Вейко В.П. - Лазерная микрообработка 2007
.pdf
– 71 –
ВЛИЯНИЕ ОПТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ НА ЛАЗЕРНУЮ РЕЗКУ
Рис.6.5. Типичная структура лазерного пучка с фокусирующей оптической системой в зоне обработки
Рис.6.6. Идеальная структура лазерного пучка в зоне обработки
Фокусирующая оптическая система может вызвать следующие недостатки:
•оплавление передней поверхности вокруг реза и, соответственно, коническая форма реза
•неровность края реза на поверхности
(рис.5.3).
•образование дополнительного количества жидкой фазы из–за конической продольной формы сечения пучка
Проекционная оптическая система с цилиндрической световой трубой лишена этих недостатков.
– 72 –
КАК ОБЕСПЕЧИТЬ РЕЖИМ ЛАЗЕРНОЙ РЕЗКИ МЕТАЛЛОВ С ВЫСОКИМ КАЧЕСТВОМ И РАЗРЕШЕНИЕМ?
Временно–энергетические характеристики лазерных импульсов:
•плотность мощности qi — чем больше, тем лучше (уменьшение жидкой фазы), но меньше чем порог поглощения в эрозионном факеле:
q≈ 2 −3qï î ð < qô àê (формула 3.3)
•длительность импульса τi — чем меньше, тем лучше (уменьшение жидкой фазы), в диапазоне от микросекунд до нано– (и даже) пико–, и фемтосекунд. Сокращение τi ведет к уменьшению глубины испарения:
• |
10−6 |
ñ < τi <10−9(12,15) с |
Pi определено требованиями плотности мощности qi и размера оптического пятна в фо- |
||
|
кальной плоскости d0 (см. ниже), чем больше тем лучше, чтобы обеспечить необходимые q |
|
|
и f : |
|
|
102 |
Âò < P <104(5) Вт |
• |
крутизна фронтов импульса, τô ð : |
i |
|
||
|
|
τô ð < τi |
• |
постоянная составляющая мощности, Pñ : |
|
|
|
Pñ = 0 |
•отдельные импульсы (или пички) должны быть равными по мощности и длительности,
•частота повторения импульсов, чем больше, тем лучше, но должна позволять удалять про-
дукты эрозии из реза:
f <Wï 
h (Wï — скорость разлета паров)
– 73 –
Пространственные характеристики лазерного пучка и оптической системы:
• выбор размера светового пятна d0 зависит от ширины реза d ; чем меньше d , тем меньше должно быть d0 , в любом случае d0 < d и
d0 = (0.1−0.5)d
•фокусное расстояние линзы, F , или лучше сказать, числовая апертура 2F
D0 определяет продольную структуру пучка и глубину фокуса, в особенности; лучше всего — структура световой цилиндрической трубы, которая реализуется при условии
lë = D0 
α
где lë — расстояние между выходным зеркалом лазера и задней фокальной плоскостью фокусирующей линзы (рис.5.5), α — угол расходимости лазерного луча;
•распределение энергии в световом пятне должно быть однородным (Рис.5.3).
Оснастка и параметры системы управления:
•оснастка должна быть обеспечена струей газа и воды (внутри трубки–заготовки) — вспомогательные системы для удаления продуктов эрозии,
•перекрытие отверстий: чем больше, тем лучше для минимизации бороздчатости при данной скорости перемещения u0 , диаметра вырезки d и частоте повторения импульсов f :
0.5< p < 0.95
•система управления должна обеспечивать одинаковую плотность мощности в криволинейных частях траектории, особенно на крутых поворотах, при смене направлений (реверсе) и т. д., что необходимо для стабилизации качества резки
Pi 
u0 = const
– 74 –
ЛУЧШИЙ ТИП ЛАЗЕРНОГО ИСТОЧНИКА, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИЙ ТРЕБУЕМЫЙ РЕЖИМ ГЕНЕРАЦИИ, МОЖЕТ БЫТЬ ВЫБРАН ИЗ ТАБЛИЦ 3, 4
1.Эксимерные лазеры (оптическое качество пучка не высоко).
2.Лазеры на парах Cu (время жизни ограничено 1000–2000 часов).
3.Nd–YAG, непрерывная накачка, акусто–оптическая модуляция (АОМ) (τ ограничена 100 нс — не менее).
4.Nd–YAG, импульсная накачка, электрооптическая модуляция (ЭОМ) (частота следования f ограничена ~ 100 Гц — не более).
5.Nd–YAG, свободная генерация (СГ) с электромеханическим модулятором (качество ограничено)
6.СО2, непрерывный (низкое качество реза), импульсный — ширина реза ограничена снизу.
–75 –
КВЫБОРУ ОПТИМАЛЬНОГО ЛАЗЕРА ДЛЯ ВЫРЕЗАНИЯ ТРАФАРЕТОВ (СТЕНТОВ)
Таблица 9
Лазерная обработка металлической маски/трафарета
– 76 –
КАК ОБЕСПЕЧИТЬ РЕЖИМ ОБРАБОТКИ С ВЫСОКИМ КАЧЕСТВОМ И РАЗРЕШЕНИЕМ?
Предварительная обработка
Для предотвращения осаждения грата на поверхности могут использоваться различные покрытия, в частности, могут применяться различные смазки на масляной основе.
Однако, наиболее эффективные результаты могут быть получены путем предварителнього нанесения пленочных покрытий, которые затем удаляются методом химического травления.
При этом грат, прилипающий к внешней стороне так же удаляется вследствие удаления металлизации травлением (в азотной кислоте, например).
Пленки могут быть нанесены либо гальваническим осаждением, либо напылением нитрида бора.
а)
б)
Рис.6.7. a) сцепление грата с покрытием из нитрид бора, б) заключительный вид после снятия покрытия.
– 77 –
ЛАЗЕРНО–ИНДУЦИРОВАННОЕ ХИМИЧЕСКОЕ ТРАВЛЕНИЕ (ЛОКАЛЬНАЯ АКТИВАЦИЯ) — ПРИНЦИП
Термическое воздействие сфокусированного ла- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
зерного излучения может быть локально усилено |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
реакцией химического травления на твердой по- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
верхности, помещенной в соответствующий жидкий |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
раствор (травитель). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Химическое травление с помощью лазера в |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
жидкостях перспективно, благодаря высокой кон- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
центрации реагентов и разнообразию возможных |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
химических реакций. Главные преимущества метода |
2Ti + 2H PO |
4 |
|
|
|
→ 2TiPO |
4 |
+3H ↑ |
||
могут быть сформулированны как: |
3 |
|
|
|
|
|
|
2 |
||
Cu + 2KOH + |
1 |
O |
|
→K CuO |
+H O |
|||||
• низкая тепловая нагрузка на образец, |
2 |
|||||||||
• высокая локализация химической реакции, |
|
|
|
2 |
|
2 |
|
2 |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
• быстрая скоростиь травления и |
Рис.6.8. |
Принцип |
селективного химиче- |
|||||||
•точная обработка с разрешением до микромет- ского травления с помощью лазера. Не-
ра. |
которые возможные реакции в жидкости |
|
— травителе. |
– 78 –
ЛАЗЕРНО–ИНДУЦИРОВАННОЕ ХИМИЧЕСКОЕ ТРАВЛЕНИЕ (ПРИМЕРЫ)
Рис.6.9. SEM микрофотография канавок, вытравленных в Ti.
Рис.6.10. Влияние числа проходов на глубину и ширину протравленных канавок в Ti в 5M растворе H3PO4 Nd:YAG лазером в непрерывном режиме
Рис.6.11. Микроспираль, изготовленная в Ti с помощью Nd:YAG–лазера жидкостным химическим травлением в H3PO4
–79 –
6.2.ЛАЗЕРНАЯ МАРКИРОВКА
(ФИГУРНАЯ ПОВЕРХНОСТНАЯ ГРАВИРОВКА)
ОСНОВНЫЕ ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ
– маркировка механического инструмента — особенно для подшипниковой промышленности,
–маркировка медицинских инструментов,
–электронная промышленность,
–маркировка электронных компонентов,
–изготовление устройств для возбуждения поверхностных акустических волн,
–гравировка топологии печатных плат,
–ювелирная промышленность,
–полиграфия — изготовление печатных форм
– 80 –
ОСНОВНЫЕ ПРЕИМУЩЕСТВА ЛАЗЕРНОЙ МАРКИРОВКИ
–нет механического контакта — благоприятно для массового конвеерного производства,
–программируемость картин — вне конкуренции при частой сменяемости продукции
ималых сериях,
–возможность использования практически любых материалов, включая твердые спла-
вы, стекла и т. д., применяя различные лазеры: Nd–YAG, CO2, на парах Cu, эксимерные,
–гибкость, адаптивность к потребностям производства,
–долговечность нанесенной лазером маркировки,
–нет механического воздействия на хрупкие и тонкие изделия,
–малое количество удаленного материала (важно при обработке Au, Pt и т.п.),
–набольшая площадь маркировки и размер знаков,
–большой оптический контраст,
–возможность маркировки не плоских поверхностей,
–возможность нанесения штрих–кодов и рисунков (иероглифов и т.п.)