5.1 Тенденции применения лазеров в технологических процессах
Использование лазеров в первую очередь предполагается в тех технологических процессах, которые неосуществимы с помощью других источников энергии или их осуществление связано с большими энергетическими и временными затратами. Предпочтительным оказывается применение лазеров при термической обработке элементов электронных схем, когда обрабатываемые участки сочетаются с участками или деталями, имеющими низкотемпературную стойкость, а также для микроразмерных и локальных термообработок. В последнее время широко используется ЛТ в операциях, где обработка материалов с помощью лазеров осуществляется с меньшими энергетическими и трудовыми затратами (например, для обработки хрупких, твердых и термостойких материалов) по сравнению с другими технологиями. Во многих процессах оказалось возможным сочетать лазерное воздействие с другими видами энергии, например с действием плазмы электрического разряда, взрывной волны, ультразвука, механического и химического воздействия. Это значительно расширило круг задач, решаемых с помощью ЛТ. Очень часто лазерная обработка проводится в присутствии химических, газовых и других рабочих сред, что позволяет проводить ряд работ, неосуществимых в других технологиях.
Предпочтительным оказывается использование лазеров в процессах, где с его помощью возможно выполнение целого ряда операций одновременно или в одном технологическом цикле. Преимуществом ЛТ является простота управления лазерным пучком, высокая точность обработки и оперативность.
Рассмотрим наиболее типичные технологические операции, привлекая несложные физические модели и представления.
5.2 Лазерная сварка
Пожалуй, наиболее широкое применение лазерная сварка нашла в производстве изделий электронной техники, так как позволяет сваривать тугоплавкие металлы (вольфрам, молибден); проводить микролокальную сварку (~10 мкм); обрабатывать короткими импульсами (~10-2 - 10-3 с), что исключает нежелательные структурные изменения в материалах из-за подавления диффузных процессов; вести сварку в любой атмосфере, в труднодоступных местах, бесконтактно и без загрязнений; соединять материалы с различными теплофизическими и механическими свойствами. Процесс сварки лазером позволяет проводить операции вблизи от термочувствительных элементов. Несколько примеров сварки в труднодоступных местах схематично представлены на рис.5.1.
Рис. 5.1. Лазерная сварка в труднодоступных местах:
а - и б - через отверстия малых диаметров; в - через прозрачное для ла-
зерного излучения окно; г - через тыльную сторону полупроводнико-
вой подложки; д - с помощью инструмента из сапфира; 1- свариваемые
детали; 2 - луч лазера; 3 - стеклянная крышка; 4 - трубчатый корпус
Лазерная сварка является энергоемким процессом, поскольку требует плавления материала. Основная особенность изучения физики плавления связана с тем, что при плавлении большинства металлов их электропроводность скачком уменьшается в 2-3 раза, что влечет за собой скачок
теплопроводности и отражательной способности и тем самым приводит
к новому режиму нагревания, характеризующемуся дополнительной затратой тепла на плавление. В этом случае очень часто прибегают к решениям, позволяющим резко увеличить производительность лазерной сварки за счет использования дополнительной энергии или специальной реактивной среды. На рис.5.2 показана схема лазерно-дугового сварочного аппарата с поддувом кислорода. При такой комбинации глубина проплавления будет больше суммы проплавления лазера и дуги, взятых по отдельности.
Рис. 5.2. Схема лазерно-дугового сварочного аппарата:
1- луч лазера; 2 - оптическая система; 3 - экран; 4 - изделие; 5 - дуга; 6 - электрод; 7- поддув; 8 - направление сварки.
Важным моментом процесса сварки с помощью лазера является возможность получения максимальной глубины проплавления zn без выплеска, что нужно для повышения надежности. Поскольку выплеск связан с процессом испарения, то это означает, что температура поверхности расплава не должна превышать Тк. Величину zn можно определить из выражения
z n = d г / 2 × (Тк /Тп - Тп /Тк). (5.1)
Максимальное проплавление можно получить, увеличивая длительность импульса tи или время облучения до величины t >> 10 dг2 / cэ с одновременным уменьшением плотности мощности излучения (см. (3.3))
Iо = cэ (Тк / dг). (5.2)
Дополнительные возможности увеличения глубины проплавления лежат в области технических решений формирования импульсов специальной формы. Энергетически вид сварки, связанный с глубоким кинжальным проплавлением реализуется в интервале значений Iо1 и Iо2 (см. (3.4) и (3.5)). За время действия лазерного излучения одновременно
идут два процесса: образование глубокого канала кинжала, облегчающего доступ излучения в глубь материала, и поглощение излучения продуктами эрозии (частицы пара) из зоны проплава.
Исходя из этого представления, можно легко уяснить, что использование импульсного режима работы лазера уменьшает поглощение света и тем самым увеличивает глубину проплавления (примерно в 4-10 раз) по сравнению с непрерывным режимом при одинаковой средней мощности. Глубина проплавления зависит также от мощности источника и длительности импульса (рис.5.3). Из рис.5.3,а видно, что начало кинжального пропроплавления соответствует мощности примерно в 1 кВт, а длительность имеет оптимальное значение - (-4,5).
Рис. 5.3. Зависимость глубины проплавления zn от а - мощности
( Wи ); б - длительности импульса (времени воздействия) излу-
чения (t) при лазерной сварке: 1 - W; 2 - Cu; 3 - Al (E = 15Дж)