Глибоке свердління. Лазерне свердління мікроотворів у жароміцних сплавах
Фахівці розробили чимало способів обробки діамантів для покращення якостей цього каміння. Найперевіренішим способом підвищення якості діамантів вважається лазерне свердління.
Такий вид обробки алмазів уперше застосували у комерційній практиці у 70-х роках минулого століття. Темні включення такі, як магнетити, пірротини та вуглецеві включення не покращують оптичні характеристики каменю і тим більше не приваблюють покупців. У процесі лазерного свердління ці включення випалюють, розчиняють за допомогою азотної або сірчаної кислот або освітлюють.
Лазерний промінь спеціального апарату, квантового генератора ІЧ-діапазону з довжиною хвиль близько 1060 нм, висвердлює мікроотвір діаметром не більше 20-60 мкм. 20 мкм дорівнює 0,02 мм, така товщина людського волосся. Свердління алмазупроводиться на глибину трохи більше 1,6 мм. Цей процес займає в середньому від 30 хвилин і більше.
Існує спосіб освітлення темних включень. Через отвір, висвердлений лазерним променем, надходить повітря, під впливом якого фарбування включення може стати значно світлішим. Ще один спосіб освітлення полягає в тому, що канал лазерного отвору у вакуумному середовищі вводять реактив, який освітлює або повністю розчиняє включення. Кінцевий результат залежить від хімічного складу цього включення.
При десятикратному збільшенні під мікроскопом або лупою розглянути канали лазерних отворів неважко, навіть якщо їх запломбували. Вони мають вид лійкоподібних виїмокна поверхні і прямих ліній білуватого кольору всередині. Для заповнення каналів з недавнього часу використовуються такі речовини, як синтетична смола або віск через високий коефіцієнт заломлення. Після заповнення каналу відповідним речовиною канал пломбують. Хоча запломбовані отвори менш помітні на поверхні і меншою мірою схильні до забруднення, у відбитому світлі можна побачити «кратер» у місці свердління. Виїмки круглої форми на поверхні можна намацати і вістрям голки. Слід враховувати, що якщо в процесі свердління отвори лазерний промінь потрапив у зону сильної внутрішньої напруги, навколо каналу утворюються легко помітні тріщинки напруги і спайності.
При оцінці подібного каміння виникають труднощі. Звичайно, візуальні гемологічні характеристики помітно покращуються, але свердління створює штучні дефекти у вигляді дрібних тріщин.
Діаманти відносять до певної групи чистоти з урахуванням їхнього зовнішнього вигляду та наявності просвердлених отворів. Слід зазначити, що метою лазерного свердління не підвищення ступеня чистоти діаманта, а освітлення темних включень. Це призводить до покращення зовнішнього вигляду каменю та більше приваблює покупців.
У відповідних сертифікатах якості, накладних та інших документах обов'язково повинна міститися інформація про результати втручання з боку людини та наявність отворів лазерного свердління.
Нещодавно було розроблено новий метод лазерної обробкиалмазів, у якому канал не виводиться поверхню. Цей вид обробки підходить для алмазів із темними включеннями, розташованими недалеко від поверхні. Але застосування цього методу все ж таки не гарантує відсутності нових тріщин спайності і напруги, «пір'я» і мікротріщин навколо включень. Такі дефекти, що існували до обробки, після застосування даного методу можуть посилитися. З іншого боку, нові тріщини, досягаючи поверхні, можуть зіграти роль каналів. При введенні кислот ці канали включення освітлюються. Цей метод підходить не для всіх каменів, але діаманти з темними включеннями, що знаходяться біля поверхні, з дрібними тріщинами - ідеальний матеріал для цього способу облагороджування.
Суть даного методу лазерної обробки полягає в тому, що лазери в режимі пульсуючого фокусують точно на місце включення. В результаті процесу виділяється значна кількість тепла, що сприяє поширенню тріщин до поверхні каменю. Таким чином, відпадає необхідність свердлити канал з утворенням вирви на поверхні. Розчинник, що легко проникає по нових тріщин до включення, або освітлює його, або розчиняє. Але і цей спосіб може призвести до утворення ямок та каверн на поверхні каменюз тією відмінністю, що їх форма буде не такою ідеально круглою, а розміри будуть трохи меншими.
Ще один метод лазерної обробкирозробили ізраїльські спеціалісти на початку 2000-х років. Його назвали КМ (скорочення від слів "КідуахМеухад"), що у перекладі з івриту означає «спеціальне свердління». Спосіб, що став популярним в Антверпені, застосовується для освітлення темних включень з мікротріщин за допомогою кислоти при дотриманні особливих умов. На найближчий до поверхні дефект спрямовують лазерний промінь, у результаті дефект поширюється на поверхню.
Після лазерного впливу алмаз опускають у концентровану кислоту і нагрівають до високої температури під тиском. Завдяки створеним умовам кислота проникає всередину до включення і розчиняє його.
Алмази після обробки методом КМ можна ідентифікувати за наявності блакитно-коричневих відтінків у відбитому світлі в місцях штучно створених тріщин, особливо при перекочуванні каменю. Чого не можна сказати про алмази, що обробляються за традиційною технологією лазерного свердління з утворенням помітних отворів на поверхні. Більш того, в алмазах, оброблених методом КМ, іноді можна помітити незначні залишки речовини чорноватого кольору у вигляді неправильних ліній на поверхні тріщин напруги, які утворилися в процесі лазерного впливу.
|
Технічні характеристики: |
|
|
Максимальний розмір заготовки, мм |
600 х 650 (інші за погодженням) |
|
Довжина хвилі UV-лазера, нм |
|
|
Частота імпульсів, кГц |
|
|
Потужність UV-лазера(Вт) при 60 кГц, не менше |
|
|
Точність позиціонування по осях Х, Y, мкм |
|
|
мін. діаметр отвору, мкм |
від 50 (залежить від налаштувань верстата) |
|
Макс. відношення діаметр/глибина отвору |
|
|
Поле обробки (без руху осей верстата), мм |
Макс.: 40х40 |
|
Макс. компенсація зміни висоти поверхні заготівлі, мм |
|
|
Габарити та вага: |
|
|
Розміри установки (Ш-Г-В) |
1320 х 1286 х 2286 мм |
|
Вага установки |
|
Верстат призначений для застосування у виробництві високоточних друкованих плат (ПП), гнучко-жорстких ПП, гнучких ПП та гнучких кабелів, ПП із вбудованими компонентами.
Основною відмінністю станка є використання в якості випромінювача УФ лазера з довгою хвилі 355 нм. Застосування ультрафіолетового лазера з довжиною імпульсу ~ 35 нс дозволяє проводити обробку різних видів матеріалів, забезпечуючи при цьому високу якість обробки (мінімізація нагару, гнучке управління процесом, зупинка точно на заданому шарі міді при виконанні глухих отворів). Крім того, на відміну від технології, що використовує ІЧ лазер, застосування верстата LaserFlex дозволяє позбутися підготовчих операцій, необхідних для обробки міді на ІЧ лазері (наприклад, оксидування) та постобробки (видалення нагару).
Таким чином, універсальний верстат LaserFlex є оптимальним засобом для вирішення таких завдань, як:
- Видалення полімерних покривних плівок
- Свердління та різання фольгованих міддю полімерних ламінатів
- Обробка гнучких та гнучко-жорстких ПП
- Свердління та різання внутрішніх шарів та препрегів, наприклад, FR4
- Відділення або «вивільнення» провідників та структурування порожнин
- Свердління мікроотворів у т.ч. глухих
Швидкість, точність та якість обробки забезпечують наступні вузли:
- Стабільна гранітна основа, призначена для компенсації механічних моментів при русі осей та для температурної стабілізації параметрів руху
- Високодинамічні лінійні двигуни (осі X, Y)
- Вбудований індикатор потужності випромінювання лазера дозволяє швидко і точно коригувати параметри джерела випромінювання, спираючись на фактичне значення вихідної потужності лазера. Дозволяє максимально точно підібрати режим обробки та підтримувати його за будь-яких умов: при нормальній експлуатації, у разі забруднення оптичної системи, між регламентними роботами і навіть у разі втрати потужності джерелом випромінювання внаслідок зносу в ході тривалої експлуатації.
Зручність у використанні та безпека:
Верстат LaserFlex, що керується за допомогою сенсорного дисплея з дружелюбним інтерфейсом спеціалізованого програмного забезпечення, буде поєднувати в собі простоту і зручність у використанні з
воістину вражаючою продуктивністю. Проста та інтуїтивно-зрозуміла керуюча оболонка позбавляє необхідності проводити тривале навчання операторів.
Верстат оснащений усіма необхідними засобами захисту, які відповідають світовим стандартам. Це забезпечує, за дотримання техніки безпеки, безпечну та безаварійну роботу на верстаті.
Фіксація та базування заготівлі:
Для фіксації заготовки верстат оснащений вакуумним столом, що дозволяє уникнути застрягання, і хвилястості при фіксації гнучких і гнучко-жорстких заготовок.
Положення заготовки на столі визначається за мітками з використанням CCD-камери.
Формати даних:
Як вхідні використовуються дані у форматах: DXF, Gerber, Bitmap.
Як додаткове обладнання можуть бути придбані:
- Компресор із системою фільтрів для забезпечення стисненим повітрям необхідної якості
- Джерело безперебійного живлення
Верстати серії Pico
|
Технічні характеристики |
||
|
Керуючий інтрефейс |
||
|
Довжина хвилі лазера, нм |
||
|
Потужність Лазера, Вт |
||
|
Тривалість імпульсу, пс |
||
|
Система кріплення заготовок |
Вакуумний стіл |
|
|
Зона обробки, мм |
||
|
Кількість обробних станцій |
||
|
Повторюваність, мкм |
||
|
Точність позиціонування, мкм |
||
|
Габарити та вага: |
||
|
Загальна вага, кг |
||
|
Габаритні розміри (ДШВ), мм |
2100х1920х1720 |
|
Призначення та принцип дії
Лазерний обробний центр Picodrill – це високопродуктивна та високоточна установка для свердління, нарізки та структурування різних матеріалів. Застосування лазера пікосекундних імпульсів високої енергії уможливлює холодне прецизійне зняття матеріалу. Як опція пропонується повністю автоматичний режим обробки.
Можливі сфери застосування при виробництві ПП
- Свердління мікроотворів у заготовках друкованих плат, до 4000 за секунду
- Мікроструктурування, прецизійна обробка деталей зі скла та кераміки
- Нарізка та свердління електронних компонентів, напівпровідникових підкладок
- Свердління мікроотворів
Якість обробки
Завдяки пікосекундному лазеру можливо холодне
видалення практично будь-якого матеріалу. Середня потужність лазера 25 Вт та пікова потужність імпульсу макс. до 70 МВт в імпульсі, забезпечують можливість видалення найдрібніших обсягів матеріалу без залишкових продуктів горіння.
Автоматичне керування процесом
- Установка має сенсори для компенсації товщини компонентів.
- Автоматичне коригування фокусу здійснюється за рахунок автоматичного підстроювання осі Z.
- Пристрої вимірювання енергії лазера забезпечують зворотний зв'язок та автоматичне підстроювання енергії лазера. Точність може бути значно покращена при
- використання системи сканування по 3 осях.
Контроль за допомогою CCD-камери
Обидві робочі станції мають CCD-камери високої роздільної здатності з кільцевим світлодіодним підсвічуванням. Це уможливлює автоматичне коригування зміщення, повороту, стиснення або розтягування заготовки.
Опції
Тенденції розвитку сучасної електроніки ставлять перед виробництвом друкованих плат завдання завдань нового рівня. Прогрес мобільних технологій і зростання попиту на такі як пристрої смартфони та ультрабуки на сьогоднішній день вимагають від ПП максимальної мініатюризації, збільшення щільності з'єднань і при цьому найвищої якості.
Швидкий розвиток лазерної техніки та технології відкриває для виробництва друкованих плат двері у завтрашній день, не залишаючи поза увагою сьогоднішній. Лазерне обладнання застосовується не тільки там, де закінчуються можливості механічної обробки (свердління мікроотворів від 50 мкм, обробка матеріалів, що важко піддаються механічній обробці, і т.п.), але і для виконання доступних механіці операцій, з більшою точністю і продуктивністю (свердління мікроотворів зі швидкістю до 1000 отв./сек, понад точне свердління та фрезерування на задану глибину). При цьому можливість регулювати режим обробки як за рахунок потужності випромінювання, так і за рахунок його тимчасових і частотних характеристик дозволяє досягти найвищої якості обробки.
Промислова обробка матеріалівстала однією з областей найширшого використання лазерів. До появи лазерів основними тепловими джерелами для технологічної обробки були газовий пальник, електродуговий розряд, плазмова дуга та електронний потік. З появою лазерів, що випромінюють велику енергію, виявилося можливим створювати на оброблюваній поверхні високі щільності світлового потоку. Роль лазерів як світлових джерел, що працюють у безперервному, імпульсному режимах або в режимі гігантських імпульсів, полягає в забезпеченні на поверхні матеріалу, що обробляється щільності потужності, достатньої для його нагрівання, плавлення або випаровування, які лежать в основі лазерної технології.
В даний час лазер успішно виконує цілу низку технологічних операцій і, перш за все таких, як різання, зварювання, свердління отворів, термічна обробка поверхні, скрайбування, маркування, гравіювання тощо, а в ряді випадків забезпечує переваги в порівнянні з іншими видами обробки. Так, свердління отворів у матеріалі може бути виконане швидше, а скрайбування різнорідних матеріалів є більш досконалим. Крім того, деякі види операцій, які раніше виконати було неможливо через важку доступність, виконуються з великим успіхом. Наприклад, зварювання матеріалів та свердління отворів можуть виконуватися через скло у вакуумі або атмосфері різних газів.
Слово «лазер» складено з початкових літер в англійському словосполученні Light Amplification by Stimulated Emi ion of Radiation, що у перекладі російською означає: посилення світла у вигляді вимушеного випромінювання. Класично так склалося, що при описі лазерних технологій обробки матеріалів основна увага приділяється лише безпосередньо лазерам, принципам їх роботи та технічним параметрам. Однак, для того щоб реалізувати будь-який процес лазерної розмірної обробки матеріалів, крім лазера необхідні ще система фокусування променя, пристрій керування рухом променя по поверхні виробу, що обробляється, або пристрій переміщення виробу щодо променя, система піддуву газів, оптичні системи наведення і позиціонування, програмне забезпечення управління процесами лазерного різання, гравіювання і т.д. У більшості випадків вибір параметрів пристроїв та систем, що обслуговують безпосередньо лазер, є не менш важливим, ніж параметри самого лазера. Наприклад, для маркування підшипників діаметром менше 10 мм, або прецизійного точкового лазерного зварювання час, що витрачається на позиціонування виробу і фокусування, перевищує час гравіювання або зварювання на один-два порядку (час нанесення маркувального напису на підшипник приблизно 0,5). Тому без використання автоматичних систем позиціонування та фокусування використання лазерних комплексів у багатьох випадках стають економічно недоцільними. Аналогія лазерних систем із автомобілями показує, що лазер виконує функції двигуна. Яким би хорошим двигуном не був, але без коліс і всього іншого автомобіль не поїде.
Ще одним важливим фактором у виборі лазерних технологічних систем є простота їхнього обслуговування. Як показала практика, оператори мають невисоку кваліфікацію обслуговування такого обладнання. Однією з причин цього є те, що лазерні комплекси встановлюють здебільшого на заміну застарілим технологічним процесам (ударне та хімічне маркування виробів, механічне гравіювання, ручне зварювання, ручне розмітка тощо). Керівники підприємств, які проводять модернізацію свого виробництва, як правило, з етичних міркувань, замінюючи старе обладнання на нове, залишають старий (у прямому та переносному сенсах) обслуговуючий персонал. Тому для впровадження лазерних технологічних систем у виробництво за даних початкових умов його розвитку (у пострадянських республіках) необхідно передбачати максимально можливий рівень автоматизації та простоти навчання. Не слід відкидати і той факт, що зарплата некваліфікованого персоналу нижча за підготовлений фахівець. Тому економічно вигідніше купувати складне обладнання з можливістю простоти у його обслуговуванні, ніж запрошувати висококваліфікований персонал.
Таким чином, завдання використання лазерних технологій у сучасному виробництві слід розглядати не тільки з точки зору технічних параметрів безпосередньо лазера, але і з урахуванням характеристик обладнання, програмного забезпечення, які дозволяють використовувати специфічні властивості лазера для вирішення окремо взятої технологічної задачі.
Будь-яка лазерна система, призначена для розмірної обробки матеріалів,
характеризується такими параметрами:
- Швидкістю обробки (різа, гравіювання тощо);
- Роздільна здатність;
- Точністю обробки;
- Розміром робочого поля;
- Діапазоном матеріалів обробки (чорні метали, кольорові метали, дерево, пластмаса і т.д.);
- Діапазоном розмірів і маси виробів, призначених для обробки;
- конфігурацією виробів (наприклад, гравіювання на плоскій, циліндричній, хвилеподібній поверхнях);
- Необхідним часом зміни виконуваних завдань (зміна малюнка гравіювання, конфігурації - лінії різу, зміна матеріалу обробки і т.п.);
- часом встановлення та позиціонування виробу;
— параметрами умов навколишнього середовища (діапазон температур, вологість, запиленість) — яких може експлуатуватися система;
- вимогами до кваліфікації обслуговуючого персоналу.
Виходячи з цих параметрів, вибирається тип лазера, пристрій розгортки променя, розробляється конструкція кріплення виробу, рівень автоматизації системи в цілому, вирішується питання про необхідність написання спеціалізованих програм для підготовки файлів малюнків, ліній різання тощо.
Основними технічними характеристиками, що визначає характер обробки, відіграють енергетичні параметри лазера - енергія, потужність, щільність енергії, тривалість імпульсу, просторова та тимчасова структура випромінювання, просторовий розподіл щільності потужності випромінювання в плямі фокусування, умови фокусування, фізичні властивості матеріалу (відбивна здатність, тепло , температура плавлення і т. д.). Розглянемо основні типи лазерів та характеристики їхнього випромінювання. Як активні середовища лазерів використовуються тверді тіла, рідини і гази. У лазерах на твердих тілах активними середовищами є кристалічні чи аморфні речовини із домішками деяких елементів. Відомо велика кількість твердих речовин, придатних для використання в лазерах, однак у практиці обробки матеріалів широко використовуються тільки деякі: Аl2O3 з домішкою окису хрому (рубін); скло, ітрійалюмінієвий гранат Y3Al5O12 та вольфрамат кальцію CaWO4, активовані неодимом. Зазначені активні середовища дозволяють, порівняно з іншими матеріалами, створювати лазери з великою вихідною енергією та високим к.п.д. За принципом дії до твердотільних лазерів близькі рідинні лазери, у яких як активне середовище використовуються рідкі діелектрики з розчиненими домішками.
Енергія імпульсу випромінювання твердотільних і рідинних лазерів (в режимі вільної генерації) змінюється від десятих часток Джоуля до 103 Дж і вище, а в режимі модульованої добротності до декількох десятків і сотень Джоулів. Потужність випромінювання імпульсних лазерів залежно від режиму роботи може змінюватися від сотень кіловат (вільна генерація) до Гіговатт (модульована добротність). При пічковому режимі роботи (невпорядкована генерація) різницю між середньоінтегральною за імпульс потужністю і потужністю окремого пічка може досягати двох порядків. Зазначена різниця дещо менша для імпульсу з упорядкованою структурою (регулярний імпульс). Середньоінтегральна потужність трохи відрізняється від потужності в будь-який момент часу для квазістаціонарного імпульсу випромінювання. Тому квазистаціонарний режим генерації представляє практичний інтерес для процесів зварювання та обробки матеріалів як режим, за допомогою якого можна здійснити «м'яке» нагрівання. Використання цього режиму зменшує винесення матеріалу із зони впливу.
Граничне значення к.п.д. лазерів обумовлюється переважно внутрішніми втратами в кристалі активного середовища та ефективністю використання енергії накачування. Так, для лазерів на рубіні величина реального к.п.д. не перевищує 1%, а для лазерів на склі з неодимом – 2%.
Іншим різновидом є газові лазери, Активним середовищем яких служить газ, суміш декількох газів або суміш газу з парами металу. До газових належать і хімічні лазери., тому що для них застосовуються газоподібні активні середовища. У хімічному лазері збудження активного середовища забезпечується швидкоплинними хімічними реакціями. Як активні частинки в газових лазерах використовуються нейтральні атоми, іони і молекули газів. Лазери на нейтральних атомах дозволяють генерувати випромінювання з довжиною хвилі переважно в інфрачервоній частині спектра та деякі – у червоній області видимого спектру.
Іонні газові лазери дають випромінювання в основному видиме та ультрафіолетове. Молекулярні газові лазери генерують випромінювання з довжиною хвилі 10-100 мкм (інфрачервоний та субміліметровий діапазони). Потужність лазерів на нейтральних атомах, наприклад гелійнеонового в безперервному режимі, не перевищує 50 мВт, іонних (аргоновий) досягає 500 Вт, а молекулярні є найбільш потужними. Так, лазери на вуглекислому газі дають у безперервному режимі вихідну потужність у кілька десятків кіловат. К.п.д. лазерів на нейтральних атомах та іонах практично не перевищує 0,1%, молекулярні мають значно більший к.п.д., що досягає 20%.
Найбільш перспективними для використання у багатьох технологічних процесах є волоконні лазери. В даний час на ринку представлені одномодові волоконні лазери із середньою вихідною потужністю до 2 кВт, маломодові до 10 кВт та багатомодові системи з вихідною потужністю до 50 кВт. Найбільших рівнів потужності досягнуто в лазерах на YЬ-активованому волокні, що генерують випромінювання з довжиною хвилі 1,07 мкм, яке поглинається в металах краще, ніж випромінювання з довжиною хвилі 10,6 мкм. Крім того, в 10 разів менша довжина хвилі дозволяє отримати меншу розбіжність випромінювання, а отже, краще сфокусувати його. Цим пояснюється той факт, що навіть відносно малопотужні 100-ватні одномодові лазери забезпечують різання сталі завтовшки 1,5 мм зі швидкістю до 4 м/хв. Технічні характеристики волоконних лазерів дозволяють реалізувати режим дистанційного зварювання, що суттєво спрощує вбудовування лазерного обладнання в сучасні роботизовані виробничі лінії, і різко збільшує швидкість зварювання.
Але не тільки в потужності та розбіжності пучків справа. Ще один параметр, який різко виділяє волоконні лазери, - Висока енергетична ефективність. Накачування активованого волокна здійснюється лазерними діодами, к.п.д. яких перевищує 60%, завдяки чому повний (або від розетки) к.п.д. волоконних лазерів становить 28-30% (у багато разів вище, ніж у кращих промислових лазерів на С02, а також твердотільних лазерів з напівпровідниковим та ламповим накачуванням). Завдяки цьому їх експлуатаційні витрати на енергоспоживання та охолодження виявляються в 5-8 разів меншими, ніж у лазерів на СО2, і приблизно в 20-50 разів меншими, ніж у твердотільних лазерів з ламповим накачуванням. Останній факт, а також відсутність у волоконних лазерах вузлів, що юстуються, виконання їх у вигляді інтегральних волоконних пристроїв, забезпечують високу надійність систем в цілому. Конструктивно і з точки зору експлуатації волоконні лазери ближчі до суто електронного обладнання, ніж до промислових лазерів інших типів. До цього слід додати, що вони мало потребують регламентного обслуговування.
Хорошій інтегрованості волоконних лазерів у сучасне технологічне обладнання сприяє і те, що їх вихідне випромінювання чудово транспортується без втрати потужності та просторових характеристик тонкими кварцовими волокнами, захищеними від механічних впливів гнучкими металорукавами діаметром 8…15 мм. Довжина подібних кабелів волокон досягає 200 м і при необхідності може бути збільшена.
Нижче розглянуті спеціалізовані завдання, які вирішуються лазерними технологічними системами. Акцент зміщений на характеристиках лазерів, призначених на вирішення цих завдань.
Лазерне різання металів
Застосування лазерів для різання металів, так само як і неметалів, зумовлене такими перевагами в порівнянні з традиційними методами: великим класом матеріалів, що розрізаються; можливістю отримання тонких розрізів завдяки гострому фокусуванню лазерного променя; малою зоною термічного впливу випромінювання; мінімальним механічним впливом, що надається на матеріал; можливістю швидкого включення та вимикання пристрою з високою точністю; хімічною чистотою процесу різання; можливістю автоматизації процесу та отримання високої продуктивності методу; можливістю різання за складним профілем у двох і навіть трьох вимірах.
Лазерна різання, як і інші види лазерної обробки, заснована на тепловій дії випромінювання і відбувається при джерелі тепла, що рухається, який може переміщатися у двох взаємно перпендикулярних напрямках за допомогою спеціальної оптичної системи, що дозволяє сформувати пляму з великою щільністю і підвести її в необхідну точку оброблюваного зразка .
Різання щодо товстих металевих листів проводиться, як правило, з піддувом активного газу (кисню) до зони різання. Сутність цього процесу, що отримав назву газолазерного різання (ГЛР), полягає в тому, що випромінювання лазера фокусується оптичною системою на поверхні оброблюваного матеріалу і за допомогою спеціального пристрою співвісно з променем подається кисень. При лазерному різанні металів кисень виконує такі функції:
підтримує горіння металу;
видаляє продукти руйнування та очищає зону різання шляхом видування газоподібних продуктів та крапельної фракції;
інтенсивно охолоджує прилеглі до зони різання ділянки матеріалу.
Наявність струменя кисню при різанні металів дозволяє суттєво збільшити глибину, швидкість різання та отримати якісні кромки. Невелика частка падаючого випромінювання поглинається поверхневим шаром металу та призводить до його нагрівання. Плівка окислів, що утворюється, збільшує частку поглинається енергії, і температура металів зростає до точки плавлення. Рідкий метал і оксиди видуваються струменем кисню із зони різання, полегшуючи цим окислення розташованих нижче шарів. Це продовжується доти, доки лист металу не буде прорізаний на повну глибину. Мале енерговкладання та висока концентрація енергії дозволяють отримати паралельні кромки при малій ширині різу (0,1-0,5 мм) та незначній зоні термічного впливу.
Швидкість різання товстих листів зростає зі збільшенням потужності лазера та залежить від товщини листа та теплопровідності металу. При потужності лазера близько 400-600 Вт можна різати чорні метали і титан зі швидкістю близько кількох метрів за хвилину, тоді як різання металів з високою теплопровідністю (мідь, алюміній) становить певну складність. У літературі є достатня кількість інформації про суттєвий вплив енергії хімічної реакції на швидкість різання та чистоту кромок, проте складність процесу не дозволяє зробити будь-які кількісні оцінки, тим більше що невідомі склад кінцевих продуктів окислення, частка крапельної фракції металу, що видувається струменем газу, та прихована теплота фазових переходів (плавлення, випаровування). У таблиці 1 показані середні значення швидкості різання різних металів.
Таблиця 1.
Газолазерне різання часто порівнюють з мікроплазмовою, яка дозволяє проводити розріз товстіших листів металу і з більшою швидкістю. Однак слід зазначити, що ГЛР забезпечує кращу локальність і більшу щільність енергії, що підводиться, внаслідок чого зменшується зона термічного впливу.
Механічна різка титану внаслідок високої його в'язкості є скрутною, а плазмова дає велику зону термічного впливу та газонасичення кромок. Застосування ГЛР призводить до скорочення витрат на обробку на 75%. При ГЛР важливим моментом у визначенні швидкості різання є правильно обрана швидкість закінчення із сопла газового струменя, який визначається тиском газу в різаку.
Ефективність процесу ГЛР алюмінію залежить від стану поверхні. Різання листів з гладкою необробленою поверхнею істотно ускладнюється, тоді як піскоструминна обробка поверхні дозволяє здійснювати ГЛР, але якість різу при цьому невисока (він являє собою регулярну послідовність отворів). Оксидування, пасивування, анодування та азотування поверхні гладкого листа не забезпечували достатніх умов для ГЛР. Є труднощі при різанні таких матеріалів, як мідь, латунь. Справа в тому, що ці метали мають високий коефіцієнт відображення лазерного випромінювання, як в холодному, так і в нагрітому стані і високу теплопровідність. Окисні плівки, що утворюються на них, мають малу товщину і неефективно поглинають лазерне випромінювання.
Лазерне свердління отворів у металах
Використання лазера як свердлувальний інструмент дає переваги.
Відсутній механічний контакт між свердлим інструментом та матеріалом, а також поломка та знос свердлів.
Збільшується точність розміщення отвору, так як оптика, що використовується для фокусування лазерного променя, використовується також і для наведення його в потрібну точку. Отвори можуть бути орієнтовані у будь-якому напрямку.
Досягається більше відношення глибини до діаметра свердління, ніж це має місце за інших способів свердління.
При свердлінні, як і і при різанні, властивості оброблюваного матеріалу істотно впливають параметри лазера, необхідні виконання операції. Свердління здійснюють імпульсними лазерами, що працюють як у режимі вільної генерації з тривалістю імпульсів порядку 1 мкс, так і в режимі з модульованою добротністю з тривалістю кілька десятків наносекунд. В обох випадках відбувається тепловий вплив на матеріал, його плавлення та випаровування. У глибину отвір росте в основному за рахунок випаровування, а по діаметру за рахунок плавлення стінок і витікання рідини при надмірному тиску парів, що створюється.
Як правило, глибокі отвори бажаного діаметру виходять при використанні лазерних імпульсів малої енергії, що повторюються. В цьому випадку утворюються отвори з меншою конусністю та кращою якістю, ніж отвори, отримані з більш високою енергією одиночного імпульсу. Виняток становлять матеріали, що містять елементи, здатні створювати високий тиск пари. Так, латунь зварювати дуже важко лазерним імпульсним випромінюванням через високий вміст цинку, проте при свердлінні латунь має деякі переваги, оскільки атоми цинку значно покращують механізм випаровування.
Оскільки багатоімпульсний режим дозволяє одержувати отвори кращої якості потрібної геометрії та з невеликим відхиленням від заданих розмірів, то на практиці цей режим набув поширення при свердлінні отворів тонких металів та неметалічних матеріалів. Однак при свердлінні отворів у товстих матеріалах переважними є одиночні імпульси великої енергії. Діафрагмування лазерного потоку дозволяє одержати фігурні отвори, проте цей спосіб частіше використовується при обробці тонких плівок та неметалічних матеріалів. У тому випадку, коли лазерне свердління виробляється в тонких листах товщиною менше 0,5 мм, має місце деяка уніфікація процесу, що полягає в тому, що отвори діаметром від 0,001 до 0,2 мм можуть бути виготовлені у всіх металах відносно низьких потужностях.
Висвердлювання отворів у металах може бути використане в ряді випадків. Так, за допомогою імпульсних лазерів може бути зроблено динамічне балансування деталей, що обертаються з високою швидкістю. Дисбаланс вибирається шляхом локального виплавлення певного обсягу матеріалу. Лазер може бути використаний також для припасування електронних елементів або локальним випаром матеріалу, або за рахунок загального розігріву. Висока щільність потужності, малий розмір плями та мала тривалість імпульсу роблять лазер ідеальним інструментом для цих цілей.
Лазери, які застосовуються для свердління отворів у металі, повинні забезпечити у фокусованому промені щільність потужності порядку 107 - 108 Вт/см2. Свердління отворів металевими свердлами діаметром менше 0,25 мм є важким практичним завданням, у той час як лазерне свердління дозволяє одержувати отвори діаметром, порівнянним з довжиною хвилі випромінювання, з досить високою точністю розміщення. Фахівцями фірми «Дженерал Електрик» (США) підраховано, що лазерне свердління отворів у порівнянні з електронно-променевою обробкою має високу економічну конкурентоспроможність. В даний час для свердління отворів використовуються в основному твердотільні лазери. Вони забезпечують частоту проходження імпульсів до 1000 Гц і потужність у безперервному режимі від 1 до 103 Вт, в імпульсному - до сотень кіловат, а в режимі з модуляцією добротності - до кількох мегават. Деякі результати обробки такими лазерами наведено у табл. 3.
Таблиця 3.
| Метал | Товщина, мм | Діаметр отвору, мм | Тривалість свердління |
Енергія лазера Дж |
|
| вхідного | вихідного | ||||
| Нержавіюча сталь | 0,65 0,9 1,78 |
0,25 0,5 0,3 |
0,15 0,25 0,22 |
10 імпульсів 2,35 0,8 |
0,15 0,25 16,0 |
| Нікелева 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 |
| Магній | 1,6 0,5 |
0,4 0,25 |
0,3 0,2 |
2,0 2,0 |
3,3 3,3 |
| Молібден | 0,5 0,8 |
0,25 0,2 |
0,25 0,2 |
2,35 2,25 |
5,9 4,9 |
| Мідь | 1,6 | 0,3 | 0,15 | 2,35 | 5,9 |
| Тантал | 1,6 | 0,3 | 0,1 | 2,42 | 8,0 |
Лазерне зварювання у своєму розвитку мало два етапи. Спочатку набула розвитку точкове зварювання. Це пояснювалося наявністю тоді потужних імпульсних твердотільних лазерів. В даний час за наявності потужних газових СО2-і твердотільних Nd: YAG-лазерів, що забезпечують безперервне та імпульсно-безперервне випромінювання, можливе шовне зварювання з глибиною проплавлення до декількох міліметрів. Лазерне зварювання має низку переваг у порівнянні з іншими видами зварювання. За наявності високої щільності світлового потоку та оптичної системи можливе локальне проплавлення у заданій точці з великою точністю. Ця обставина дозволяє зварювати матеріали у важкодоступних ділянках, у вакуумній або газонаповненій камері за наявності в ній вікон, прозорих для лазерного випромінювання. Зварювання, наприклад, елементів мікроелектроніки в камері з атмосферою інертного газу є особливим практичним інтересом, оскільки в цьому випадку відсутні реакції окислення.
Зварювання деталей відбувається при значно менших щільностях потужності, ніж різання. Це тим, що з зварюванні необхідні лише розігрів і плавлення матеріалу, т. е. необхідні щільності потужності, ще недостатні для інтенсивного випаровування (105—106 Вт/см2), при тривалості імпульсу близько 10-3-10-4 з. Оскільки випромінювання лазера, сфокусоване на оброблюваному матеріалі, є поверхневим тепловим джерелом, то передача тепла в глибину деталей, що зварюються здійснюється за рахунок теплопровідності і зона проплавлення з часом при правильно підібраному режимі зварювання змінюється. У разі недостатніх щільностей потужності має місце непроплавлення звариваної зони, а за наявності великих щільностей потужності спостерігаються випаровування металу та утворення лунок.
Зварювання можна проводити на установці для газолазерного різання при менших потужностях та використанні слабкого піддуву інертного газу в зону зварювання. При потужності СО2-лазера близько 200 Вт вдається зварювати сталь завтовшки до 0,8 мм зі швидкістю 0,12 м/хв; якість шва виходить не гірше, ніж при електроннопроменевій обробці. Електроннопроменеве зварювання має дещо більші швидкості зварювання, проте проводиться у вакуумній камері, що створює великі незручності і вимагає значних загальних тимчасових витрат.
У табл. 4 наведені дані щодо стикового зварювання СО2-лазером, потужністю 250 Вт різних матеріалів.
Таблиця 4. За інших потужностей випромінювання СО2-лазера отримані дані шовного зварювання, наведені в табл. 5. При зварюванні внахлест, торцевий і кутовий були отримані швидкості, близькі до зазначених у таблиці, при повному проплавленні матеріалу, що зварюється в зоні впливу променя.
Таблиця 5. Лазерні зварювальні системи здатні зварювати різнорідні метали, виробляти мінімальний тепловий вплив за рахунок малого розміру лазерної плями, а також зварювати тонкі тяганини діаметром менше 20 мкм за схемою провід-провід або провід-лист.
Різання неметалічних матеріалів
Лазерний промінь з великим успіхом застосовується для різання неметалічних матеріалів, таких, як пластмаса, склопластики, композиційні матеріали на основі бору та вуглецю, кераміка, гума, дерево, азбест, текстильні матеріали і т. д. Даний асортимент матеріалів, як правило, має меншу температуропровідністю, ніж метали, і тому питоме енерговкладання для процесу різання значно менше. Тому порогова щільність потоку, необхідна початку різання неметалів, слабко залежить від товщини листа.
Для різання неметалічних матеріалів, так само як і металів, використовують переважно ІАГ- та СО2-лазери безперервного випромінювання. Щоб підвищити ефективність різання, застосовують піддування в зону різання активного або нейтрального газу, який видує випаровані крапельні фракції і виробляє охолодження локальної ділянки, що обробляється, дозволяючи різати матеріали з малим їх обвуглюванням і оплавленням.
У процесі ГЛР діелектриків вирішальну роль у їх руйнуванні грає видування із зони різання дрібнодисперсної та крапельної фракції, що утворюються при тепловому впливі лазерного випромінювання. Виняток становлять матеріали на основі фенолформальдегідних смол: текстоліт, склотекстоліт та ін. Даний вид матеріалів під дією лазерного випромінювання перетворюється на в'язку масу, що спеклася, яку важко видалити з різу за допомогою газового струменя: потрібні великі енерговитрати на випаровування продуктів руйнування.
Газолазерне різання дозволяє отримувати чистий розріз діелектриків з добрими якостями кромки різу. При цьому з боку входу кромка променя має кращу якість, а з боку виходу спостерігається деяке оплавлення. Різання матеріалу органічного походження великої товщини відрізняється цікавою особливістю; ширина різу на виході значно менше, ніж можна було б очікувати виходячи з геометричної розбіжності променя, що формується оптикою, що фокусує.
За наявності достатньої потужності випромінювання лазера можна виконати процес ГЛР скла та кварцу. При цьому якість різання висока, але з боку виходу та входу кромкового променя злегка оплавлені.
Великі перспективи відкриваються під час використання ГЛР для розкрою текстилю. Наявні результати експериментального дослідження різання як окремих шарів, так і багатошарових настилів показують, що в кожному конкретному випадку існують режими роботи лазерів і швидкості переміщення матеріалу, що обробляється, при яких розріз виходить високої якості без обгорання.
У табл. 6 наведено результати різання деяких діелектричних матеріалів СО2-лазером.
Таблиця 6. Свердління неметалічних матеріалів
Свердління отворів є одним із перших напрямків лазерної технології. Спочатку, пропалюючи отвори у різних матеріалах, експериментатори з допомогою оцінювали енергію випромінювання лазерних імпульсів. Нині процес лазерного свердління стає самостійним напрямом лазерної технології. До матеріалів, що підлягають свердлінню за допомогою променя лазера, відносяться такі неметали, як алмази, рубінові камені, ферити, кераміка та ін, свердління отворів у яких звичайними методами становить певну труднощі або малоефективним. За допомогою лазерного променя можна свердлити отвори різного діаметра. Для цієї операції використовують такі два методи. При першому методі лазерний промінь переміщається по заданому контуру і форма отвору визначається траєкторією його відносного переміщення. Тут має місце процес різання, при якому теплове джерело переміщається з певною швидкістю в заданому напрямку: при цьому зазвичай застосовуються лазери безперервного випромінювання, а також імпульсні, що працюють з підвищеною частотою проходження імпульсів.
При другому методі, що отримав назву проекційного, отвір, що обробляється, повторює форму лазерного променя, якому за допомогою оптичної системи можна надати будь-який переріз. Проекційний метод свердління отворів має деякі переваги, порівняно з першим. Так, якщо на шляху променя поставити діафрагму (маску), то таким чином можна зрізати його периферійну частину і отримати відносно рівномірний розподіл інтенсивності перерізу променя. Завдяки цьому межа опромінюваної зони виявляється більш різкою, конусність отвору при цьому зменшується, а якість покращується.
Існує ряд прийомів, що дозволяють додатково вибрати з оброблюваного отвору частину розплавленого матеріалу. Один із них — створення надлишкового тиску стисненим повітрям або іншими газами, що подаються в зону свердління за допомогою сопла, співвісного з лазерним випромінюванням. Цей спосіб використовувався для свердління отворів діаметром 0,05-0,5 мм у керамічних пластинках товщиною до 2,5 мм при використанні СО2-лазера, що працює в безперервному режимі.
Свердління отворів у твердій кераміці є непростим завданням: при звичайному способі потрібна наявність алмазного інструменту, а при інших існуючих методах труднощі пов'язані з розміром отвору в діаметрі, що дорівнює десятим часткам міліметра. Ці труднощі особливо відчутні, коли товщина пластини, що обробляється більше, ніж діаметр отвору. Відношення глибини отвору (товщини матеріалу) до його діаметра є мірою якості одержання тонких отворів; воно становить 2:1 при звичайному свердлінні і близько 4:1 при ультразвуковому методі, що використовується при свердлінні кераміки та інших тугоплавких матеріалів.
Лазерний метод свердління даного класу матеріалів дозволяє отримати краще відношення при дуже високій точності розміщення отворів та відносно менших часових витрат. Так, при лазерному свердлінні високощільної полікристалічної глиноземної кераміки використовувався рубіновий лазер з енергією в імпульсі 1,4 Дж, лінзою сфокусованої з фокусною відстанню 25 мм на поверхні диска і забезпечує щільність потужності близько 4-106 Вт/см2. У середньому 40 імпульсів при частоті 1 Гц знадобилося, щоб просвердлити керамічний диск товщиною 3,2 мм. Тривалість лазерного імпульсу становила 0,5 мс. Отримані отвори мали конусність з діаметром на вході близько 0,5 мм, але в виході 0,1 мм. Видно, що відношення глибини до середнього діаметру отвору становить близько 11:1, що значно більше за аналогічне відношення при інших способах свердління отворів. Для простих матеріалів це відношення при лазерному свердлінні може становити 50:1.
Для видалення продуктів згоряння та рідкої фази із зони свердління використовується піддув повітрям або іншими газами. Більш ефективне видування продуктів відбувається при поєднанні піддува з передньої сторони та розрядження зі зворотного боку зразка. Аналогічна схема використовувалася для свердління отворів у кераміці завтовшки до 5 мм. Однак ефективне видалення рідкої фази в цьому випадку відбувається тільки після утворення наскрізного отвору.
У табл. 7 наведено параметри отворів у деяких неметалевих матеріалах та режими їх обробки.
Таблиця 7.
| Матеріал | Параметри отвору | Режим обробки | |||||
| Діаметр, мм | Глибина, мм | Відношення глибини до діаметру | Енергія, Дж | Тривалість імпульсу x10-4, з |
Щільність потоку, Вт/см2 | Кількість імпульсів на | |
Вид механічної обробки чорних металів шляхом різання отворів механізмами, що обертаються, називають свердлінням.
Розрізняють просте та глибоке свердління.
У другому випадку глибина отвору має бути більше 10 см., або розміром углиб понад 5 вихідних діаметрів (5*d). За допомогою свердлів одержують отвори різної глибини і діаметра або багатогранного перерізу.
Обробка заготівлі з метою її свердління може проводитись декількома способами:
- Заготівля обертається, при цьому одночасно проводиться поздовжня подача свердлильного інструменту, що не обертається;
- Заготівля не обертається, зафіксована;
- Одночасне обертання заготовки та інструменту.
Всі ці методи широко використовуються практично. Найбільший попит на процес глибокого свердління є у таких сферах: металургія, виробництво труб, нафтогазова та аерокосмічна промисловість, випуск плит теплообмінників та бойлерів та багато інших. Найчастіше застосовують такі деталі з глибокими отворами: ротори, вали, осі, втулки, гільзи, циліндри, бандажі, металеві шкаралупи та багато іншого.
Виконаємо повний комплекс робіт з механічної обробки металу:
Різновиди глибокого свердління
- За схемою видалення висвердлюваного матеріалу (стружки) розрізняють: суцільне та кільцеве свердління. У першому варіанті висвердлюваний матеріал видаляється у вигляді стружки, у другому - частина кільцевої площини видаляється у вигляді стрижня, решта - також у вигляді стружки;
- За способом різання розрізняють такі види:
- Одноштангова система (система STS). Цей метод оптимально підходить для обробки деталей на високопродуктивному чи серійному виробництві. Складність процесу полягає в тому, що потрібно застосовувати маслоприймач з численними шлангами, що подають, при цьому заготівля обертається. Одноштангова система вважається найефективнішою отримання високоякісних отворів;
- Ежекторна система. Метод глибокого свердління із середніми параметрами випуску заготовок. Дозволяє здійснювати свердління на багатофункціональних верстатах (наприклад, токарних або свердлильних), доповнюють систему стаціонарною або мобільною насосною станцією. Ежекторний спосіб підходить для отримання отворів d=20-60 мм. та глибиною до 1200 мм., не виключаючи отримання переривчастих отворів;
- Система свердління рушничними або трубчасто-лопатковими свердлами з внутрішньою подачею мастильного матеріалу. Цей метод підходить для малих підприємств, де за умовами технології потрібно одержати глибокі отвори невеликого діаметру. Однорізцеві свердла легко вбудовуються в універсальні верстати. Різець виготовляється з твердих сплавів і по всій довжині стрижня свердлильного має V-подібну канавку, кут кривизни якої може становити від 110 до 1200 градусів. Рекомендований dотв. = 35-40 мм., Довжиною до 50 * d. При цьому способі відпадає необхідність проводити такі операції як зенкерування і розгортання.
- Залежно від ступеня автоматизації керування процесом свердління розрізняють глибоке свердління з автоматичною зміною одного або кількох параметрів режиму (наприклад, швидкість обертання, подача мастильного матеріалу).
Подача рідини є обов'язковим етапом технологічного процесу, оскільки:
- Забезпечується ефективне відведення стружки із зони різання по відвідним каналам;
- Зменшується сила тертя між частинами, що труться;
- Виробляється відведення тепла, яке утворюється в процесі тривалого свердління, забезпечуючи тим самим збереження свердла від прогоряння;
- Здійснюється додаткова обробка отвору.
Зі збільшенням глибини свердління зростають проблеми з обробкою отвору.
Для глибокого свердління застосовують спеціальний інструмент, обладнання та способи обробки.
Прості свердла та дрилі для цього не підходять, тому що не вдасться досягти точності свердління по всьому діаметру, заданої шорсткості поверхні, прямолінійність отвору.
Важливим параметром є збереження поверхні поглиблення з мінімальним відхиленням від округлості.
Застосування традиційного інструменту робить процес глибокого свердління низькопродуктивним, трудомістким, а деяких випадках (залежить від глибини отворів) - неможливим.
На практиці в машинобудівній сфері використовують спеціалізоване обладнання з технічним оснащенням, з додатковим застосуванням спеціальних різальних та інших допоміжних інструментів.
Нерідко потрібні нестандартні пристрої для виконання технологічних прийомів.
Особливості глибокого свердління
При глибокому свердлінні дуже важливо дотримуватися основних принципів технології. По-перше, проводиться підбір швидкості обертання свердлильної частини інструменту або оптимальна швидкість різання (подачі скинула). По-друге, має бути забезпечене нормальне дроблення стружки, а також повне відведення відходів з каналу. Важливим моментом під час подрібнення відходів свердління є збереження різальної частини інструменту, не повинно бути пошкоджень свердла, утворення на ньому задирок або інших дефектів. Далі, ключовим фактором якісної обробки поверхонь заготовок або деталей є ефективна та грамотна подача мастильно-охолоджувальної рідини.
Процес свердління проходить з обов'язковою подачею мастильно-охолоджувальної рідини під тиском та з певною витратою.
Для цього в системі працює насосне обладнання - маслонасоси або насоси для перекачування в'язких рідин.
Продуктивність системи вибирається відповідно до витрати рідини і необхідного тиску подачі мастильного матеріалу.
МОЖЛИВО ВАМ БУДЕ ЦІКАВО
