Выполняются заказы по лазерной резке широкого круга материалов, конфигураций и размеров.

Сфокусированное лазерное излучение позволяет резать практически любые металлы и сплавы, независимо от их теплофизических свойств. При лазерной резке отсутствует механическое воздействие на обрабатываемый материал и возникают незначительные деформации. Вследствие этого можно осуществлять лазерную резку с высокой точностью, в том числе и легкодеформируемых и нежестких деталей. Благодаря большой мощности лазерного излучения обеспечивается высокая производительность процесса реза. При этом достигается такое высокое качество реза, что в полученных отверстиях можно нарезать резьбу.

Широко применяется в заготовительном производстве. Основное преимущество лазерной резки - она позволяет переходить с одного типа деталей любой геометрической сложности на другой тип практически без затрат времени. По сравнению с традиционными методами резки и механообработки скорость различается в несколько раз. Из-за отсутствия теплового и силового воздействия на изготавливаемую деталь, она не претерпевает деформаций в процессе изготовления. Качество изготавливаемой продукции позволяет совершать сварку встык без смещений кромок среза и предварительной обработки соединяемых сторон.

Твердотельные лазеры неметаллические материалы режут значительно хуже газовых, однако имеют преимущество при резке металлов - по той причине, что волна длиной 1 мкм отражается хуже, чем волна длиной 10 мкм. Медь и алюминий для волны длиной 10 мкм - почти идеально отражающая среда. Но, с другой стороны, сделать CО2-лазер проще и дешевле, чем твердотельный.

Точность лазерной резки достигает 0,1 мм при повторяемости +0,05 мм, причем качество реза стабильно высокое, поскольку зависит только от постоянства скорости перемещения лазерного луча, параметры которого остаются неизменными.

Краткая характеристика реза: окалина обычно отсутствует, небольшая конусность (завист от толщина), получаемые отверстия круглые и чистые, возможно получение совсем небольших деталей, ширина реза 0,2-0,375 мм, прижоги незаметны, тепловое воздействие очень мало, имеется возможность резки неметаллических материалов.

Прошивка отверстий

Немаловажным фактором для лазерной резки является прошивка первоначального отверстия для ее начала. У некоторых лазерных установок имеется возможность с помощью процесса так называемой летающей прошивки в холоднокатаной стали толщиной 2 мм получать до 4 отверстий в секунду. Получение одного отверстия в более толстых (до 19,1 мм) листах из горячекатаной стали при лазерной резке осуществляют с помощью силовой прошивки примерно за 2 с. Применение обоих этих методов позволяет увеличить производительность лазерной резки до уровня, достигаемого на вырубных прессах с ЧПУ.

Пробивка отверстий

С помощью этого метода можно получать отверстия диаметром 0,2-1,2 мм при толщине материала до 3 мм. При соотношении высоты отверстий к их диаметру 16:1 лазерная пробивка превосходит по экономичности почти все другие методы. Объектами применения этой технологии являются: сита, ушки игл, форсунки, фильтры, ювелирные изделия (подвески, четки, камни). В промышленности с помощью лазеров осуществляется пробивка отверстий в часовых камнях и в волочильных фильерах, причем производительность достигает 700 тыс. отверстий в смену.

Скрайбирование

Часто используемым является режим несквозной резки, так называемое скрайбирование. Оно широко используется в промышленности, в частности, в микроэлектронике, для разделения кремниевых шайб на отдельные элементы (фрагменты) по заданному контуру. В этом процессе также оказывается существенным взаимная ориентация проекции вектора электрического поля падающего излучения и направления сканирования для обеспечения высокой эффективности и качества процесса.

Скрайбирование широко используется в промышленности (микроэлектроника, часовая промышленность и др.) для разделения тонких пластин поликора и сапфира, реже для разделения кремниевых шайб. При этом для осуществления дальнейшего механического разделения достаточно скрайбирования на глубину около трети от полной толщины разделяемой пластины.

Процессы микрообработки

Высокая степень автоматизации в последние годы позволила вновь на новой стадии использовать на практике такие процессы, как подгонка номиналов резисторов и пьезоэлементов, отжиг имплантированных покрытий на поверхности полупроводников, напыление тонких пленок, зонная очистка и выращивание кристаллов. Возможности многих процессов к настоящему моменту еще не до конца раскрыты.

Вид механической обработки черных металлов путем резания отверстий вращающимися механизмами называют сверлением.

Различают простое и глубокое сверление.

Во втором случае глубина отверстия должна быть более 10 см., или размером вглубь более 5 исходных диаметров (5*d). При помощи сверл получают отверстия различной глубины и диаметра или многогранного сечения.

Обработка заготовки с целью ее сверления может производиться несколькими способами:

  1. Заготовка вращается, при этом одновременно производится продольная подача не вращающегося сверлильного инструмента;
  2. Заготовка не вращается, зафиксирована;
  3. Одновременное вращение заготовки и инструмента.

Все эти способы широко применяются на практике. Наибольший спрос на процесс глубокого сверления есть в следующих сферах: металлургия, производство труб, нефтегазовая и аэрокосмическая промышленность, выпуск плит теплообменников и бойлеров и многие другие. Наиболее часто применяют следующие детали с глубокими отверстиями: роторы, валы, оси, втулки, гильзы, цилиндры, бандажи, металлические скорлупы и многое другое.

Выполним полный комплекс работ по механической обработке металла:

Разновидности глубокого сверления

  1. По схеме удаления высверливаемого материала (стружки) различают: сплошное и кольцевое глубокое сверление. В первом варианте высверливаемый материал удаляется в виде стружки, во втором - часть кольцевой плоскости удаляется в виде стержня, остальное - также в виде стружки;
  2. По способу резания различают следующие виды:
    • Одноштанговая система (система STS). Данный метод оптимально подходит для обработки деталей на высокопроизводительном или серийном производстве. Сложность процесса состоит в том, что требуется применять маслоприемник с многочисленными подающими шлангами, при этом заготовка вращается. Одноштанговая система считается самой эффективной для получения высококачественных отверстий;
    • Эжекторная система. Метод глубокого сверления со средними параметрами выпуска заготовок. Позволяет осуществлять сверление на многофункциональных станках (например, токарных или сверлильных), систему дополняют стационарной или мобильной насосной станцией. Эжекторный метод подходит для получения отверстий d=20-60 мм. и глубиной до 1200 мм., не исключая получение прерывистых отверстий;
    • Система сверления ружейными или трубчато-лопаточными сверлами с внутренней подачей смазочно-охлаждающего материала. Этот метод подходит для малых предприятий, где по условиям технологии требуется получить глубокие отверстия небольшого диаметра. Однорезцовые сверла легко встраиваются в универсальные станки. Резец изготавливается из твердых сплавов и по всей длине сверлильного стержня имеет V-образную канавку, угол кривизны которой может составлять от 110 до 1200 градусов. Рекомендуемый dотв.=35-40 мм., длиной до 50*d. При данном методе отпадает надобность проводить такие операции как зенкерование и развертывание.
  3. В зависимости от степени автоматизации управления процессом сверления различают глубокое сверление с автоматическим изменением одного или нескольких параметров режима (например, скорость вращения, подача смазочного материала).

Подача жидкости является обязательным этапом технологического процесса, так как:

  1. Обеспечивается эффективный отвод стружки из зоны резания по отводным каналам;
  2. Уменьшается сила трения между трущимися частями;
  3. Производится отвод тепла, которое образуется в процессе длительного сверления, обеспечивая тем самым сохранности сверла от прогорания;
  4. Осуществляется дополнительная обработка отверстия.

С увеличением глубины сверления возрастают трудности с обработкой отверстия.

Для глубокого сверления применяют специальный инструмент, оборудование и способы обработки.

Простые сверла и дрели для этого не подходят, так как не удастся достичь точности сверления по всему диаметру, заданной шероховатости поверхности, прямолинейность отверстия.

Важным параметром также является сохранение поверхности углубления с минимальным отклонением от округлости.

Применение традиционного инструмента делает процесс глубокого сверления низкопроизводительным, трудоемким, а в некоторых случаях (зависит от глубины отверстий) - невозможным.

На практике в машиностроительной сфере используют специализированное оборудование с технической оснасткой, с дополнительным применением специальных режущих и прочих вспомогательных инструментов.

Нередко требуются нестандартные приспособления для выполнения технологических приемов.

Особенности глубокого сверления

При глубоком сверлении очень важно соблюдать главные принципы технологии. Во-первых, производится подбор скорости вращения сверлильной части инструмента или оптимальная скорость резания (подачи свергла). Во-вторых, должно быть обеспечено нормальное дробление стружки, а также полный отвод отходов из канала. Важным моментом во время измельчения отходов сверления является сохранность режущей части инструмента, не должно быть повреждений сверла, образования на нем заусениц или иных дефектов. Далее, ключевым фактором качественной обработки поверхностей заготовок или деталей является эффективная и грамотная подача смазочно-охлаждающей жидкости.

Процесс сверления проходит с обязательной подачей смазочно-охлаждающей жидкости под давлением и с определенным расходом.

Для этого в системе работает насосное оборудование - маслонасосы или насосы для перекачки вязких жидкостей.

Производительность системы выбирается в соответствии с расходом жидкости и требуемым давлением подачи смазочного материала.

ВОЗМОЖНО ВАМ БУДЕТ ИНТЕРЕСНО

Одним из направлений развития авиадвигателестроения является увеличение температуры газов перед турбиной. При этом, однако, происходит рост термомеханической напряженности лопаток газовых турбин и, как следствие, дальнейшее усложнение их конструкции. От надежности этих элементов двигателя в наибольшей степени зависит надежность и ресурс газотурбинных двигателей, и, соответственно, безопасность полетов. Эту проблему можно решить только путем разработки и внедрения качественно новых технологий, в том числе прошивки охлаждающих отверстий в лопатках. При этом во избежание горячих точек на поверхности лопаток плотность отверстий должна быть до ~200 отверстий/см?. К тому же, сложная структура жаропрочного кристаллического Niсплава, подобного CMSX4, требует процесса сверления, не меняющего его матрицу.

Сверление отверстий, которые являются каналами охлаждения компонентов турбинных двигателей, – один из наиболее распространенных процессов лазерной обработки. Однако до сих пор нет лазерных систем, позволяющих эффективно сверлить в турбинных лопатках из жаропрочного Niсплава высокоаспектные микроотверстия Ж100500 мкм и глубиной t Ј 56 мм с малой величиной перегретой зоны (, где a » 1см 2 /с).
В случае обычного лазерного сверления (импульсы миллисекундного диапазона t имп ?0,5 мс, плотность мощности ~10 6 Вт/cм 2) на поверхности отверстия формируется переплавленный слой h (рис. 1 ) толщиной свыше 50 мкм, в котором изза быстрого затвердевания происходит формирование микротрещин, уменьшающих ресурс детали.

Эту проблему помогает решить использование коротких наносекундных импульсов с высокой плотностью мощности (10 8 10 9 Вт/cм 2) и более короткой длиной волны (выше порог поглощения излучения в плазме). Переплавленный слой значительно уменьшается, так как удаление материала происходит в основном в газообразной фазе . Для импульсов длительностью 10 8 сек пороговая плотность энергии для быстрого удаления материала составляет ~10 Дж/cм 2 при скорости абляции V сверл ? 1 мкм/импульс. Однако с увеличением толщины материала свыше 1 мм скорость абляции значительно падает (V сверл? 0,1 мкм/импульс) (рис. 2 ). Увеличение плотности энергии более чем на порядок лишь незначительно увеличивает скорость абляции.

Одним из механизмов, ограничивающих скорость абляции, является поглощение и рассеяние лазерного излучения в плазме, парах металла и капельках расплава. Другим ограничивающим фактором является более сильное ослабление лазерного излучения внутри глубокого канала одномерно расширяющейся плазмой в противоположность поверхностному двумерному случаю. В результате минимальная плотность энергии, необходимая для сверления образца толщиной ~0,4 мм, повышается до 30 Дж/cм 2 , а для образца толщиной ~0,9 мм до 100 Дж/cм 2 . Высокочастотному Nd:YAG лазеру (30 Вт, 10 кГц, 15 нс) требуется несколько секунд при плотности энергии ~500 Дж/cм 2 , чтобы просверлить отверстие Ж<30 мкм в 1,5 мм жаропрочном сплаве Inconel 718. При этом благодаря практически квазинепрерывной абляции наблюдается формирование значительного переплавленного слоя на боковых стенках отверстий и микротрещин, которые распространяются в основной материал, уменьшая ресурс детали. К тому же конусность отверстия может достигать значений 510 о (обычно конусность отверстия при сверлении Nd:YAG лазером оценивается как 0,02 t , где t толщина металла в мм).

Для сверления в турбинных лопатках глубоких отверстий Ж150350 мкм с той же эффективностью абляции требуются энергии в импульсе уже ~50100 мДж и, соответственно, кВт­ная средняя мощность лазера в TEM 00 моде. Другой подход – кольцевое сверление (trepanning drilling) – на порядок более длительный (по времени сравним с электроэрозионной прошивкой), хотя и требует менее мощного лазера.

Экспериментальная установка

Решение проблемы сверления глубоких микроотверстий представляется в использовании пачек относительно длинных (300500 нс) импульсов (длительность пачки несколько миллисекунд с интервалом между ними? 20мкс), с дополнительным профилированием их интенсивности в процессе сверления отверстия. Во­первых, относительно большая длительность импульсов позволяет обеспечить обработку материала при плотности энергии, более чем на порядок превосходящей плотность энергии для импульсов длительностью 1015 нс (при той же интенсивности), и, следовательно, сверление менее критично к толщине материала. Во­вторых, имеется возможность повышения энергии импульса к концу пачки (профилирование) для увеличения эффективности удаления испаряемого материала. Втретьих, за счет использования пачек импульсов можно снизить среднюю мощность лазера до 1020 Вт, существенно уменьшив тем самым его стоимость.

Лазерная установка для сверления высокоаспектных микроотверстий включает в себя задающий генератор и двухпроходовый Nd:YAG усилитель (рис. 3 ). Задающий генератор – Nd:YAG лазер с непрерывной накачкой и акустооптическим затвором – генерирует 150 ё 550 нс импульсы с частотой повторения 3,5ё50 кГц со средней мощностью до 1 Вт. Двухпроходовый Nd:YAG усилитель вырезает из непрерывной последовательности импульсов и усиливает пачку импульсов длительностью 1 ё 6 мс (зависит от глубины отверстия). После усилителя энергия пачки импульсов достигает 1 Дж. Частота повторения пачек 10 Гц.

Фокусирующая линза f =150 мм обеспечивает на поверхности образца плотность мощности і10 8 Вт/cм 2 для диаметра пучка 100 мкм. Вспомогательные газы O 2 , N 2 или Ar (в зависимости от обрабатываемого материала) используются для выталкивания расплава из зоны обработки.

Результаты и обсуждения

Сверление микроотверстий (Ж100 мкм) проводилось на Ni сплаве IC10, Ni монокристалле DD6, конструкционной и нержавеющей сталях. На рис. 4 представлены результаты сверления микроотверстий в Ni сплаве IC10 (толщина 1,6 мм) с различными длительностями импульсов (энергия одиночного импульса E=18,5 мДж, частота повторения импульсов в пачке F=30 кГц, длительность пачки импульсов 0,9 мс, плотность энергии на образце 170 Дж/cм 2). Большая длительность импульсов дает лучшее качество отверстий. Для импульсов длительностью 550 нс толщина переплавленного слоя для большинства отверстий меньше чем 20 мкм, или даже 10 мкм (рис. 4 в ). Для более коротких импульсов существует больший разброс в толщине переплавленного слоя. Результат сверления сильно зависит от типа материала. Ni монокристалл DD6 показывает противоположный результат по сравнению с IC10: толщина переплавленного слоя отверстий, сделанных в DD6 с O 2 , намного тоньше, чем у отверстий, сделанных без газа.

Таблица 1

представляет результаты скорости сверления отверстий в материале IC10 импульсами с различной частотой повторения в пачке (энергия импульсов 18,5 мДж).

Как видно из таблицы 1, эффективность сверления возрастает с увеличением длительности импульса. При частоте повторения импульсов >30 кГц возрастает поглощение и рассеяние лазерного излучения в плазменном факеле, что снижает эффективность сверления. Как ожидалось, увеличение аспектного отношения приводит к резкому снижению скорости абляции, так как с увеличением глубины отверстия усиливается диссипация лазерного излучения. На большей глубине и при частоте повторения импульсов в пачке <30 кГц (граничная частота сильного поглощения излучения плазмой) плазма перестает подогревать расплав и большее его количество не удаляется, а застывает на боковых стенках отверстий.

Конусность отверстия также зависит от частоты повторения импульсов в пачке. Для частоты следования импульсов 50 кГц различие входных и выходных диаметров отверстий не более 10%, но при этом мы получаем снижение скорости абляции, а следовательно, и эффективности сверления.

иллюстрирует зависимость эффективности сверления микроотверстий от их глубины. Исследования проводились на образцах из конструкционной и нержавеющей стали толщиной до 5 мм. Скорость абляции, а следовательно, и эффективность сверления микроотверстий резко снижаются при увеличении толщины образца более 2 мм (рис. 5б ). В снижении скорости сверления с толщиной ключевую роль играет плазма и переотражение лазерного излучения от боковых стенок. Однако эффективность сверления и в этом случае более чем на два порядка превосходит эффективность сверления короткими 1015 нс импульсами той же интенсивности.

Улучшение геометрии микроотверстий

Дальнейшее повышение производительности сверления и улучшение формы отверстия (уменьшение воронки на входе, снижение конусности) возможно при программировании энергии в последовательных пачках импульсов (рис. 6 ) и преобразованиипространственного профиля пучка в зоне взаимодействия из гауссова в пучок с равномерным супергауссовым распределением или даже с интенсивностью излучения минимальной в центре пучка (рис. 7 ). Естественно, что при этом предпочтительно использовать лазеры с высоким качеством луча.

Пространственный профиль излучения в зоне обработки значительно влияет на скорость сверления и конусность микроотверстий, топологию поверхности материала около отверстия. При прямой фокусировке излучения(гауссов профиль) вокруг отверстия формируется значительный валик расплава и входная воронка, а типичные углы конусности для NiAl толщиной 2,5 мм составляют 0,3 о 0,5 о. При переносе изображения супергауссова пучка эти негативные эффекты резко снижаются (рис. 8 ), а конусность отверстия составляет?0,25 о.

Для образца из конструкционной стали толщиной 5 мм конусность оказалась 0,31 0 и 0,23 0 для прямой фокусировки и передачи изображения, соответственно. Фактически для частоты следования импульсов в пачке 30 кГц система передачи изображения уменьшает конусность отверстия в 1,52 раза (см. также таблицу 1 ). В тоже время пространственный профиль излучения практически не влиял на скорость сверления отверстия при толщинах образцов от 1 мм и выше. Заметное влияние наблюдалось лишь на малых толщинах 50 мкм и 100 мкм. В таблице 2 приведены данные по сверлению микроотверстий в фольге.

Таким образом, передача изображения на входную плоскость образца является эффективным способом для уменьшения конусности отверстий и минимизации входной воронки с валиком расплава.

Фокусирующая система
(«Световая» трубка)

Очень трудно сохранить небольшую конусность отверстия для большой толщины (56 мм) образца. Ограниченная фокальная длина фокусирующей линзы становится основной проблемой для достижения малой конусности. Возможным решением может быть использование фокусирующей системы, передающей заданный профиль лазерного луча с выходной апертуры усилителя с последующей фокусировкой на образец в виде длинной "световой" трубки, длина которой может быть гораздо больше, чем обычная конфокальная длина объектива. Для лазера с выходной апертурой ~ 45 мм разработана компактная афокальная система, которая создает "световую" трубку? 100 мкм и длиной? 3 мм, рис. 9 . Будущие эксперименты должны ответить за последствия такого подхода.

Промышленная обработка материалов стала одной из областей наиболее широкого использования лазеров. До появления лазеров основными тепловыми источниками для технологической обработки являлись газовая горелка, электродуговой разряд, плазменная дуга и электронный поток. С появлением лазеров, излучающих большую энергию, оказалось возможным создавать на обрабатываемой поверхности высокие плотности светового потока. Роль лазеров как световых источников, работающих в непрерывном, импульсном режимах или в режиме гигантских импульсов, состоит в обеспечении на поверхности обрабатываемого материала плотности мощности, достаточной для его нагревания, плавления или испарения, которые лежат в основе лазерной технологии.
В настоящее время лазер успешно выполняет целый ряд технологических операций и, прежде всего таких, как резка, сварка, сверление отверстий, термическая обработка поверхности, скрайбирование, маркировка, гравировка и т. п., а в ряде случаев обеспечивает преимущества по сравнению с другими видами обработки. Так, сверление отверстий в материале может быть выполнено быстрее, а скрайбирование разнородных материалов является более совершенным. Кроме того, некоторые виды операций, которые раньше выполнить было невозможно из-за трудной доступности, выполняются с большим успехом. Например, сварка материалов и сверление отверстий могут выполняться через стекло в вакууме или атмосфере различных газов.
Слово «лазер» составлено из начальных букв в английском словосочетании Light Amplification by Stimulated Emi ion of Radiation, что в переводе на русский язык означает: усиление света посредством вынужденного испускания. Классически так сложилось, что при описании лазерных технологий обработки материалов основное внимание уделяется только непосредственно лазерам, принципам их работы и техническим параметрам. Однако, для того чтобы реализовать любой процесс лазерной размерной обработки материалов, кроме лазера необходимы ещё система фокусировки луча, устройство управления движением луча по поверхности обрабатываемого изделия или устройство перемещения изделия относительно луча, система поддува газов, оптические системы наведения и позиционирования, программное обеспечение управления процессами лазерной резки, гравировки и т.д. В большинстве случаев выбор параметров устройств и систем, обслуживающих непосредственно лазер является не менее важным, чем параметры самого лазера. Например, для маркировки подшипников диаметром менее 10 мм, или прецизионной точечной лазерной сварки время, затрачиваемое на позиционирование изделия и фокусировку, превышает время гравировки или сварки на один-два порядка (время нанесения маркировочной надписи на подшипник приблизительно 0,5 с). Поэтому без использования автоматических систем позиционирования и фокусировки использование лазерных комплексов во многих случаях становятся экономически нецелесообразными. Аналогия лазерных систем с автомобилями показывает, что лазер выполняет функции двигателя. Каким бы хорошим двигатель не был, но без колёс и всего остального автомобиль не поедет.
Ещё одним немаловажным фактором в выборе лазерных технологических систем является простота их обслуживания. Как показала практика, операторы имеют невысокую квалификацию обслуживания подобного оборудования. Одной из причин этого является то, что лазерные комплексы устанавливают в большинстве случаев на замену устаревшим технологическим процессам (ударная и химическая маркировки изделий, механическая гравировка, ручная сварка, ручная разметка и т.п.). Руководители предприятий, которые проводят модернизацию своего производства, как правило, из этических соображений, заменяя старое оборудование новым, оставляют старый (в прямом и переносном смыслах) обслуживающий персонал. Поэтому, для внедрения лазерных технологических систем в производство при данных начальных условиях его развития (в постсоветских республиках) необходимо предусматривать максимально возможный уровень автоматизации и простоты обучения. Не следует отбрасывать и тот факт, что зарплата неквалифицированного персонала ниже, чем подготовленного специалиста. Поэтому экономически выгодней покупать сложное оборудование с возможностью простоты в его обслуживании, чем приглашать высококвалифицированный персонал.
Таким образом, задачу использования лазерных технологий в современном производстве следует рассматривать не только с точки зрения технических параметров непосредственно лазера, но и с учётом характеристик оборудования, программного обеспечения которые позволяют использовать специфические свойства лазера для решения отдельно взятой технологической задачи.
Любая лазерная система, предназначенная для размерной обработки материалов,
характеризуется следующими параметрами:
— скоростью обработки (реза, гравировки и т.п.);
— разрешающей способностью;
— точностью обработки;
— размером рабочего поля;
— диапазоном материалов обработки (чёрные металлы, цветные металлы, дерево, пластмасса и т.д.);
— диапазоном размеров и массы изделий, предназначенных для обработки;
— конфигурацией изделий (например, гравировка на плоской, цилиндрической, волнообразной поверхностях);
— необходимым временем изменения выполняемых задач (смена рисунка гравировки, конфигурации — линии реза, изменение материала обработки и т.п.);
— временем установки и позиционирования изделия;
— параметрами условий окружающей среды (диапазон температур, влажность, запылённость) в ——которых может эксплуатироваться система;
— требованиями к квалификации обслуживающего персонала.
Исходя из этих параметров, выбирается тип лазера, устройство развертки луча, разрабатывается конструкция крепежа изделия, уровень автоматизации системы в целом, решается вопрос о необходимости написания специализированных программ для подготовки файлов рисунков, линий реза и т.д.
Основными техническими характеристиками, определяющей характер обработки, играют энергетические параметры лазера — энергия, мощность, плотность энергии, длительность импульса, пространственная и временная структура излучения, пространственное распределение плотности мощности излучения в пятне фокусировки, условия фокусировки, физические свойства материала (отражательная способность, теплофизические свойства, температура плавления и т. д.). Рассмотрим основные типы лазеров и характеристики их излучения. В качестве активных сред лазеров используются твердые тела, жидкости и газы. В лазерах на твердых телах активными средами являются кристаллические или аморфные вещества с примесями некоторых элементов. Известно большое количество твердых веществ, пригодных для использования в лазерах, однако в практике обработки материалов широко используются только некоторые: Аl2O3 с примесью окиси хрома (рубин); стекло, иттрийалюминиевый гранат Y3Al5O12 и вольфрамат кальция CaWO4, активированные неодимом. Указанные активные среды позволяют, по сравнению с другими материалами, создавать лазеры с большой выходной энергией и высоким к.п.д. По принципу действия к твердотельным лазерам близки жидкостные лазеры, у которых в качестве активной среды используются жидкие диэлектрики с растворенными примесями.
Энергия импульса излучения твердотельных и жидкостных лазеров (в режиме свободной генерации) изменяется от десятых долей Джоуля до 103 Дж и выше, а в режиме модулированной добротности до нескольких десятков и сотен Джоулей. Мощность излучения импульсных лазеров в зависимости от режима работы может изменяться от сотен киловатт (свободная генерация) до Гиговатт (модулированная добротность). При пичковом режиме работы (неупорядоченная генерация) различие между среднеинтегральной за импульс мощностью и мощностью отдельного пичка может достигать двух порядков. Указанная разница несколько меньше для импульса с упорядоченной структурой (регулярный импульс). Среднеинтегральная мощность незначительно отличается от мощности в любой момент времени для квазистационарного импульса излучения. Поэтому квазистационарный режим генерации представляет практический интерес для процессов сварки и обработки материалов как режим, с помощью которого можно осуществить «мягкий» нагрев. Использование этого режима уменьшает вынос материала из зоны воздействия.
Предельное значение к.п.д. лазеров обусловливается преимущественно внутренними потерями в кристалле активной среды и эффективностью использования энергии накачки. Так, для лазеров на рубине величина реального к.п.д. не превышает 1%, а для лазеров на стекле с неодимом — 2%.
Другой разновидностью являются газовые лазеры , активной средой которых служит газ, смесь нескольких газов или смесь газа с парами металла. К газовым относятся и химические лазеры , так как для них применяются газообразные активные среды. В химическом лазере возбуждение активной среды обеспечивается быстропротекающими химическими реакциями. В качестве активных частиц в газовых лазерах используются нейтральные атомы, ионы и молекулы газов. Лазеры на нейтральных атомах позволяют генерировать излучение с длиной волны преимущественно в инфракрасной части спектра и некоторые — в красной области видимого спектра.
Ионные газовые лазеры дают излучение в основном видимое и ультрафиолетовое. Молекулярные газовые лазеры генерируют излучение с длиной волны 10-100 мкм (инфракрасный и субмиллиметровый диапазоны). Мощность лазеров на нейтральных атомах, например гелийнеонового в непрерывном режиме, не превышает 50 мВт, ионных (аргоновый) — достигает 500 Вт, а молекулярные являются наиболее мощными. Так, лазеры на углекислом газе дают в непрерывном режиме выходную мощность в несколько десятков киловатт. К.п.д. лазеров на нейтральных атомах и ионах практически не превышает 0,1%, молекулярные имеют значительно больший к.п.д., достигающий 20%.
Наиболее перспективными для использования во многих технологических процессах являются волоконные лазеры . В настоящее время на рынке представлены одномодовые волоконные лазеры со средней выходной мощностью до 2 кВт, маломодовые до 10 кВт и многомодовые системы с выходной мощностью до 50 кВт. Наибольшие уровни мощности достигнуты в лазерах на YЬ-активированном волокне, генерирующих излучение с длиной волны 1,07 мкм, которое поглощается в металлах лучше, чем излучение с длиной волны 10,6 мкм. Кроме того, в 10 раз меньшая длина волны позволяет получить меньшую расходимость излучения, а значит, лучше его сфокусировать. Этим объясняется тот факт, что даже относительно маломощные 100-ваттные одномодовые лазеры обеспечивают резку стали толщиной 1,5 мм со скоростью до 4 м/мин. Технические характеристики волоконных лазеров позволяют реализовать режим дистанционной сварки, существенно упрощающий встраивание лазерного оборудования в современные роботизированные производственные линии, и резко увеличивает скорость сварки.
Но не только в мощности и расходимости пучков дело. Еще один параметр, который резко выделяет волоконные лазеры , — высокая энергетическая эффективность. Накачка активированного волокна осуществляется лазерными диодами, к.п.д. которых превышает 60%, благодаря чему полный (или «от розетки») к.п.д. волоконных лазеров составляет 28-30% (во много раз выше, чем у лучших промышленных лазеров на С02, а также твердотельных лазеров с полупроводниковой и ламповой накачкой). Благодаря этому их эксплуатационные расходы на энергопотребление и охлаждение оказываются в 5-8 раз меньше, чем у лазеров на СО2, и примерно в 20-50 раз меньше, чем у твердотельных лазеров с ламповой накачкой. Последний факт, а также отсутствие в волоконных лазерах юстируемых узлов, выполнение их в виде интегральных волоконных устройств, обеспечивают высокую надежность систем в целом. Конструктивно и с точки зрения эксплуатации волоконные лазеры ближе к чисто электронному оборудованию, чем к промышленным лазерам других типов. К этому следует добавить, что они практически не требуют регламентного обслуживания.
Хорошей интегрируемости волоконных лазеров в современное технологическое оборудование способствует и то, что их выходное излучение прекрасно транспортируется без потери мощности и пространственных характеристик по тонким кварцевым волокнам, защищенным от механических воздействий гибкими металлорукавами диаметром 8…15 мм. Длина подобных волоконных кабелей достигает 200 м и при необходимости может быть увеличена.
Ниже рассмотрены специализированные задачи, решаемые лазерными технологическими системами. Акцент смещён на характеристиках лазеров, предназначенных для решения этих задач.
Лазерная резка металлов
Применение лазеров для резки металлов, так же как и неметаллов, обусловлено следующими преимуществами по сравнению с традиционными методами: обширным классом разрезаемых материалов; возможностью получения тонких разрезов благодаря острой фокусировке лазерного луча; малой зоной термического влияния излучения; минимальным механическим воздействием, оказываемым на материал; возможностью быстрого включения и выключения устройства с высокой точностью; химической чистотой процесса резки; возможностью автоматизации процесса и получения высокой производительности метода; возможностью резки по сложному профилю в двух и даже трех измерениях.
Лазерная резка, как и другие виды лазерной обработки, основана на тепловом действии излучения и происходит при движущемся источнике тепла, который может перемещаться в двух взаимно перпендикулярных направлениях с помощью специальной оптической системы, позволяющей сформировать пятно с большой плотностью и подвести его в необходимую точку обрабатываемого образца.
Резка относительно толстых металлических листов производится, как правило, с поддувом активного газа (кислорода) в зону резания. Сущность этого процесса, получившего название газолазерной резки (ГЛР), состоит в том, что излучение лазера фокусируется оптической системой на поверхности обрабатываемого материала и с помощью специального устройства соосно с лучом подаётся кислород. При лазерной резке металлов кислород выполняет следующие функции:
поддерживает горение металла;
удаляет продукты разрушения и очищает зону резания путём выдувания газообразных продуктов и капельной фракции;
интенсивно охлаждает прилегающие к зоне резания участки материала.
Наличие струи кислорода при резке металлов позволяет существенно увеличить глубину, скорость резания и получить качественные кромки. Небольшая доля падающего излучения поглощается поверхностным слоем металла и приводит к его нагреванию. Образующаяся пленка окислов увеличивает долю поглощаемой энергии, и температура металлов возрастает до точки плавления. Жидкий металл и окислы выдуваются струей кислорода из зоны резки, облегчая тем самым окисление расположенных ниже слоев. Это продолжается до тех пор, пока лист металла не будет прорезан на полную глубину. Малое энерговложение и высокая концентрация энергии позволяют получить параллельные кромки при малой ширине реза (0,1—0,5 мм) и незначительной зоне термического влияния.
Скорость резания толстых листов растет с увеличением мощности лазера и зависит от толщины листа и теплопроводности металла. При мощности лазера около 400-600 Вт можно резать черные металлы и титан со скоростью порядка нескольких метров в минуту, в то время как резка металлов с высокой теплопроводностью (медь, алюминий) представляет определенную трудность. В литературе имеется достаточное количество информации о существенном влиянии энергии химической реакции на скорость резки и чистоту кромок, однако сложность процесса не позволяет произвести какие-либо количественные оценки, тем более что неизвестны состав конечных продуктов окисления, доля капельной фракции металла, выдуваемого струей газа, и скрытая теплота фазовых переходов (плавление, испарение). В таблице 1 показаны средние значения скорости реза различных металлов.
Таблица 1.

Для газолазерной резки, как правило, используются мощные СО2 и твердотельные лазеры. Современные СО2-лазеры с медленной прокачкой газа вдоль газоразрядной трубы имеют сравнительно большие длины, так как их удельная мощность не превышает 50-100 Вт/м. Широко распространены СО2-лазеры, выполненные в виде «свернутой» конструкции из двух, четырех или шести труб с габаритной длиной примерно 3-6 м и к.п.д. около 10%. Относительно недавно разработаны СО2-лазеры с быстрой поперечной прокачкой газа, циркулирующего в замкнутом объеме. При сравнительно небольших габаритах на них удается получить уровни мощности 6-10 кВт в непрерывном режиме генерации.
Газолазерную резку часто сравнивают с микроплазменной, которая позволяет производить разрез более толстых листов металла и с большей скоростью. Однако следует отметить, что ГЛР обеспечивает лучшую локальность и большую плотность подводимой энергии, вследствие чего уменьшается зона термического влияния.
Механическая резка титана вследствие высокой его вязкости является затруднительной, а плазменная дает большую зону термического влияния и газонасыщение кромок. Применение ГЛР приводит к сокращению затрат на обработку на 75%. При ГЛР важным моментом в определении скорости резания является правильно выбранная скорость истечения из сопла газовой струи, которая определяется давлением газа в резаке.
Эффективность процесса ГЛР алюминия сильно зависит от состояния поверхности. Резка листов с гладкой необработанной поверхностью существенно усложняется, в то время как пескоструйная обработка поверхности позволяет осуществлять ГЛР, но качество реза при этом невысокое (он представляет собой регулярную последовательность отверстий). Оксидирование, пассивирование, анодирование и азотирование поверхности гладкого листа не обеспечивали достаточных условий для ГЛР. Имеются трудности при резке и таких материалов, как медь, латунь. Дело в том, что данные металлы имеют высокий коэффициент отражения лазерного излучения, как в холодном, так и в нагретом состоянии и высокую теплопроводность. Образующиеся на них окисные пленки имеют малую толщину и неэффективно поглощают лазерное излучение.
Лазерное сверление отверстий в металлах
Использование лазера в качестве сверлящего инструмента дает преимущества.
Отсутствует механический контакт между сверлящим инструментом и материалом, а также поломка и износ сверл.
Увеличивается точность размещения отверстия, так как оптика, используемая для фокусировки лазерного луча, используется также и для наводки его в необходимую точку. Отверстия могут быть ориентированы в любом направлении.
Достигается большее отношение глубины к диаметру сверления, чем это имеет место при других способах сверления.
При сверлении, так же как и при резании, свойства обрабатываемого материала существенно влияют на параметры лазера, необходимые для выполнения операции. Сверление осуществляют импульсными лазерами, работающими как в режиме свободной генерации с длительностью импульсов порядка 1 мкс, так и в режиме с модулированной добротностью с длительностью в несколько десятков наносекунд. В обоих случаях происходит тепловое воздействие на материал, его плавление и испарение. В глубину отверстие растет в основном за счёт испарения, а по диаметру за счет плавления стенок и вытекания жидкости при создаваемом избыточном давлении паров.
Как правило, глубокие отверстия желаемого диаметра получаются при использовании повторяющихся лазерных импульсов малой энергии. В этом случае образуются отверстия с меньшей конусностью и лучшего качества, нежели отверстия, полученные с более высокой энергией одиночного импульса. Исключение составляют материалы, содержащие элементы, способные создавать высокое давление паров. Так, латунь сваривать очень трудно лазерным импульсным излучением из-за высокого содержания цинка, однако при сверлении латунь имеет некоторые преимущества, так как атомы цинка значительно улучшают механизм испарения.
Поскольку многоимпульсный режим позволяет получать отверстия лучшего качества нужной геометрии и с небольшим отклонением от заданных размеров, то на практике этот режим получил распространение при сверлении отверстий тонких металлов и неметаллических материалов. Однако при сверлении отверстий в толстых материалах предпочтительными являются одиночные импульсы большой энергии. Диафрагмирование лазерного потока позволяет получить фигурные отверстия, однако этот способ чаще используется при обработке тонких пленок и неметаллических материалов. В том случае, когда лазерное сверление производится в тонких листах толщиной меньше 0,5 мм, имеет место некоторая унификация процесса, состоящая в том, что отверстия диаметром от 0,001 до 0,2 мм могут быть изготовлены во всех металлах при относительно низких мощностях.
Высверливание отверстий в металлах может быть использовано в ряде случаев. Так, с помощью импульсных лазеров может быть произведена динамическая балансировка деталей, вращающихся с высокой скоростью. Дисбаланс выбирается путем локального выплавления определенного объема материала. Лазер может быть использован также для подгонки электронных элементов либо локальным испарением материала, либо за счет общего разогрева. Высокая плотность мощности, малый размер пятна и малая длительность импульса делают лазер идеальным инструментом для этих целей.
Лазеры, применяемые для сверления отверстий в металле, должны обеспечить в фокусированном луче плотность мощности порядка 107 - 108 Вт/см2. Сверление отверстий металлическими сверлами диаметром меньше 0,25 мм является трудной практической задачей, в то время как лазерное сверление позволяет получать отверстия диаметром, соизмеримым с длиной волны излучения, с достаточно высокой точностью размещения. Специалистами фирмы «Дженерал Электрик» (США) подсчитано, что лазерное сверление отверстий по сравнению с электроннолучевой обработкой имеет высокую экономическую конкурентоспособность. В настоящее время для сверления отверстий используются в основном твердотельные лазеры. Они обеспечивают частоту следования импульсов до 1000 Гц и мощность в непрерывном режиме от 1 до 103 Вт, в импульсном — до сотен киловатт, а в режиме с модуляцией добротности — до нескольких мегаватт. Некоторые результаты обработки такими лазерами приведены в табл. 3.
Таблица 3.
Металл Толщина, мм Диаметр отверстия, мм Продолжительность
сверления 		Энергия лазера,
Дж
входного выходного
Нержавеющая сталь 0,65
0,9
1,78 		0,25
0,5
0,3 		0,15
0,25
0,22 		10 импульсов
2,35
0,8 		0,15
0,25
16,0
Никелевая сталь 0,5 0,2 0,15 2,0 3,3
Вольфрам 0,5
1,6 		0,2
0,35 		0,2
0,2 		2,1
1,8 		4,0
2,1
Магний 1,6
0,5 		0,4
0,25 		0,3
0,2 		2,0
2,0 		3,3
3,3
Молибден 0,5
0,8 		0,25
0,2 		0,25
0,2 		2,35
2,25 		5,9
4,9
Медь 1,6 0,3 0,15 2,35 5,9
Тантал 1,6 0,3 0,1 2,42 8,0
Лазерная сварка металлов
Лазерная сварка в своем развитии имела два этапа. Первоначально получила развитие точечная сварка. Это объяснялось наличием в то время мощных импульсных твердотельных лазеров. В настоящее время при наличии мощных газовых СО2-и твердотельных Nd: YAG-лазеров, обеспечивающих непрерывное и импульсно-непрерывное излучение, возможна шовная сварка с глубиной проплавления до нескольких миллиметров. Лазерная сварка имеет ряд преимуществ по сравнению с другими видами сварки. При наличии высокой плотности светового потока и оптической системы возможно локальное проплавление в заданной точке с большой точностью. Это обстоятельство позволяет производить сваривание материалов в труднодоступных участках, в вакуумной или газонаполненной камере при наличии в ней окон, прозрачных для лазерного излучения. Сваривание, например, элементов микроэлектроники в камере с атмосферой инертного газа представляет особый практический интерес, поскольку в этом случае отсутствуют реакции окисления.
Сваривание деталей происходит при значительно меньших плотностях мощности, чем резка. Это объясняется тем, что при сварке необходимы только разогрев и плавление материала, т. е. необходимы плотности мощности, еще недостаточные для интенсивного испарения (105—106 Вт/см2), при длительности импульса около 10-3-10-4 с. Поскольку излучение лазера, сфокусированное на обрабатываемом материале, является поверхностным тепловым источником, то передача тепла в глубину свариваемых деталей осуществляется за счет теплопроводности и зона проплавления с течением времени при правильно подобранном режиме сварки изменяется. В случае недостаточных плотностей мощности имеет место непроплавление свариваемой зоны, а при наличии больших плотностей мощности наблюдаются испарение металла и образование лунок.
Сварку можно производить на установке для газолазерной резки при меньших мощностях и использовании слабого поддува инертного газа в зону сварки. При мощности СО2-лазера около 200 Вт удается сваривать сталь толщиной до 0,8 мм со скоростью 0,12 м/мин; качество шва получается не хуже, чем при электроннолучевой обработке. Электроннолучевая сварка имеет несколько большие скорости сваривания, но зато проводится в вакуумной камере, что создает большие неудобства и требует значительных общих временных затрат.
В табл. 4 приведены данные по стыковой сварке СО2-лазером, мощностью 250 Вт различных материалов.
Таблица 4. При других мощностях излучения СО2-лазера получены данные шовной сварки, приведенные в табл. 5. При сварке внахлест, торцовой и угловой были получены скорости, близкие к указанным в таблице, при полном проплавлении свариваемого материала в зоне воздействия луча.
Таблица 5. Лазерные сварочные системы способны сваривать разнородные металлы, производить минимальное тепловое воздействие за счет малого размера лазерного пятна, а также сваривать тонкие проволочки диаметром менее 20 мкм по схеме провод-провод или провод-лист.
Резка неметаллических материалов
Лазерный луч с большим успехом применяется для резки неметаллических материалов, таких, как пластмасса, стеклопластики, композиционные материалы на основе бора и углерода, керамика, резина, дерево, асбест, текстильные материалы и т. д. Данный ассортимент материалов, как правило, обладает меньшей температуропроводностью, чем металлы, и поэтому удельное энерговложение для процесса резки значительно меньше. Поэтому пороговая плотность потока, необходимая для начала резки неметаллов, слабо зависит от толщины листа.
Для резки неметаллических материалов, так же как и металлов, используют преимущественно ИАГ- и СО2-лазеры непрерывного излучения. Чтобы повысить эффективность резки, применяют поддув в зону резания активного или нейтрального газа, который выдувает испаренные капельные фракции и производит охлаждение обрабатываемого локального участка, позволяя резать материалы с малым их обугливанием и оплавлением.
В процессе ГЛР диэлектриков решающую роль в их разрушении играет выдувание из зоны резания мелкодисперсной и капельной фракции, образующихся при тепловом воздействии лазерного излучения. Исключение составляют материалы на основе фенолформальдегидных смол: текстолит, стеклотекстолит и др. Данный вид материалов под действием лазерного излучения превращается в вязкую спекшуюся массу, которую трудно удалить из реза с помощью газовой струи: требуются большие энергозатраты на испарение продуктов разрушения.
Газолазерная резка позволяет получать чистый разрез диэлектриков с хорошими качествами кромки реза. При этом со стороны входа луча кромка имеет лучшее качество, а со стороны выхода наблюдается некоторое оплавление. Резка материала органического происхождения большой толщины отличается интересной особенностью; ширина реза на выходе значительно меньше, чем можно было бы ожидать исходя из геометрической расходимости луча, формируемого фокусирующей оптикой.
При наличии достаточной мощности излучения лазера можно выполнить процесс ГЛР стекла и кварца. При этом качество резки высокое, но со стороны выхода и входа луча кромки слегка оплавлены.
Большие перспективы открываются при использовании ГЛР для раскроя текстиля. Имеющиеся результаты экспериментального исследования резки как отдельных слоев, так и многослойных настилов показывают, что в каждом конкретном случае существуют режимы работы лазеров и скорости перемещения обрабатываемого материала, при которых разрез получается высокого качества без обгорания.
В табл. 6 приведены результаты резания некоторых диэлектрических материалов СО2-лазером.
Таблица 6. Сверление неметаллических материалов
Сверление отверстий является одним из первых направлений лазерной технологии. Вначале, прожигая отверстия в различных материалах, экспериментаторы с их помощью оценивали энергию излучения лазерных импульсов. В настоящее время процесс лазерного сверления становится самостоятельным направлением лазерной технологии. К материалам, подлежащим сверлению при помощи луча лазера, относятся такие неметаллы, как алмазы, рубиновые камни, ферриты, керамика и др., сверление отверстий в которых обычными методами представляет определенную трудность или является малоэффективным. При помощи лазерного луча можно сверлить отверстия разного диаметра. Для этой операции используют следующие два метода. При первом методе лазерный луч перемещается по заданному контуру, и форма отверстия определяется траекторией его относительного перемещения. Здесь имеет место процесс резки, при котором тепловой источник перемещается с определенной скоростью в заданном направлении: при этом, как правило, применяются лазеры непрерывного излучения, а также импульсные, работающие с повышенной частотой следования импульсов.
При втором методе, получившем название проекционного, обрабатываемое отверстие повторяет форму лазерного луча, которому с помощью оптической системы можно придать любое сечение. Проекционный метод сверления отверстий имеет некоторые преимущества по сравнению с первым. Так, если на пути луча поставить диафрагму (маску), то таким образом можно срезать периферийную его часть и получить относительно равномерное распределение интенсивности по сечению луча. Благодаря этому граница облучаемой зоны оказывается более резкой, конусность отверстия при этом уменьшается, а качество улучшается.
Существует ряд приемов позволяющих дополнительно выбрать из обрабатываемого отверстия часть расплавленного материала. Один из них — создание избыточного давления сжатым воздухом или другими газами, которые подаются в зону сверления с помощью сопла, соосного с лазерным излучением. Этот способ использовался для сверления отверстий диаметром 0,05—0,5 мм в керамических пластинках толщиной до 2,5 мм при использовании СО2-лазера, работающего в непрерывном режиме.
Сверление отверстий в твердой керамике является непростой задачей: при обычном способе требуется наличие алмазного инструмента, а при других существующих методах трудности связаны с размером отверстия в диаметре, равным десятым долям миллиметра. Эти трудности особенно ощутимы, когда толщина обрабатываемой пластины больше, чем диаметр отверстия. Отношение глубины отверстия (толщины материала) к его диаметру является мерой качества получения тонких отверстий; оно составляет 2:1 при обычном сверлении и около 4:1 при ультразвуковом методе, используемом при сверлении керамики и других тугоплавких материалов.
Лазерный метод сверления данного класса материалов позволяет получить лучшее отношение при очень высокой точности размещения отверстий и относительно меньших временных затратах. Так, при лазерном сверлении высокоплотной поликристаллической глиноземной керамике использовался рубиновый лазер с энергией в импульсе 1,4 Дж, сфокусированной линзой с фокусным расстоянием 25 мм на поверхности диска и обеспечивающей плотность мощности около 4-106 Вт/см2. В среднем 40 импульсов при частоте следования 1 Гц понадобилось, чтобы просверлить керамический диск толщиной в 3,2 мм. Длительность лазерного импульса была 0,5 мс. Полученные отверстия имели конусность с диаметром на входе около 0,5 мм, а на выходе 0,1 мм. Видно, что отношение глубины к среднему диаметру отверстия составляет около 11:1, что значительно больше аналогичного отношения при других способах сверления отверстий. Для простых материалов это отношение при лазерном сверлении может составлять 50:1.
Для удаления продуктов сгорания и жидкой фазы из зоны сверления используется поддув воздухом или другими газами. Более эффективное выдувание продуктов происходит при сочетании поддува с передней стороны и разряжения с обратной стороны образца. Аналогичная схема использовалась для сверления отверстий в керамике толщиной до 5 мм. Однако эффективное удаление жидкой фазы в этом случае происходит только лишь после образования сквозного отверстия.
В табл. 7 приведены параметры отверстий в некоторых неметаллических материалах и режимы их обработки.
Таблица 7.
Материал Параметры отверстия Режим обработки
Диаметр, мм Глубина, мм Отношение глубины к диаметру Энергия, Дж Длительность импульса
x10-4, с 		Плотность потока, Вт/см2 Количество импульсов на

Технические характеристики:

Максимальный размер заготовки, мм

600 х 650 (другие по согласованию)

Длина волны UV-лазера, нм

Частота импульсов, кГц

Мощность UV-лазера(Вт) при 60 кГц, не менее

Точность позиционирования по осям Х, Y, мкм

Мин. диаметр отверстия, мкм

от 50 (зависит от настроек станка)

Макс. отношение диаметр/глубина отверстия

Поле обработки (без движения осей станка), мм

Макс.: 40х40

Макс. компенсация изменения высоты поверхности заготовки, мм

Габариты и вес:

Размеры установки (Ш-Г-В)

1320 х 1286 х 2286 мм

Вес установки

Станок предназначен для применения в производстве высокоточных печатных плат (ПП), гибко-жёстких ПП, гибких ПП и гибких кабелей, ПП со встроенными компонентами.

Основной отличительной особенностью станка является использование в качестве излучателя УФ лазера с длинной волны 355 нм. Применение УФ лазера с длиной импульса ~ 35 нс позволяет производить обработку различных видов материалов, обеспечивая при этом высочайшее качество обработки (минимизация нагара, гибкое управление процессом, остановка точно на заданном слое меди при выполнении глухих отверстий). Кроме того, в отличие от технологии использующей ИК лазер, применение станка LaserFlex позволяет избавиться от подготовительных операций, необходимых для обработки меди на ИК лазере (например, оксидирование) и постобработки (удаление нагара).

Таким образом, универсальный станок LaserFlex является оптимальным средством для решения таких задач, как:

  • Удаление полимерных покрывных пленок
  • Сверление и резка фольгированных медью полимерных ламинатов
  • Обработка гибких и гибко-жестких ПП
  • Сверление и резка внутренних слоев и препрегов, например, FR4
  • Отделение или «высвобождение» проводников и структурирование полостей
  • Сверление микроотверстий в т.ч. глухих

Скорость, точность и качество обработки обеспечивают следующие узлы:

  • Стабильное гранитное основание, предназначенное для компенсации механических моментов при движении осей и для температурной стабилизации параметров движения
  • Высокодинамичные линейные двигатели (оси X, Y)
  • Встроенный индикатор мощности излучения лазера, позволяющий быстро и точно корректировать параметры источника излучения, опираясь на фактическое значение выходной мощности лазера. Позволяет максимально точно подобрать режим обработки и поддерживать его в любых условиях: при нормальной эксплуатации, в случае загрязнения оптической системы, между регламентными работами и даже в случае потери мощности источником излучения вследствие износа в ходе длительной эксплуатации.

Удобство в использовании и безопасность:

Управляемый при помощи сенсорного дисплея с дружелюбным интерфейсом специализированного программного обеспечения станок LaserFlex будет совмещать в себе простоту и удобство в использовании с

поистине впечатляющей производительностью. Простая и интуитивно-понятная управляющая оболочка избавляет от необходимости проводить длительное обучение операторов.

Станок оснащен всеми необходимыми средствами защиты, удовлетворяющими мировым стандартам. Это обеспечивает, при соблюдении техники безопасности, безопасную и безаварийную работу на станке.

Фиксация и базирование заготовки:

Для фиксации заготовки станок оснащен вакуумным столом, что позволяет избежать замятия, и волнистости при фиксации гибких и гибко-жестких заготовок.

Положения заготовки на столе определяется по меткам с использованием CCD-камеры.

Форматы данных:

В качестве входных используются данные в форматах: DXF, Gerber, Bitmap.

В качестве дополнительного оборудования могут быть приобретены:

  • Компрессор с системой фильтров для обеспечения сжатым воздухом требуемого качества
  • Источник бесперебойного питания

Станки серии Pico

Технические характеристики

Управляющий интрефейс

Длина волны лазера, нм

Мощность Лазера, Вт

Длительность импульса, пс

Система крепления заготовок

Вакуумный стол

Зона обработки, мм

Количество обрабатывающих станций

Повторяемость, мкм

Точность позиционирования, мкм

Габариты и вес:

Общий вес, кг

Габаритные размеры (ДШВ), мм

2100х1920х1720

Назначение и принцип действия

Лазерный обрабатывающий центр Picodrill – это высокопроизводительная и высокоточная установка для сверления, нарезки и структурирования различных материалов. Применение лазера пикосекундных импульсов высокой энергии делает возможным холодное прецизионное снятие материала. В качестве опции предлагается полностью автоматический режим обработки.

Возможные области применения при производстве ПП

  • Сверление микроотверстий в заготовках печатных плат, до 4000 в секунду
  • Микроструктурирование, прецизионная обработка деталей из стекла и керамики
  • Нарезка и сверление электронных компонентов, полупроводниковых подложек
  • Сверление микроотверстий

Качество обработки

Благодаря пикосекундному лазеру возможно холодное

удаление практически любого материала. Средняя мощность лазера 25 Вт и пиковая мощность импульса макс. до 70 МВт в импульсе, обеспечивают возможность удаления мельчайших объемов материала без каких-либо остаточных продуктов горения.

Автоматическое управление процессом

  • Установка оснащена сенсорами для компенсации толщины компонентов.
  • Автоматическая корректировка фокуса осуществляется за счет автоматической подстройки оси Z.
  • Устройства измерения энергии лазера обеспечивают обратную связь и автоматическую подстройку энергии лазера. Точность может быть значительно улучшена при
  • использовании системы сканирования по 3 осям.

Контроль при помощи CCD-камеры

Обе рабочие станции располагают CCD-камерами высокого разрешения с кольцевой светодиодной подсветкой. Это делает возможной автоматическую корректировку смещения, поворота, сжатия или растяжения заготовки.

Опции

  • Две или четыре сканирующие головки
  • Пикосекундный лазер различной мощности и длины волны (1064, 532, 355 нм)

    • Тенденции развития современной электроники ставят перед производством печатных плат (ПП) задачи нового уровня. Прогресс мобильных технологий и растущий спрос на такие как устройства смартфоны и ультрабуки на сегодняшний день требуют от ПП максимальной миниатюризации, увеличения плотности соединений и при этом высочайшего качества.

    Стремительное развитие лазерной техники и технологии открывает для производства печатных плат дверь в завтрашний день, не оставляя без внимания сегодняшний. Лазерное оборудование применяется не только там, где заканчиваются возможности механической обработки (сверление микроотверстий от 50 мкм, обработка материалов тяжело поддающихся механической обработке, и т.п.), но и для выполнения доступных механике операций, с большей точностью и производительностью (сверление микроотверстий со скоростью до 1000 отв./сек, сверх точное сверление и фрезерование на заданную глубину). При этом возможность регулировать режим обработки, как за счет мощности излучения, так и за счет его временных и частотных характеристик позволяет добиться высочайшего качества обработки.