Одноимпульсный способ обработки.

 

В тех случаях, когда отверстие может быть получено в результате воздействия одиночного импульса лазерного излучения и к точности размеров отверстия не предъявляется жестких требований, применяется одноимпульсный способ обработки.

Для определения размеров получаемого отверстия можно использовать приведенные ранее формулы. При этом энергию импульса, необходимую для получения отверстия с заданными размерами, можно определить через удельную энергию разрушения и объем удаленного из отверстия вещества:

где d и h – размеры отверстия.

 

3. Лазерная резка.

 

В этой технологической операции используются физические процессы, которые наблюдаются на стадии разрушения при взаимодействии лазерного излучения с веществом. То есть в случае лазерной резки используются явления интенсивного испарения и уноса расплава газовой струей, возникающей при соответствующих параметрах лазерного излучения.

 

 

Особенности физических процессов лазерной резки.

При лазерной резке пульс лазерного излучения сфокусирован в круговое пятно и движется по поверхности материала со скоростью . Сфокусированное пятно является источником тепла, температурное поле которого определяется двумя факторами:

а) временем теплонасыщения образца(т.е. нагревания материала до установившейся температуры)

б) временем прохождения пятном излучения расстояния, равного радиусу пятна .

Если (или ), то источник тепла следует считать медленно-движущимся.

В этом случае наибольшая температура достигается в центре движущегося пятна. Она практически оказывается равной температуре в центре неподвижного пятна и определяется по формуле:

 

При (), то есть при увеличении скорости перемещения луча, точка максимальной температуры сдвигается к краю пятна в сторону противоположную направлению движения. Для быстродвижущегося источника, когда справедлива следующая формула

 

Анализ технологических параметров лазерной резки показывает, что для полупроводников () на практике чаще возникает первый режим нагревания материала, соответствующий медленно-движущемуся источнику тепла.

В этом случае максимальная температура на поверхности зависит также и от толщины материала h, если время перемещения луча будет меньше времени прогрева материала . В этом случае выравнивания температуры по толщине материала максимальная температура определяется по формуле

Откуда видно, что при получении требуемой для резки температуры плотность мощности излучения должна линейно возрастать с увеличением толщины материала h. При этом температура и необходимая плотность мощности слабо зависят от скорости движения луча.

При лазерной резке неметаллических материалов и тонких металлических пленок из-за малой теплопроводности среды (), как правило, выполняется условие , то есть имеет место режим нагревания, соответствующий быстро-движущемуся источнику тепла. Согласно приведенной выше формуле максимальной температуры для такого случая, плотность мощности лазерного излучения, необходимая для резки, почти не зависит от толщины материала и с увеличением скорости движения возрастает пропорционально .

Лазерная резка может быть основана на различных процессах разрушения: испарение материала, плавление с удалением расплава из зоны разреза, некоторых химических реакциях: окисление, горение, разложение с выделением летучих веществ.

 

Методы и технологические параметры лазерной резки.

 

 

Промышленная лазерная установка для резки материалов имеет конструкцию схематично представленную на рисунке:

 

 

Давление газа обычно составляет 1,5-3 атм., диаметр выходного отверстия сопла до 5-8 мм, расстояние от края сопла до поверхности не более диаметра выходного отверстия.

Параметрами лазерной резки являются: Р-мощность излучения, плотность мощности-q, -скорость резки, h-толщина материала.

Рассмотрим значения технологических параметров лазерной резки материалов при различных способах (режимах).

 

Лазерная резка путем испарения.

 

Лазеоная резка путем испарения требует наибольших удельных энергетических затрат. При этом можно оценить энергию лазерного излучения, достаточною для испарения материала на глубину h за время прохождения расстояния, равного ширине разреза , изсходя из обьема удаленного вещества и удельной энергии разрушения:

 

(Дж)

Тогда минимальная мощность лазерного излучения определяется:

 

(Вт)

Откуда видно мощность излучения, необходимая для осуществления резки материала прямо пропорциональна , h, .

 

Получение глубоких разрезов сопряжено с образованием достаточно большого количества расплава и его неполным удалением. В этом случае сквозной разрез может заплавиться. Поэтому на практике часто применяют устройства для удаления продуктов разрушения из зоны разреза.

Для получения более точных представлений о взаимосвязях технологических параметров при лазерной резке необходимо расчет этих параметров выполнять изходя из характеристик температурного поля вещества при воздействии лазерного излучения.

Такой расчет может быть выполнен с использованием приведенных выше формул для определения температуры материала при воздействии на него движущегося пятна излучения. Были получены формулы для определения минимальных значений плотности и мощности излучения при ширине разреза, равной диаметру пятна . Здесь различают два случая:

в первом случае

Где - температура разрушения.

Т.о. необходимая для разрезания мощность излучения пропорциональна

2-ой случай - ()

В этом случае необходимо учитывать, что в процессе резки освещается не круговая площадка радиусом на поверхности материала, а движущаяся наклонная поверхность разреза площадь которой примерно равна . Необходимая мощность излучения определяется по формуле:

Таким образом, при резке материалов толщиной необходимая мощность возрастает приблизительно пропорционально h. При резке толстых материалов мощность зависит от толщины более сильно в пределе пропорционально .

Качественная зависимость мощности от и , выраженная приведенными формулами, хорошо соответствует экспериментальным зависимостям при резке самых различных материалов. Однако, с количественной точкм зрения, погрешность этих формул может достигать 50 %. Поэтому они имеют характер приближенных оценок, отражающих основные взаимосвязм между технологическими и физическими параметрами процесса. Приближенный характер формул обьясняется неучетом некоторых факторов: охлаждающего действия струй, изменения отражательной способности материала в процессе разрушения.

Точные значения технологических параметров обычно определяют экспериментально. При этом скорость резки достигает нескольких (много десятков) метров в 1 минуту. Глубина разреза до нескольких см.

 

Газолазерная резка

Специфические особенности возникают при использовании технологии резки материалов непрерывным излучением СО₂ –лазера с поддувом газа (при так называемой газолазерной резке (ГЛР)). Наибольшее применение получает ГЛР с поддувом кислорода. При этом струя кислорода выполняет тройную функцию. Сначала кислород способствует предварительному окислению металла и уменьшению его отражательной способности. В результате возрастает поглощение энергии лазерного излучения. Затем происходит воспламенение и горение металла в среде кислорода. Тепло этой реакции усиливает термическое действие лазерного излучения. И, наконец, струя газа сдувает и уносит из зоны (ГЛР) разреза расплав и продукты горения, а также резко сокращает время остывания материала. В результате удается получить чистый, качественный разрез значительно большей глубины, чем в отсутствии поддува.

При лазерной резке неметаллических материалов, особенно органических, содержащих в своем составе углерод, воспламенение и горение в кислороде отрицательно сказывается на качестве лазерной резки. В этом случае применяется поддув воздуха или инертных газов (СО_2, N_2, Ar, He). При этом газовая струя в основном используется для удаления продуктов разрушения из области разреза.

Применение газолазерной резки с использованием кислорода позволяет увеличить скорость резания и глубину разреза более, чем на порядок и уменьшить ширину разреза, по сравнению с лазерной резкой,путем испарения при одинаковой мощности излучения. Благодаря охлаждению области разреза и высокой скорости резания, зона термического влияния изменения структуры материала имеет малую величину – не более 0,05-0,02 мм. Качественно взаимная связь параметров технологического процесса имеет такой же характер, как и в случае резки путем испарения. Количественно значения обычно определяют экспериментально. Особенностью газолазерной резки является зависимость скорости резки от давления газа (О₂) в сопле.

Качественно эта зависимость имеет одинаковый характер для металлов и неметаллов, и имеет вид, показанный на рисунке.

Как видно из рисунка, скорость резания быстро изменяется при давлениях до двух атмосфер и слабо при давлениях выше этого значения.

Показателями эффективности использования энергии излучения при резке путем испарения и при газолазерной резке являются:

 

Ø Погонная энергия резания (затраченная энергия на единицу длины разреза):

Ø Удаленная энергия резания(затраченная энергия на удаление единицы массы вещества):

b- ширина разреза; ρ- удельный вес.

Численные значения колеблются в очень широких пределах в зависимости от материала и условий резки.

 

На практике стремятся к снижению и путем подбора оптимального сочетания параметров технологического процесса (Р, r_ф, q, b).

Для этой цели в некоторых случаях оказывается целесообразным применение сформулированного пятна эллиптической формы, вытянутого в направлении разреза.

Результат лазерной резки обычно оценивают по таким показателям как ширина разреза, качество и форма кромки. По этим показателям лазерная резка превосходит другие виды резки (т.е. получается минимальная ширина и чистая, ровная кромка).

 

Лазерное скрайбирование

Для резки хрупких материалов, например, стекла, ситалла, керамики, полупроводников из кремния и германия, применяется скрайбирование. При этом на поверхности разрезаемого материала лазерным лучом наносится неглубокий надрез или царапина с последующим разламыванием по линии надреза.

Такой метод резки получил широкое применение в технологии производства полупроводниковых приборов и интегральных схем (разламывание пластин из кремния, ситалла). В результате существенно повышается качество и процент выхода годных изделий.