4.4.2. Лазерное сверление отверстий
Лазеры начинают использовать для получения отверстий малого диаметра. Это обусловлено возможностью получения отверстий диаметром от десятков микрометров до нескольких миллиметров, значительной глубины (до 50 диаметров) с высокой производительностью и точностью в любых металлах, сплавах и керамиках. Лазерная перфорация отверстий нашла широкое применение при изготовлении деталей газотурбинных двигателей.
Основные показатели лазерного сверления зависят от применяемого оборудования и обрабатываемого материала и могут меняться в широких пределах.
При лазерном сверлении материал удаляется в виде смеси расплавленных и испаренных частиц, соотношение которых зависит от свойств материала и интенсивности лазерного излучения. Наиболее часто обработка выполняется пачкой лазерных импульсов.
Лазерное сверление позволяет получать различные по форме отверстия, в разных материалах, включая труднообрабатываемые суперсплавы, применяемые в аэрокосмической технике. Возможно сверление отверстий под малыми углами к поверхности. Высокая производительность этого метода обеспечивает получение сотен и тысяч отверстий в одной детали. Для лазерного сверления в металлах и сплавах обычно используют импульсные Nd:YAG-лазеры, а в неметаллических материалах — СО2-лазеры.
В зависимости от размеров и формы отверстий, а также типа применяемого оборудования необходимы разные технологические приемы (рис. 4.89):
• прошивка единичным импульсом;
• импульсная прошивка;
• трепанация (контурная вырезка);
• винтовое сверление;
• прошивка по маске.
Прошивка производится одним или множеством импульсов лазера, при этом необходимо обеспечить высокую плотность мощности. Размеры фокусного пятна в зависимости от диаметра отверстия составляют df= 0,05...0,75 мм.
Рис. 4.89. Схемы лазерного сверления:
а — прошивка единичным импульсом; б — импульсная прошивка; в — трепанация; г — винтовое сверление
Рис. 4.90. Особенности формирования отверстия при обработке импульсами разной длительности
Для лазерной прошивки применяют лазеры мощностью 100...400 Вт. Длительность импульсов выбирается исходя из требуемого качества отверстия. Следует иметь в виду, что уменьшение продолжительности импульса снижает его энергию. Типичные значения длительности импульса, используемые для лазерного сверления, находятся в диапазоне 0,5...2 мкс, однако есть установки, работающие с длительностями импульсов в несколько десятков наносекунд. Уменьшение длительности импульса иногда позволяет улучшить качество получаемых отверстий (рис. 4.90). Выбираемая частота импульсов должна обеспечивать оптимальный баланс между производительностью и качеством обработки. При прошивке ее назначают в пределах 5...20 Гц (Nd:YAG-лазеры) и до 1000 Гц (СО2-лазеры). Энергия импульса зависит от диаметра обрабатываемого отверстия, толщины и вида материала. С ростом энергии увеличивается производительность, но снижаются качественные характеристики отверстия.
Размер фокального пятна определяет диаметр обрабатываемого отверстия. При прошивке тонких материалов (до 1 мм) он назначается равным диаметру получаемого отверстия. Чем толще прошиваемый лист, тем больше требуемое фокусное расстояние линзы. Обычно оно составляет 100...250 мм. Фокальная точка может располагаться на поверхности обрабатываемой детали, выше или ниже ее в зависимости от того, какие эффекты требуется обеспечить. Наиболее часто фокальную точку устанавливают ниже поверхности на расстояние, соответствующее 5... 15 % толщины материала. Положение точки фокуса обычно определяют экспериментально исходя из лучшего качества получаемого отверстия. Точность обработки снижается с увеличением длины волны лазерного излучения. Последняя влияет и на производительность обработки (рис. 4.91).
При оценке качества обработки отверстия учитывают его точность, шероховатость поверхностей, форму, конусность, наличие микротрещин и грата, размер юны термического влияния.
Рис. 4.91. Влияние длины волны лазерного излучения на объемную скорость удаления материала
Как и в процессах лазерной резки, при прошивке часто используют вспомогательный газ, способствующий удалению расплавленного материала из обрабатываемого отверстия. Количество импульсов, необходимое для прошивки, зависит от глубины обрабатываемого отверстия, требуемой точности и качества поверхностей.
Характерными дефектами отверстий, получаемых прошивкой, являются следы разбрызгивания металла у входа в отверстие, конусность и другие искажения формы, наличие зон оплавления и термического влияния, микротрещин и дефектов, обусловленных кристаллизацией материала, термическими напряжениями и взаимодействием со средой.
Для борьбы с разбрызгиванием металла используют специальные покрытия. Конусность, возникающую при лазерной прошивке, устранить сложнее. Для этого используют приемы, при которых в процессе прошивки отверстия меняют параметры импульсов (метод SPDPC), например постепенно увеличивают их энергию. Эффективность этих мероприятий иллюстрирует рис. 4.92.
На рис. 4.93 приведены типичные зависимости глубины отверстия, получаемой за единичный импульс, и его диаметра от интенсивности лазерного излучения.
При обработке большого количества отверстий иногда используют прием, называемый Fire-on-the Fly, при котором импульсы от стационарно расположенного лазера воздействуют на деталь в процессе ее вращения или другого перемещения, причем подача импульсов синхронизируется с перемещением детали для обеспечения точного попадания луча в места расположения отверстий. Программным изменением положения фокуса, мощности, числа и формы импульсов можно обеспечить управление размером, конусностью и качеством получаемых отверстий. Достоинством такой технологии является снижение размера зоны термического влияния и вероятности возникновения микротрещин. Па рис. 4.94 приведена деталь с множеством отверстий, полученных по технологии Fire-on-the Fly. Скорость прошивки в деталях толщиной ~1 мм составляет до 50 отверстий в секунду.
Рис. 4.92. Микрофотографии отверстий после лазерной прошивки по традиционной технологии (а) и с использованием защитного покрытия и метода SPDPC (б)
Рис. 4.93. Влияние плотности мощности лазерного излучения на глубину отверстия, прошиваемого единичным импульсом (а), и диаметр отверстия (б) (обработка меди лазером с длиной волны 355 нм длительностью импульса 50 не при диаметре фокального пятна df= 4,5 мкм)
Рис. 4.94. Отверстия, полученные лазерным сверлением по технологии Fire-on-the Fly
Второй прием — трепанация, обычно выполняется перемещением лазерного луча по заданному контуру. Обработка проводится аналогично лазерной резке с предварительным получением стартового отверстия в центре с дальнейшим выходом луча за заданный контур и перемещением по нему. Термин сверление вместо резки используют, когда диаметр обрабатываемого отверстия меньше его глубины (толщины детали). Изменяя наклон луча и траекторию его перемещения, можно управлять формой и размерами отверстия в сечении как перпендикулярном оси, так и осевом. Следует отметить, что точность, достигаемая приемами трепанации, выше, чем при прошивке. Трепанация обычно используется для получения отверстий диаметром более 0,5 мм.
Винтовое сверление является сравнительно новой технологией лазерной обработки отверстий, позволяющей существенно повысить их качество. В отличие от трепанации отверстие получают за несколько проходов лазерного луча. Винтовое сверление по сравнению с прошивкой позволяет получать отверстия более правильной формы (рис. 4.95), а при использовании наносекундных лазеров значительно уменьшает размер оплавленного слоя. По этой технологии получают отверстия диаметром от 100 мкм. Кроме того, можно обрабатывать отверстия не только круглой формы. Винтовая обработка особенно эффективна в тех случаях, когда диаметр обрабатываемого отверстия близок к диаметру фокального пятна.
Рис. 4.95. Отверстие в стали толщиной I мм, полученное методом винтового сверления Nd:YAG-лазером с длительностью импульсов 10 не (Friedrich Dausinger)
