ОБРАБОТКА МАТЕРИАЛОВ ЛАЗЕРНЫМ ЛУЧОМ

Видный советский ученый, один из основателей квантовой электроники, академик Н.Г. Басов писал в 1982 г.:
«История техники свидетельствует о том, что массовое внедрение новых технологических процессов всегда оказывало революционизирующее воздействие на промышленность.

Так было при появлении методов скоростного резания, холодной штамповки, точного литья, электродуговой сварки-перечень примеров легко продолжить. В настоящее время промышленная технология во всем мире, по-видимому, находится в преддверии нового качественного скачка, обусловленного широким внедрением лазеров.»
Современная лазерная технология включает, наряду с пробиванием отверстий, также резание материалов, сварку, различные виды термообработки, скрай- бирование, маркировку и ряд других процессов обработки материалов. Лазерный луч оказался в полном смысле слова «мастером на все руки». Впечатляет исключительное разнообразие не только процессов обработки, но и обрабатываемых материалов. Лазерным лучом можно обрабатывать практически любой материал.
Лазерная резка. Лазерным лучом можно резать решительно все: ткань, бумагу, дерево, фанеру, резину, пластмассу, керамику, листовой асбест, стекло, листы металла. При этом можно получать аккуратные разрезы по сложным профилям. При резке возгорающихся материалов место разреза обдувают струей инертного газа; в результате получается гладкий, необожженный край среза. Для резки обычно используют непрерывно генерирующие лазеры. Нужная мощность излучения зависит от материала и толщины заготовки. Напри-

мер, для резки досок толщиной 5 см применялся С02- лазер мощностью 200 Вт. Ширина разреза составляла всего 0,7 мм; опилок, естественно, не было.

Для резки металлов нужны лазеры мощностью в несколько киловатт. Требуемую мощность можно снизить, применяя метод газолазерной резки-котт одновременно с лазерным лучом на разрезаемую поверхность направляется сильная струя кислорода. При горении металла в кислородной струе (за счет происходящих в этой струе реакций окисления металла) выделяется значительная энергия; в результате может ие

на рисунке изображен процесс вырезания квадратных отверстий в листе нержавеющей стали толщиной 0,5 мм с помощью С02-лазера. Мощность лазера 200 Вт. Скорость резания примерно 2 м/мин. Если длина стороны одного отверстия равна 10 мм, то за мин лазерный луч может вырезать (при условии, что им управляет ЭВМ) до пятидесяти отверстий
При газолазерной резке лазерный луч работает совместно с сильной струей кислорода. Место разреза подвергается одновременно воздействию сфокусированного лазерного луча и кислородной струи

пользоваться лазерное излучение мощностью всего 100-500 Вт. Кроме того, струя кислорода сдувает и уносит из зоны разрезания расплав и продукты сгорания металла.
Продемонстрируем применение лазерной резки двумя примерами, взятыми из совершенно разных областей народного хозяйства. Первый пример-лазерный раскрой тканей на ткацкой фабрике. Установка включает С02-лазер мощностью 100 Вт, систему фокусировки и перемещения лазерного луча, ЭВМ, устройство для натяжения и перемещения ткани. В процессе раскроя луч перемещается по поверхности ткани со скоростью 1 м/с. Диаметр сфокусированного светового пятна равен 0,2 мм. Перемещениями луча и самой ткани управляет ЭВМ. Установка позволяет, например, в течение часа раскроить материал для 50 костюмов. Раскрой выполняется не только быстро, но и весьма точно; при этом края разреза оказываются гладкими и упрочненными. Второй пример - автоматизированное разрезание листов алюминия, стали, титана в авиационной промышленности. Так, С02-лазер мощностью 3 кВт разрезает лист титана толщиной 5 мм со скоростью 5 см/с. Применяя кислородную струю, получают примерно тот же результат при мощности излучения 100-300 Вт.
Лазерная сварка. В развитии лазерной сварки выделяют два этапа. Вначале развивалась точечная сварка-на основе импульсных лазеров на рубине и на стекле с неодимом. С появлением мощных С02-лазе- ров и лазеров на гранате с неодимом, дающих непрерывное излучение или последовательность часто повторяющихся импульсов, стала развиваться шовная сварка.
Примеры точечной лазерной сварки: соединение никелевого контакта с зажимом из никелевого сплава на основании транзистора, приваривание тонких медных проводов друг к другу или к зажимам, взаимное соединение микроэлектронных компонентов. Шовная лазерная сварка непрерывным излучением мощностью около 100 Вт применяется для герметизации корпусов приборов, приваривания наконечников к лопастям газовых турбин и кромок из закаленной стали к полотнам металлорежущих пил и т. д. С помощью киловатт- ных лазеров производят автоматизированную шовную сварку кузовов автомобилей, корпусов судов, труб
35

газопроводов и т.д. Для сварки деталей из стекла используются лазеры мощностью 100 Вт, для сварки кварца - мощностью до 300 Вт.
Лазерная сварка успешно конкурирует с известными способами сварки, например с электродуговой и сваркой электронным лучом. Она обладает весомыми преимуществами. При лазерной сварке нет контакта со свариваемым образцом, а значит, нет опасности загрязнения его какими-либо примесями. В отличие от электронно-лучевой сварки, для которой нужен вакуум, лазерная сварка производится в обычных условиях. Она позволяет производить быстро и с высокой точностью проплавление локально: в данной точке или вдоль данной линии. Зона, подвергающаяся тепловому воздействию, имеет очень малые размеры. Это важно, в частности, в тех случаях, когда сварка выполняется в непосредственной близости от элементов, чувствительных к нагреву. Сопоставим данные электродуговой и лазерной сварок одного погонного метра стального листа толщиной 20 мм (эти данные получены в Лаборатории лазерной обработки Автозавода имени И. А. Лихачева). Скорость электродуговой сварки составила 15 м/ч, тогда как лазерная сварка характеризуется скоростью 100 м/ч. При этом для получения прочного шва при электродуговой сварке необходимо выполнить 5-8 проходов, а при лазерной сварке достаточно всего одного прохода. Ширина шва при электродуговой сварке 20 мм. Лазерная сварка дает более аккуратный шов шириной всего 5 мм.
В качестве примера отметим лазерную сварку карданных валов автомобилей на Автозаводе имени И.

А. Лихачева в Москве. Сварку осуществляют С02- лазером мощностью 5 кВт. Благодаря применению лазерной сварки срок службы валов повысился в три раза. Приведем отрывок из статьи «Лазеры на Авто- ЗИЛе», опубликованной в журнале «Химия и жизнь» (№ 7, 1982 г.):
«Одно из самых уязвимых мест карданной передачи-место сварки трубы с вилкой. И дело даже не в прочности сварного шва. Операция электродуговой сварки занимает не больше полутора минут. Но за такое время детали успевают сильно нагреться, вилка деформируется. Всего на десятые доли миллиметра, но этого достаточно, чтобы

в новой карданной передаче был заложен порок, приводящий к преждевременному износу Через 50-60 тысяч километров пробега начинается хорошо знакомое водителям биение и постукивание-кардан выходит из строя, не пройдя и трети срока до капитального ремонта автомобиля. Лазерная сварка позволит увеличить срок службы карданной передачи. Почему? Потому что более чем вдвое уменьшается площадь сварного шва, в несколько раз-время сварки. Детали не успевают нагреться, значит, и не деформируются.»

На рисунке справа вилка карданной передачи, сваренная обычной электродуговой сваркой. Слева такая же вилка, сваренная лазерным лучом. Даже невооруженным глазом видно более высокое качество лазерной сварки

Лазерный луч позволяет производить сварку в труднодоступных местах

С помощью лазерного луча можно производить сварку через стеклянную перегородку. В частности, можно сваривать детали в камере, заполненной инертным газом. Сварка в атмосфере инертного газа может представлять особый интерес, так как в этом случае исключаются реакции окисления

Допустим, что внутри электронно-лучевой трубки произошла авария— перегорел или оборвался какой-то провод, нарушился контакт. Трубка вышла из строя. Казалось бы, беда непоправима — ведь поломка произошла внутри стеклянного баллона, в вакууме. Однако можно воспользоваться лазерным лучом. Направляя его в нужную точку сквозь стекло баллона и должным образом фокусируя, можно выполнить необходимый сварочный ремонт
Термообработка. Когда лазерный луч падает на поверхность металла, происходит быстрое нагревание тонкого приповерхностного слоя именно в том месте, куда нацелен луч. Луч переместился - и тотчас про

изошло остывание нагретого участка. Это используют для закалки поверхностных слоев, приводящей к существенному повышению их прочности. Лазерная закалка позволяет избирательно увеличивать прочность именно тех участков поверхности и тех деталей, которые в наибольшей мере подвергаются износу. Так, лазерную закалку применяют в автомобилестроении: для упрочнения головок цилиндров двигателей, направляющих клапанов, шестерен, распределительных валов и т. д. На Московском автозаводе имени Ленинского комсомола производится поверхностная закалка корпуса заднего моста автомобиля «Москвич» с помощью С02-лазера. На АвтоЗИЛе лазерная закалка применяется для упрочнения головки блока цилиндров.
Для повышения твердости поверхности применяют лазерное легирование. Соответствующие присадки в виде порошка предварительно наносят на обрабатываемую поверхность. При облучении лазером происходит плавление и проникновение порошка присадок в материал детали в пределах тонкого приповерхностного слоя. Термообработку обычно проводят непрерывно генерирующим С02-лазером мощностью порядка кВт.
Размерная обработка в микроэлектронике. В настоящее время лазерный луч всё чаще используют для точной подгонки параметров тонкопленочных схем и для изготовления отдельных элементов схемы. С помощью лазера можно изготовить пленочную схему- со всеми входящими в нее резисторами, конденсаторами, индуктивностями. Применяя лазерный луч, можно изготовить фотошаблон для напыления компонентов микросхемы на подложку. Во всех этих случаях производится испарение материала под действием мощного лазерного излучения.
Предположим, что на диэлектрическую подложку микросхемы нанесена напылением тонкая металлическая пленка. Перемещая вдоль поверхности пленки сфокусированное на нее лазерное пятно, испаряют определенные участки пленки и тем самым создают нужный «рисунок» схемы. Приведем пример конкретной лазерной установки на основе лазера на гранате с неодимом. Лазер генерировал последовательность импульсов с частотой 400 импульсов ежесекундно. Длительность отдельного импульса составляла 10“7 с,
39

мощность в максимуме 1 кВт. Лазерный луч фокусировали в пятно диаметром 10 мкм. При перемещении луча (со скоростью 2 мм/с) происходило испарение \зкой полоски металлической пленки; в результате на поверхности подложки возникали участки, практически полностью очищенные от металла.
Другие процессы обработки. Всем знакомы алмазные резцы, применяемые для резания оконного стекла. Такое использование алмазных резцов - пример процесса обработки, называемого скрайбированием. Этот процесс заключается в нанесении на поверхности хрупкого материала канавки или пробивании последовательности близко расположенных отверстий, после чего материал можно легко надломить и расколоть вдоль соответствующей линии. Сегодня достаточно широко применяется лазерное скрайбирование с использованием С02-лазеров, работающих в непрерывном режиме или режиме быстро повторяющихся импульсов.
После того как деталь или изделие изготовлены, на них наносят штамп (клеймо) с информацией, касающейся характеристик изделия, времени и места его изготовления. Эта операция называется маркировкой. С ней хорошо справляется лазерный луч. Практически он оказывается незаменимым при маркировке изделий, отличающихся хрупкостью или имеющих малые размеры, а также в тех случаях, когда требуется высокая скорость маркировки.
Отметим также лазерную зачистку проводов. Излучение С02-лазера хорошо поглощается изоляцией провода и отражается от металлической поверхности; в результате изоляция испаряется и остается чистый провод. Достигается прекрасная чистота поверхности без какого-либо вредного воздействия на сам провод (не образуются «задиры», не происходит обрыв тонкого провода).

<< | >>

↑

Источник: Тарасов Л.В.. Знакомьтесь - лазеры. 1988

Еще по теме ОБРАБОТКА МАТЕРИАЛОВ ЛАЗЕРНЫМ ЛУЧОМ:

- Популярная физика -