Table Of Content„Лазернаятехника
итехнология,,
4
Под редакцией
д-ра техн наук,проф
АГГРИГОРЬЯНЦА КНИГА
А.ГГРИГОРЬЯНЦ. А А.СОКОЛОВ
ЛАЗЕРНАЯ
ОБРАБОТКА
НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ
МАТЕРИАЛОВ
Допущено
Министерством высшегоисреднего
специального образования СССР
вкачестве учебного пособия
для студентов
технических вузов
Москва «Высшая школа» 1988
ББК 32.86—5
Л 17
УДК 621.375.826
А. Г. Григорьянц, А. А. Соколов
Рецензенты: д-р техн. наук, проф. И. В. Зуев (Москов¬
скийэнергетическийин-т);кафедра «Ремонтлетательныхаппара¬
тови авиационныхдвигателей»МИИГА (зав.кафедройд-ртехн.
наук, проф В. Я. Фролов)
Лазернаятехникаитехнология.В7 кн. Кн.4.Ла-
Л17 зерная обработка неметаллических материалов:
Учеб, пособие для вузов/А. Г. Григорья—нц, А. А. Со¬
колов; Под ред. А. Г. Григорьянца. М.: Высш.
—
шк. 1988. 191 с.: ил.
ISBN 5—06—001453—3
В книге рассмотреныосновы процессов обработки неметаллических
материалов лазерным излучением непрерывного и импульсно-периоди¬
ческого действия,дан расчет режимов лазерного разделения материа¬
лов Применительно к различным материалам предельны принципы
расчетов режимов разделения, подача газа в зону обработки с опре¬
делением параметров струй и применяемые лазерные технологические
установки.
Длястудентовтехнических вузов Может бытьиспользована прак¬
тическими работниками.
—
2704060000(43090000-00) 412 ББК 32.86—5
Л 171-88
■' 41'001(01)—88 6Ф4
ISBN 5—06—001453—3 © Издательство «Высшая школа»,
1988
ВВЕДЕНИЕ
Бурное развитие, которое наблюдается в последнее
десятилетие в электронной промышленности, приборо¬
строении, совершенствование и разработка новых кон¬
струкций в автомобиле-, авиа-, судостроении и других
отраслях машиностроения значительно расширили объем
и номенклатуру разрабатываемых и применяемых неме¬
таллических материалов. Трудно представить себе отрас¬
ли, в которых не использовались бы неметаллы самого
различного назначения. Удельный объем их выпуска и
использования с каждым годом постоянно наращивается.
Создание материаловсо специально направленными свой¬
ствами (например, с высокой теплостойкостью, прочнос¬
тью), с одной стороны, тенденции в сторону миниатю¬
—
ризации в микроэлектронике с другой, а также
необходимость разработки малоотходных технологий
заставляют постоянно изыскивать прогрессивные методы
обработки неметаллов. Поэтому появление каждого ново¬
го процесса обработки вызывает пристальное внимание
технологов с точки зрения практики его промышленного
использования. В то же время открытие нового физичес¬
кого явления, создание прибора на его основе могут
привести к разработке принципиально новых техноло¬
гических процессов.
Одним из примеров такого рода явилась реализация
в начале 60-х годов XX в. идеи получения индуцирован¬
ного когерентного монохроматического излучения и со¬
здание лазера. Это событие послужило мощным стиму¬
лом для разработки приборов и процессов, использующих
лазерное излучение и нашедших применение как в облас¬
ти фундаментальных и прикладных наук, так и в облас-
5
тях, связанных с промышленными приложениями лазеров
и разработкой принципиально новых процессов. Одним
из таких процессов является лазерная технология обра¬
ботки материалов. Когда речь идет о лазерной техно¬
логии, то прежде всего имеется в виду способность
сформированного определенным образом лазерного излу¬
чения вызывать достаточно быстрый локальный нагрев,
плавление и испарение материала.
С помощью лазерного излучения оказывается воз¬
можным достаточно—просто осуществлять операции раз¬
деления материалов как сквозную резку или сверление
отверстий, так и нанесение рисок, дорожек и пазов.
Неметаллы представляют собой обширные классы
материалов (диэлектрики, полупроводники, пластики,
горныепороды,текстиль ит.д.),существенно разнящиеся
по химическому составу, свойствам, способам изготовле¬
ния, назначения, применения и, естественно, по способам
обработки. Однако появление лазеров впервые создало
реальные условия для осуществления термического про¬
цесса разделения неметаллов любого класса.
Если в области обработки металлов достаточно хоро¬
шо зарекомендовали себя такие процессы, как кислород¬
ная и плазменная резка, обеспечивающие высокую про¬
изводительность и удовлетворительное качество кромок
реза, то для неметаллов практически единственными
способами резки оставались механические. Для изготов¬
ления деталей сложного замкнутого контура из тонких
(1...4 мм) листов успешно применяется штамповка,
наиболее целесообразная в массовом производстве при
ограниченной номенклатуре изделий. Однако при обра¬
ботке ряда пластиков, содержащих абразивные напол¬
нители (стеклотекстолит), возникают проблемы, связан¬
ные с быстрым износом пуансонов. Аналогичные про¬
блемы возникают для этих же материалов и при фрезе¬
—
ровании способе, позволяющем получать детали слож¬
ного контура из толстолистовых (свыше 5 мм) загото¬
вок. Помимо этого, значительная часть (до 50%) мате¬
риала переходит в отходы.
При резке пластиков, полупроводниковых, керамичес¬
ких и ситалловых пластин (подложек) широко применя¬
ются высокопроизводительные методы резки алмазными
дисками, которые, однако, непригодны для вырезки изде¬
лий сложной конфигурации. Такие тонкие операции мик¬
рообработки, применяющиеся в электронной промышлен¬
ности, какими являются гравирование, маркировка, под-
б
гонка номиналов элементов схем, скрайбирование, также
осуществляются с помощью механических способов обра¬
ботки или малопроизводительного электроэрозионного
способа.
Из других методов обработки, которые могут быть
применимы к неметаллам, следует указать, пожалуй,
лишь ультразвуковой, нашедший пока ограниченное при¬
менение при резке термопластичных полимерных пленок,
и метод резки струей воды высокого давления, разра¬
батываемый в последние годы. Из термических методов
резки в крайне ограниченном числе случаев может быть
использована плазменная резка (раской текстиля).
Таким образом, с появлением лазера технологи по¬
лучили практически бесконтактный с точки зрения меха¬
нического воздействия метод обработки материалов и
«неизнашивающийся» инструмент, если иметь в виду
собственно луч. Сочетание этих качеств лазерного излу¬
чения с возможностью высокой концентрации энергии
создало предпосылки для обработки любых материалов
независимо от их твердости.
1
Глава
ФИЗИКО¬
ХИМИЧЕСКИЕ
ОСНОВЫ
ОБРАБОТКИ
МАТЕРИАЛОВ
$ 1.1. ТЕРМИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ
ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Концентрация энергии лазерного излучения обеспечи¬
вается при использовании специальной оптики— одиноч¬
ной линзы или объектива (на основе проходной или ме-
таллооптики). Теоретически монохроматическое излуче¬
ние можно сфокусировать в пятно размером порядка дли¬
ны волны. Однако дифракционная расходимость луча и
ряд искажений (сферическая аберрация, кома, астигма¬
тизм), вносимых оптическими элементами, приводит к
тому, что диаметр пятна фокусировки df увеличивается
и может быть оценен по выражению
(1.1)
где 0— суммарная расходимость лазерного излучения;
f — фокусное расстояние линзы.
Прирасходимостиизлучения0~10-3 рад и фокусном
расстоянии линзы 100 мм диаметр пятна будет состав¬
лять около 0,1 мм, что определяет ширину реза (или
диаметр отверстия) такого же порядка.
Высокие значения плотности мощности излучения
приводят к существенному сокращению времени нагрева,
плавления и испарения материала, обеспечивая скорости
обработки, сравнимые со скоростью протекания физи¬
ческих процессов в объекте облучения. В свою очередь,
благодаря высоким скоростям обработки и большой сте¬
пени локальности источника нагрева протяженность уча¬
стков материала, прилегающих к области воздействия
s
излучения и испытывающих его термическое влияние,
составляет несколько долей миллиметра.
Кроме того, лазерное излучение может быть органи¬
зовано во времени в виде одиночных или серии импуль¬
сов заданной формы с определенной длительностью, час¬
тотой следования и пиковой мощностью. Такая возмож¬
ность представляется при использовании лазеров импуль¬
сно-периодического действия с соответствующими моду¬
ляторами добротности и другими оптико-электронными
устройствами. Это позволяет, устанавливая необходимые
скорости нагрева и время пребывания материала при
высоких температурах, выбирать оптимальные с точки
зрения эффективности процесса и минимальных струк¬
турных изменений режимы работы.
Лазерное излучение, как электромагнитная волна
оптического диапазона, обладает также таким важным
технологическим качеством, как безынерционность. Дей¬
ствительно, учитывая исчезающе малую массу фотонов
и большую скорость света, время включения и выключе¬
ния луча, смена направления перемещения луча отно¬
сительно детали определяется лишь быстродействием
соответствующего устройства (оптического затвора, ме¬
ханизма перемещения зеркала или координатного стола).
Помимо этого существует принципиальная возмож¬
ность с помощью светоделительной оптики и зеркал «дро¬
бить» пучок в необходимых пропорциях и направлять
его по оптическим трактам на те или иные технологи¬
ческие позиции.
В связи с вышесказанным при использовании лазер¬
ного излучения может быть достигнута высокая степень
автоматизации технологического процесса обработки на
основе применения координатных устройств относитель¬
ного перемещения луча и детали, управляемых от ЭВМ.
Использование устройств, управляющих параметрами ла¬
зерной установки на основе адаптивной оптики, автома¬
тизированного газообмена и регенерации рабочей смеси
(в .газовых лазерах), синхронизации векторов переме¬
щения изделия и поляризации излучения и т.д., позво¬
лит изменять характеристики излучения по заданной
программе.
Таким образом, суммируя преимущества лазерных ме¬
тодов разделения, можно указать следующие:
лазером разделяется обширный класс материалов
независимо от их твердости;
благодаря острой фокусировке, обеспечивающей лока-
9
