Вид механической обработки черных металлов путем резания отверстий вращающимися механизмами называют сверлением.

Различают простое и глубокое сверление.

Во втором случае глубина отверстия должна быть более 10 см., или размером вглубь более 5 исходных диаметров (5*d). При помощи сверл получают отверстия различной глубины и диаметра или многогранного сечения.

Обработка заготовки с целью ее сверления может производиться несколькими способами:

Заготовка вращается, при этом одновременно производится продольная подача не вращающегося сверлильного инструмента;
Заготовка не вращается, зафиксирована;
Одновременное вращение заготовки и инструмента.

Все эти способы широко применяются на практике. Наибольший спрос на процесс глубокого сверления есть в следующих сферах: металлургия, производство труб, нефтегазовая и аэрокосмическая промышленность, выпуск плит теплообменников и бойлеров и многие другие. Наиболее часто применяют следующие детали с глубокими отверстиями: роторы, валы, оси, втулки, гильзы, цилиндры, бандажи, металлические скорлупы и многое другое.

Выполним полный комплекс работ по механической обработке металла:

Разновидности глубокого сверления

По схеме удаления высверливаемого материала (стружки) различают: сплошное и кольцевое глубокое сверление. В первом варианте высверливаемый материал удаляется в виде стружки, во втором - часть кольцевой плоскости удаляется в виде стержня, остальное - также в виде стружки;
По способу резания различают следующие виды:
- Одноштанговая система (система STS). Данный метод оптимально подходит для обработки деталей на высокопроизводительном или серийном производстве. Сложность процесса состоит в том, что требуется применять маслоприемник с многочисленными подающими шлангами, при этом заготовка вращается. Одноштанговая система считается самой эффективной для получения высококачественных отверстий;
- Эжекторная система. Метод глубокого сверления со средними параметрами выпуска заготовок. Позволяет осуществлять сверление на многофункциональных станках (например, токарных или сверлильных), систему дополняют стационарной или мобильной насосной станцией. Эжекторный метод подходит для получения отверстий d=20-60 мм. и глубиной до 1200 мм., не исключая получение прерывистых отверстий;
- Система сверления ружейными или трубчато-лопаточными сверлами с внутренней подачей смазочно-охлаждающего материала. Этот метод подходит для малых предприятий, где по условиям технологии требуется получить глубокие отверстия небольшого диаметра. Однорезцовые сверла легко встраиваются в универсальные станки. Резец изготавливается из твердых сплавов и по всей длине сверлильного стержня имеет V-образную канавку, угол кривизны которой может составлять от 110 до 1200 градусов. Рекомендуемый dотв.=35-40 мм., длиной до 50*d. При данном методе отпадает надобность проводить такие операции как зенкерование и развертывание.
В зависимости от степени автоматизации управления процессом сверления различают глубокое сверление с автоматическим изменением одного или нескольких параметров режима (например, скорость вращения, подача смазочного материала).

Подача жидкости является обязательным этапом технологического процесса, так как:

Обеспечивается эффективный отвод стружки из зоны резания по отводным каналам;
Уменьшается сила трения между трущимися частями;
Производится отвод тепла, которое образуется в процессе длительного сверления, обеспечивая тем самым сохранности сверла от прогорания;
Осуществляется дополнительная обработка отверстия.

С увеличением глубины сверления возрастают трудности с обработкой отверстия.

Для глубокого сверления применяют специальный инструмент, оборудование и способы обработки.

Простые сверла и дрели для этого не подходят, так как не удастся достичь точности сверления по всему диаметру, заданной шероховатости поверхности, прямолинейность отверстия.

Важным параметром также является сохранение поверхности углубления с минимальным отклонением от округлости.

Применение традиционного инструмента делает процесс глубокого сверления низкопроизводительным, трудоемким, а в некоторых случаях (зависит от глубины отверстий) - невозможным.

На практике в машиностроительной сфере используют специализированное оборудование с технической оснасткой, с дополнительным применением специальных режущих и прочих вспомогательных инструментов.

Нередко требуются нестандартные приспособления для выполнения технологических приемов.

Особенности глубокого сверления

При глубоком сверлении очень важно соблюдать главные принципы технологии. Во-первых, производится подбор скорости вращения сверлильной части инструмента или оптимальная скорость резания (подачи свергла). Во-вторых, должно быть обеспечено нормальное дробление стружки, а также полный отвод отходов из канала. Важным моментом во время измельчения отходов сверления является сохранность режущей части инструмента, не должно быть повреждений сверла, образования на нем заусениц или иных дефектов. Далее, ключевым фактором качественной обработки поверхностей заготовок или деталей является эффективная и грамотная подача смазочно-охлаждающей жидкости.

Процесс сверления проходит с обязательной подачей смазочно-охлаждающей жидкости под давлением и с определенным расходом.

Для этого в системе работает насосное оборудование - маслонасосы или насосы для перекачки вязких жидкостей.

Производительность системы выбирается в соответствии с расходом жидкости и требуемым давлением подачи смазочного материала.

ВОЗМОЖНО ВАМ БУДЕТ ИНТЕРЕСНО

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное Государственное бюджетное образовательное учреждение Высшего образования

Владимирский государственный университет имени А.Г и Н.Г Столетовых

Кафедра ФиПМ

Реферат

на тему “Лазерное сверление отверстий”

Выполнил cтудент группы ЛТ - 115

Гордеева Екатерина

Владимир 2016

Введение

1. Лазерный луч в роле сверла

2. Лазерное сверление отверстий в металлах

3. Сверление не металлических материалов

4. Лазерное сверление отверстий в твердых поверхностях

5. Лазерное сверление отличающихся повышенной хрупкостью

Заключение

Список литературы

Введение

лазерный луч сверление отверстие

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 Emission 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.

1. Лазерный луч в роли сверла

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 частности, 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.

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

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.

2. 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 таблице

Таблиця 1.

	Толщина, мм	Диаметр отверстия, мм	Продолжительность сверления	Энергия лазера,
		входного	выходного
Нержавеющая сталь				10 импульсов
Никелевая сталь
Вольфрам

Молибден

3. Сверление не металлических 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.

Таблиця 2.

Материал	Параметры отверстия	Режим обработки
	Диаметр, мм	Глубина, мм	Отно-шение глуби-ны к диаме-тру	Энергия, Дж	Длительность импульса	Плотность потока, Вт/см2	Количество импульсов на отверстие



Керамика

4. Лазерное сверление отверстий в твердых поверхностях

Лазерное сверление отверстий характеризуется такими физическими процессами как нагрев, испарение и плавлением материала. При этом предполагается что отверстие увеличивается в глубину в следствии испарения, а по диаметру - в результате плавления стенок и вытеснения жидкости избыточным давлением паров.

Для получения прецизионных отверстий с допуском порядка 2 мкм, используются лазеры с очень короткими импульсами в диапазоне нс и пс. Позволяющие контролировать диаметр отверстия на заданном уровне т.е. не приводящим к нагреву и плавлению стенок, отвечающих за рост диаметра отверстия, а приводящее к испарению материала из твердой фазы. Также использование лазеров с нс и пс диапазоном импульсов позволяет существенно уменьшить наличия затвердевшей жидкой фазына боковых поверхности отверстия.

В данный момент существует несколько методов реализации лазерного сверления отверстий: сверление одиночным импульсом используется одиночный импульс в результате которого просверливается отверстие. Достоинства этого метода быстрота. Недостатки высокая энергия импульса, низкая толщина и каноническая форма отверстия за счет уменьшении передачи тепловой энергии с увеличением глубины отверстия.

Ударном сверлении отверстие возникает под воздействием нескольких лазерных импульсов незначительной продолжительности и энергии.

Достоинства: возможность создавать более глубина отверстия (около 100 мм), получения отверстий малого диаметра. Недостаток этого метода более длительный процесс сверления.

Кольцевое сверление возникает под действием нескольких лазерных импульсов. Сначала лазер методом ударного сверления выполняет начальное отверстие. Затем он увеличивает начальное отверстие, несколько раз перемещаясь по увеличивающейся круговой траектории на заготовке. Большинство расплавленного материала вытесняется из отверстия в направлении вниз. Спиральное сверление в отличие от кольцевого сверления не предусматривает выполнения начального отверстия. Лазер уже с первых импульсов перемещается по круговой траектории по материалу. При таком движении большое количество материала выходит вверх. Перемещаясь как по винтовой лестнице, лазер углубляет отверстие. После того, как лазер пройдет сквозь материал, могут быть выполнены еще несколько кругов. Они предназначены для расширения нижней стороны отверстия и сглаживания краев. Спиральное сверление позволяет получать очень большие и глубокие отверстия высокого качества. Достоинства: получения больших и глубоких отверстий высокого качества.

Преимущества лазерного сверления: возможность получение малых отверстий (меньше 100 мкм),необходимость сверления отверстия под углом, сверления отверстия в очень твердых материалах, возможность получать отверстия не круглой формы, высокая производительность процесса, малое тепловое воздействие на материал (с уменьшением длительности импульса уменьшается нагрев материала),бесконтактный метод позволяющий сверлить хрупкие материалы(алмаз, фарфор, феррит, хрусталь сапфир, стекло),высокая автоматизация процесса, большой срок службы и стабильность процесса.

Данная работа посвящена поиску оптимальных режимов лазерного сверления отверстий на различных твердых поверхностях.

Для проведения экспериментов использовался инфракрасный импульсный Nd:YAG лазер с длиной волны 1064 нм. С максимальной мощность лазерного излучения 110 Вт, частотой следования импульсов 10 кГц и длительность импульса 84 нс, отверстия в данной работе получены методом ударного сверления. В процессе лазерного сверления мощность лазерного излучения варьировалась в пределах от 3,7 Вт до 61,4 Вт, диаметр лазерного пятна на поверхности образца изменялся в пределах от2 мм до 4 мм.

Лазерное сверления отверстий проводилось на следующих твердых поверхностях: пластмассе (желтая), углепластике, алюминии, толщиной 1,22,3 мм соответственно.

На качество лазерного сверления поверхности существенно влияют следующие параметры: средняя мощность лазерного излучения, диаметр лазерного пятна на поверхности образца, физические свойства материала (коэффициент поглощения лазерного излучения поверхностью, температура плавления) длина волны лазерного излучения, длительность импульса и метод лазерного сверления (одиночный импульс, ударном сверлении и т.д.).

В таблице 1 отображены режимы лазерного сверления на различных твердых поверхностях.

Режимы лазерного сверления отверстий на различных поверхностях

Таблиця3.

5. Лазерное сверление отличающихся повышенной хрупкостью

Лазерное сверление широко применяют для получения отверстий не только в твердых и сверхтвердых материалах, но и в материалах, отличающихся повышенной хрупкостью.

Для лазерного сверления отверстий в настоящее время исполк-зуют установку Квант-11, Созданную на основе импульсного лазера на АИГ-Nd. Лазерная сварка также основана на тешговом действии сфокусированного излучения импульсного лазера. Причем применяют как шовную, так и точечную сварку

Основными процессами при лазерном сверлении неметаллических материалов, так же как и при резке, являются разогрев, плавление и испарение из зоны лазерного облучения. Для того чтобы обеспечить данные процессы, необходимо иметь плотности мощности 106 - 107 Вт / см2, создаваемые оптической системой в фокальном пятне. При этом отверстие растет в глубину за счет испарения материалов; имеет место также оплавление стенок и выбрасывание жидкой фракции создаваемым избыточным давлением паров

Отечественная промышленность в настоящее время широко использует лазерное сверление отверстий в алмазах, обеспечивая высокую точность и контроль за формированием отверстий в процессе сверления.

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.

Из экспериментов известно, что технические характеристики и особенности прецизионной лазерной резки тонких металлических пластин определяются в целом теми же условиями и факторами, что и технические характеристики процессов многоимпульсного лазерного сверления. Средняя ширина сквозного реза в тонких металлических пластинах обычно составляет 30 - 50 мкм на всей длине образца, стенки их практически параллельны, поверхность не содержит крупных дефектов и инородных включений. Одной из особенностей резки импульсным излучением является возможность так называемого эффекта канализации. Этот эффект выражается в увлечении качественного (дифракционного) пучка в сформированный предыдущими импульсами канал посредством переотражения от его стенки. Формирование нового канала начинается после смещения всего дифракционного пучка за контуры предыдущего. Этот процесс определяет предельную шероховатость стенки реза и может стабилизировать точность реза за счет компенсации нестабильности диаграммы направленности при многопроходной обработке. При этом шероховатость кромок реза обычно не превышала 4 - 5 мкм, что можно считать вполне удовлетворительным.

Лазеры выполняют и такую операцию, как черновое доведение отработанных фильер до следующего по стандрату большего диаметра. Если при механическом сверлении данная операция занимала около 20 ч, то при лазерном сверлении она требует вего лишь несколько десятков импульсов. Полный временной интервал составляет около 15 мин на черновую обработку одной фильеры.

Сверление отверстий является, пожалуй, одним из первых направлений лазерной технологии. В настоящее время процесс лазерного сверления становится самостоятельным направлением лазерной технологии и занимает в отечественной и зарубежной промышленности значительный удельный вес. 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.

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 дырки диаметром от 0 001 до 0 2 мм могут быть изготовлены во всех металлах при относительно низких мощностях. При больших толщинах, согласно рис. 83, появляется нелинейность, вызванная эффектом экранировки.

Еще ранее в отмечалось, что применение гибких ПП повышает их надежность, уменьшает время сборки устройств на сотни часов и дает выигрыш в объеме и массе в 2 - 4 раза по сравнению с применением в МЭА жестких ПП. Сейчас ранее существовавший тормоз в развитии гибких ПП, а именно известный консерватизм конструкторов, привыкших работать с обычными ПП, можно считать пройденным этапом. При этом облегчается задача снижения механических напряжений между ПП и установленными на ней БИС в кристало держателе, а также появляется возможность получать лазерным сверлением сверхминиатюрные отверстия диаметром 125 мкм (вместо 800 мкм в обычных ПП) для межслойной коммутации с помощью сплошного заполнения их медью. Наконец, гибкая ПП из полиимида прозрачна, а это позволяет визуально проверить все паяные соединения в каждом слое при тщательно подобранном освещении.

Заключение

В заключение хотелось бы остановиться на некоторых общих вопросах внедрения лазерных технологий в современное производство.

Первым этапом создания лазерной технологической установки является разработка технического задания. Во многих случаях заказчики стараются перестраховываться и закладывать в него характеристики, намного превышающие реальные потребности производства. В результате стоимость оборудования увеличивается на 30-50%. Как ни парадоксально, но причиной этого является, как правило, именно относительная дороговизна лазерных систем. Многие руководители предприятий рассуждают следующим образом:

«…если я покупаю новое дорогое оборудование, то по характеристикам оно должно превышать, необходимы на данный момент нормы, «авось», когда-то мне это пригодится…». В результате потенциальные возможности оборудования никогда не используются, а время окупаемости его увеличивается.

Примером такого подхода может служить вариант перехода от механической маркировки деталей к лазерной. Основными критериями маркировки являются контрастность надписи и устойчивость к стиранию. Контрастность определяется соотношением ширины и глубины линии гравировки. Минимальная ширина линии при механической гравировке приблизительно 0,3 мм. Для получения контрастной надписи её глубина должна быть порядка 0,5 мм. Поэтому, во многих случаях, при составлении технического задания на лазерную установку, исходят из этих параметров. Но ширина линии при лазерной гравировке 0,01-0,03 мм, соответственно глубину надписи можно сделать 0,05 мм, т.е. на порядок меньше чем при механической. Поэтому соотношение между мощностью лазера и временем нанесения маркировочной надписи может быть оптимизировано относительно стоимости системы. В результате снижается цена лазерной установки, и как следствие, время её окупаемости.

Внедрение лазерных технологий во многих случаях позволяет решать «старые» задачи принципиально новыми методами. Классическим примером этого является нанесение защитных надписей, клейм и т.п. на продукцию для обеспечения защиты от подделок. Возможности лазерной техники позволяют идентифицировать защитную надпись по отдельно взятой линии в надписи. Возможность применения криптографических методов позволяет реализовывать «динамическую» защиту от подделок, т.е. при сохранении общего рисунка через определённое время меняются некоторые элементы, узнаваемые только экспертами или специальным оборудованием. Недосягаемым для механических методов подделок является возможность создания лазером небольшого бортика (3-10 мкм) из выбросов металла на края линии гравировки. Комплексное использование подобных методик минимизирует вероятность подделки и делает её экономически невыгодной.

Внедрение лазерных технологий на данном этапе технологического развития (переход от «дикого» капитализма к нормальному производству) это всего лишь один из вариантов начала становления того, что называют высокотехнологическим производством. Те небольшие предприятия, которые используют у себя несколько подобного рода лазерных систем, подтвердили закон диалектики перехода количества в качество. Новое оборудование требует принципиально новых методов его обслуживания, как правило, предполагающее повышенного внимания персонала и поддержания «чистоты» в помещении, где оно расположено. Т.е. происходит переход на качественно новый уровень культуры производства. При этом обычно, количество сотрудников уменьшается, и руководители предприятий начинают решать вопросы организации работы не «трудового коллектива», а оптимизации работы предприятия, в котором работники являются лишь неотъемлемой частью технологического процесса. Независимо от того будет ли в этом производстве в дальнейшем использоваться лазерная техника или нет, приобретенный опыт, и сформировавшаяся культура никуда не исчезнет. Это то, что сторонними наблюдателями принято называть технологической или научно-технической революцией, хотя на самом деле это нормальный эволюционный процесс. История развития многих крупных технологических фирм показывает, что в некоторый момент времени на начальных стадиях развития, у всех был подобный этап перехода. Может так получиться, что в настоящее время мы находимся на такой стадии технологического развития, когда относительно малые вложения в новые технологии сейчас приведут в дальнейшем к крупной отдаче. В синергетике, - науке о самоорганизующихся системах, подобная ситуация подчиняется закону «бабочки» (Р. Брэдбери «И грянул гром…»), описывающем процесс, когда малые изменения в прошлом или настоящем приводят к глобальным последствиям в будущем.

Список использованной литературы

1.Рыкалин Н.Н. Лазерная обработка материалов. М., Машиностроение, 1975, 296 с.

2. Григорьянц А.Г., Шиганов И.Н., Мисюров А.И. Технологические процессы лазерной обработки: Учеб. пособие для вузов / Под ред. А.Г. Григорьянца. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006. -664 c.

3. Крылов К.И., Прокопенко В.Т., Митрофанов А.С. Применение лазеров в машиностроении и приборостроении. - Л., Машиностроение. Ленингр. отделение, 1978, 336 с.

Размещено на Allbest.ru

...

Подобные документы

Сверление - процесс образования отверстий в сплошном материале режущим инструментом – сверлом. Общие сведения о кольцевом сверлении. Вырезание отверстий в листовом металле. Обработка хрупких материалов. Схема резания, обеспечивающая деление ширины.

дипломная работа , добавлен 27.10.2017

Сверление – метод получения отверстий резанием. Оборудование и инструменты. Обработка просверленных отверстий зенкером и разверткой. Технология формообразования поверхностей фрезерованием. Технологические требования к конструкциям обрабатываемых деталей.

реферат , добавлен 18.01.2009

Сверление сквозных и глухих отверстий. Брак при сверлении и мероприятия для его предупреждения. Точность обработки при сверлении. Выбор режущих элементов. Имитационное моделирование обработки детали. Расчет основных тепловых потоков и температур.

дипломная работа , добавлен 27.10.2017

История металлорежущих станков. Назначение сверления - операции для получения отверстий в различных материалах при их обработке, целью которой является изготовление отверстий под нарезание резьбы, зенкерование, развертывание. Основные виды протягивания.

презентация , добавлен 05.10.2016

Образование отверстий в сплошном металле сверлением, точность их обработки, набор инструмента; класс шероховатости поверхности. Режимы сверления, зенкерования, развертывания. Разработка схемы зажима детали; расчет погрешности базирования и усилия зажима.

лабораторная работа , добавлен 29.10.2014

Основные трудности обработки отверстий. Варианты наладок при операциях глубокого сверления. Функции смазочно-охлаждающей жидкости, способы ее подвода. Разновидности глубокого сверления. Формирование удовлетворительной стружки и ее вывод из отверстия.

методичка , добавлен 08.12.2013

Значение, задачи и структура ремонтной службы. Сущность и содержание системы планово-предупредительных ремонтов. Основные слесарные операции. Правка и гибка металлов. Сверление, зенкерование и развертывание отверстий. Чтение рабочих чертежей и эскизов.

отчет по практике , добавлен 09.04.2015

Разработка станка для сверления отверстий в корешковой части книжного блока печатной продукции. Анализ существующего оборудования для сверления отверстий, его недостатки. Разработка технологической схемы станка и конструкции сверлильной головки.

дипломная работа , добавлен 29.07.2010

Технологические основы процесса сверления отверстий. Типы станков и их основные узлы. Влияние материала и геометрических элементов сверла. Изменение геометрических параметров режущей части сверл. Основные режимы финишных операций изготовления сверл.

дипломная работа , добавлен 30.09.2011

Сверление как процесс образования отверстий в сплошном материале с помощью инструмента, называемого сверлом. Определение основных факторов, влияющих на точность технологического процесса, существующие движения: вращательное и поступательное направленное.

Laser technologies are capable of playing an evermore important role in industrial processing of materials. They successfully carry out cutting, welding, drilling, thermal surface machining, scribing and other operations. The advantages of this include higher productivity, perfect quality, uniqueness of operations performed in out-of-reach places or very small surfaces. Automatic systems for positioning and focusing the laser complexes make their application even more efficient and ease of operation creates preconditions for their wide implementation into production processes

С.Н. Колпаков, А.А. Приёмко,
ООО «Альт лазер», г. Харьков

В настоящее время лазер успешно выполняет целый ряд технологических операций, прежде всего, таких, как резка, сварка, сверление отверстии, 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 операции, которые раньше были невозможны из-за повышенной трудоемкости, выполняются с большим успехом. Например, сварка материалов и сверление отверстий могут осуществляться через стекло в вакууме или атмосфере различных газов

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, 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 Emission 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 ни 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.

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.

Основными техническими характеристиками, определяющими характер обработки, являются энергетические параметры лазера — энергия, мощность, плотность энергии, длительность импульса, пространственная и временная структуры излучения, пространственное распределение плотности мощности излучения в пятне фокусировки, условия фокусировки, физические свойства материала (отражательная способность, теплофизические свойства, температура плавления и т. д.).

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.

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.

Лазеры, применяемые для сверления отверстий в металле, должны обеспечить в фокусированном луче плотность мощности порядка 10 7 -10 8 Вт/см 2 . 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 (табл. 1). 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 10 3 Вт, в импульсном — до сотен киловатт, а в режиме с модуляцией добротности — до нескольких мегаватт. Некоторые результаты обработки такими лазерами приведены в табл. 2.

Лазерная сварка металлов

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 СО 2 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 (10 5 -10 6 Вт/см 2), 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 СО 2 -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. 3 приведены данные по стыковой сварке СО 2 -лазером, мощностью 250 Вт различных материалов.

При других мощностях излучения СО 2 -лазера получены данные шовной сварки, приведенные в табл. 4. При сварке внахлест, торцовой и угловой были получены скорости, близкие к указанным в таблице, при полном проплавлении свариваемого материала в зоне воздействия луча.

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.

Литература

1. Крылов К.И., Прокопенко В.Т., Митрофанов А.С. Применение лазеров в машиностроении и приборостроении. — Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1978. — 336 с.

2. Рыкалин Н.Н. Лазерная обработка материалов. — М., Машиностроение, 1975. — 296 с.

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 0,1-0,05 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-поступательных перемещений. Для сверления одного камня требовалось до 10-15 мин. Как убрать пробки в ушах - серная пробка nmedik.org/sernaya-probka.html .

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 частности, 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. 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». Пример: применение лазера при сверлении 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 обжиг. С помощью лазеров пробивают в керамике очень тонкие отверстия - диаметром всего 10 мкм. Механическим сверлением такие отверстия получить нельзя.

4. Лазерная резка и сварка.

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 струёй 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. Например, для резки досок толщиной 5 см применялся СО2-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 - когда 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 использоваться лазерное излучение мощностью всего 100-500 Вт. Кроме того, струя кислорода сдувает и уносит из зоны разрезания расплав и продукты сгорания металла.

Первый пример такого рода резки - лазерный раскрой тканей на ткацкой фабрике. Установка включает СО2-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, СО2-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.

Одним из направлений развития авиадвигателестроения является увеличение температуры газов перед турбиной. При этом, однако, происходит рост термомеханической напряженности лопаток газовых турбин и, как следствие, дальнейшее усложнение их конструкции. От надежности этих элементов двигателя в наибольшей степени зависит надежность и ресурс газотурбинных двигателей, и, соответственно, безопасность полетов. Эту проблему можно решить только путем разработки и внедрения качественно новых технологий, в том числе прошивки охлаждающих отверстий в лопатках. При этом во избежание горячих точек на поверхности лопаток плотность отверстий должна быть до ~200 отверстий/см?. К тому же, сложная структура жаропрочного кристаллического Niсплава, подобного CMSX4, требует процесса сверления, не меняющего его матрицу.

Сверление отверстий, которые являются каналами охлаждения компонентов турбинных двигателей, – один из наиболее распространенных процессов лазерной обработки. Однако до сих пор нет лазерных систем, позволяющих эффективно сверлить в турбинных лопатках из жаропрочного Niсплава высокоаспектные микроотверстия Ж100500 мкм и глубиной t Ј 56 мм с малой величиной перегретой зоны (, где a » 1см 2 /с).
В случае обычного лазерного сверления (импульсы миллисекундного диапазона t имп ?0,5 мс, плотность мощности ~10 6 Вт/cм 2) на поверхности отверстия формируется переплавленный слой h (рис. 1 ) толщиной свыше 50 мкм, в котором изза быстрого затвердевания происходит формирование микротрещин, уменьшающих ресурс детали.

Эту проблему помогает решить использование коротких наносекундных импульсов с высокой плотностью мощности (10 8 10 9 Вт/cм 2) и более короткой длиной волны (выше порог поглощения излучения в плазме). Переплавленный слой значительно уменьшается, так как удаление материала происходит в основном в газообразной фазе . Для импульсов длительностью 10 8 сек пороговая плотность энергии для быстрого удаления материала составляет ~10 Дж/cм 2 при скорости абляции V сверл ? 1 мкм/импульс. Однако с увеличением толщины материала свыше 1 мм скорость абляции значительно падает (V сверл? 0,1 мкм/импульс) (рис. 2 ). Увеличение плотности энергии более чем на порядок лишь незначительно увеличивает скорость абляции.

Одним из механизмов, ограничивающих скорость абляции, является поглощение и рассеяние лазерного излучения в плазме, парах металла и капельках расплава. Другим ограничивающим фактором является более сильное ослабление лазерного излучения внутри глубокого канала одномерно расширяющейся плазмой в противоположность поверхностному двумерному случаю. В результате минимальная плотность энергии, необходимая для сверления образца толщиной ~0,4 мм, повышается до 30 Дж/cм 2 , а для образца толщиной ~0,9 мм до 100 Дж/cм 2 . Высокочастотному Nd:YAG лазеру (30 Вт, 10 кГц, 15 нс) требуется несколько секунд при плотности энергии ~500 Дж/cм 2 , чтобы просверлить отверстие Ж<30 мкм в 1,5 мм жаропрочном сплаве Inconel 718. При этом благодаря практически квазинепрерывной абляции наблюдается формирование значительного переплавленного слоя на боковых стенках отверстий и микротрещин, которые распространяются в основной материал, уменьшая ресурс детали. К тому же конусность отверстия может достигать значений 510 о (обычно конусность отверстия при сверлении Nd:YAG лазером оценивается как 0,02 t , где t толщина металла в мм).

Для сверления в турбинных лопатках глубоких отверстий Ж150350 мкм с той же эффективностью абляции требуются энергии в импульсе уже ~50100 мДж и, соответственно, кВтная средняя мощность лазера в TEM 00 моде. Другой подход – кольцевое сверление (trepanning drilling) – на порядок более длительный (по времени сравним с электроэрозионной прошивкой), хотя и требует менее мощного лазера.

Экспериментальная установка

Решение проблемы сверления глубоких микроотверстий представляется в использовании пачек относительно длинных (300500 нс) импульсов (длительность пачки несколько миллисекунд с интервалом между ними? 20мкс), с дополнительным профилированием их интенсивности в процессе сверления отверстия. Вопервых, относительно большая длительность импульсов позволяет обеспечить обработку материала при плотности энергии, более чем на порядок превосходящей плотность энергии для импульсов длительностью 1015 нс (при той же интенсивности), и, следовательно, сверление менее критично к толщине материала. Вовторых, имеется возможность повышения энергии импульса к концу пачки (профилирование) для увеличения эффективности удаления испаряемого материала. Втретьих, за счет использования пачек импульсов можно снизить среднюю мощность лазера до 1020 Вт, существенно уменьшив тем самым его стоимость.

Лазерная установка для сверления высокоаспектных микроотверстий включает в себя задающий генератор и двухпроходовый Nd:YAG усилитель (рис. 3 ). Задающий генератор – Nd:YAG лазер с непрерывной накачкой и акустооптическим затвором – генерирует 150 ё 550 нс импульсы с частотой повторения 3,5ё50 кГц со средней мощностью до 1 Вт. Двухпроходовый Nd:YAG усилитель вырезает из непрерывной последовательности импульсов и усиливает пачку импульсов длительностью 1 ё 6 мс (зависит от глубины отверстия). После усилителя энергия пачки импульсов достигает 1 Дж. Частота повторения пачек 10 Гц.

Фокусирующая линза f =150 мм обеспечивает на поверхности образца плотность мощности і10 8 Вт/cм 2 для диаметра пучка 100 мкм. Вспомогательные газы O 2 , N 2 или Ar (в зависимости от обрабатываемого материала) используются для выталкивания расплава из зоны обработки.

Результаты и обсуждения

Сверление микроотверстий (Ж100 мкм) проводилось на Ni сплаве IC10, Ni монокристалле DD6, конструкционной и нержавеющей сталях. На рис. 4 представлены результаты сверления микроотверстий в Ni сплаве IC10 (толщина 1,6 мм) с различными длительностями импульсов (энергия одиночного импульса E=18,5 мДж, частота повторения импульсов в пачке F=30 кГц, длительность пачки импульсов 0,9 мс, плотность энергии на образце 170 Дж/cм 2). Большая длительность импульсов дает лучшее качество отверстий. Для импульсов длительностью 550 нс толщина переплавленного слоя для большинства отверстий меньше чем 20 мкм, или даже 10 мкм (рис. 4 в ). Для более коротких импульсов существует больший разброс в толщине переплавленного слоя. Результат сверления сильно зависит от типа материала. Ni монокристалл DD6 показывает противоположный результат по сравнению с IC10: толщина переплавленного слоя отверстий, сделанных в DD6 с O 2 , намного тоньше, чем у отверстий, сделанных без газа.

Таблица 1

представляет результаты скорости сверления отверстий в материале IC10 импульсами с различной частотой повторения в пачке (энергия импульсов 18,5 мДж).

Как видно из таблицы 1, эффективность сверления возрастает с увеличением длительности импульса. При частоте повторения импульсов >30 кГц возрастает поглощение и рассеяние лазерного излучения в плазменном факеле, что снижает эффективность сверления. Как ожидалось, увеличение аспектного отношения приводит к резкому снижению скорости абляции, так как с увеличением глубины отверстия усиливается диссипация лазерного излучения. На большей глубине и при частоте повторения импульсов в пачке <30 кГц (граничная частота сильного поглощения излучения плазмой) плазма перестает подогревать расплав и большее его количество не удаляется, а застывает на боковых стенках отверстий.

Конусность отверстия также зависит от частоты повторения импульсов в пачке. Для частоты следования импульсов 50 кГц различие входных и выходных диаметров отверстий не более 10%, но при этом мы получаем снижение скорости абляции, а следовательно, и эффективности сверления.

иллюстрирует зависимость эффективности сверления микроотверстий от их глубины. Исследования проводились на образцах из конструкционной и нержавеющей стали толщиной до 5 мм. Скорость абляции, а следовательно, и эффективность сверления микроотверстий резко снижаются при увеличении толщины образца более 2 мм (рис. 5б ). В снижении скорости сверления с толщиной ключевую роль играет плазма и переотражение лазерного излучения от боковых стенок. Однако эффективность сверления и в этом случае более чем на два порядка превосходит эффективность сверления короткими 1015 нс импульсами той же интенсивности.

Улучшение геометрии микроотверстий

Дальнейшее повышение производительности сверления и улучшение формы отверстия (уменьшение воронки на входе, снижение конусности) возможно при программировании энергии в последовательных пачках импульсов (рис. 6 ) и преобразованиипространственного профиля пучка в зоне взаимодействия из гауссова в пучок с равномерным супергауссовым распределением или даже с интенсивностью излучения минимальной в центре пучка (рис. 7 ). Естественно, что при этом предпочтительно использовать лазеры с высоким качеством луча.

Пространственный профиль излучения в зоне обработки значительно влияет на скорость сверления и конусность микроотверстий, топологию поверхности материала около отверстия. При прямой фокусировке излучения(гауссов профиль) вокруг отверстия формируется значительный валик расплава и входная воронка, а типичные углы конусности для NiAl толщиной 2,5 мм составляют 0,3 о 0,5 о. При переносе изображения супергауссова пучка эти негативные эффекты резко снижаются (рис. 8 ), а конусность отверстия составляет?0,25 о.

Для образца из конструкционной стали толщиной 5 мм конусность оказалась 0,31 0 и 0,23 0 для прямой фокусировки и передачи изображения, соответственно. Фактически для частоты следования импульсов в пачке 30 кГц система передачи изображения уменьшает конусность отверстия в 1,52 раза (см. также таблицу 1 ). В тоже время пространственный профиль излучения практически не влиял на скорость сверления отверстия при толщинах образцов от 1 мм и выше. Заметное влияние наблюдалось лишь на малых толщинах 50 мкм и 100 мкм. В таблице 2 приведены данные по сверлению микроотверстий в фольге.

Таким образом, передача изображения на входную плоскость образца является эффективным способом для уменьшения конусности отверстий и минимизации входной воронки с валиком расплава.

Фокусирующая система
(«Световая» трубка)

Очень трудно сохранить небольшую конусность отверстия для большой толщины (56 мм) образца. Ограниченная фокальная длина фокусирующей линзы становится основной проблемой для достижения малой конусности. Возможным решением может быть использование фокусирующей системы, передающей заданный профиль лазерного луча с выходной апертуры усилителя с последующей фокусировкой на образец в виде длинной "световой" трубки, длина которой может быть гораздо больше, чем обычная конфокальная длина объектива. Для лазера с выходной апертурой ~ 45 мм разработана компактная афокальная система, которая создает "световую" трубку? 100 мкм и длиной? 3 мм, рис. 9 . Будущие эксперименты должны ответить за последствия такого подхода.

Закрытие ИП