«Лазерная технология»

процессы обработки и сварки материалов излучением Лазеров. В Л. т. применяют твердотельные и газовые лазеры импульсного и непрерывного действия. В большинстве процессов Л. т. используется термическое действие света, вызываемое его поглощением в обрабатываемом материале. Для увеличения плотности потока излучения и локализации зоны обработки применяют оптические системы.

Особенности Л. т.: высокая плотность потока излучения в зоне обработки, дающая необходимый термический эффект за короткое время (длительность импульса 1 мсек и менее); локальность воздействия излучения, обусловленная возможностью его фокусировки в световые пучки предельно малого диаметра (порядка длины волны излучения); малая зона термического влияния, обеспечиваемая кратковременным воздействием излучения; бесконтактный ввод энергии в зону обработки и возможность ведения технологических процессов в любой прозрачной среде (вакуум, газ, жидкость, твёрдое тело), через прозрачные окна технологических камер, оболочки электровакуумных приборов и т.д. Наиболее изучены и освоены процессы сварки, сверления и резки.

Лазерная сварка (рис. 1а—г) может быть точечной и шовной. В большинстве случаев применяют импульсные лазеры, обеспечивающие наименьшую зону термического влияния. С помощью лазерной сварки можно получать высококачественные соединения деталей из нержавеющей стали, никеля, молибдена, ковара и др. Высокая мощность лазерного излучения позволяет сваривать материалы с высокой теплопроводностью (медь, серебро). Возможна лазерная сварка материалов, плохо поддающихся сварке др. методами (вольфрам с алюминием, медь со сталью, бериллиевая бронза с др. сплавами). Плотность потока излучения на поверхности свариваемых деталей в зависимости от их материала находится в пределах 0,1—1 Мвт/см². Глубина проплавления материала при сварке импульсным твердотельным лазером может быть 0,05—2 ммпри её отношении к диаметру сварной точки или ширине шва от 0,5 до 5, что делает возможным надёжную сварку деталей толщиной от 0,01 до 1 мм. Оборудование для лазерной сварки обеспечивает работу в следующих режимах: энергия излучения в импульсе 0,1—30 дж, длительность импульса 1—10 мсек, диаметр светового пятна 0,05—1,5 мм. Производительность точечной сварки 60 операций в мин, шовной — 1 м/мин при глубине проплавления 0,5 мм. Наиболее эффективно применение лазера для сварки в труднодоступных местах конструкций, при соединении легкодеформируемых деталей, в условиях интенсивного теплоотвода (например, для материалов с высокой теплопроводностью, при низких температурах и т.д.), а также в тех случаях, когда надо обеспечить минимальную зону термического влияния. Экономически выгодна замена пайки миниатюрных деталей сваркой с помощью лазера, т.к. в этом случае исключается загрязнение свариваемых деталей флюсом, получается соединение более высокого качества, конструкция весит меньше. Области применения лазерной сварки: изготовление электровакуумных и полупроводниковых приборов, интегральных схем, приборов точной механики и т.д. Лазерная сварка позволяет повысить производительность труда в 3—5 раз по сравнению с обычными способами сварки и пайкой.

Сверление отверстий лазером (рис. 2а—г) возможно в любых материалах. Как правило, для этой цели используют импульсные лазеры с энергией в импульсе 0,1—30 дж при длительности 0,1—1 мсек, плотности потока излучения в зоне обработки 10 Мвт/см² и более. Максимальная производительность достигается при сверлении отверстий за один импульс с большой энергией (до 30 дж). При этом основная масса материала удаляется из отверстия в расплавленном состоянии под давлением пара, образовавшегося в результате испарения относительно небольшой части вещества. Однако точность обработки одноимпульсным методом невысокая (10—20% от размера диаметра). Максимальная точность (1—5%) и управляемость процессом сверления достигается при воздействии на материал серии импульсов (многоимпульсный метод) с относительно небольшой энергией (обычно 0,1—0,3 дж) и малой длительностью (0,1 мсеки менее). Возможно сверление сквозных и глухих отверстий с различными формами поперечного (круглые, треугольные и т.д.) и продольного (цилиндрического, конического и др.) сечений. Освоено сверление отверстий диаметром 0,003—1 мм при отношении глубины к диаметру 0,5—10. Шероховатость поверхности стенок отверстий в зависимости от режима обработки и свойств материала соответствует 6—10 классам чистоты (∇6—∇10), а глубина структурно измененного, или дефектного, слоя составляет 1—100 мкм.Производительность лазерных установок для сверлений отверстий обычно 60—240 отверстий в мин. Наиболее эффективно применение лазера для сверления труднообрабатываемых др. методами материалов (алмаз, рубин, керамика и т.д.), получения отверстий диаметром менее 100 мкм в металлах, сверления под углом к поверхности. В СССР сверление отверстий лазерным лучом нашло особенно широкое применение в производстве рубиновых часовых камней и алмазных волок. Например, успешно выполняется сверление алмазных волок на установке «Квант-9» с лазером на стекле с примесью неодима (рис. 3). Производительность труда на этой операции увеличилась в 12 раз по сравнению с ранее применявшимися методами.

Бесконтактное удаление лазером весьма малых масс материала применяют также при динамической балансировке роторов Гироскопов и при точной подгонке балансов часовых механизмов, что позволяет существенно повысить точность этих операций и увеличить производительность.

Лазерную резку материалов (рис. 4) осуществляют как в импульсном, так и в непрерывном режиме. При резке в импульсном режиме непрерывный рез получается в результате наложения следующих друг за другом отверстий. Наиболее широкое применение получила резка (фрезерование) тонкоплёночных пассивных элементов интегральных схем, например с целью точной подгонки значений их сопротивления или ёмкости. Для этого применяют импульсные лазеры на алюмо-иттриевом гранате с модуляцией добротности, лазеры на углекислом газе. Импульсный характер обработки обеспечивает минимальную глубину прогрева материала и исключает повреждение подложки, на которую нанесена плёнка. Лазерные установки различных типов позволяют вести обработку при следующих режимах: энергия излучения 0,1—1 мдж,длительность импульса 0,01—100 мксек,плотность потока излучения до 100 Мвт/см², частота повторения импульсов 100—5000 импульсов в 1 сек. В сочетании с автоматически управляющими системами лазерные установки для подгонки резисторов обеспечивают производительность более 5 тыс. операций за 1 ч.Импульсные лазеры на алюмо-иттриевом гранате применяются также для резки полупроводниковых пластин-подложек интегральных схем.

Лазеры непрерывного действия на углекислом газе мощностью от нескольких сотен вт до нескольких квт применяют для газолазерной резки, при которой в зону воздействия лазерного луча подаётся струя газа. Газ выбирают в зависимости от вида обрабатываемого материала. При резке дерева, фанеры, пластиков, бумаги, картона, текстильных материалов в зону обработки подаётся воздух или инертный газ, которые охлаждают края реза и препятствуют сгоранию материала и расширению реза. При резке большинства металлов, стекла, керамики струя газа выдувает из зоны воздействия луча расплавленный материал, Что позволяет получать поверхности с малой шероховатостью и обеспечивает высокую точность реза. При резке железа, малоуглеродистых сталей и титана в зону нагрева подаётся струя кислорода. В результате экзотермической реакции окисления металла выделяется дополнительное тепло, что позволяет значительно повысить скорость резки. Характерные режимы газолазерной резки: мощность излучения 300—1000 вт, плотность потока излучения в зоне обработки 100 квт/см²,ширина реза 0,3—1 мм, толщина разрезаемого материала до 10 мм; скорость резки зависит от толщины и свойств обрабатываемого материала и может быть от 0,5 до 10 м/мин, для тонких материалов (бумага, ткань) до 50 м/мин и более. Достоинства газолазерной резки: простота автоматизации процесса, малая ширина реза и небольшая глубина зоны термического влияния, отсутствие вредных отходов при резке стеклопластиков, оплавление краев реза синтетических текстильных материалов, что препятствует их распусканию.

Лазеры на углекислом газе применяют для резки хрупких материалов (стекло, керамика) методом управляемого термического раскалывания. При локальном нагреве материала по траектории движения луча создаются термические напряжения, превышающие предел прочности материала. Возникающая трещина развивается вслед за лучом, траектория которого может иметь сложную форму. Скорость резки достигает нескольких м/мин. Управляемое термическое раскалывание применяется при резке стеклянных трубок в производстве электровакуумных приборов, керамических подложек интегральных схем, для резки листового и фасонного стекла.

Применение лазера в других областях. Термическое действие лазерного излучения может быть применено для поверхностного упрочнения (закалка и «залечивание» микродефектов оплавлением) быстроизнашивающихся металлических деталей, например режущего инструмента для создания электронно-дырочных переходов (См. Электронно-дырочный переход) в производстве полупроводниковых приборов (См. Полупроводниковые приборы). В производстве интегральных схем действие лазера используют для локальной термической диссоциации некоторых металлсодержащих органических соединений при изготовлении плёночных элементов схем; для интенсификации процессов локального окисления и восстановления; для получения тонких плёнок путём испарения материалов в вакууме.

В СССР промышленность выпускает лазерные технологические установки различного назначения с лазерами на стекле с неодимом, алюмо-иттриевом гранате, углекислом газе и на др. активных средах. На рис. 5 представлена типичная блок-схема лазерной технологической установки.

Дальнейшее развитие Л. т. связано с увеличением мощностей лазеров, что позволит обрабатывать материалы ещё большей толщины. Задачами Л. т. в области обеспечения более высокой точности обработки является разработка эффективных методов управления параметрами излучения, улучшение равномерности распределения интенсивности излучения по сечению пучка, повышение стабильности выходных параметров лазеров, а также детальное изучение физических процессов воздействия лазерного излучения на материалы в различных режимах работы лазеров.

Лит.: Действие излучения большой мощности на металлы, М., 1970; Лазерная технология, М., 1970; Технологическое применение газовых лазеров, Л., 1970; Лазерная литография, Л., 1971.

М. Ф. Стельмах, А. А. Чельный.

Рис. 5. Типичная блок-схема лазерной технологической установки с твердотельным лазером: 1 — зарядное устройство; 2 — ёмкостной накопитель; 3 — система управления; 4 — блок поджига; 5 — лазерная головка; 6 — система охлаждения; 7 — система стабилизации энергии излучения; 8 — датчик энергии излучения; 9 — оптическая система; 10 — сфокусированный луч лазера; 11 — обрабатываемая деталь; 12 — координатный стол; 13 — система программного управления.

Рис. 2г. Сверление отверстий лазерным излучением: отверстие в алмазной волоке (толщина кристалла 1,2 мм, минимальный диаметр отверстия 0,08 мм).

Рис. 2б. Сверление отверстий лазерным излучением: фигурное отверстие в пластине из нержавеющей стали толщиной 0,3 мм.

Рис. 2в. Сверление отверстий лазерным излучением: продольное сечение цилиндрических отверстий диаметром 0,05 мм в пластине из феррита.

Рис. 2а. Сверление отверстий лазерным излучением: круглое отверстие диаметром 0,1 мм в пластине из феррита толщиной 0,5 мм.

Рис. 4. Лазерная резка: а — резка тонкой хромовой резистивной плёнки с целью подгонки сопротивления (толщина плёнки 0,5 мкм, ширина реза, указанного стрелкой, 50 мкм); б — надрезы на стекле, по которым происходит термическое раскалывание (получены лазером на углекислом газе).

Рис. 3. Лазерная установка «Квант-9» для сверления отверстий в алмазных волоках: 1 — лазерная головка; 2 — оптическая система; 3 — обрабатываемая деталь; 4 — система управления; 5 — источник питания; 6 — система охлаждения; 7 — стол оператора.

Рис. 1г. Лазерная сварка: полупроводниковые приборы, корпуса которых герметизированы с помощью лазерной сварки.

Рис. 1в. Лазерная сварка: сварной шов, полученный при сварке листов ковара и нержавеющей стали толщиной 0,3 мм излучением лазера на алюмо-иттриевом гранате.

Рис. 1б. Лазерная сварка: микрофотография шлифа сварного соединения никелевой фольги толщиной 0,2 мм с медной пластиной.

Рис. 1а. Лазерная сварка: медно-константановая термопара, сваренная лучом лазера (диаметр проволоки 0,07 мм).

ЛАЗЕРНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ - технологические процессы, основанные на применении лазерного излучения для термической обработки, сварки, резки деталей, получения отверстий малого диаметра в сверхтвердых материалах и др.

laser processing

laser processing

ЛАЗЕРНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ

- совокупность приёмов и способов обработки материалов и изделий с использованием лазеров. В Л. т. применяются твердотельные лазеры и газовые лазеры, работающие в импульсном, импульсно-периодическом и непрерывном режимах. Осн. операции связаны с тепловым действием лазерного излучения. Для управления световым потоком (повышения интенсивности и локализации воздействия) применяются оптич. системы. Преимущества Л. т.- высокая локальность, кратковременность воздействия, малая зона термич. влияния, возможность ведения технологич. процессов в любых прозрачных средах (в т. ч. в агрессивных) и внутри герметически закрытых объёмов. Лазеры используются для сверления отверстий, резки и скрайбирования (нанесение рис. на поверхность пластины полупроводника лазерным лучом), закалки, гравировки, изготовления и фигурной обработки тонких плёнок, динамич. балансировки вращающихся деталей, подстройки элементов схем и др.

Сверление отверстий. Л. т. упрощает операцию получения отверстий в твёрдых, хрупких, тугоплавких, радиоакт. материалах. Она эффективна при изготовлении алмазных фильер для волочения проволоки, стальных и керамич. фильер для производства искусств. волокна; при сверлении рубиновых часовых камней, ферритовых пластин для устройств памяти, керамич. изоляторов, изделий из сверхтвёрдых сплавов. Для сверления обычно используются импульсные лазеры на неодимовом стекле, иттрий-алюминиевом гранате (ИАГ), СО ₂. Типичные параметры лазеров: энергия от десятых долей до десятков Дж, длительность импульса 0,1 - 1 мс, плотность потока энергии до 10 МВт/см ². Недостаток лазерного метода сверления в одноимпульсном режиме - невысокая точность и плохая воспроизводимость, связанные с флуктуациями интенсивности излучения. Этот недостаток частично устраняют, переходя к многоимпульсной методике. В этом случае обработка ведётся серией импульсов с энергией в импульсе 0,1-0,5 Дж. При этом удаётся получать отверстия сложного профиля с отношением глубины к диаметру 1-20 при точности обработки 1 мкм.

Резка и скрайбирование. Наиб. важны резка тонких плёнок и полупроводниковых пластин при изготовлении интегральных схем и т. н. газолазерная резка листовых материалов (см. ниже). Резку тонких плёнок производят серией коротких импульсов. Для этой цели используются газовые лазеры на молекулярном азоте либо твердотельные лазеры на ИАГ с Nd. Типичные интенсивности 10⁶-10⁷ Вт/см ², ширина реза 5- 30 мкм. Для резки и скрайбирования полупроводниковых пластин удобен лазер на ИАГ с Nd, обеспечивающий при ср. мощности 10-50 Вт и частоте следования импульсов 1 кГц скорость разрезания (нанесения рисок) 60 мм/мин. Ширина разреза вместе с зоной термич. влияния 50-100 мкм.

При газолазерной резке на обрабатываемый объект одновременно направляют лазерное излучение и струю газа. Чаще всего применяют С0₂ -лазер; состав газовой струи зависит от обрабатываемого материала. При резке неметаллов, хорошо поглощающих излучение СО ₂ -лазера, струя газа (воздух или инертный газ) используется для охлаждения краёв разреза и удаления продуктов разрушения. При резке металлов применяют кислород или воздух, к-рые способствуют предварит. окислению металла, что уменьшает его отражат. способность; далее происходит воспламенение металла и выделяющееся тепло усиливает термич. действие лазерного излучения; наконец струя удаляет расплав и продукты окисления, обеспечивая поступление кислорода к фронту горения. В зависимости от скорости перемещения луча возможны два режима: управляемой резки, когда тепла от реакции недостаточно для самоподдерживающегося фронта горения на всю поверхность, обдуваемую струёй 0₂, и неуправляемой (автогенной) резки, когда металл горит по всей поверхности за счёт тепла реакции окисления. Газолазерная резка затруднена, если металл имеет тугоплавкий окисел либо низкий тепловой эффект реакции окисления.

Обычно для газолазерной резки требуются интенсивности 100 кВт/см ². Применяются СО ₂ -лазеры непрерывного действия мощностью неск. сотен Вт. Ширина разреза 0,3-1 мм при толщине разрезаемого материала до 10 мм.

Сварка. Осн. преимущество лазерной сварки - бесконтактность (напр., через прозрачные окна внутри герметически закрытых сосудов); существен также малый размер зоны термич. влияния, что позволяет работать в условиях интенсивного теплоотвода. Лазерным методом удаётся соединять металлы и сплавы, не свариваемые обычным способом, напр. W с Си или со сталью. Для сварки целесообразно использовать импульсные лазеры. Можно выполнять точечную и шовную сварку. Типичные интенсивности 0,1-1 МВт/см ² (в зависимости от материала). Толщина свариваемых деталей 0,01-1 мм. Отношение глубины проплавления к ширине шва 0,5-5.

Фигурная обработка поверхности. Проблема образования микрорельефа на поверхности материалов важна для микроэлектроники, полиграфич. промышленности, при обработке твёрдых сплавов, ювелирных камней и т. п. Для создания рельефа используются: испарение, термообработка, в результате к-рой происходят структурные превращения в материале; окислительно-восстановительные реакции и реакции разложения, вызванные нагреванием; термостимулированные диффузионные процессы.

Лит.: Действие излучения большой мощности на металлы, М., 1970; Вейко В. П., Либенсон М. Н., Лазерная обработка, Л., 1973; Рыкалин Н. Н., Углов А. А., Кокора А. Н., Лазерная обработка материалов, М., 1975; Бункин Ф. В., Кириченко Н. А., Лукьянчук Б. С., Термохимическое действие лазерного излучения, "УФН", 1982, т. 138, с. 45; Промышленное применение лазеров, под ред. Г. Кёбнера, пер. с англ., М., 1988. С. И. Анисимов.