5. Лазерная обработка

Основные сведения о процессе

В технологических целях для решения таких задач, как прошив-ка отверстий, резка металлов, сварка, поверхностное упрочнение деталей, динамическая балансировка тел вращения и т.д. начинает широко применяться обработка лучом лазера.

Лазерная обработка основана на применении мощного светового потока, вызывающего плавление или испарение обрабатываемого материала. При этом процесс взаимодействия лазерного излучения с обрабатываемым материалом разделяется на следующие основные стадии: поглощение света с последующей передачей энергии тепловым колебаниям решетки твердого тела; нагревание материала без разрушения, включая и плавление; разрушение материала путем испарения и выброса его расплавленной части; остывание после окончания воздействия. Нагревание и плавление используется при термообработке и сварке различных материалов, а на испарении и выбросе расплавленной части основаны операции размерной обработки (сверление, резка и др.).

Возможность получения высокой плотности светового потока обусловлена малой расходимостью лазерного излучения (являющейся следствием его высокой пространственной когерентности), благодаря чему лазерный луч легко можно направить в заданную область пространства с помощью системы зеркал, призм или световодов и сконцентрировать большую часть его энергии в малой области обрабатываемого материала посредством фокусирующей оптической системы.

Возможность острой фокусировки лазерного излучения в значительной степени определяется его высокой монохроматичностью (узким спектральным интервалом). Излучение немонохроматического источника (например, Солнца ) невозможно сфокусировать на площадку диаметром в 1 мкм из-за явления хроматической аберрации - свойства оптических систем фокусировать свет разной длины волны в разные точки. Отсюда плотность такого излучения не превышает 2,5*10³ Вт/см² , что достаточно только для плавления некоторых тугоплавких металлов. Лишь источник монохроматического света позволяет сфокусировать световое излучение на площадке, линейные размеры которой сравнимы с длиной волны фокусируемого излучения, обеспечивая плотность светового потока до 10¹⁴ Вт/см² , что позволяет плавить и испарять любые материалы независимо от их физико-механических характеристик.

В основе принципа действия лазера¹ лежит явление вынужденного (или индуцированного) излучения для генерации когерентных электромагнитных колебаний в оптическом диапазоне спектра.

Как известно, наряду со спонтанным излучением возбужденного атома (атомы излучают свет независимо друг от друга) существует вынужденное (или индуцированное) излучение: атомы излучают под действием внешнего быстропеременного электромагнитного поля, например, света, при этом атом излучает вторичную волну, у которой частота, поляризация, направление распространения и фаза полностью совпадают с характеристиками внешней волны, действующей на атом.

Именно эта особенность вынужденного излучения позволяет использовать его для усиления электромагнитных волн и для создания генераторов когерентного света. Чтобы осуществить это практически необходимо выполнить следующие условия;

1. Нужно рабочее вещество с инверсной населенностью. Состояние вещества, в котором число атомов на одном из уровней с более высокой энергией больше числа атомов на уровне с меньшей энергией называется активным или состоянием с инверсной населенностью.

2. Вторая проблема - проблема обратной связи. Для того чтобы свет управлял излучением атомов, необходимо, чтобы часть излучаемой световой энергии все время оставалась внутри рабочего вещества, вызывая вынужденное излучение света все новыми и новыми атомами. В простейшем случае рабочее вещество помещается между двумя зеркалами, одно из которых полупрозрачно. Испущенная в каком-либо месте в результате спонтанного перехода атома световая волна усиливается за счет вынужденного испускания при распространении её через рабочее вещество. Дойдя до полупрозрачного зеркала, свет, частично пройдет через него. Эта часть световой энергии излучается лазером во вне и может быть использована. Отразившаяся часть света от полупрозрачного зеркала даст начало новой лавине фотонов.

3. Усиление, даваемое рабочим веществом, а значит, числа возбужденных атомов или молекул в рабочем веществе должно быть больше порогового значения, зависящего от коэффициента отражения полупрозрачного зеркала. Т.е. усиление на двойном расстоянии между зеркалами должно быть таким, чтобы на полупрозрачное зеркало возвращалась каждый раз световая энергия, не меньшая, чем в предыдущий раз. В противном случае наступит процесс ослабления излучения, который приведет к затуханию светового потока. Ясно, что чем меньше коэффициент отражения полупрозрачного зеркала, тем большим пороговым усилением должно обладать рабочее вещество.

При выполнении этих трех условий мы получаем систему, способную генерировать когерентный свет, и называемую лазером или оптическим квантом генератором (ОКГ).

Характеристики ОКГ в значительной степени определяются агрегатным состоянием активного вещества. По этому признаку различают твердотельные, газовые и жидкостные ОКГ. В отдельную группу выделяют полупроводниковые ОКГ, хотя используемые в квантовой электронике полупроводники являются твердыми телами. Объясняется это тем, что характер генерации в полупроводниках существенно отличается от генерации в обычных твердотельных ОКГ. В свою очередь, каждая из групп может быть подразделена на более мелкие подгруппы. Например, в газовых ОКГ могут быть использованы энергетические уровни молекул, атомов или ионов. В связи с этим газовые лазеры подразделяются на молекулярные, атомарные и ионные.

Любой ОКГ включает з себя устройство (систему накачки), в котором используется какое-либо физическое явление, позволяющее осуществлять инверсию необходимой величины. Различают оптическую накачку - при облучении рабочего вещества светом определенной частоты - и электрическую - при прохождении тока через рабочее вещество. В последнее время большое внимание уделяется химической накачке, когда инверсия возникает при той или иной химической реакции. В некоторых типах лазеров, например, газовых, можно встретить ОКГ с оптической и электрической, так и с химической накачкой. Полупроводниковые ОКГ могут иметь электрическую или оптическую накачку. В твердотельных ОКГ электрическая накачка не осуществляется, так как используемые твердые тела для ОКГ являются диэлектриками.

Из всех представленных квантовых генераторов энергетические параметры жидкостных и полупроводниковых ОКГ в настоящее время не достигли уровня, обеспечивающего эффективное применение их в технологических целях.

Первыми для обработки материалов стали использовать твердотельные лазеры на рубине и стекле с неодимом. Принцип действия, параметры и возможность этих генераторов примерно одинаковые. В последнее время разработан перспективный лазер на иттрий - алюминиевом гранате (ИАГ) с примесью неодима, который в настоящее время дает рекордную для твердотельных ОКГ мощность излучения, равную 1,1 кВт при работе в непрерывном режиме.

Сравнительно недавно начали применять газовые лазеры (активные среды: He-Ne; N₂; Ar; He-Cd; CO₂-N₂-H₂ и др.), их КПД на порядок выше твердотельных и составляет 10-25 %.

Большинство ОКГ (твердотельных и газовых) могут работать как в непрерывном, так и импульсном режиме. Однако первый характерен для газовых ОКГ, второй- для твердотельных.

Принцип действия ОКГ рассмотрен на примере твердотельного лазера (см. рис.5.1 1,2).

Создание инверсии населенностей в твердотельных лазерах производится оптической накачкой с помощью ламп-вспышек (в) световой поток которых поглощается рабочим веществом (а), возбуждая его.

Питание лампы-вспышки осуществляется от источника (2). Для лучшей концентрации светового потока на элементе применяется рефлектор (г). Значительная часть энергии (до 50 %), поглощенной активным элементом, тратится на его нагрев, ухудшающий работу лазера. Чтобы исключить это применяют систему охлаждения (3). Луч света, испускаемый активным элементом, усиливается за счет многократного отражения от глухого зеркала (б) и выходного полупрозрачного зеркала (б) и выходит из оптического резонатора в виде узконаправленного светового луча (д) с малым углом расходимости, который с помощью оптической системы (4) можно сфокусировать в точку, линию, группу параллельных линий, окружность и т.д.

Рис. 5.1. Схема ОКГ на твердом теле (1) и структура импульса излучения (2):

1- лазерная головка ( а- активный элемент, б1, б2- глухое и полупрозрачное зеркала резонатора, в- лампа накачки, г- рефлектор, д- лазерный луч), 2- источник питания лампы накачки, 3- блок охлаждения, 4- оптическая система, 5- наблюдательная система, 6- рабочий стол, 7- заготовка, 8- блок управления.

Диапазон длин волн, генерируемых различными типами лазеров, весьма широк и составляет примерно от 0,1-70 мкм. Для технологических целей обычно используют ОКГ, у которых длина волн () находится в пределах 0,4-10,6 мкм. Диаметр луча на выходе 0КГ (без системы 4) определяется размерами активного элемента и зависит в основном от энергии накачкиW_H . Несмотря на то, что лазерный луч высоко когерентен, он имеет определенную угловую расходимость (), которая определяется как:

(5.1)

где d_л - диаметр луча в месте его выхода из резонатора. Практически из-за дифракционных явлений величина на 1-2 порядка больше расчетной и составляет единицы или несколько десятков угловых минут.

Длительность импульса определяется длительностью импульсного разряда ламп накачки, оптическими свойствами активного элемента свойствами резонатора и температурным режимом. У твердотельных ОКГ=0,1-5 мс., при этом на протяжении всего импульса генерация происходит отдельными пучками, последовательность которых, как правило, нерегулярная=1,0-5мкс, а длительность интервала между пучками составляет 0,1-0,5 мкс в течение основного времени генерации и может увеличиваться до десятков и сотен микросекунд в конце светового импульса (см. рис. 5.1 4 ). Средняя мощность импульсного излучения твердотельных ОКГ лежит в диапазоне от единиц до сотен киловатт. Мощность газовых лазеров на нейтральных атомах составляет милливатты, а у молекулярных от единиц ватт до сотен ватт. В последнее время разработаны СО₂ -лазеры с быстрой поперечной прокачкой газа, циркулирующего в замкнутом объеме. Как следует из зарубежной печати, при сравнительно небольших габаритах на них удается получить уровни мощности 6-10 кВт

в непрерывном режиме генерации.

Выходная энергия твердотельных лазеров находится в пределах от долей джоуля до тысяч джоулей, а ЩД их не более 1-2 %.

Средняя плотность потока энергии в поперечном сечении луча при использовании фокусирующих оптических систем, как уже отмечалось, может достигать 10 Вт/см, сварка и резка тонких пленок осуществляется при плотностях менее 10 Вт/см, а размерная обработка материалов значительной толщины при плотностях потока более 10⁷-10⁸ Вт/см и длительности импульса менее 1,5 мс.

технологические операции лазерной обработки

Обработка отверстий является одним из первых направлений лазерной технологии. С помощью луча лазера изготовляют отверстия диаметром от нескольких микрометров до нескольких миллиметров глубиной до 15 мм в таких трудно обрабатываемых материалах как твердые сплавы, магнитные материалы, жаропрочные и специальные сплавы, алмазы, ферриты, керамика и т.п. На лазерных установках «Квант», «Корунд», «Кристалл» и др. изготовляют отверстия в алмазных фильерах, рубиновых часовых камнях, в ферритовых пластинках памяти, в подложках микросхем, соплах, форсунках и других деталях.

В настоящее время отечественная приборостроительная промышленность полностью перешла на лазерную обработку отверстий в рубиновых часовых камнях. Сложность данной операции состоит в том, что в твердом хрупком материале - синтетическом рубине необходимо сверлить отверстие диаметром 50-60 мкм при допуске по диаметру в несколько микрометров и отсутствии на его поверхности трещин и сколов. При лазерной технологии на одной установке за смену изготовляется 22 тыс. камней, а при механической обработке на шести двадцати шпиндельных станках - не более 2500 заготовок, кроме этого улучшаются условия труда, высвобождаются производственные площади, большое число рабочих и обеспечивается экономический эффект 1 млн. рублей.