но ниже точки испарения материала.
Для реализации вышеперечисленных технологических операций в настоящее время используются лазеры на алюмо-иттриевом гранате с не-одимом и СО2-лазеры с мощностью излучения в непрерывном режиме 1–10 кВт. В последнее время в лазерных технологических установках на-ходят применение импульсные волоконные лазеры с иттербиевым акти-ватором со средней мощностью излучения несколько десятков ватт. Од-ним из активных предприятий – разработчиков и производителей таких
лазерных устройств – является фирма «Лазерный Центр», находящаяся в г. Санкт-Петербурге. Ещё большую эффективность имеют отечествен-ные лазеры предприятия НТО «ИРЭ-Полюс», расположенного в г. Фря-зино Московской области, которые в непрерывном и квазинепрерывном режимах излучают мощность от 500 Вт до 30 кВт с КПД около 30 %.
Начиная с определенной плотности мощности лазерного излуче-ния, поглощение может принимать более высокие значения, чем опре-деляемые законом Бугера для данного материала, т.е. имеет место не-линейное аномальное поглощение. При этом хорошими поглотителями становятся практически все материалы. При удалении материалов под воздействием лазерного излучения процесс включает три фазы:
отражение и поглощение с незначительным проникновением излу-чения в материал;
преобразование излучения в тепло в поверхностном слое, повы-шение температуры и прогрев более глубоких зон изделия до фазовых превращений (жидкость-пар);
перемещение зоны расплава и испарения от поверхности в глубину изделия при непрерывном выбросе материала.
Использование газовых потоков (кислорода или инертных газов), которые подаются коаксиально с лазерным пучком в область взаимодей-ствия, позволяет управлять как скоростью процесса, так и качеством об-рабатываемого объема. Газовое сопло служит не только направляющим элементом, но в ряде случаев диафрагмирующим для лазерного пучка.
Кроме того, дополнительными функциями газового потока являются:
защита фокусирующей линзы от паров, образующихся при обра-
ботке материалов;
удаление паров из зазора, образующегося при резке;
инициирование реакции окисления между железом и кислородом;
защита зазора от атмосферного воздействия с помощью инертных
газов;
предотвращение возгорания материалов с помощью химически
пассивных газов;
охлаждение кромок реза;
управляемое влияние на профиль шва с помощью смеси газов при сварке.
Установка для лазерной обработки материалов представлена на рис. 4.36.
8
Блок питания
2 3
| Н2О | 4 | ||
| СО2 | 5 | ||
| 6 | |||
| N2 | |||
| 7 | |||
| He | |||
| Система | 9 | ||
| регенерации |
Рис. 4.36. Схема лазерной технологической установки
В состав установки входит собственно лазер с зеркалами резона-тора 1 – 2, работающий как правило в режимах термодинамического ла-зера или ТЕА-лазера на СО2, оптическая отклоняющая система 3, фо-кусирующая оптическая система 4, подвод вспомогательных газов для поддува 5, объект воздействия и система управления его перемещением 9,система прокачки рабочего газа6,система регенерации газовой рабо-чей смеси 7, блок питания лазера 8.
Лазерная резка применяется, как правило, для тонких металлов и неметаллов в тех случаях, когда ее использование исключает ряд пред-варительных или последующих операций. В качестве примера можно привести технологические лазерные установки для резки кварцевых труб, изделий для обработки полиметилметакрилата, текстильных ма-териалов и т.п.
Более широкое применение лазерные установки нашли в микро-электронике и специальных технологиях, таких, как
обработка тонких металлических пленок толщиной 1–2 мкм; подгонка пленочных резисторов в микроэлектронике;
разделение полупроводниковых дисков и подложек;
выращивание кристаллических тонких пленок путем рекристалли-зации аморфных слоев;
легирование и изготовление омических контактов микроэлектрон-ных изделий;
термообработка и отжиг переключательных схем из аморфных и поликристаллических пленок;
поверхностная закалка различных металлических изделий любой формы, включая локализованную закалку в границах определенной об-ласти;
локальная переплавка приповерхностных слоев с повышением их прочностных характеристик;
гравировка на поверхностях и материалах, не поддающихся обыч-ным способам механической гравировки.
Кроме твердотельных и газовых молекулярных лазеров, использу-емых в настоящее время, в технологические установки внедряются и интенсивно разрабатываемые эксимерные лазеры (например, CL-5000 производства фирмы «Оптосистемы» ЦФП ИОФ РАН, г. Троицк), ра-ботающие в импульсном режиме в коротковолновой области спектра (λ = 193; 248; 308 нм). Благоприятные возможности для обработки ма-териалов цифрового управления на всех стадиях процесса делает лазер-ный термический инструмент незаменимым в гибком автоматизирован-ном производстве или в производстве с высокой степенью автоматиза-ции всего технологического цикла.
Основными при внедрении факторами являются надежная и ста-бильная работа в течение длительного промежутка времени при стои-мости, соизмеримой с другими аналогичными технологиями.