Промышленное применение лазеров

венны для лазерной сварки. Сварка осуществляется импульсами из­ лучения рубинового лазера с энергией 6 Дж и длительностью 3 мс, которые фокусируются при помощи линзы с фокусным расстоянием 43 мм. Место сварки удалено от фокальной плоскости на 0,19 мм, чем обеспечивается такая расфокусировка, которая гарантирует од­ новременное перекрытие в одном лазерном импульсе обеих прово­ лок. Глубина прогреваемой зоны не превышает 50 мкм, и поэтому жесткость пружины из фосфористой бронзы не изменяется. Проч­ ность получаемого сварного соединения оказывается по меньшей мере такой же, как у исходной проволоки толщиной 25 мкм.

Эти два примера приведены для иллюстрации ряда обстоя­ тельств, которые необходимо учитывать, чтобы обеспечить эффек­ тивное применение лазеров. Основное внимание уделяется сварке малогабаритных деталей в тех случаях, когда применение обычных методов сопряжено с трудностями. Повышенная надежность свар­ ных соединений и увеличение выхода годных изделий могут обеспе­ чить процессу лазерной сварки конкурентоспособность в экономиче­ ском отношении.

Лазерная сварка может применяться при сборке электронных компонентов с любым из известных в настоящее время типом ком­ поновки, но особенно выгодна она для устройств с так называемыми балочными выводами. Присоединение таких выводов ведется под микроскопом, который можно использовать одновременно для фоку­ сировки лазерного пучка в центре поля зрения микроскопа.

Рассмотрим пример, наглядно показывающий возможности при­ менения локального лазерного нагрева для решения необычных про­ блем. Речь идет о герметизации миниатюрного детонатора методом ла­ зерной сварки, которая производится на расстоянии 1 мм от чувстви­ тельного к повышению температуры инициирующего взрывчатого вещества. В условиях массового производства очень трудно обеспечить простую и в то же время высоконадежную герметизацию миниатюрных взрывных устройств типа детонаторов, запалов, взрывателей и т.п.

Рассматриваемый детонатор имеет форму цилиндра диаметром 2,5 мм и длиной 6,3 мм. Герметизация осуществляется путем сварки

корпуса, имеющего металлостеклянное уплотнение, с капсюлем, со­ держащим сильное взрывчатое вещество. В качестве материала кор­ пуса и капсюля служит нержавеющая сталь марки 320. Сварочная установка обеспечивает тщательную юстировку и фокусировку ла­ зерного пучка, в результате чего размер зоны сварки не превышает 127 мкм в диаметре и 76 мкм по глубине. Указанная особенность по­ зволяет ограничить зону, в которой происходит выделение тепла при сварке, областью с контролируемыми малыми размерами. Сварка производится при помощи СОг-лазера, работающего в режиме по­ вторяющихся импульсов. Энергия отдельного импульса составляет 0,1~=~0,3 Дж, а длительность -40 мкс. Под воздействием пучка обра­ зуются отдельные перекрывающиеся зоны плавления металла, кото­ рые при затвердевании формируют однородный сварной шов. Ши­ рина шва составляет -0,38 мм.

Сварной шов герметичен и настолько прочен, что изделия выдер­ живают 28-суточные испытания в неблагоприятных условиях с цикличе­ скими изменениями температуры и влажности, с воздействием ударных нагрузок до 1300 g и тепловых нагрузок, которые непрерывно изменяют­ ся в пределах от -55 до + 71°С. Другие методы сварки, в том числе и сварка с помощью электронного пучка, оказались малоэффективными, так как сварное соединение оказывается очень близким к взрывчатому веществу, которое очень чувствительна к повышению температуры.

Сечение сварного шва не обладает такой чистотой, как сечение швов, полученных другими методами, но этот шов имеет высокую прочность и обеспечивает требуемую герметичность.

На ранних этапах применения лазеров в электронной промыш­ ленности лазеры в основном использовались для сварки микросхем. С помощью рубинового лазера осуществлялась сварка различных электронных компонентов, в том числе присоединение вводов к печатным платам и к контактам на кремниевых пластинках, спайка тонких проводов с тонкими пленками, а также присоединение инте­ гральных схем с компланарными выводами к печатным платам.

Внастоящее время существует много областей применения,

вкоторых лазерная сварка достигла промышленного уровня. Она

успешно конкурирует с такими хорошо известными методами свар­ ки, как дуговая сварка, сварка сопротивлением и сварка с помощью электронного пучка.

К числу применений сварки при помощи непрерывных лазеров на АИГ с неодимом или непрерывных С02-лазеров с уровнем мощ­ ности порядка сотен ватт относятся герметизация корпусов реле с термочувствительными элементами, приварка наконечников к ло­ пастям газовых турбин, создание контурных швов на турбинных ло­ патках из инконеля, приварка циркалоевых наконечников к топлив­ ным элементам, ядерных реакторов и приварка режущих кромок из закаленной стали к полотнам металлорежущих пил.

В настоящее время изучаются возможности применения лазер­ ных систем мощностью несколько киловатт для автоматической сварки кузовов автомобилей, сварки тонких листов титана и алюми­ ния при строительстве скоростных надводных судов, а также для сварки газопроводов, предназначенных для эксплуатации в арктиче­ ских условиях.

Во многих случаях применение лазерной сварки сулит опреде­ ленные преимущества, которые могут оказаться решающими для конкретной области применения. К числу преимуществ лазерной сварки относятся следующие:

1.Отсутствие контакта со свариваемым образцом (следователь­ но, отсутствие загрязняющих примесей).

2.В отличие от электронно-лучевой сварки, для которой необ­ ходим вакуум, лазерная сварка может производиться в атмосфере.

3.Малый размер зоны, подвергающейся тепловому воздейст­ вию, что чрезвычайно важно в тех случаях, когда сварка должна

осуществляться в непосредственной близости от чувствительных

кнагреву элементов (например, мест спая металла со стеклом).

4.Сварка может проводиться в местах, которые недоступны для других методов сварки (например, при восстановительном ремонте внутри отпаянного вакуумного объема).

Благодаря перечисленным преимуществам лазеры находят все более широкое применение при проведении обычных сварочных опе­

раций. Однако в настоящее время область их применения в основном связана с малогабаритными деталями из-за небольшой глубины про­ никновения теплового потока в глубь образца для лазеров всех ти­ пов, за исключением дорогостоящих СС^-лазеров мощностью не­ сколько киловатт.

4.2.6. Лазерная маркировка

Для идентификации продукции, нанесения на изделия соответ­ ствующей информации, а также с целью предотвращения хищений готовой продукции нужно осуществлять маркировку изделий. Обыч­ но для этих целей используют трафаретную печать, клеймение, ме­ ханическую или ручную гравировку, травление и пескоструйную об­ работку. В ряде случаев требования к созданию длительно сохра­ няющейся маркировки находятся на пределе возможностей существующих методов.

Новый простой метод маркировки изделий основан на-приме­ нении лазеров. Как правило, лазеры, необходимые для маркировки готовой продукции, значительно дороже обычно применяемых для этой цели устройств (например, стальных штампов). Поэтому к ла­ зерной маркировке следует прибегать лишь в тех случаях, когда тре­ бования к маркировке не могут быть достаточно хорошо выполнены обычными методами. Такая ситуация возникает в тех случаях, когда изделия имеют малые размеры или очень хрупки, а также при необ­ ходимости обеспечить высокую скорость маркировки.

Предложены два метода маркировки изделий с помощью лазе­ ров. Первый метод заключается в сканировании сфокусированного лазерного пучка по поверхности изделия, модуляции его интенсивно­ сти для испарения части материала в заранее намеченных местах и осуществления таким образом требуемой маркировки. Часто метка представляет собой комбинацию алфавитно-цифровых знаков.

Метод, основанный на сканировании, используется для нанесе­ ния идентификационных меток на изделия типа кристаллов кремния или дорогостоящих пишущих машинок. Мощный лазерный пучок

фокусируется на поверхности изделия, сканируется по заданному контуру, а его интенсивность увеличивается в тех местах, где требу­ ется сделать метку. Знаки метки формируются в виде совокупности точек или линий. Для указанных целей часто используется лазер на АИГ с неодимом; его излучение обычно хорошо поглощается мате­ риалом маркируемого изделия и, кроме того, его можно получить в виде коротких импульсов с высокой пиковой мощностью, доста­ точной для испарения метки на поверхности.

Лазерная маркировка может оказаться довольно перспективной при нанесении идентификационных меток на кремниевые пластины, поскольку указанный материал является очень хрупким, и, кроме того, метки, заранее нанесенные на пластины какими-либо иными методами, могут быть нарушены в процессе обработки пластин. Ка­ чество нанесения идентификационных меток на пишущие машинки с помощью лазерной маркировки такое высокое, какого не удается добиться другими методами. Кроме того, лазерная маркировка пи­ шущих машинок может производиться уже на заключительных эта­ пах их изготовления.

Второй метод, получивший название «микрообработки ме­ ток», заключается в одновременном формировании всей метки це­ ликом путем обработки поверхности мощным сфокусированным пучком лазерного излучения, которому заранее придана желаемая форма. В данном разделе описаны оба метода маркировки.

Метод микрообработки меток позволяет наносить сложные знаки с помощью всего лишь одного лазерного импульса. Соответст­ вующая схема показана на рис. 4.11. Оптическая схема такой систе­ мы аналогична схеме диапроектора. На пути лазерного пучка поме­ щается маска, соответствующая требуемому знаку. При помощи лин­ зы на поверхности образца формируется изображение этой маски. При достаточно высокой мощности лазерного излучения происходит испарение материала с освещенного участка поверхности и на по­ верхности остается отпечаток изображения маски.

фокусное

расстояние

Одна из наиболее распространенных схем маркировки реализу­ ет точечно-матричный метод нанесения знаков, при котором каждая матрица представляет собой прямоугольное поле с 63 возможными положениями зон лазерного воздействия (матрица «9x7»). При по­ строчном сканировании излучения энергия подводится по программе к тем точкам матрицы, совокупность которых обеспечивает получе­ ние требуемого буквенно-цифрового знака. Зона элементарного воз­ действия в этом случае представляет собой микроотверстие (лунку) диаметром 7(Н80 мкм. При частоте подачи импульсов 4 кГц с помо­ щью матрицы «9x7» можно обеспечить производительность марки­ ровки до 30 знаков в секунду.

Матрица «9x7» позволяет получить качественные знаки высо­ той 3 мм и менее. С уменьшением высоты знака отдельные микро­ лунки перекрываются с образованием микроборозд. Маркировка ве­ дется излучением с модулированной добротностью при длительно­ сти импульсов т « 1-т-0,2 мкс и высокой пиковой мощности.

Маркировка может также выполняться по схеме, в которой ис­ пользуется специальная маска, формирующая на обрабатываемой поверхности знак требуемой конфигурации. Достоинством этой схе­ мы является то, что весь знак или даже вся требуемая информация из

нескольких знаков, заложенная в маске, может быть нанесена за вре­ мя действия одного импульса или серии из нескольких импульсов. Это обусловливает высокую производительность процесса. Однако при этом ограничивается разнообразие наносимой информации.

Большое распространение лазерная маркировка находит в элек­ тронной промышленности и приборостроении. Так, на миниатюрные конденсаторы с обкладкой площадью 2 мм2 с помощью излучения с модулированной добротностью лазера на алюмоиттриевом гранате (АИГ) наносятся фирменный знак и величина емкости.

На поверхности кремниевых и ферритовых элементов магнит­ ных головок наносятся маркировочные знаки высотой 1 мм при глу­ бине знака 2-^20 мкм. Нанесение семизначного числа на кремниевую пластину занимает 50 с, а одной цифры на ферритовую поверх­ ность - 1с.

Сетка и специальные знаки наносятся лазерным излучением на стеклянные элементы приборов. Предварительно на обрабатываемую поверхность наносится слой графитового порошка. При плавлении стекла графит внедряется в расплав, в результате чего на стекле со­ храняется хорошо различимый и надежно зафиксированный след.

На детали из прозрачных материалов маркировочные обозначе­ ния, сетки и другие специальные знаки могут наноситься следующим оригинальным способом. Под стеклянную деталь подкладывается металлическая пластина (например, оцинкованная жесть). Излуче­ ние 7, сфокусированное линзой 2, направляется через стекло 3 и кон­ центрируется на металлической поверхности 4 (рис. 4.12). При пере­ мещении луча по заданной программе в результате испарения метал­ ла на стекло напыляется тонкая металлическая пленочная дорожка в соответствии с программой перемещения луча.

Одна из основных тенденций в проведенных исследованиях за­ ключается в том, чтобы нанести с помощью одного импульса лазер­ ного излучения метку с максимально большой площадью. Естест­ венно, что для этой цели необходимы высокие импульсные мощно­ сти лазерного излучения.

Рис. 4.12. Схема лазерной маркировки поверхности детали из стекла

СС^-лазер ТЕА-типа с разумными выходной мощностью и га­ баритами позволяет наносить на типичный упаковочный материал метку площадью ~1 см2, которая достаточна для указания даты или идентификационного знака партии изделий.

С помощью лазерного излучения маркировочные знаки можно наносить на детали и изделия из неметаллических материалов, бумаги, картона, стекла, различных композитных и полимерных материалов.

При маркировке лазерным излучением достигается миниатюр­ ность наносимого знака. Ширина образующей знака может не превы­ шать 10 мкм при размерах самого знака до нескольких десятков мик­ рометров. Бесконтактность метода и отсутствие механического воз­ действия позволяют маркировать тонкостенные, хрупкие детали, узлы и изделия в сборе. Высокая точность и качество знаков гарантируют надежность и стабильность их считывания фотоэлектронными устрой­ ствами. К достоинствам лазерной маркировки относятся высокая про­ изводительность и возможность полной автоматизации процесса.

4.2.7. П роведение измерений

Необычные свойства лазерного излучения (большая интенсив­ ность и высокая степень когерентности) могут быть использованы для проведения разнообразных измерений в технике. Эти свойства позволяют проводить измерения на расстояниях, значительно пре­ вышающих те, которые доступны системам с обычными источника­ ми света.

Некоторые лазерные устройства достигли уровня серийно вы­ пускаемой контрольно-измерительной аппаратуры. В других случаях приборы и методика измерений разрабатываются самими потребите­ лями в соответствии сих нуждами. Разнообразие методов решения проблемы измерений настолько велико, что не представляется воз­ можность дать достаточно полный обзор.

Использование лазеров в измерительной, контрольно-измери­ тельной аппаратуре и робототехнике основано на том, что с помо­ щью лазера удается измерять расстояния и угловые перемещения с высокой степенью точности, причем измерять дистанционно, теле­ метрически, т.е. в условиях, когда измерительная аппаратура нахо­ дится далеко от измеряемого объекта. Такая возможность основана, в частности, на использовании интерференционных явлений, позво­ ляющих регистрировать расстояния с точностью до долей длины волны излучения, т.е. до десятых долей микрона.

Методы лазерной интерферометрии нашли применение в раз­ личных областях промышленности. В качестве примеров назовем следующие:

1.Точная установка зажимных приспособлений при изготовле­ нии деталей авиационных двигателей. Применение лазеров обеспе­ чивает значительное сокращение необходимого времени.

2.Контроль движения деталей станков, обеспечивающий авто­ матическую компенсацию погрешностей, связанных с износом. Высо­ кие значения погрешности являются результатом ограниченных воз­ можностей обычных измерительных систем. Не вызывает сомнений, что применение лазеров может существенно улучшить положение.

3. Ускорение установочных операций. На одном из участков ла­ зерный интерферометр используется при ручной настройке процесса обработки, проводимого под контролем ЭВМ. Задача состоит в том, чтобы просверлить в алюминиевой плите длиной 1,2 м, имеющей температуру окружающей среды 20°С, с высокой степенью точности отверстия на расстоянии 101,6 см одно от другого. Автоматический учет температуры обрабатываемой детали и коэффициентов расши­ рения этой детали и конструкций станка обеспечивает на расстоянии 101,6 см точность, равную 13 мкм. Программа управляющей ЭВМ допускает проведение указанных операций вручную. Оператор на­ мечает режущим инструментом положение одного из отверстий, ус­ танавливает интерферометр на нуль, затем отводит режущий инст­ румент и вручную перемещает станочный стол в положение, соот­ ветствующее следующему отверстию. Требуемая степень точности может быть обеспечена путем определения положения отверстий при помощи интерферометра.

4. Одно из наиболее известных применений лазеров в промыш­ ленности - лазерные юстировка и настройка, т.е. определение или создание необходимой величины отклонения от заданной опорной линии, в качестве которой используется луч лазера. Особенно широ­

стий в процессе управления горнопроходческим щитом, для контро­ ля работы дорожных машин с целью точной установки требуемого уровня дороги, в системах автоматического контроля заглубления трубоукладочных машин, для создания лазерного отвеса в строи­ тельстве зданий, для создания лазерной системы контроля ночной посадки самолетов, когда лучи от гелий-неонового лазера указывают пилоту и угол посадки, и посадочную дорожку.

5. Если луч лазера направить на движущийся в направлении луча со скоростью V объект, то отраженный от объекта луч изменит свою частоту на величину доплеровского сдвига частоты Av/v == Vic, где с