3 Многоимпульсная обработка материалов

Основным методом повышения точности и качества лазерной размерной обработки является многоимпульсная обработка материалов (МИО).

Сущность МИО заключается в том, что отверстия формируются за серию импульсов излучения лазера определенной энергии и длительности, последовательно доводящих размеры отверстий до необходимых.

При многоимпульсной обработке отверстие растет в глубину постепенно за счет послойного испарения материала каждым импульсом. Окончательная глубина отверстия в этом случае определяется суммарной энергией серии импульсов, а его диаметр - усредненными параметрами отдельного импульса излучения в серии. Кроме того, диаметр отверстия зависит от размера светового пятна в зоне обработки и формы каустики.

Толщина снимаемого каждым импульсом слоя может быть достаточно малой, поэтому при обработке сравнительно глубоких отверстий (h > 1 мм) процессы истечения и перераспределения жидкой фазы в меньшей степени влияют на форму отверстий, чем в случае получения отверстий одним импульсом.

Многоимпульсная обработка позволяет получать отверстия серией коротких импульсов, период следования которых значительно больше времени остывания материала. В этом случае характерный размер зоны термического влияния определяется длительностью отдельного короткого импульса.

Осуществляя импульс с высокой плотностью энергии излучения, можно добиться резкого снижения доли расплава в продуктах разрушения. Использование для МИО импульсов малой длительности позволяет получать отверстия в хрупких материалах без их растрескивания, что обусловлено более равномерным (по отношению к одноимпульсной обработке) распределением остаточных напряжений по толщине материала, а также ростом динамической прочности при уменьшении продолжительности термического удара.

МИО используется для решения двух различных технологических задач: получения отверстий с h > 2 мм без особо жестких требований к их точности и получения высокоточных отверстий.

МИО в этих случаях различаются в основном режимами обработки. Если первому из них соответствует получение в каждом импульсе максимального приращения глубины к диаметру (h/d > 1), то во втором случае наиболее благоприятным режимом является такой, когда приращение глубины лунки за импульс меньше диаметра (h/d < 1).

В результате, в первом случае обработка проводится при сравнительно большом удельном выносе, причем диаметр отверстия формируется уже в первом импульсе, а последующие импульсы лишь углубляют отверстие, незначительно изменяя диаметр.

Во втором случае обработка проводится при небольшом удельном выносе в режиме нестационарного испарения вещества, когда количество образующегося на стенках расплава можно сделать минимальным, устранив или уменьшив действие многих неблагоприятных факторов: теплоотвода в стенке, расфокусировки пучка, чрезмерной длительности импульса.

Если обработка ведется в цилиндрической световой трубке, в которую вырождается световой конус, то дополнительно исключается оплавление стенок за счет непосредственного поглощения ими лазерного излучения.

В итоге продукты разрушения будут в минимальной степени участвовать в формировании отверстия. Тем самым создаются все предпосылки для получения точных отверстий, размеры которых определяются и регулируются параметрами оптической системы и излучения. При получении глубоких отверстий в режиме, многоимпульсной обработки основными факторами, влияющими на соотношение глубины и диаметра отверстия, являются величина, характеризующая ход каустики после фокальной плоскости оптической системы, и количество импульсов в серии п, необходимое для получения заданных размеров отверстия.

При значениях глубины отверстия больше диаметра отверстия (h > d) относительная глубина отверстия.

Для определения предельной глубины сверления лазерным излучением можно в первом приближении воспользоваться формулой испарения материала; а - температуропроводность материала.

При уменьшении длительности импульса, но при постоянной энергии, растет быстрее, поэтому максимальное значение глубины отверстия увеличивается. Если уменьшать одновременно энергию и длительность импульса так, что мощность в импульсе остается постоянной, то в этом случае не изменяется, а растет и, следовательно, падает.

На практике для повышения производительности процесса импульсы излучения необходимо повторять с достаточно высокой частотой. В случае, если средняя мощность излучения, вводимая в материал, оказывается достаточно высокой, взаимное влияние импульса будет велико.

Прежде всего это приведет к повышению температуры образца вблизи возникающего отверстия. При большой частоте повторения поверхность лунки во время паузы не успевает остыть, поэтому нагрев стенок отверстия в каждом импульсе происходит от температуры, большей, чем при нормальных условиях. Очевидно, что при любом механизме разрушения повышение температуры должно приводить к росту глубины отверстия с увеличением частоты при одинаковой полной энергии.

С ростом частоты эффект взаимного влияния импульсов проявляется прежде всего вблизи дна, где тепловьщеление максимально. На стенках же такое влияние оказывается слабее. Вследствие этого материал, удаляемый со дна лунки, частично задерживается на боковых стенках и объем удаляемого материала с увеличением частоты растет медленнее, чем глубина отверстия.

Несколько иной подход к выбору параметров режима лазерной обработки при получении прецизионных отверстий. Оптимальный режим при высокоточной обработке материала должен обеспечивать минимальное оплавление стенок и дна отверстия в процессе его получения.

Это возможно при выполнении следующих двух условий, которые определяют область допустимых режимов обработки. Первое условие означает, что в течение импульса мал боковой теплоотвод, т. е. значительно уменьшено оплавление стенок за счет теплопроводности.

Второе условие накладывает ограничение на действие остальных факторов, способствующих образованию жидкой фазы.

Плотность мощности импульса лазерного излучения, необходимая для реализации прецизионного режима многоимпульсной обработки. Значительное влияние на геометрию отверстия, а также на характер разрушения материала оказывают условия фокусировки излучения.

В сходящемся световом пучке характерным является конический профиль отверстия, а в расходящемся - цилиндрический. За счет неравномерности распределения излучения по сечению светового пятна и во времени в течение импульса, а также вследствие теплопроводности и гидродинамических явлений, профиль отверстия, задаваемый ходом лучей, искажается.

В частности, появляется характерная воронка на входе и плавный переход от дна к стенкам, а при больших расфокусировках профиль отверстия становится параболическим. Степень фокусировки, соответствующая наибольшей глубине и наименьшему диаметру, различна.

Наибольшая глубина отверстий достигается при фокусировке лазерного луча на некоторое расстояние вглубь от поверхности материала. Наименьший диаметр обеспечивается при размещении фокальной плоскости на поверхности обрабатываемого материала.

Если бы механизмом разрушения было испарение вещества, то условия получения отверстия максимальной глубины hax за один импульс с энергией и длительностью Хи соответствовали бы фокусировке излучения на поверхность обрабатываемой детали, обеспечивая минимальный диаметр лунки.

Наличие оплавления стенок в расходящемся пучке изменяет условия оптимальной фокусировки излучения таким образом, что для получения максимальной глубины требуется сфокусировать лазерный пучок на некотором расстоянии от поверхности вблизи материала. Смещение фокуса зависит не только от параметров фокусирующей системы, но и от диаметра лазерного пучка на выходном зеркале лазера d, его расходимости и расстояния от выходного зеркала.

При удалении линзы от лазера (или уменьшении выходной аппертуры пучка) глубина отверстия может значительно увеличиться при оптимальном смещении фокуса линзы по сравнению с глубиной, обеспечиваемой при фокусировке на поверхность материала.

При использовании многоимпульсного метода обработки за счет того, что импульсы в серии разделены временными интервалами, реализуется возможность изменения взаимного расположения обрабатываемой детали и фокусирующей оптической системы в процессе получения одного отверстия.

При относительном смещении оптической системы и образца перед очередным импульсом на величину, равную толщине слоя, испаренного за предыдущий импульс, плотность мощности лазерного излучения на движущейся границе испарения по всей глубине отверстия сохраняется практически постоянной. Такое смещение можно проводить и непрерывно, согласуя скорость движения с частотой следования импульсов.

Прежде чем применять лазерную технологию обработки отверстий в том или ином частном случае, необходимо решить:

- можно ли получить требуемые отверстия традиционными способами?

- в чем будут сказываться преимущества применения лазера: в уменьшении стоимости изделий, в качестве, надежности, универсальности и т. д.?

- можно ли осуществить эту операцию в рамках современной лазерной технологии?

Лазерная обработка применяется главным образом для получения отверстий диаметром до 0,5 мм и глубиной до 5 мм.

Применение многоимпульсной обработки (МИО) позволяет расширить технологические возможности лазерной прошивки и получить отверстия с соотношением h/dотв до 50.

Кроме того, правильный выбор режимов обработки позволяет перейти от получения черновых отверстий к получению чистовых, точность размеров и формы которых достигают 7-го квалитета. С помощью рубинового лазера можно пробивать в керамике, кремнии, германии отверстия диаметром 10 ... 100 мкм с соотношением h/dотв = 20 ... 50.

Такое отношение выше достижимых отношений при изготовлении отверстий малого диаметра в керамике обычными методами.

Применение МИО обеспечивает: получение отверстий диаметром 50 мкм в ситалловых подложках интегральных схем толщиной 0,6 мм для осуществления монтажа; получение отверстий в изолирующих керамических прокладках для прецизионных коаксиальных кабелей.

Табл. 1 Параметры отверстий, полученных методом МИО в некоторых материалах, и использованные режимы обработки

Наиболее широкое применение многоимпульсный метод обработки отверстий лазерным излучением нашел в производстве алмазных волок и часовых камней. Использование лазерной технологии в этих областях носит массовый характер.

Для волочения проволоки диаметром от 10 мкм до 1,2 мм применяются волоки из природных и синтетических алмазов. Их стойкость превышает стойкость волок из твердых сплавов. Это делает возможным получение проволоки с более жесткими допусками, повышает скорость волочения, позволяет снизить расход сырья. Волочение проволоки диаметром менее 0,2 мм возможно только с помощью алмазных волок. Низкая стойкость волок из других материалов не обеспечивает нормального ведения процесса в производстве такой проволоки.

В производстве алмазных волок значительную часть трудоемкости их изготовления составляет получение отверстий. Одна из методик обработки алмазов предусматривает их предварительное закрепление в окончательной оправке. Это позволяет с высокой производительностью получать сквозные черновые отверстия диаметром от 100 мкм до 1,5 мм в алмазах толщиной 1,5 ... 3,0 мм с небольшим риском раскалывания кристаллов.

Недостатками такого подхода являются невозможность контроля профиля отверстия и большие припуски на окончательную обработку. Это не дает возможности получать отверстия диаметром менее 100 мкм, хотя волоки с такими отверстиями составляют основную массу волок, потребляемых промышленностью. Получило также распространение лазерная обработка алмазных волок, не закрепленных в оправке.

Этот метод позволяет осуществлять непрерывный контроль за формированием отверстия в процессе его обработки при любых диаметрах, вплоть до нескольких микрометров. Непрерывисто контроль в процессе лазерной обработки обеспечивает наибольшую точность и делает возможным оставлять минимальные припуски на окончательную обработку отверстия.

Отверстие алмазной волоки имеет сложную форму и состоит из входной распушки, смазочного конуса, рабочего канала и выходной распушки. Заготовка волоки представляет собой кристалл алмаза массой 0,1—4 карат.

Перед лазерной обработкой кристалл подвергают огранке так, чтобы получить две параллельные грани, перпендикулярные оси будущего отверстия, и одну грань, параллельную этой оси, для визуального контроля формы отверстия в процессе обработки. Обработку отверстия осуществляют пооперационно, комбинируя с ультразвуковой обработкой.

Ввиду хрупкости алмаза сверление ведут многоимпульсным методом. Вследствие большого коэффициента поглощения материала пластины для начала ее обработки требуется значительно меньшая энергия излучения, чем для начала обработки алмаза. Так, в зоне обработки пластины развивается высокая температура, контактирующий с ней участок поверхности алмаза графитизируется и начинает эффективно поглощать излучение. В результате образуется начальная лунка будущего отверстия.

Для получения начального отверстия требуется один импульс с энергией 0,5 Дж. Применение пластины из хорошо поглощающего материала позволяет значительно снизить пороговую энергию обработки алмаза, что предотвращает его раскалывание.

После обработки начальной лунки кристалл переворачивают и обрабатывают входную распушку и смазочный конус. Обработку ведут импульсами с энергией 0,1 ... 1 Дж (в зависимости от размеров кристалла) при частоте следования 1 Гц с одновременным вращением кристалла со скоростью 10 ... 20 мин.

На этой операции применяют плоскосферический резонатор и объектив с фокусным расстоянием 38 мм. Обработку ведут без телескопической системы. Контролируя форму отверстия с помощью бокового микроскопа, сначала углубляют начальную лунку, затем смещают луч и ведут обработку по окружности, постепенно увеличивая ее радиус и глубину отверстия.

Для образования входной распушки и смазочного конуса общей глубиной 0,7 мм и с входным диаметром 0,6 мм требуется 50 ... 100 импульсов. Далее с помощью ультразвукового инструмента проводят чистовую обработку входной распушки и смазочного конуса. Затем сверлят рабочий канал. Его обработку осуществляют при плоских зеркалах резонатора с применением телескопической системы и объектива с фокусным расстоянием 24 мм.

Для сверления рабочего канала диаметром 0,05 мм и глубиной 0,15 ... 0,2 мм обычно требуется 1-2 импульса с энергией 0,3 ... 0,5 Дж.

После обработки рабочего канала кристалл переворачивают и проводят обработку выходной распушки.

Заключительными операциями являются обработка выходной распушки и рабочего канала ультразвуковым инструментом и полирование рабочего канала. Возможности повышения производительности сверления часовых камней механическими методами в настоящее время практически исчерпаны.

Перспективным в этом направлении оказалось применение лазеров. На одно отверстие диаметром 0,05 ... 0,08 мм в рубиновой заготовке часового камня толщиной 0,45 мм требуется четыре-пять импульсов энергией 0,2 ... 0,3 Дж при частоте следования 5 Гц и семь-восемь импульсов с энергией около 0,1 Дж при частоте следования 10 Гц. Смена заготовки на рабочей позиции осуществляется автоматически подавателем за время около 0,2 с, в течение которого излучение автоматически перекрывается затвором с электромагнитным приводом. Производительность установки — один камень в секунду.

Многоимпульсный метод позволил полностью исключить раскалывание заготовок в процессе обработки и обеспечил высокую точность и воспроизводимость размеров отверстий.

Глубина структурно измененной зоны вблизи стенок отверстия не превышает 1 ... 2 мкм, что позволяет оставлять минимальный припуск на чистовую обработку. Лазеры также используются для прошивки отверстий в пластике, предназначенном для обшивки стен в салонах самолетов, для перфорирования бумаги, в целях более легкого ее разделения, для сверления дозирующих отверстий в аэрозольных соплах.

Одноимпульсная обработка применяется для получения системы отверстий: в пластмассовых деталях теплообменных установок, трубах противопожарной системы и системы антиобледенения самолета и для разбрызгивания воды; в полиэтиленовых пакетах медицинской промышленности; в контактных линзах, изготовленных из полиметилметакрилата.

Многоимпульсная обработка кроме перечисленных выше случаев применяется для получения:

- системы отверстий в платах печатного монтажа, изготовляемых из фольгированного стеклотекстолита и гетинакса;

- отверстий связи в оптических элементах (призмы, линзы, зеркала);

- наклонных отверстий в смотровых люках из стекла, кварца, сапфира.