Изпратете добрата си работа в базата знания е лесно. Използвайте формата по-долу

Студенти, докторанти, млади учени, които използват базата от знания в обучението и работата си, ще ви бъдат много благодарни.

публикувано на http://www.allbest.ru/

Министерство на образованието и науката на Руската федерация. Федерална държавна бюджетна образователна институция за висше образование. Владимирски държавен университет на име A.G. и N.G. Stoletovs.

Катедра ФПМ.

Резюме по темата

„Лазерно пробиване на отвори“

Завършено:

Студентска група ЛТ - 115

Гордеева Екатерина

Владимир, 2016 г

Въведение

Лазерен лъч като бормашина

Лазерно пробиване на отвори в метали

Пробиване на неметални материали

Лазерно пробиване на отвори в твърди повърхности

разграничаване на лазерно пробиванеповишена крехкост

Заключение

Библиография

Въведение

Понастоящем лазерът успешно извършва редица технологични операции, предимно като рязане, заваряване, пробиване на отвори, термична обработка на повърхността, писане, маркиране, гравиране и др., И в някои случаи дава предимства пред други видове обработка. дупките в материала могат да бъдат завършени по-бързо, а писането на различни материали е по-съвършено. Освен това някои видове операции, които преди бяха невъзможни за извършване поради трудна достъпност, се извършват с голям успех. Например, заваряването на материали и пробиването на отвори може да се извърши през стъкло във вакуум или атмосфера от различни газове.

Думата "лазер" се състои от начални букви в английска фраза Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, което преведено на руски означава: усилване на светлината чрез стимулирано излъчване. Класически се случи така, че при описанието на лазерните технологии за обработка на материали основното внимание се обръща само на самите лазери, техните принципи на работа и технически параметри. Въпреки това, за да се приложи всеки процес на лазерна обработка на размери на материали, в допълнение към лазера, система за фокусиране на лъча, устройство за контролиране на движението на лъча по повърхността на детайла или устройство за преместване на продукта спрямо лъчът, система за издухване на газ, системи за оптично насочване и позициониране, софтуер за контрол на процеса, лазерно рязане, гравиране и др. В повечето случаи изборът на параметри за устройства и системи, обслужващи директно лазера, е не по-малко важен от параметрите на самия лазер. Например, за маркиране на лагери с диаметър по-малък от 10 mm или прецизно точково лазерно заваряване, времето, изразходвано за позициониране на продукта и фокусиране, надвишава времето за гравиране или заваряване с един или два порядъка (времето за нанасяне на маркировката върху лагера е приблизително 0,5 s). Следователно, без използването на системи за автоматично позициониране и фокусиране, използването на лазерни системи в много случаи става икономически нецелесъобразно. Аналогията на лазерните системи с автомобилите показва, че лазерът функционира като двигател. Колкото и да е добър двигателя, но без колела и всичко останало колата няма да тръгне.

Друг важен фактор при избора на лазерни технологични системи е лесната им поддръжка. Както показва практиката, операторите имат ниска квалификация за обслужване на такова оборудване. Една от причините за това е, че лазерните системи в повечето случаи се инсталират за заместване на остарели технологични процеси (ударно и химическо маркиране на продукти, механично гравиране, ръчно заваряване, ръчно маркиране и др.). Ръководителите на предприятия, които модернизират производството си, като правило, по етични причини, заменяйки старото оборудване с ново, напускат стария (буквално и образно) обслужващ персонал. Следователно, за внедряване на лазерни технологични системи в производството с даден начални условиянеговото развитие (в постсъветските републики) е необходимо да се осигури възможно най-високо ниво на автоматизация и лекота на обучение. Не бива да отхвърляме факта, че заплатата на неквалифицирания персонал е по-ниска от тази на обучения специалист. Следователно е по-рентабилно да закупите сложно оборудване с възможност за лесна поддръжка, отколкото да поканите висококвалифициран персонал.

По този начин задачата за използване на лазерни технологии в съвременното производство трябва да се разглежда не само от гледна точка на техническите параметри на самия лазер, но и като се вземат предвид характеристиките на оборудването и софтуера, които позволяват използването на специфичните свойства на лазера за решаване на конкретен технологичен проблем.

Всяка лазерна система, предназначена за обработка на размери на материали, се характеризира със следните параметри:

Скорост на обработка (рязане, гравиране и др.);

резолюция;

точност на обработката;

Размерът на работното поле;

Гама от материали за обработка (черни метали, цветни метали, дърво, пластмаси и др.);

Гамата от размери и тегло на продуктите, предназначени за преработка;

Конфигурация на продукта (например гравиране върху плоски, цилиндрични, вълнообразни повърхности);

Необходимото време за промяна на изпълняваните задачи (смяна на шаблона за гравиране, конфигурация - линии на рязане, смяна на материала за обработка и др.);

Време на монтаж и позициониране на продукта;

Параметри на условията на околната среда (температурен диапазон, влажност, съдържание на прах), в които системата може да работи;

Изисквания към квалификацията на обслужващия персонал.

Въз основа на тези параметри се избират типът на лазера, устройството за почистване на лъча, разработва се дизайнът на крепежния елемент за продукта, нивото на автоматизация на системата като цяло, въпросът за необходимостта от писане специализирани програмиза подготовка на чертожни файлове, линии за рязане и др.

Основните технически характеристики, които определят характера на обработката, са енергийните параметри на лазера - енергия, мощност, плътност на енергията, продължителност на импулса, пространствена и времева структура на лъчението, пространствено разпределение на плътността на мощността на лъчение във фокусното петно, условия на фокусиране, физични свойстваматериал.

Лазерен лъч като бормашина

Пробиване на дупки в камъни за часовници - това беше началото на трудовата дейност на лазера. Говорим за рубинени камъни, които се използват в часовниците като плъзгащи лагери. При производството на такива лагери се изисква пробиване на отвори в рубин - много твърд и в същото време крехък материал - отвори с диаметър само 1-0,05 mm. В продължение на много години тази бижутерска операция се извършваше по обичайния механичен метод с помощта на свредла, изработени от тънка пиано тел с диаметър 40-50 микрона. Такава тренировка направи до 30 хиляди оборота в минута и едновременно извърши около сто възвратно-постъпателни движения. За пробиването на един камък са били необходими до 10-15 минути.

В началото на 1964 г. неефективното механично пробиване на камъни за часовници започна да се заменя навсякъде с лазерно пробиване. Разбира се, терминът "лазерно пробиване" не трябва да се разбира буквално; Лазерният лъч не пробива дупка, а я пробива, предизвиквайки интензивно изпарение на материала. В наши дни лазерното пробиване на камъни за часовници е нещо обичайно. За тази цел се използват по-специално неодимови стъклени лазери. Дупка в камъка (с дебелина на детайла 0,5-1 mm) се пробива чрез поредица от няколко лазерни импулса с енергия 0,5-1 J. Производителността на лазерната машина в автоматичен режим е камък в секунда. Това е хиляди пъти по-високо от производителността на механичното пробиване!

Малко след раждането си лазерът получава следващата задача, с която се справя също толкова успешно – пробиване (пробиване) на отвори в диамантени матрици. Може би не всеки знае, че за получаване на много тънка тел от мед, бронз, волфрам се използва технологията за издърпване на метала през отвор с подходящ диаметър. Такива отвори се пробиват в материали с особено висока твърдост, тъй като в процеса на изтегляне на телта диаметърът на отвора трябва да остане непроменен. Известно е, че диамантът е най-твърдият. Затова най-добре е да изтеглите тънък проводник през отвор в диаманта - през така наречените диамантени матрици. Само с помощта на диамантени матрици е възможно да се получи ултратънък проводник с диаметър само 10 микрона. Но как се пробива тънък отвор в свръхтвърд материал като диамант? Много е трудно да се направи това механично - отнема до десет часа, за да пробиете механично един отвор в диамантена матрица.

Ето как изглежда в разрез дупка в диамантена матрица. Лазерните импулси пробиват грапав канал в диамантена заготовка. След това, обработвайки канала с ултразвук, шлайфане и полиране, му придават необходимия профил. Жицата, получена чрез издърпване през матрицата, има диаметър d

Тези спретнати дупки с диаметър 0,3 mm се пробиват в алуминиева керамична плоча с дебелина 0,7 mm с помощта на CO2 лазер.

С помощта на лазери в керамиката се пробиват много тънки отвори – с диаметър само 10 микрона. Имайте предвид, че такива отвори не могат да бъдат получени чрез механично пробиване.

Фактът, че пробиването е призванието на лазера, никой не се съмняваше. Тук лазерът всъщност нямаше достойни конкуренти, особено когато ставаше дума за пробиване на много тънки и много дълбоки отвори, когато трябваше да се пробиват дупки в много крехки или много твърди материали. След сравнително кратко време стана ясно, че лазерният лъч може успешно да се използва не само за пробиване, но и за много други операции по обработка на материали. Така че днес можем да говорим за появата и развитието нова технология- лазер.

Лазерно пробиване на отвори в метали

Използването на лазер като инструмент за пробиване има предимства.

Няма механичен контакт между пробивния инструмент и материала, както и счупване и износване на свредлата.

Повишава се точността на поставяне на отворите, тъй като оптиката, използвана за фокусиране на лазерния лъч, се използва и за насочването му към желаната точка. Дупките могат да бъдат ориентирани във всяка посока.

Постигнати по-голямо отношениедълбочината към диаметъра на пробиване, отколкото е случаят с други методи на пробиване.

При пробиване, както и при рязане, свойствата на обработвания материал значително влияят върху лазерните параметри, необходими за извършване на операцията. Пробиването се извършва от импулсни лазери, работещи както в режим на свободно движение с продължителност на импулса от порядъка на 1 μs, така и в режим на Q-switched с продължителност няколко десетки наносекунди. И в двата случая има термичен ефект върху материала, неговото топене и изпарение. Дупката расте в дълбочина главно поради изпарение, а в диаметър поради топенето на стените и изтичането на течност под създаденото свръхналягане на парите.

Обикновено дълбоки отвори с желания диаметър се получават с помощта на повтарящи се нискоенергийни лазерни импулси. В този случай се образуват дупки с по-малка конусност и по-добро качество от дупки, получени с по-висока енергия на единичен импулс. Изключение правят материалите, съдържащи елементи, способни да създават високо налягане на парите. Така че е много трудно да се заварява месинг с лазер импулсно излъчванепоради високото си съдържание на цинк обаче при пробиване месингът има някои предимства, тъй като цинковите атоми значително подобряват механизма на изпаряване.

Тъй като многоимпулсният режим ви позволява да получите отвори с най-добро качество на желаната геометрия и с малко отклонение от зададените размери, на практика този режим е широко разпространен при пробиване на отвори в тънки метали и неметални материали. Въпреки това, когато се пробиват отвори в дебели материали, се предпочитат единични импулси с висока енергия. Диафрагмата на лазерния поток дава възможност за получаване на дупки с форма, но този метод се използва по-често при обработката на тънки филми и неметални материали. Когато лазерното пробиване се извършва в тънки листове с дебелина под 0,5 mm, има известна унификация на процеса, състояща се във факта, че отвори с диаметър от 0,001 до 0,2 mm могат да се правят във всички метали при относително ниски мощности .

Пробиването на отвори в метали може да се използва в редица случаи. Така че с помощта на импулсни лазери може да се извърши динамично балансиране на части, въртящи се с висока скорост. Дисбалансът се избира чрез локално топене на определен обем материал. Лазерът може да се използва и за монтиране на електронни компоненти чрез локално изпаряване на материала или чрез общо нагряване. Високата плътност на мощността, малкият размер на петното и кратката продължителност на импулса правят лазера идеален инструмент за това приложение.

Лазерите, използвани за пробиване на отвори в метал, трябва да осигуряват плътност на мощността на фокусирания лъч от порядъка на 107 - 108 W/cm2. Пробиването на отвори с метални свредла с диаметър по-малък от 0,25 mm е трудна практическа задача, докато лазерното пробиване позволява да се получат отвори с диаметър, съизмерим с дължината на вълната на излъчване, с достатъчно висока точност на поставяне. Специалисти на компанията "Дженерал Електрик" (САЩ) изчислиха, че лазерното пробиване на дупки в сравнение с обработката с електронен лъч има висока икономическа конкурентоспособност. В момента твърдотелните лазери се използват главно за пробиване на отвори. Те осигуряват честота на повторение на импулса до 1000 Hz и мощност в непрекъснат режим от 1 до 103 W, в импулсен режим до стотици киловати, а в Q-switched режим до няколко мегавата. Някои резултати от обработката с такива лазери са дадени в таблицата.

	Дебелина, мм	Диаметър на отвора, мм	Продължителност пробиване	лазерна енергия,
		вход	уикенд
Неръждаема стомана				10 импулса
Никелова стомана
Волфрам
Молибден

Пробиване на неметални материали

Пробиването на отвори е една от първите области на лазерната технология. Първо, чрез изгаряне на дупки в различни материали, експериментаторите ги използваха за оценка на радиационната енергия на лазерните импулси. В момента процесът на лазерно пробиване се превръща в независима посока на лазерната технология. Материалите, които се пробиват с лазерен лъч, включват неметали като диаманти, рубинени камъни, ферити, керамика и др., в които пробиването на отвори с конвенционални методи е трудно или неефективно. С помощта на лазерен лъч можете да пробивате отвори с различни диаметри. За тази операция се използват следните два метода. При първия метод лазерният лъч се движи по зададен контур, а формата на отвора се определя от траекторията на относителното му движение. Тук протича процес на рязане, при който източникът на топлина се движи с определена скорост навътре дадено направление: в този случай по правило се използват лазери с непрекъсната вълна, както и импулсни лазери, работещи с повишена честота на повторение на импулса.

При втория метод, наречен метод на проекцията, обработеният отвор повтаря формата на лазерния лъч, на който може да се даде произволно сечение с помощта на оптична система. Проекционният метод за пробиване на отвори има някои предимства пред първия. Така че, ако върху пътя на лъча се постави диафрагма (маска), тогава по този начин е възможно да се отреже периферната му част и да се получи относително равномерно разпределение на интензитета по напречното сечение на лъча. Благодарение на това границата на облъчената зона е по-остра, конусността на отвора намалява и качеството се подобрява.

Има редица техники, които ви позволяват допълнително да изберете част от разтопения материал от отвора, който се обработва. Едно от тях е сътворението свръхналяганесгъстен въздух или други газове, които се подават в зоната на пробиване с помощта на дюза, коаксиална на лазерното лъчение. Този метод е използван за пробиване на отвори с диаметър 0,05-0,5 mm в керамични плочи с дебелина до 2,5 mm с помощта на CO2 лазер, работещ в непрекъснат режим.

Пробиването на отвори в твърда керамика не е лесна задача: конвенционалният метод изисква диамантен инструмент, докато други съществуващи методи са трудни поради размера на отвора в диаметър, равен на десети от милиметъра. Тези трудности са особено забележими, когато дебелината на плочата, която ще се обработва, е по-голяма от диаметъра на отвора. Съотношението на дълбочината на отвора (дебелината на материала) към неговия диаметър е мярка за качеството на получаване на тънки отвори; то е 2:1 при конвенционалното пробиване и около 4:1 при ултразвуковия метод, използван при пробиване на керамика и други огнеупорни материали.

Лазерният метод за пробиване на този клас материали дава възможност за получаване най-доброто отношениес много висока точност на поставяне на отвора и относително по-малко време. По този начин, за лазерно пробиване на поликристална алуминиева керамика с висока плътност, беше използван рубинен лазер с импулсна енергия от 1,4 J, фокусирана леща с фокусно разстояние 25 mm върху повърхността на диска и осигуряваща плътност на мощността от около 4 -106 W/cm2. Средно 40 импулса с честота на повторение от 1 Hz са необходими за пробиване на керамичен диск с дебелина 3,2 mm. Продължителността на лазерния импулс е 0,5 ms. Получените дупки имаха конус с диаметър около 0,5 mm на входа и 0,1 mm на изхода. Може да се види, че съотношението на дълбочината към средния диаметър на отвора е около 11:1, което е много по-голямо от подобно съотношение при други методи за пробиване на отвор. За прости материали това съотношение за лазерно пробиване може да бъде 50:1.

За отстраняване на продуктите от горенето и течната фаза от зоната на пробиване се използва продухване с въздух или други газове. По-ефективно издухване на продуктите става с комбинация от издухване от предната страна и вакуум от задната страна на пробата. По подобна схема се пробиват отвори в керамика с дебелина до 5 mm. Въпреки това, ефективното отстраняване на течната фаза в този случай става само след образуването на проходен отвор.

В табл. 7 показва параметрите на отворите в някои неметални материали и техните режими на обработка.

Материал	Параметри на отвора	Режим на обработка
	Диаметър, мм	Дълбочина, мм	Съотношение на дълбочина към диаметър	Енергия, Дж	Продължителност на импулса	Плътност на потока, W/cm2	Брой импулси на отвор
Керамика

Лазерно пробиване на отвори в твърди повърхности

Лазерното пробиване на отвори се характеризира с такива физически процесикато нагряване, изпаряване и топене на материала. Предполага се, че дупката се увеличава в дълбочина в резултат на изпарение, а в диаметър - в резултат на топенето на стените и изместването на течността от излишното налягане на парите.

За получаване на прецизни отвори с толеранс от около 2 µm се използват лазери с много къси импулси в диапазона ns и ps. Позволявайки ви да контролирате диаметъра на отвора на дадено ниво, т.е. не води до нагряване и стопяване на стените, отговорни за нарастването на диаметъра на отвора, а води до изпаряване на материала от твърдата фаза. Също така, използването на лазери с импулсни диапазони ns и ps може значително да намали наличието на втвърдена течна фаза върху страничните повърхности на отвора.

AT този моментИма няколко метода за прилагане на лазерно пробиване на дупки: едноимпулсното пробиване използва един импулс, в резултат на който се пробива дупка. Предимствата на този метод са скоростта. Недостатъци висока импулсна енергия, ниска дебелина и канонична формадупки чрез намаляване на преноса на топлинна енергия с увеличаване на дълбочината на дупката.

При ударно пробиване отворът се създава от няколко лазерни импулса с кратка продължителност и енергия.

Предимства: възможност за създаване на по-дълбок отвор (около 100 mm), за получаване на отвори с малък диаметър. Недостатъкът на този метод е по-дългият процес на пробиване.

Пробиването на дупки става под действието на няколко лазерни импулса. Първо, лазерният чук пробива първоначалния отвор. След това той увеличава първоначалния отвор, като се движи няколко пъти по нарастващата кръгова траектория на детайла. По-голямата част от разтопения материал се изтласква от отвора в посока надолу. Усукващото пробиване, за разлика от ядковото пробиване, не включва правене на начален отвор. Още от първите импулси лазерът се движи по кръгова траектория през материала. С такова движение голям бройизлиза материал. Движейки се като вита стълба, лазерът задълбочава дупката. След като лазерът премине през материала, могат да се направят още няколко обиколки. Те са предназначени да разширят долната страна на отвора и да изгладят ръбовете. Усукващото пробиване произвежда много големи и дълбоки отвори Високо качество. Предимства: получаване на големи и дълбоки отвори с високо качество.

Предимства на лазерното пробиване: възможност за получаване на малки отвори (по-малко от 100 микрона), необходимост от пробиване на отвор под ъгъл, пробиване на отвор в много твърди материали, възможност за получаване на отвори, които не са кръгли, висока производителност на процеса, нисък топлинен ефект върху материала (нагряването намалява с намаляване на продължителността на импулса материал), безконтактен метод, който позволява пробиване на крехки материали (диамант, порцелан, ферит, сапфирен кристал, стъкло), висока автоматизация на процеса, дълга експлоатация живот и стабилност на процеса.

Тази работа е посветена на търсенето на оптимални режими на лазерно пробиване на отвори върху различни твърди повърхности.

За експериментите е използван инфрачервен импулсен Nd:YAG лазер с дължина на вълната 1064 nm. С максимална лазерна мощност от 110 W, честота на повторение на импулса от 10 kHz и продължителност на импулса от 84 ns, дупките в тази работа са получени чрез ударно пробиване. По време на лазерното пробиване мощността на лазерното лъчение варира от 3,7 W до 61,4 W, диаметърът на лазерното петно ​​върху повърхността на пробата варира от 2 mm до 4 mm.

Лазерното пробиване на дупки е извършено върху следните твърди повърхности: пластмаса (жълта), въглеродни влакна, алуминий с дебелина съответно 1,22,3 mm. лазерно пробиване на отвор в метал

Качеството на лазерното пробиване на повърхността се влияе значително от следните параметри: средна мощност на лазерното лъчение, диаметър на лазерното петно ​​върху повърхността на пробата, физични свойства на материала (коефициент на поглъщане на лазерното лъчение от повърхността, температура на топене) дължина на вълната на лазерното лъчение, продължителност на импулса и метод на лазерно пробиване (единичен импулс, ударно пробиване и др.).

Таблица 1 показва режимите на лазерно пробиване на различни твърди повърхности.

Режими на лазерно пробиване на отвори върху различни повърхности

Лазерно пробиване, характеризиращо се с повишена крехкост

лазерно пробиванесе използват широко за получаване на отвори не само в твърди и свръхтвърди материали, но и в материали, характеризиращи се с повишена чупливост.

За лазерно пробиване на отворив момента те използват инсталацията Kvant-11, създадена на базата на импулсен YAG-Nd лазер. Лазерното заваряване също се основава на действието на фокусирано импулсно лазерно лъчение. Освен това се използват както шевно, така и точково заваряване.

Основните процеси в лазер пробиване на неметални материали, както и по време на рязане, са нагряване, топене и изпарение от зоната на лазерно облъчване. За да се осигурят тези процеси, е необходимо да има плътност на мощността от 106 - 107 W / cm2, създадена от оптичната система във фокусното петно. В този случай дупката нараства в дълбочина поради изпарението на материалите; има и топене на стените и изхвърляне на течната фракция, създадена от свръхналягане на парите.Настоящата индустрия в момента широко използва лазерно пробиване на отвори в диаманти, осигуряващо висока прецизност и контрол върху образуването на отвори в процеса на пробиване.

Пробиването на отвори със свредла за метал с диаметър по-малък от 0,25 mm е трудна практическа задача, докато лазерно пробиванепозволява да се получат отвори с диаметър, съизмерим с дължината на вълната на излъчване, с достатъчно висока точност на поставяне.

От експериментите е известно, че техническите характеристики и особеностите на прецизното лазерно рязане на тънки метални пластини обикновено се определят от същите условия и фактори като техническите характеристики на процесите. многоимпулсно лазерно пробиване . Средната ширина на прорез в тънки метални пластини обикновено е 30 - 50 микрона по цялата дължина на пробата, стените им са почти успоредни, повърхността не съдържа големи дефекти и чужди включвания. Една от характеристиките на рязането с импулсно лъчение е възможността за така наречения ефект на канализиране. Този ефект се изразява в увличането на качествен (дифракционен) лъч в канала, образуван от предишни импулси, чрез повторно отражение от стената му. Образуването на нов канал започва след изместването на целия дифракционен лъч извън контурите на предишния. Този процес определя ограничаващата грапавост на стената на среза и може да стабилизира точността на среза чрез компенсиране на нестабилността на насочения модел по време на многоходова обработка. В този случай грапавостта на изрязаните ръбове обикновено не надвишава 4–5 μm, което може да се счита за доста задоволително.

Лазерите извършват и такава операция като грубо обработване на използвани матрици до следващия по-голям диаметър според стандарта. Ако по време на механично пробиване тази операция отне около 20 часа, тогава с лазерното пробиване изисква само няколко десетки импулса. Общият интервал от време е около 15 минути за грубо обработване на една матрица.

Пробиването на отвори е може би една от първите области на лазерната технология. Процесът е в момента лазерното пробиване става самостоятелно направление на лазерната технология и заема значителен дял в местната и чуждестранната индустрия. Материалите, които се пробиват с лазерен лъч, включват неметали като диаманти, рубинени камъни, ферити, керамика и др., в които пробиването на отвори с конвенционални методи е трудно или неефективно.

Въпреки това, когато се пробиват отвори в дебели материали, се предпочитат единични импулси с висока енергия. Диафрагмата на лазерния поток дава възможност за получаване на дупки с форма, но този метод се използва по-често при обработката на тънки филми и неметални материали. В този случай, да секога ллазерно пробиване се произвежда в тънки листове с дебелина под 0,5 mm, има известна унификация на процеса, състояща се във факта, че отвори с диаметър от 0,001 до 0,2 mm могат да бъдат направени във всички метали при относително ниски мощности. При големи дебелини, съгласно фиг. 83 се появява нелинейност поради екраниращия ефект.

Още по-рано беше отбелязано, че използването на гъвкави печатни платки повишава тяхната надеждност, намалява времето за сглобяване на устройствата със стотици часове и дава печалба в обема и масата с коефициент 2–4 в сравнение с използването на твърди печатни платки в MEA. Вече съществуващата спирачка за разработването на гъвкав софтуер, а именно добре известният консерватизъм на дизайнерите, които са свикнали да работят с конвенционален софтуер, може да се счита за преминат етап. В този случай се улеснява задачата за намаляване на механичните напрежения между печатната платка и LSI, инсталиран върху нея в кристалния държач, и също така става възможно да се получи лазерно пробиване на субминиатюрни отвори с диаметър 125 микрона (вместо 800 микрона в конвенционалните печатни платки) за междуслойно превключване чрез непрекъснато запълване с мед. И накрая, гъвкавата полиимидна печатна платка е прозрачна, което позволява визуална проверка на всички споени съединения във всеки слой при внимателно подбрани условия на осветление.

Заключение

В заключение бих искал да подчертая някои общи въпросивнедряване на лазерни технологии в съвременното производство.

Първият етап от създаването на лазерна технологична инсталация е разработването на техническо задание. В много случаи клиентите се опитват да играят на сигурно и да влагат в него характеристики, които далеч надхвърлят реалните нужди на производството. В резултат на това цената на оборудването се увеличава с 30-50%. Парадоксално, причината за това като правило е относително високата цена на лазерните системи. Много бизнес лидери мислят така:

„... ако купя ново скъпо оборудване, то по отношение на характеристиките трябва да надвишава стандартите, изисквани в момента, „може би“, някой ден ще ми бъде полезно ...“. В резултат на това потенциалните възможности на оборудването никога не се използват и времето за изплащане се увеличава.

Пример за такъв подход е преходът от механично маркиране на части към лазерно маркиране. Основните критерии за маркиране са контрастът на надписа и устойчивостта на абразия. Контрастът се определя от съотношението на ширината и дълбочината на линията на гравиране. Минималната ширина на линията за механично гравиране е приблизително 0,3 mm. За да се получи контрастен надпис, дълбочината му трябва да бъде около 0,5 мм. Ето защо в много случаи при съставянето на техническото задание за лазерна инсталация се вземат предвид тези параметри. Но ширината на линията по време на лазерно гравиране е 0,01-0,03 мм, съответно дълбочината на надписа може да бъде 0,05 мм, т.е. порядък по-малко, отколкото при механичен. Следователно съотношението между мощността на лазера и времето за маркиране може да бъде оптимизирано по отношение на цената на системата. В резултат на това се намалява цената на лазерната инсталация и съответно времето за изплащане.

Въвеждането на лазерните технологии в много случаи дава възможност за решаване на "стари" проблеми с принципно нови методи. Класически пример за това е поставянето на защитни надписи, марки и др. върху продукти за защита срещу фалшифициране. Възможностите на лазерната технология позволяват идентифицирането на защитен надпис по един ред в надписа. Възможността за използване на криптографски методи ви позволява да приложите "динамична" защита срещу фалшифициране, т.е. докато запазвате общия чертеж, след определено време се променят някои елементи, които са разпознаваеми само от експерти или специално оборудване. Недостижима за методите за механично фалшифициране е възможността за създаване на малка издатина (3-10 микрона) от метални емисии по ръбовете на линията за гравиране с лазер. Комплексното използване на такива техники намалява до минимум вероятността от фалшифициране и го прави икономически неизгодно.

Внедряване на лазерни технологии в този етаптехнологичното развитие (преходът от "див" капитализъм към нормално производство) е само един от вариантите за началото на формирането на това, което се нарича високотехнологично производство. Тези малки предприятия, които използват няколко от този вид лазерни системи, потвърдиха закона на диалектиката на прехода от количество към качество. Новото оборудване изисква принципно нови методи за неговата поддръжка, като правило, включващи повишено внимание на персонала и поддържане на "чистотата" в помещението, където се намира. Тези. има преход към качество ново нивопроизводствена култура. В същото време броят на служителите обикновено намалява и ръководителите на предприятията започват да решават въпросите за организиране на работата не на „трудов екип“, а за оптимизиране на работата на предприятие, в което служителите са само неразделна част от технологичния процес. Независимо дали тази продукция ще продължи да се използва лазерна технологияили не, натрупаният опит и формираната култура няма да изчезнат никъде. Това е нещото, което външните наблюдатели обикновено наричат ​​технологична или научно-техническа революция, въпреки че всъщност това е нормален еволюционен процес. Историята на развитието на много големи технологични фирми показва, че в даден момент на начални етапиразвитие, всички имаха подобен етап на преход. Може да се случи, че в момента сме на етап на технологично развитие, където относително малки инвестиции в нови технологии сега ще доведат до голяма възвръщаемост в бъдеще. В синергетиката, науката за самоорганизиращите се системи, такава ситуация е подчинена на закона на „пеперудата“ (Р. Бредбъри „И гръм изрева ...“), който описва процеса, когато малки промени в миналото или настоящето водят до глобални последицив бъдеще.

Списък на използваната литература

1. Рикалин Н.Н. Лазерна обработка на материали. М., Машиностроение, 1975, 296 с.

2. Григорянц А.Г., Шиганов И.Н., Мисюров А.И. Технологични процеси на лазерна обработка: учеб. ръководство за университети / Изд. А.Г. Григорянц. - М .: Издателство на MSTU im. Н.Е. Бауман, 2006. -664 с.

3. Крилов К.И., Прокопенко В.Т., Митрофанов А.С. Използването на лазери в машиностроенето и уредостроенето. - Л., Машинно инженерство. Ленинград. отдел, 1978, 336 с.

Хоствано на Allbest.ru

...

Подобни документи

Разработване на машина за пробиване на отвори в гръбчето на книжен блок печатна продукция. Анализ на съществуващото оборудване за пробиване на отвори, неговите недостатъци. развитие технологична схемадизайн на машинен инструмент и сондажна глава.

дисертация, добавена на 29.07.2010 г


Етапи на разработване на инструмент за пробиване на отвори в части: базиране на детайла в хоризонтална равнина на повърхността, избор на оборудване за технологичния процес, изчисляване на условията на рязане, производствени грешки и точност на закрепването.

курсова работа, добавена на 16.11.2010 г


Технологични основи на процеса на пробиване на отвори. Видове машини и техните основни компоненти. Влияние на материала и геометричните елементи на свредлото. Промяна на геометричните параметри на режещата част на свредлата. Основните режими на довършителни операции за производство на свредла.

дисертация, добавена на 30.09.2011 г


История на металорежещите машини. Целта на пробиването са операции за получаване на отвори в различни материали по време на обработката им, чиято цел е да се направят отвори за нарязване на резби, разстъргване, разстъргване. Основни видове стречинг.

презентация, добавена на 10/05/2016


Основните трудности при обработката на дупки. Опции за настройка на дълбоки сондажни операции. Функции на смазочния флуид, методи за неговото подаване. Разновидности на дълбоко пробиване. Задоволително образуване на стружка и отстраняването й от отвора.

ръководство за обучение, добавено на 12/08/2013


Описание на технологичните операции - пробиване и разстъргване за получаване на отвори в детайла "проводникова плоча". Изборът на машинен инструмент за неговата обработка. Принципът на неговото действие и изчисление за точност. Определяне на условията на рязане и силата на затягане.

курсова работа, добавена на 17.01.2013 г


Образуването на отвори в твърд метал чрез пробиване, точността на тяхната обработка, набор от инструменти; клас грапавост на повърхността. Режими на пробиване, зенкериране, разширяване. Разработване на схема за затягане на част; изчисляване на грешка при базиране и сила на затягане.

лабораторна работа, добавена на 29.10.2014 г


Пробиване, райбероване, зенкероване и райбероване на отвори в големи и тежки детайли. Класове материали, препоръчани за фрези за рендосване, техните характеристики. Изчисляване на режима на рязане за производство на надлъжно струговане на стоманен вал.

контролна работа, добавена на 21.11.2010 г


лазерна технология. Принципът на действие на лазерите. Основни свойства на лазерния лъч. Монохроматичност на лазерното лъчение. Неговата сила. Гигантски импулс. Използването на лазерен лъч в промишлеността и технологиите, медицината. Холография.

резюме, добавено на 23.11.2003 г


Пробиването е процес на правене на дупки в твърд материал с помощта на инструмент, наречен свредло. Определяне на основните фактори, влияещи върху точността на технологичния процес, съществуващи движения: ротационни и транслационни насочени.

Лазерните технологии са способни да играят все по-важна роля в промишлената обработка на материали. Те успешно извършват рязане, заваряване, пробиване, термична обработка на повърхности, драскане и другиоперации. Предимствата на това включват по-висока производителност, перфектно качество, уникалност на операциите, извършвани на недостъпни места или много малки повърхности. Автоматичните системи за позициониране и фокусиране на лазерните комплекси правят приложението им още по-ефективно, а лекотата на работа създава предпоставки за широкото им внедряване в производствените процеси

С.Н. Колпаков, А.А. приемане,
LLC "Alt laser", Харков

Понастоящем лазерът успешно извършва редица технологични операции, предимно като рязане, заваряване, пробиване, термична обработка на повърхността, скрайбиране, маркиране, гравиране и др., като в някои случаи дава предимства пред други видове обработка. По този начин пробиването на дупки в материала може да бъде завършено по-бързо, а писането на различни материали е по-съвършено. В допълнение, някои видове операции, които преди това бяха невъзможни поради повишената интензивност на труда, се извършват с голям успех. Например, заваряването на материали и пробиването на отвори може да се извърши през стъкло във вакуум или атмосфера от различни газове.

Индустриалната обработка на материали се превърна в една от областите, в които лазерите се използват най-широко. Преди появата на лазерите основните източници на топлина за технологична обработка бяха газова горелка, електродъгов разряд, плазмена дъга и електронен лъч. С появата на лазерите, излъчващи висока енергия, се оказа възможно създаването на висока плътност на светлинния поток върху третираната повърхност. Ролята на лазерите като източници на светлина, работещи в непрекъснат, импулсен или гигантски импулсен режим, е да осигурят на повърхността на обработвания материал плътност на мощността, достатъчна за неговото нагряване, стопяване или изпаряване, които са в основата на лазерната технология.

Понастоящем лазерът успешно извършва редица технологични операции, предимно като рязане, заваряване, пробиване на отвори, термична обработка на повърхността, писане, маркиране, гравиране и др., и в някои случаи дава предимства пред други видове обработка. По този начин пробиването на дупки в материала може да бъде завършено по-бързо, а писането на различни материали е по-съвършено. Освен това някои видове операции, които преди бяха невъзможни за извършване поради трудна достъпност, се извършват с голям успех. Например, заваряването на материали и пробиването на отвори може да се извърши през стъкло във вакуум или атмосфера от различни газове.

Думата "лазер" е съставена от началните букви на английската фраза Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, което преведено на руски означава: усилване на светлината чрез стимулирано излъчване . Класически се случи така, че при описанието на лазерните технологии за обработка на материали основното внимание се обръща само на самите лазери, техните принципи на работа и технически параметри. Въпреки това, за да се осъществи какъвто и да е процес на лазерна обработка на размери на материали, в допълнение към лазера е необходима система за фокусиране на лъча, устройство за управление на движението на лъча по повърхността на детайла или устройство за движение на продукт спрямо лъча, система за издухване на газ, системи за оптично насочване и позициониране, софтуер за управление на процесите на лазерно рязане, гравиране и др. В повечето случаи изборът на параметри на устройства и системи, които директно обслужват лазера, е не по-малко важен от параметрите на самия лазер. Например, за маркиране на лагери с диаметър по-малък от 10 mm или прецизно точково лазерно заваряване, времето, изразходвано за позициониране на продукта и фокусиране, надвишава времето за гравиране или заваряване с един или два порядъка (времето за маркиране на лагера е приблизително 0,5 s). Следователно, без използването на системи за автоматично позициониране и фокусиране, използването на лазерни системи в много случаи става икономически нецелесъобразно. Аналогията на лазерните системи с автомобилите показва, че лазерът функционира като двигател. Колкото и да е добър двигателя, но без колела и всичко останало колата няма да тръгне.

Друг важен фактор при избора на лазерни технологични системи е лесната им поддръжка. Както показва практиката, операторите имат ниска квалификация за обслужване на такова оборудване. Една от причините за това е, че в повечето случаи се монтират лазерни системи, които заменят остарели технологични процеси (ударно и химическо маркиране на продукти, механично гравиране, ръчно заваряване, ръчно маркиране и др.). Ръководителите на предприятия, които модернизират производството си, като правило, по етични причини, заменяйки старото оборудване с ново, напускат стария (буквално и образно) обслужващ персонал. Следователно, за въвеждането на лазерни технологични системи в производството при дадените първоначални условия на неговото развитие (в постсъветските републики), е необходимо да се осигури възможно най-високо ниво на автоматизация и лекота на обучение. Не бива да отхвърляме факта, че заплатата на неквалифицирания персонал е по-ниска от тази на обучения специалист. Следователно е по-рентабилно да закупите сложно оборудване с възможност за лесна поддръжка, отколкото да поканите висококвалифициран персонал.

По този начин задачата за използване на лазерни технологии в съвременното производство трябва да се разглежда не само от гледна точка на техническите параметри на самия лазер, но и като се вземат предвид характеристиките на оборудването и софтуера, които позволяват използването на специфичните свойства на лазер за решаване на определен технологичен проблем.

Всяка лазерна система, предназначена за обработка на размери на материали, се характеризира със следните параметри:

• скорост на обработка (рязане, гравиране и др.);
• резолюция;
• точност на обработката;
• размерът на работното поле;
• гама от материали за обработка (черни метали, цветни метали, дърво, пластмаси и др.);
• гама от размери и тегло на продуктите, предназначени за преработка;
• конфигурация на продукта (например гравиране върху плоски, цилиндрични, вълнообразни повърхности);
• необходимото време за промяна на изпълняваните задачи (смяна на шаблона за гравиране, конфигурация на линията на рязане, смяна на материала за обработка и др.);
• време за монтаж и позициониране на продукта;
• параметри на условията на околната среда (температурен диапазон, влажност, съдържание на прах), при които системата може да работи;
• изисквания към квалификацията на обслужващия персонал.

Въз основа на тези параметри се избира типът на лазера, устройството за почистване на лъча, разработва се дизайнът на крепежните елементи на продукта, нивото на автоматизация на системата като цяло, въпросът за необходимостта от писане на специализирани програми за подготовка на файлове с чертежи , линии на рязане и т.н.

Основните технически характеристики, които определят характера на обработката, са енергийните параметри на лазера - енергия, мощност, плътност на енергията, продължителност на импулса, пространствена и времева структура на излъчване, пространствено разпределение на плътността на мощността на излъчване във фокусното петно, условия на фокусиране, физически свойства на материала (отразителна способност, топлофизични свойства, точка на топене и др.).

Лазерно пробиване на отвори в метали

Използването на лазер като инструмент за пробиване има предимства.

Няма механичен контакт между пробивния инструмент и материала, както и счупване и износване на свредлата.

Повишава се точността на поставяне на отворите, тъй като оптиката, използвана за фокусиране на лазерния лъч, се използва и за насочването му към желаната точка. Дупките могат да бъдат ориентирани във всяка посока.

Постига се по-голямо съотношение на дълбочината към диаметъра на пробиване, отколкото при другите методи на пробиване.

При пробиване, както и при рязане, свойствата на обработвания материал значително влияят върху лазерните параметри, необходими за извършване на операцията. Пробиването се извършва от импулсни лазери, работещи както в режим на свободно движение с продължителност на импулса от порядъка на 1 μs, така и в режим на Q-switched с продължителност няколко десетки наносекунди. И в двата случая има термичен ефект върху материала, неговото топене и изпарение. Дупката нараства в дълбочина главно поради изпарението, а в диаметър - поради разтопяването на стените и изтичането на течност под създаденото излишно налягане на парите.

Обикновено дълбоки отвори с желания диаметър се получават с помощта на повтарящи се нискоенергийни лазерни импулси. В този случай се образуват дупки с по-малка конусност и по-добро качество от дупки, получени с по-висока енергия на единичен импулс. Изключение правят материалите, съдържащи елементи, способни да създават високо налягане на парите. По този начин е много трудно да се заварява месинг с лазерно импулсно лъчение поради високото съдържание на цинк, но при пробиване месингът има някои предимства, тъй като цинковите атоми значително подобряват механизма на изпаряване.

Тъй като многоимпулсният режим ви позволява да получите отвори с най-добро качество на желаната геометрия и с малко отклонение от зададените размери, на практика този режим е широко разпространен при пробиване на отвори в тънки метали и неметални материали. Въпреки това, когато се пробиват отвори в дебели материали, се предпочитат единични импулси с висока енергия. Диафрагмата на лазерния поток дава възможност за получаване на дупки с форма, но този метод се използва по-често при обработката на тънки филми и неметални материали. Когато лазерното пробиване се извършва в тънки листове с дебелина под 0,5 mm, има известна унификация на процеса, състояща се във факта, че отвори с диаметър от 0,001 до 0,2 mm могат да се правят във всички метали при относително ниски мощности .

Пробиването на отвори в метали може да се използва в редица случаи. Така че с помощта на импулсни лазери може да се извърши динамично балансиране на части, въртящи се с висока скорост. Дисбалансът се избира чрез локално топене на определен обем материал. Лазерът може да се използва и за монтиране на електронни компоненти чрез локално изпаряване на материала или чрез общо нагряване. Високата плътност на мощността, малкият размер на петното и кратката продължителност на импулса правят лазера идеален инструмент за това приложение.

Лазерите, използвани за пробиване на отвори в метал, трябва да осигуряват фокусиран лъч с плътност на мощността от порядъка на 10 7 -10 8 W/cm 2 . Пробиването на отвори с метални свредла с диаметър по-малък от 0,25 mm е трудна практическа задача, докато лазерното пробиване позволява да се получат отвори с диаметър, съизмерим с дължината на вълната на излъчване, с достатъчно висока точност на поставяне. Специалисти на компанията "Дженерал Електрик" (САЩ) изчислиха, че лазерното пробиване на отвори в сравнение с обработката с електронен лъч има висока икономическа конкурентоспособност (Таблица 1). В момента твърдотелните лазери се използват главно за пробиване на отвори. Те осигуряват честота на повторение на импулса до 1000 Hz и мощност в непрекъснат режим от 1 до 10 3 W, в импулсен режим до стотици киловати, а в Q-switched режим до няколко мегавата. Някои резултати от обработката с такива лазери са дадени в табл. 2.

Лазерно заваряване на метали

Лазерното заваряване в своето развитие имаше два етапа. Първоначално е разработено точково заваряване. Това се обяснява с наличието по това време на мощни импулсни твърдотелни лазери. Понастоящем, при наличието на високомощни CO 2 газови и твърдотелни Nd:YAG лазери, осигуряващи непрекъснато и импулсно непрекъснато излъчване, е възможно шевно заваряване с дълбочина на проникване до няколко милиметра. Лазерното заваряване има редица предимства пред другите видове заваряване. В присъствието на висока плътностсветлинен поток и оптична система, локално проникване в дадена точкас голяма прецизност. Това обстоятелство дава възможност за заваряване на материали в труднодостъпни места, във вакуумна или газова камера с прозорци в нея, които са прозрачни за лазерно лъчение. Заваряването, например, на микроелектронни елементи в камера с атмосфера на инертен газ е от особен практически интерес, тъй като в този случай няма окислителни реакции.

Заваряването на части става при много по-ниска плътност на мощността от рязането. Това се обяснява с факта, че по време на заваряване е необходимо само нагряване и топене на материала, т.е. необходими са плътности на мощността, които все още са недостатъчни за интензивно изпарение (10 5 -10 6 W / cm 2), с продължителност на импулса от около 10 -3 -10 -4 С. Тъй като лазерното лъчение, фокусирано върху обработвания материал, е повърхностен източник на топлина, преносът на топлина в дълбочината на заварените части се извършва поради топлопроводимост, а зоната на проникване се променя с течение на времето с правилно избран режим на заваряване. При недостатъчна плътност на мощността се получава непробиване на заварената зона, а при наличие на висока плътност на мощността се наблюдава изпаряване на метала и образуване на дупки.

Заваряването може да се извърши на машина за газово лазерно рязане при по-ниска мощност и със слаб удар на инертен газ в зоната на заваряване. С мощност на CO 2 лазер от около 200 W е възможно да се заварява стомана с дебелина до 0,8 mm при скорост 0,12 m/min; качеството на шева не е по-лошо, отколкото при обработката с електронен лъч. Заваряването с електронен лъч има малко по-високи скорости на заваряване, но се извършва във вакуумна камера, което създава големи неудобства и изисква значителни общи времеви разходи.

В табл. Фигура 3 показва данни за челно заваряване с CO 2 лазер с мощност 250 W на различни материали.

При други мощности на излъчване на CO 2 лазера са получени данните за шевна заварка, дадени в таблица 1. 4. При заваряване с припокриване, челно и ъглово се получават скорости, близки до посочените в таблицата, с пълно проникване на заварявания материал в зоната на въздействие на лъча.

Системите за лазерно заваряване са в състояние да заваряват различни метали, произвеждайки минимални топлинни ефекти поради малкия размер на лазерното петно, както и да заваряват тънки проводници с диаметър по-малък от 20 микрона в модел тел-тел или лист тел.

Литература

1. Крилов К.И., Прокопенко В.Т., Митрофанов А.С. Използването на лазери в машиностроенето и уредостроенето. - Л .: Машинно инженерство. Ленинград. отдел, 1978. - 336 с.

2. Рикалин Н.Н. Лазерна обработка на материали. - М., Машиностроене, 1975. - 296 с.

Пробиване на дупки в камъни за часовници - това беше началото на трудовата дейност на лазера. Говорим за рубинени камъни, които се използват в часовниците като плъзгащи лагери. При производството на такива лагери се изисква пробиване на отвори в рубин - много твърд и в същото време крехък материал - отвори с диаметър само 1-0,05 mm. В продължение на много години тази бижутерска операция се извършваше по обичайния механичен метод с помощта на свредла, изработени от тънка пиано тел с диаметър 40-50 микрона. Такава тренировка направи до 30 хиляди оборота в минута и едновременно извърши около сто възвратно-постъпателни движения. За пробиването на един камък са били необходими до 10-15 минути.
В началото на 1964 г. неефективното механично пробиване на камъни за часовници започна да се заменя навсякъде с лазерно пробиване. Разбира се, терминът "лазерно пробиване" не трябва да се разбира буквално; Лазерният лъч не пробива дупка, а я пробива, предизвиквайки интензивно изпарение на материала. В наши дни лазерното пробиване на камъни за часовници е нещо обичайно. За тази цел те се използват по-специално,
29

ност, неодимови стъклени лазери. Дупка в камъка (с дебелина на детайла 0,5-1 mm) се пробива чрез поредица от няколко лазерни импулса с енергия 0,5-1 J. Производителността на лазерната машина в автоматичен режим е камък в секунда. Това е хиляди пъти по-високо от производителността на механичното пробиване!
Малко след раждането си лазерът получава следващата задача, с която се справя също толкова успешно – пробиване (пробиване) на отвори в диамантени матрици. Може би не всеки знае, че за получаване на много тънка тел от мед, бронз, волфрам се използва технологията за издърпване на метала през отвор с подходящ диаметър. Такива отвори се пробиват в материали с особено висока твърдост, тъй като в процеса на изтегляне на телта диаметърът на отвора трябва да остане непроменен. Известно е, че диамантът е най-твърдият. Затова най-добре е да изтеглите тънък проводник през отвор в диаманта - през така наречените диамантени матрици. Само с помощта на диамантени матрици е възможно да се получи ултратънък проводник с диаметър само 10 микрона. Но как се пробива тънък отвор в свръхтвърд материал като диамант? Много е трудно да се направи това механично - отнема до десет часа, за да пробиете механично един отвор в диамантена матрица. Но, както се оказа, не е трудно да се пробие тази дупка с поредица от няколко мощни лазерни импулса. />Днес лазерното пробиване се използва широко не само за особено твърди материали, но и за материали, характеризиращи се с повишена чупливост. Лазерната бормашина се оказа не само мощен, но и много деликатен „инструмент“. Като пример, нека поговорим за проблема с пробиването на отвори в субстрати на микросхеми, изработени от алуминиева керамика. Керамиката е изключително крехка. Поради тази причина механичното пробиване на дупки в субстрата на микросхемата се извършва, като правило, върху "суровия" материал. Керамиката е изпечена след пробиване. В този случай е възникнала известна деформация на продукта, относителната позиция на пробитите отвори е изкривена. Проблемът беше решен с появата на лазерни бормашини. Използвайки ги, е възможно да се работи с керамични субстрати, които вече са били
30

Ето как изглежда в разрез дупка в диамантена матрица. Лазерните импулси пробиват грапав канал в диамантена заготовка. След това, обработвайки канала с ултразвук, шлайфане и полиране, му придават необходимия профил. Жицата, получена чрез издърпване през матрицата, има диаметър d
Тези спретнати дупки с диаметър 0,3 mm се пробиват в алуминиева керамична плоча с дебелина 0,7 mm с помощта на CO2 лазер.

джиг. С помощта на лазери в керамиката се пробиват много тънки отвори – с диаметър само 10 микрона. Имайте предвид, че такива отвори не могат да бъдат получени чрез механично пробиване.
Фактът, че пробиването е призванието на лазера, никой не се съмняваше. Тук лазерът всъщност нямаше достойни конкуренти, особено когато ставаше дума за пробиване на много тънки и много дълбоки отвори, когато трябваше да се пробиват дупки в много крехки или много твърди материали. Мина сравнително кратко време и стана ясно, че лазерът

лъчът може успешно да се използва не само за пробиване, но и за много други операции по обработка на материали. Така че днес можем да говорим за появата и развитието на една нова технология – лазерната.

Специалистите са разработили много начини за обработка на диаманти, за да се подобри качеството на тези камъни. Най-доказаният начин за подобряване на качеството на диамантите е лазерното пробиване.

Този вид обработка на диаманти се използва за първи път в търговската практика през 70-те години на миналия век. Тъмните включвания като магнетити, пиротити и въглеродни включвания не подобряват оптичните характеристики на камъка и освен това не привличат купувачи. По време на процеса на лазерно пробиване тези включванията изгарят, разтворен с азотна или сярна киселина или избистрен.

Лазерният лъч на специален апарат, квантов генератор в инфрачервения диапазон с дължина на вълната около 1060 nm, пробива микроотвор с диаметър не повече от 20-60 микрона. 20 микрона се равняват на 0,02 мм, което е дебелината на човешки косъм. пробиване на диамантизвършва се на дълбочина не повече от 1,6 mm. Този процес отнема средно 30 минути или повече.

Има начин за изсветляване на тъмните включвания. През дупката, пробита от лазерния лъч, навлиза въздух, под въздействието на който цветът на включването може да стане значително по-светъл. Друг начин за изсветляване е, че в канала на лазерния отвор във вакуумна среда се вкарва реагент, който изсветлява или напълно разтваря включването. Крайният резултат зависи от химичен съставтова включване.

При десетократно увеличение под микроскоп или под лупа не е трудно да се видят каналите на лазерните отвори, дори и да са запечатани. Те имат тип фунияна повърхността и прави линии белезникави отвътре. Напоследък за запълване на каналите се използват вещества като синтетична смола или восък поради високия индекс на пречупване. След запълване на канала със съответното вещество, каналът се запечатва. Въпреки че запечатаните дупки са по-малко видими на повърхността и по-малко податливи на замърсяване, в отразената светлина на мястото на пробиване може да се види "кратер". Кръгли вдлъбнатини по повърхността могат да се напипат и с върха на игла. Трябва да се има предвид, че ако в процеса на пробиване на дупка лазерният лъч попадне в зона на силно вътрешен стрес, тогава около канала се образуват лесно различими пукнатини от напрежение и разцепване.

При оценката на такива камъни възникват трудности. Разбира се, визуалните гемологични характеристики са значително подобрени, но пробиването създава изкуствени дефекти под формата на малки пукнатини.

Диамантите се класифицират като определена групачистота, като се вземат предвид техните външен види наличието на пробити отвори. Трябва да се отбележи, че целта на лазерното пробиване не е да увеличи чистотата на диаманта, а да изсветли тъмните включвания. Това води до подобряване на външния вид на камъка и привлича повече купувачи.

Съответните сертификати за качество, фактури и други документи трябва да съдържат информация за резултатите от човешката намеса и наличието на отвори за лазерно пробиване.

Наскоро разработен нов лазерен метод за обработкадиаманти, при които каналът не е изведен на повърхността. Този вид обработка е подходящ за диаманти с тъмни включвания близо до повърхността. Прилагането на този метод обаче все още не гарантира липсата на нови кливажни и напрегнати пукнатини, "пера" и микропукнатини около включванията. Дефекти от този вид, които са съществували преди обработката, след прилагането този методможе да се засили. От друга страна, новите пукнатини, достигайки повърхността, могат да играят ролята на канали. Когато в тези канали се въведат киселини, включванията стават по-леки. Този метод не е подходящ за всички камъни, но диаманти с тъмни включванияразположен близо до повърхността, с малки пукнатини - идеален материал за този метод на рафиниране.

Същността на този метод на лазерна обработка се състои в това, че лазерите в пулсиращ режим се фокусират точно върху мястото на включване. В резултат на процеса се отделя значително количество топлина, което допринася за разпространението на пукнатини към повърхността на камъка. По този начин няма нужда да пробивате канал с образуване на фуния на повърхността. Разтворителят, който лесно прониква през нови пукнатини до включването, или го изсветлява, или го разтваря. Но този метод може водят до образуване на ями и кухини по повърхността на камъкас тази разлика, че формата им няма да е толкова идеално кръгла, а размерите ще са малко по-малки.

Друг метод на лазерна обработкаразработена от израелски експерти в началото на 2000-те години. Наричаха го КМ (съкратено от думите "Кидуа Меухад"), което означава „специално сондиране“ на иврит. Методът, станал популярен в Антверпен, се използва за изсветляване на тъмни включвания с микропукнатини с помощта на киселина при специални условия. Към най-близкия до повърхността дефект се насочва лазерен лъч, в резултат на което дефектът се разпространява към повърхността.

След лазерно излагане диамантът се спуска в концентрирана киселинаи се нагрява до висока температура под налягане. Благодарение на създадените условия киселината прониква преди включване и я разтваря.

Диамантите след третиране с KM могат да бъдат идентифицирани по наличието на синкаво-кафеникави нюанси в отразената светлина на места изкуствено създадени пукнатиниособено когато се търкаля камък. Не може да се каже същото за диамантите, които се обработват с помощта на традиционна технология за лазерно пробиване с образуване на забележими дупки на повърхността. Освен това, в диамантите, обработени по метода CM, понякога могат да се забележат леки остатъци от черно вещество под формата на неправилни линии върху повърхността на стрес пукнатини, които са се образували по време на лазерното излагане.

Промишлена обработка на материалисе превърна в един от най-широко използваните лазери. Преди появата на лазерите основните източници на топлина за технологична обработка бяха газова горелка, електродъгов разряд, плазмена дъга и електронен лъч. С появата на лазерите, излъчващи висока енергия, се оказа възможно създаването на висока плътност на светлинния поток върху третираната повърхност. Ролята на лазерите като източници на светлина, работещи в непрекъснат, импулсен или гигантски импулсен режим, е да осигурят на повърхността на обработвания материал плътност на мощността, достатъчна за неговото нагряване, стопяване или изпаряване, които са в основата на лазерната технология.
Понастоящем лазерът успешно извършва редица технологични операции, предимно като рязане, заваряване, пробиване на отвори, термична обработка на повърхността, писане, маркиране, гравиране и др., и в някои случаи дава предимства пред други видове обработка. По този начин пробиването на дупки в материала може да бъде завършено по-бързо, а писането на различни материали е по-съвършено. Освен това някои видове операции, които преди бяха невъзможни за извършване поради трудна достъпност, се извършват с голям успех. Например, заваряването на материали и пробиването на отвори може да се извърши през стъкло във вакуум или атмосфера от различни газове.
Думата "лазер" е съставена от началните букви на английската фраза Light Amplification by Stimulated Emi ion of Radiation, което в превод на руски означава: усилване на светлината чрез стимулирано излъчване. Класически се случи така, че при описанието на лазерните технологии за обработка на материали основното внимание се обръща само на самите лазери, техните принципи на работа и технически параметри. Въпреки това, за да се приложи всеки процес на лазерна обработка на размери на материали, в допълнение към лазера, система за фокусиране на лъча, устройство за контролиране на движението на лъча по повърхността на детайла или устройство за преместване на продукта спрямо лъчът, система за издухване на газ, системи за оптично насочване и позициониране, софтуер за контрол на процеса, лазерно рязане, гравиране и др. В повечето случаи изборът на параметри за устройства и системи, обслужващи директно лазера, е не по-малко важен от параметрите на самия лазер. Например, за маркиране на лагери с диаметър по-малък от 10 mm или прецизно точково лазерно заваряване, времето, изразходвано за позициониране на продукта и фокусиране, надвишава времето за гравиране или заваряване с един или два порядъка (времето за нанасяне на маркировката върху лагера е приблизително 0,5 s). Следователно, без използването на системи за автоматично позициониране и фокусиране, използването на лазерни системи в много случаи става икономически нецелесъобразно. Аналогията на лазерните системи с автомобилите показва, че лазерът функционира като двигател. Колкото и да е добър двигателя, но без колела и всичко останало колата няма да тръгне.
Друг важен фактор при избора на лазерни технологични системи е лесната им поддръжка. Както показва практиката, операторите имат ниска квалификация за обслужване на такова оборудване. Една от причините за това е, че лазерните системи в повечето случаи се инсталират за заместване на остарели технологични процеси (ударно и химическо маркиране на продукти, механично гравиране, ръчно заваряване, ръчно маркиране и др.). Ръководителите на предприятия, които модернизират производството си, като правило, по етични причини, заменяйки старото оборудване с ново, напускат стария (буквално и образно) обслужващ персонал. Следователно, за въвеждането на лазерни технологични системи в производството при дадените първоначални условия на неговото развитие (в постсъветските републики), е необходимо да се осигури възможно най-високо ниво на автоматизация и лекота на обучение. Не бива да отхвърляме факта, че заплатата на неквалифицирания персонал е по-ниска от тази на обучения специалист. Следователно е по-рентабилно да закупите сложно оборудване с възможност за лесна поддръжка, отколкото да поканите висококвалифициран персонал.
По този начин задачата за използване на лазерни технологии в съвременното производство трябва да се разглежда не само от гледна точка на техническите параметри на самия лазер, но и като се вземат предвид характеристиките на оборудването и софтуера, които позволяват използването на специфичните свойства на лазера за решаване на конкретен технологичен проблем.
Всяка лазерна система, предназначена за обработка на размери на материали,
се характеризира със следните параметри:
- скорост на обработка (рязане, гравиране и др.);
- резолюция;
— точност на обработката;
- размера на работното поле;
– набор от материали за обработка (черни метали, цветни метали, дърво, пластмаса и др.);
- гамата от размери и тегло на продуктите, предназначени за преработка;
- конфигурация на продукта (например гравиране върху плоски, цилиндрични, вълнообразни повърхности);
- необходимото време за промяна на изпълняваните задачи (смяна на шаблона за гравиране, конфигурация - линии на рязане, смяна на материала за обработка и др.);
- времето за монтаж и позициониране на продукта;
- параметри на условията на околната среда (температурен диапазон, влажност, съдържание на прах) в - - при които системата може да работи;
— изисквания към квалификацията на обслужващия персонал.
Въз основа на тези параметри се избира типът на лазера, устройството за почистване на лъча, разработва се дизайнът на крепежните елементи на продукта, нивото на автоматизация на системата като цяло, въпросът за необходимостта от писане на специализирани програми за подготовка на файлове с чертежи , линии на рязане и т.н.
Основните технически характеристики, които определят характера на обработката, са енергийните параметри на лазера - енергия, мощност, енергийна плътност, продължителност на импулса, пространствена и времева структура на излъчване, пространствено разпределение на плътността на мощността на излъчване във фокусното петно, условия на фокусиране, физически свойства на материала (отражателна способност, топлофизични свойства, точка на топене и др.). Нека разгледаме основните видове лазери и характеристиките на тяхното излъчване. Твърдите вещества, течностите и газовете се използват като активна среда на лазерите. В твърдотелните лазери активните среди са кристални или аморфни веществас примеси на някои елементи. Известни са голям брой твърди веществаподходящи за използване в лазери, но само няколко се използват широко в практиката за обработка на материали: Al2O3 с примес на хромен оксид (рубин); стъкло, итриев алуминиев гранат Y3Al5O12 и калциев волфрамат CaWO4, активиран с неодим. Тези активни среди правят възможно, в сравнение с други материали, създаването на лазери с висока изходна енергия и висока ефективност. По принцип на действие течните лазери са близки до твърдотелните лазери, при които активна средаизползват се течни диелектрици с разтворени примеси.
Енергията на радиационния импулс на твърдотелни и течни лазери (в режим на свободно движение) варира от десети от джаула до 103 J и повече, а в режим с превключване Q до няколко десетки и стотици джаула. Мощността на излъчване на импулсните лазери, в зависимост от режима на работа, може да варира от стотици киловати (свободно генериране) до гигавати (Q-switched). В пакетен режим на работа (произволно генериране) разликата между средния интеграл на импулсна мощност и мощността на отделен пик може да достигне два порядъка. Тази разлика е малко по-малка за импулс с подредена структура (обикновен импулс). Средната интегрална мощност се различава незначително от мощността във всеки момент за квазистационарен радиационен импулс. Следователно квазистационарният режим на генериране представлява практически интерес за процесите на заваряване и обработка на материали като режим, който може да се използва за реализиране на "меко" нагряване. Използването на този режим намалява отстраняването на материал от зоната на удара.
Гранична стойност на ефективност лазери се определя главно от вътрешните загуби в кристала на активната среда и ефективното използване на енергията на помпата. По този начин, за рубинени лазери, стойността на реалната ефективност не надвишава 1%, а за лазери върху стъкло с неодим - 2%.
Друга разновидност са газови лазери, чиято активна среда е газ, смес от няколко газа или смес от газ с метални пари. Газовите лазери включват и химически лазери., тъй като за тях се използват газообразни активни среди. В химическия лазер възбуждането на активната среда се осигурява от бързи химични реакции. Неутралните атоми, йони и газови молекули се използват като активни частици в газовите лазери. Лазерите с неутрални атоми правят възможно генерирането на радиация с дължина на вълната предимно в инфрачервената част на спектъра и някои в червената област на видимия спектър.
Йонните газови лазери произвеждат главно видимо и ултравиолетово лъчение. Молекулярните газови лазери генерират радиация с дължина на вълната 10-100 микрона (инфрачервен и субмилиметров диапазон). Мощността на лазерите с неутрални атоми, например хелиево-неонови лазери в непрекъснат режим, не надвишава 50 mW, йонните (аргоновите) лазери достигат 500 W, а най-мощните са молекулярните лазери. Например лазерите с въглероден диоксид осигуряват непрекъсната изходна мощност от няколко десетки киловата. ефективност лазери върху неутрални атоми и йони практически не надвишава 0,1%, молекулярните лазери имат много по-висока ефективност, достигайки 20%.
Най-обещаващ за употреба в много технологични процесиса влакнести лазери. В момента пазарът включва едномодови влакнести лазери със средна изходна мощност до 2 kW, нискомодови влакнести лазери до 10 kW и многомодови системи с изходна мощност до 50 kW. Най-високите нива на мощност са постигнати в Yb-активираните влакнести лазери, които генерират радиация с дължина на вълната 1,07 μm, която се абсорбира в металите по-добре от радиацията с дължина на вълната 10,6 μm. В допълнение, 10 пъти по-къса дължина на вълната позволява да се получи по-малка дивергенция на радиацията, което означава, че е по-добре да се фокусира. Това обяснява факта, че дори сравнително нискомощни 100-ватови едномодови лазери могат да режат стомана с дебелина 1,5 mm при скорости до 4 m/min. Техническите характеристики на влакнестите лазери позволяват прилагането на дистанционен режим на заваряване, което значително улеснява интегрирането на лазерно оборудване в съвременни роботизирани производствени линии и драстично увеличава скоростта на заваряване.
Но въпросът не е само в силата и разминаването на лъчите. Друг параметър, който рязко подчертава влакнести лазери, е с висока енергийна ефективност. Изпомпването на активираното влакно се осъществява от лазерни диоди, ефективността е което надвишава 60%, поради което пълната (или "изходна") ефективност. фибро лазери е 28-30% (в пъти по-висока от най-добрите промишлени CO2 лазери, както и твърдотелни лазери с полупроводниково и лампово изпомпване). Поради това техните експлоатационни разходи за консумация на енергия и охлаждане са 5-8 пъти по-малко, отколкото за CO2 лазери, и около 20-50 пъти по-малко, отколкото за лампово-напомпвани твърдотелни лазери. Последен факт, както и липсата на регулируеми възли във влакнестите лазери, тяхното внедряване под формата на интегрирани влакнести устройства, осигуряват висока надеждност на системите като цяло. Конструктивно и по принцип на работа фибро лазерите са по-близки до чисто електронното оборудване, отколкото до промишлените лазери от друг тип. Към това трябва да се добави, че те практически не изискват рутинна поддръжка.
Добрата интегрируемост на фибролазерите в съвременното технологично оборудване се улеснява и от факта, че тяхното изходно лъчение се транспортира идеално без загуба на мощност и пространствени характеристики по тънки кварцови влакна, защитени от механични въздействия с гъвкави метални маркучи с диаметър 8–15 mm . Дължината на такива оптични кабели достига 200 m и може да бъде удължена, ако е необходимо.
По-долу са специализираните задачи, решавани с лазер технологични системи. Акцентът е изместен върху характеристиките на лазерите, предназначени да решават тези проблеми.
Лазерно рязане на метали
Използването на лазери за рязане на метали, както и на неметали, се дължи на следните предимства в сравнение с традиционните методи: широка гама от режещи се материали; възможността за получаване на тънки разрези поради рязкото фокусиране на лазерния лъч; малка зона на термично въздействие на радиацията; минимално механично въздействие върху материала; възможност за бързо включване и изключване на устройството с висока точност; химическа чистота на процеса на рязане; възможността за автоматизиране на процеса и получаване на висока производителност на метода; възможност за рязане на сложни профили в две или дори три измерения.
Лазерното рязане, подобно на други видове лазерна обработка, се основава на топлинния ефект на радиацията и се извършва с движещ се източник на топлина, който може да се движи в две взаимно перпендикулярни посоки, използвайки специална оптична система, която ви позволява да образувате петно ​​с висока плътност и донесете го до необходимата точка на обработената проба.
Рязането на сравнително дебели метални листове се извършва, като правило, с активен газ (кислород), който се вдухва в зоната на рязане. Същността на този процес, наречен газово лазерно рязане (GLR), се състои в това, че лазерното лъчение се фокусира от оптична система върху повърхността на обработвания материал и коаксиално с лъча се подава кислород с помощта на специално устройство. При лазерно рязане на метали кислородът изпълнява следните функции:
подпомага изгарянето на метала;
премахва продуктите на разрушаване и почиства зоната на рязане чрез издухване на газообразни продукти и капкова фракция;
интензивно охлажда частите от материала, съседни на зоната на рязане.
Наличието на кислородна струя при рязане на метали може значително да увеличи дълбочината, скоростта на рязане и да получи висококачествени ръбове. Малка част от падащото лъчение се абсорбира от повърхностния слой на метала и води до неговото нагряване. Полученият филм от оксиди увеличава дела на абсорбираната енергия и температурата на металите се повишава до точката на топене. Течният метал и оксидите се издухват от зоната на рязане от кислородната струя, като по този начин се улеснява окисляването на долните слоеве. Това продължава, докато металният лист се изреже до пълната му дълбочина. Ниската вложена енергия и високата концентрация на енергия правят възможно получаването на успоредни ръбове с малка ширина на рязане (0,1–0,5 mm) и малка зона на топлинно въздействие.
Скоростта на рязане на дебели листове се увеличава с увеличаване на лазерната мощност и зависи от дебелината на листа и топлопроводимостта на метала. С лазерна мощност от около 400-600 W е възможно да се режат черни метали и титан със скорост от порядъка на няколко метра в минута, докато рязането на метали с висока топлопроводимост (мед, алуминий) представлява известна трудност. В литературата има достатъчно информация за значителния ефект на енергията на химическа реакция върху скоростта на рязане и чистотата на ръба, но сложността на процеса не позволява никакви количествени оценки, особено след като съставът на крайния продукти на окисление, фракцията на капковата фракция на метала, издухана от газовата струя, и латентната топлина на фазовите преходи (топене, изпарение). Таблица 1 показва средните скорости на рязане за различни метали.
Маса 1.

За газово лазерно рязане, като правило, се използват високомощни CO2 и твърдотелни лазери. Съвременните CO2 лазери с бавен газов поток по газоразрядната тръба имат относително големи дължини, тъй като тяхната специфична мощност не надвишава 50–100 W/m. Широко разпространените CO2 лазери се изработват под формата на "сгъната" конструкция от две, четири или шест тръби с обща дължина около 3-6 m и ефективност. около 10%. Сравнително наскоро бяха разработени CO2 лазери с бързо напречно изпомпване на газ, циркулиращ в затворен обем. При сравнително малки размери те успяват да получат нива на мощност от 6-10 kW в непрекъснат режим на генериране.
Газовото лазерно рязане често се сравнява с микроплазменото рязане, което ви позволява да режете по-дебели листове метал и с по-висока скорост. Все пак трябва да се отбележи, че GLR осигурява по-добра локализация и по-висока плътност на подадената енергия, в резултат на което зоната на топлинно въздействие намалява.
Поради високия си вискозитет, механичното рязане на титан е трудно, докато плазменото рязане дава голяма зона на топлинно въздействие и газово насищане на ръбовете. Използването на GLR води до намаляване на разходите за обработка със 75%. С GLR важен моментпри определяне на скоростта на рязане е правилно избраната скорост на изтичане на газовата струя от дюзата, която се определя от налягането на газа в фрезата.
Ефективността на процеса на остъкляване с алуминий силно зависи от състоянието на повърхността. Рязането на листове с гладка необработена повърхност е много по-трудно, докато пясъкоструенето на повърхността позволява остъкляване, но качеството на среза не е високо (това е правилна последователност от отвори). Окисляването, пасивирането, анодирането и азотирането на повърхността на гладък лист не осигуряват достатъчни условия за GLR. Има трудности при рязане и материали като мед, месинг. Факт е, че тези метали имат висока отразяваща способност на лазерното лъчение, както в студено, така и в нагрято състояние, и висока топлопроводимост. Образуваните върху тях оксидни филми са тънки и неефективно абсорбират лазерното лъчение.
Лазерно пробиване на отвори в метали
Използването на лазер като инструмент за пробиване има предимства.
Няма механичен контакт между пробивния инструмент и материала, както и счупване и износване на свредлата.
Повишава се точността на поставяне на отворите, тъй като оптиката, използвана за фокусиране на лазерния лъч, се използва и за насочването му към желаната точка. Дупките могат да бъдат ориентирани във всяка посока.
Постига се по-голямо съотношение на дълбочината към диаметъра на пробиване, отколкото при другите методи на пробиване.
При пробиване, както и при рязане, свойствата на обработвания материал значително влияят върху лазерните параметри, необходими за извършване на операцията. Пробиването се извършва от импулсни лазери, работещи както в режим на свободно движение с продължителност на импулса от порядъка на 1 μs, така и в режим на Q-switched с продължителност няколко десетки наносекунди. И в двата случая има термичен ефект върху материала, неговото топене и изпарение. Дупката расте в дълбочина главно поради изпарение, а в диаметър поради топенето на стените и изтичането на течност под създаденото свръхналягане на парите.
Обикновено дълбоки отвори с желания диаметър се получават с помощта на повтарящи се нискоенергийни лазерни импулси. В този случай се образуват дупки с по-малка конусност и по-добро качество от дупки, получени с по-висока енергия на единичен импулс. Изключение правят материалите, съдържащи елементи, способни да създават високо налягане на парите. По този начин е много трудно да се заварява месинг с лазерно импулсно лъчение поради високото съдържание на цинк, но при пробиване месингът има някои предимства, тъй като цинковите атоми значително подобряват механизма на изпаряване.
Тъй като многоимпулсният режим ви позволява да получите отвори с най-добро качество на желаната геометрия и с малко отклонение от зададените размери, на практика този режим е широко разпространен при пробиване на отвори в тънки метали и неметални материали. Въпреки това, когато се пробиват отвори в дебели материали, се предпочитат единични импулси с висока енергия. Диафрагмата на лазерния поток дава възможност за получаване на дупки с форма, но този метод се използва по-често при обработката на тънки филми и неметални материали. Когато лазерното пробиване се извършва в тънки листове с дебелина под 0,5 mm, има известна унификация на процеса, състояща се във факта, че отвори с диаметър от 0,001 до 0,2 mm могат да се правят във всички метали при относително ниски мощности .
Пробиването на отвори в метали може да се използва в редица случаи. Така че с помощта на импулсни лазери може да се извърши динамично балансиране на части, въртящи се с висока скорост. Дисбалансът се избира чрез локално топене на определен обем материал. Лазерът може да се използва и за монтиране на електронни компоненти чрез локално изпаряване на материала или чрез общо нагряване. Високата плътност на мощността, малкият размер на петното и кратката продължителност на импулса правят лазера идеален инструмент за това приложение.
Лазерите, използвани за пробиване на отвори в метал, трябва да осигуряват плътност на мощността на фокусирания лъч от порядъка на 107 - 108 W/cm2. Пробиването на отвори с метални свредла с диаметър по-малък от 0,25 mm е трудна практическа задача, докато лазерното пробиване позволява да се получат отвори с диаметър, съизмерим с дължината на вълната на излъчване, с достатъчно висока точност на поставяне. Специалисти на компанията "Дженерал Електрик" (САЩ) изчислиха, че лазерното пробиване на дупки в сравнение с обработката с електронен лъч има висока икономическа конкурентоспособност. В момента твърдотелните лазери се използват главно за пробиване на отвори. Те осигуряват честота на повторение на импулса до 1000 Hz и мощност в непрекъснат режим от 1 до 103 W, в импулсен режим до стотици киловати, а в Q-switched режим до няколко мегавата. Някои резултати от обработката с такива лазери са дадени в табл. 3.
Таблица 3

Метал	Дебелина, мм	Диаметър на отвора, мм		Продължителност пробиване	лазерна енергия, Дж
		вход	уикенд
Неръждаема стомана	0,65 0,9 1,78	0,25 0,5 0,3	0,15 0,25 0,22	10 импулса 2,35 0,8	0,15 0,25 16,0
Никелова стомана	0,5	0,2	0,15	2,0	3,3
Волфрам	0,5 1,6	0,2 0,35	0,2 0,2	2,1 1,8	4,0 2,1
Магнезий	1,6 0,5	0,4 0,25	0,3 0,2	2,0 2,0	3,3 3,3
Молибден	0,5 0,8	0,25 0,2	0,25 0,2	2,35 2,25	5,9 4,9
Мед	1,6	0,3	0,15	2,35	5,9
Тантал	1,6	0,3	0,1	2,42	8,0

Лазерно заваряване на метали
Лазерното заваряване в своето развитие имаше два етапа. Първоначално е разработено точково заваряване. Това се обяснява с наличието по това време на мощни импулсни твърдотелни лазери. Понастоящем, при наличието на високомощни газообразни CO2 и твърдотелни Nd:YAG лазери, осигуряващи непрекъснато и импулсно излъчване, е възможно шевно заваряване с дълбочина на проникване до няколко милиметра. Лазерното заваряване има редица предимства пред другите видове заваряване. При наличие на висока плътност на светлинния поток и оптична система е възможно локално проникване в дадена точка с висока точност. Това обстоятелство дава възможност за заваряване на материали в труднодостъпни места, във вакуумна или газова камера с прозорци в нея, които са прозрачни за лазерно лъчение. Заваряването, например, на микроелектронни елементи в камера с атмосфера на инертен газ е от особен практически интерес, тъй като в този случай няма окислителни реакции.
Заваряването на части става при много по-ниска плътност на мощността от рязането. Това се обяснява с факта, че по време на заваряване е необходимо само нагряване и разтопяване на материала, т.е. необходими са плътности на мощността, които все още са недостатъчни за интензивно изпарение (105–106 W/cm2), с продължителност на импулса около 10– 3–10–4 s. Тъй като лазерното лъчение, фокусирано върху обработвания материал, е повърхностен източник на топлина, преносът на топлина в дълбочина на заварените части се извършва поради топлопроводимост и зоната на проникване се променя с времето с правилно избран режим на заваряване. При недостатъчна плътност на мощността се получава непробиване на заварената зона, а при наличие на висока плътност на мощността се наблюдава изпаряване на метала и образуване на дупки.
Заваряването може да се извърши на машина за газово лазерно рязане при по-ниска мощност и със слаб удар на инертен газ в зоната на заваряване. С мощност на CO2 лазер от около 200 W е възможно да се заваряват стомани с дебелина до 0,8 mm при скорост 0,12 m/min; качеството на шева не е по-лошо, отколкото при обработката с електронен лъч. Заваряването с електронен лъч има малко по-високи скорости на заваряване, но се извършва във вакуумна камера, което създава големи неудобства и изисква значителни общи времеви разходи.
В табл. 4 са показани данни за челно заваряване с CO2 лазер с мощност 250 W на различни материали.
Таблица 4 5. При припокриване, челно и ъглово заваряване се получават скорости, близки до посочените в таблицата, с пълно проникване на заварения материал в зоната на удара на лъча.
Таблица 5. Системите за лазерно заваряване са в състояние да заваряват различни метали, произвеждайки минимални топлинни ефекти поради малкия размер на лазерното петно, както и да заваряват тънки проводници с диаметър по-малък от 20 микрона в модел тел-тел или лист тел .
Рязане на неметални материали
Лазерният лъч се използва с голям успех при рязане на неметални материали като пластмаси, фибростъкло, борни и въглеродни композитни материали, керамика, каучук, дърво, азбест, текстилни материали и др. Тази гама материали обикновено има по-ниска топлопроводимост отколкото металите и следователно специфичната вложена енергия за процеса на рязане е много по-малка. Следователно, праговата плътност на потока, необходима за започване на рязане на неметали, е слабо зависима от дебелината на листа.
За рязане на неметални материали, както и на метали, се използват главно YAG и CO2 лазери с непрекъснато излъчване. За да се увеличи ефективността на рязане, в зоната на рязане се вдухва активен или неутрален газ, който издухва изпарените фракции от капчици и охлажда третираната локална зона, позволявайки рязане на материали с ниско овъгляване и топене.
В процеса на остъкляване на диелектрици, издухването от зоната на рязане на фино диспергирани и капковидни фракции, които се образуват под термичното въздействие на лазерното лъчение, играе решаваща роля за тяхното унищожаване. Изключение правят материали на базата на фенолформалдехидни смоли: текстолит, фибростъкло и др. Този видматериалите под действието на лазерното лъчение се превръщат във вискозна синтерована маса, която е трудно да се отстрани от среза с помощта на газова струя: необходима е висока консумация на енергия за изпаряване на продуктите на разрушаване.
Газовото лазерно рязане ви позволява да получите чисто рязане на диелектрици с добри качества на режещия ръб. В този случай, от страната на входа на лъча, ръбът има най-добро качество, а от изходната страна се наблюдава известно топене. Рязането на дебел органичен материал е различно интересна функция; ширината на изрязване на изхода е много по-малка, отколкото може да се очаква въз основа на геометричната дивергенция на лъча, образуван от фокусиращата оптика.
При наличие на достатъчна мощност на лазерното лъчение е възможно извършването на GLR процес на стъкло и кварц. В същото време качеството на рязане е високо, но ръбовете са леко разтопени от изходната и входната страна на гредата.
Големи перспективи се отварят при използването на GLR за рязане на текстил. Наличните резултати от експериментално изследване на рязане както на отделни слоеве, така и на многослойни подови настилки показват, че във всеки конкретен случай има режими на работа на лазерите и скорост на движение на обработвания материал, при които се получава висококачествен разрез без изгаряне.
В табл. Фигура 6 показва резултатите от рязане на някои диелектрични материали с CO2 лазер.
Таблица 6 Пробиване на неметални материали
Пробиването на отвори е една от първите области на лазерната технология. Първо, чрез изгаряне на дупки в различни материали, експериментаторите ги използваха за оценка на радиационната енергия на лазерните импулси. В момента процесът на лазерно пробиване се превръща в независима посока на лазерната технология. Материалите, които се пробиват с лазерен лъч, включват неметали като диаманти, рубинени камъни, ферити, керамика и др., в които пробиването на отвори с конвенционални методи е трудно или неефективно. С помощта на лазерен лъч можете да пробивате отвори с различни диаметри. За тази операция се използват следните два метода. При първия метод лазерният лъч се движи по зададен контур, а формата на отвора се определя от траекторията на относителното му движение. Тук се извършва процес на рязане, при който източникът на топлина се движи с определена скорост в дадена посока: в този случай, като правило, се използват лазери с непрекъсната вълна, както и импулсни лазери, работещи с повишена честота на повторение на импулса .
При втория метод, наречен метод на проекцията, обработеният отвор повтаря формата на лазерния лъч, на който може да се даде произволно сечение с помощта на оптична система. Проекционният метод за пробиване на отвори има някои предимства пред първия. Така че, ако върху пътя на лъча се постави диафрагма (маска), тогава по този начин е възможно да се отреже периферната му част и да се получи относително равномерно разпределение на интензитета по напречното сечение на лъча. Благодарение на това границата на облъчената зона е по-остра, конусността на отвора намалява и качеството се подобрява.
Има редица техники, които ви позволяват допълнително да изберете част от разтопения материал от отвора, който се обработва. Един от тях е създаването на свръхналягане от сгъстен въздух или други газове, които се подават в зоната на пробиване с помощта на дюза, коаксиална с лазерно лъчение. Този метод е използван за пробиване на отвори с диаметър 0,05-0,5 mm в керамични плочи с дебелина до 2,5 mm с помощта на CO2 лазер, работещ в непрекъснат режим.
Пробиването на отвори в твърда керамика не е лесна задача: конвенционалният метод изисква диамантен инструмент, докато други съществуващи методи са трудни поради размера на отвора в диаметър, равен на десети от милиметъра. Тези трудности са особено забележими, когато дебелината на плочата, която ще се обработва, е по-голяма от диаметъра на отвора. Съотношението на дълбочината на отвора (дебелината на материала) към неговия диаметър е мярка за качеството на получаване на тънки отвори; то е 2:1 при конвенционалното пробиване и около 4:1 при ултразвуковия метод, използван при пробиване на керамика и други огнеупорни материали.
Методът на лазерно пробиване на този клас материали позволява да се получи най-доброто съотношение с много висока точност на поставяне на отворите и относително по-малко време. По този начин, за лазерно пробиване на поликристална алуминиева керамика с висока плътност, беше използван рубинен лазер с импулсна енергия от 1,4 J, фокусирана леща с фокусно разстояние 25 mm върху повърхността на диска и осигуряваща плътност на мощността от около 4 -106 W/cm2. Средно 40 импулса с честота на повторение от 1 Hz са необходими за пробиване на керамичен диск с дебелина 3,2 mm. Продължителността на лазерния импулс е 0,5 ms. Получените дупки имаха конус с диаметър около 0,5 mm на входа и 0,1 mm на изхода. Може да се види, че съотношението на дълбочината към средния диаметър на отвора е около 11:1, което е много по-голямо от подобно съотношение при други методи за пробиване на отвор. За прости материали това съотношение за лазерно пробиване може да бъде 50:1.
За отстраняване на продуктите от горенето и течната фаза от зоната на пробиване се използва продухване с въздух или други газове. По-ефективно издухване на продуктите става с комбинация от издухване от предната страна и вакуум от задната страна на пробата. По подобна схема се пробиват отвори в керамика с дебелина до 5 mm. Въпреки това, ефективното отстраняване на течната фаза в този случай става само след образуването на проходен отвор.
В табл. 7 показва параметрите на отворите в някои неметални материали и техните режими на обработка.
Таблица 7

Материал	Параметри на отвора			Режим на обработка
	Диаметър, мм	Дълбочина, мм	Съотношение на дълбочина към диаметър	Енергия, Дж	Продължителност на импулса x10-4, s	Плътност на потока, W/cm2	Брой импулси на