Большая советсткая энциклопедия Лазерная технология

Лазерная технология

Лазерная технология, процессы обработки и сварки материалов излучением лазеров. В Л. т. применяют твердотельные и газовые лазеры импульсного и непрерывного действия. В большинстве процессов Л. т. используется термическое действие света, вызываемое его поглощением в обрабатываемом материале. Для увеличения плотности потока излучения и локализации зоны обработки применяют оптические системы.

Особенности Л. т.: высокая плотность потока излучения в зоне обработки, дающая необходимый термический эффект за короткое время (длительность импульса 1 мсек и менее); локальность воздействия излучения, обусловленная возможностью его фокусировки в световые пучки предельно малого диаметра (порядка длины волны излучения); малая зона термического влияния, обеспечиваемая кратковременным воздействием излучения; бесконтактный ввод энергии в зону обработки и возможность ведения технологических процессов в любой прозрачной среде (вакуум, газ, жидкость, твёрдое тело), через прозрачные окна технологических камер, оболочки электровакуумных приборов и т.д. Наиболее изучены и освоены процессы сварки, сверления и резки.

Лазерная сварка (рис. 1) может быть точечной и шовной. В большинстве случаев применяют импульсные лазеры, обеспечивающие наименьшую зону термического влияния. С помощью лазерной сварки можно получать высококачественные соединения деталей из нержавеющей стали, никеля, молибдена, ковара и др. Высокая мощность лазерного излучения позволяет сваривать материалы с высокой теплопроводностью (медь, серебро). Возможна лазерная сварка материалов, плохо поддающихся сварке др. методами (вольфрам с алюминием, медь со сталью, бериллиевая бронза с др. сплавами). Плотность потока излучения на поверхности свариваемых деталей в зависимости от их материала находится в пределах 0,1—1 Мвт/см². Глубина проплавления материала при сварке импульсным твердотельным лазером может быть 0,05—2 мм при её отношении к диаметру сварной точки или ширине шва от 0,5 до 5, что делает возможным надёжную сварку деталей толщиной от 0,01 до 1 мм. Оборудование для лазерной сварки обеспечивает работу в следующих режимах: энергия излучения в импульсе 0,1—30 дж, длительность импульса 1—10 мсек, диаметр светового пятна 0,05—1,5 мм. Производительность точечной сварки 60 операций в мин, шовной — 1 м/мин при глубине проплавления 0,5 мм. Наиболее эффективно применение лазера для сварки в труднодоступных местах конструкций, при соединении легкодеформируемых деталей, в условиях интенсивного теплоотвода (например, для материалов с высокой теплопроводностью, при низких температурах и т.д.), а также в тех случаях, когда надо обеспечить минимальную зону термического влияния. Экономически выгодна замена пайки миниатюрных деталей сваркой с помощью лазера, т.к. в этом случае исключается загрязнение свариваемых деталей флюсом, получается соединение более высокого качества, конструкция весит меньше. Области применения лазерной сварки: изготовление электровакуумных и полупроводниковых приборов, интегральных схем, приборов точной механики и т.д. Лазерная сварка позволяет повысить производительность труда в 3—5 раз по сравнению с обычными способами сварки и пайкой.

Сверление отверстий лазером (рис. 2) возможно в любых материалах. Как правило, для этой цели используют импульсные лазеры с энергией в импульсе 0,1—30 дж при длительности 0,1—1 мсек, плотности потока излучения в зоне обработки 10 Мвт/см² и более. Максимальная производительность достигается при сверлении отверстий за один импульс с большой энергией (до 30 дж). При этом основная масса материала удаляется из отверстия в расплавленном состоянии под давлением пара, образовавшегося в результате испарения относительно небольшой части вещества. Однако точность обработки одноимпульсным методом невысокая (10—20% от размера диаметра). Максимальная точность (1—5%) и управляемость процессом сверления достигается при воздействии на материал серии импульсов (многоимпульсный метод) с относительно небольшой энергией (обычно 0,1—0,3 дж) и малой длительностью (0,1 мсек и менее). Возможно сверление сквозных и глухих отверстий с различными формами поперечного (круглые, треугольные и т.д.) и продольного (цилиндрического, конического и др.) сечений. Освоено сверление отверстий диаметром 0,003—1 мм при отношении глубины к диаметру 0,5—10. Шероховатость поверхности стенок отверстий в зависимости от режима обработки и свойств материала соответствует 6—10 классам чистоты (Ñ6—Ñ10), а глубина структурно измененного, или дефектного, слоя составляет 1—100 мкм. Производительность лазерных установок для сверлений отверстий обычно 60—240 отверстий в мин. Наиболее эффективно применение лазера для сверления труднообрабатываемых др. методами материалов (алмаз, рубин, керамика и т.д.), получения отверстий диаметром менее 100 мкм в металлах, сверления под углом к поверхности. В СССР сверление отверстий лазерным лучом нашло особенно широкое применение в производстве рубиновых часовых камней и алмазных волок. Например, успешно выполняется сверление алмазных волок на установке "Квант-9" с лазером на стекле с примесью неодима (рис. 3). Производительность труда на этой операции увеличилась в 12 раз по сравнению с ранее применявшимися методами.

Бесконтактное удаление лазером весьма малых масс материала применяют также при динамической балансировке роторов гироскопов и при точной подгонке балансов часовых механизмов, что позволяет существенно повысить точность этих операций и увеличить производительность.

Лазерную резку материалов (рис. 4) осуществляют как в импульсном, так и в непрерывном режиме. При резке в импульсном режиме непрерывный рез получается в результате наложения следующих друг за другом отверстий. Наиболее широкое применение получила резка (фрезерование) тонкоплёночных пассивных элементов интегральных схем, например с целью точной подгонки значений их сопротивления или ёмкости. Для этого применяют импульсные лазеры на алюмо-иттриевом гранате с модуляцией добротности, лазеры на углекислом газе. Импульсный характер обработки обеспечивает минимальную глубину прогрева материала и исключает повреждение подложки, на которую нанесена плёнка. Лазерные установки различных типов позволяют вести обработку при следующих режимах: энергия излучения 0,1—1 мдж, длительность импульса 0,01—100 мксек, плотность потока излучения до 100 Мвт/см², частота повторения импульсов 100—5000 импульсов в 1 сек. В сочетании с автоматически управляющими системами лазерные установки для подгонки резисторов обеспечивают производительность более 5 тыс. операций за 1 ч. Импульсные лазеры на алюмо-иттриевом гранате применяются также для резки полупроводниковых пластин-подложек интегральных схем.

Лазеры непрерывного действия на углекислом газе мощностью от нескольких сотен вт до нескольких квт применяют для газолазерной резки, при которой в зону воздействия лазерного луча подаётся струя газа. Газ выбирают в зависимости от вида обрабатываемого материала. При резке дерева, фанеры, пластиков, бумаги, картона, текстильных материалов в зону обработки подаётся воздух или инертный газ, которые охлаждают края реза и препятствуют сгоранию материала и расширению реза. При резке большинства металлов, стекла, керамики струя газа выдувает из зоны воздействия луча расплавленный материал, Что позволяет получать поверхности с малой шероховатостью и обеспечивает высокую точность реза. При резке железа, малоуглеродистых сталей и титана в зону нагрева подаётся струя кислорода. В результате экзотермической реакции окисления металла выделяется дополнительное тепло, что позволяет значительно повысить скорость резки. Характерные режимы газолазерной резки: мощность излучения 300—1000 вт, плотность потока излучения в зоне обработки 100 квт/см², ширина реза 0,3—1 мм, толщина разрезаемого материала до 10 мм; скорость резки зависит от толщины и свойств обрабатываемого материала и может быть от 0,5 до 10 м/мин, для тонких материалов (бумага, ткань) до 50 м/мин и более. Достоинства газолазерной резки: простота автоматизации процесса, малая ширина реза и небольшая глубина зоны термического влияния, отсутствие вредных отходов при резке стеклопластиков, оплавление краев реза синтетических текстильных материалов, что препятствует их распусканию.

Лазеры на углекислом газе применяют для резки хрупких материалов (стекло, керамика) методом управляемого термического раскалывания. При локальном нагреве материала по траектории движения луча создаются термические напряжения, превышающие предел прочности материала. Возникающая трещина развивается вслед за лучом, траектория которого может иметь сложную форму. Скорость резки достигает нескольких м/мин. Управляемое термическое раскалывание применяется при резке стеклянных трубок в производстве электровакуумных приборов, керамических подложек интегральных схем, для резки листового и фасонного стекла.

Применение лазера в других областях. Термическое действие лазерного излучения может быть применено для поверхностного упрочнения (закалка и "залечивание" микродефектов оплавлением) быстроизнашивающихся металлических деталей, например режущего инструмента для создания электронно-дырочных переходов в производстве полупроводниковых приборов. В производстве интегральных схем действие лазера используют для локальной термической диссоциации некоторых металлсодержащих органических соединений при изготовлении плёночных элементов схем; для интенсификации процессов локального окисления и восстановления; для получения тонких плёнок путём испарения материалов в вакууме.

В СССР промышленность выпускает лазерные технологические установки различного назначения с лазерами на стекле с неодимом, алюмо-иттриевом гранате, углекислом газе и на др. активных средах. На рис. 5 представлена типичная блок-схема лазерной технологической установки.

Дальнейшее развитие Л. т. связано с увеличением мощностей лазеров, что позволит обрабатывать материалы ещё большей толщины. Задачами Л. т. в области обеспечения более высокой точности обработки является разработка эффективных методов управления параметрами излучения, улучшение равномерности распределения интенсивности излучения по сечению пучка, повышение стабильности выходных параметров лазеров, а также детальное изучение физических процессов воздействия лазерного излучения на материалы в различных режимах работы лазеров.

Лит.: Действие излучения большой мощности на металлы, М., 1970; Лазерная технология, М., 1970; Технологическое применение газовых лазеров, Л., 1970; Лазерная литография, Л., 1971.

М. Ф. Стельмах, А. А. Чельный.