Прошивка титана лазером

Наклеп титановых сплавов  сопровождается их упрочнением. С повышением температуры прочность алюминия быстро снижается, тогда как температурное  разупрочнение титана происходит медленнее, так что при температурах выше 200 °С величина отношения прочность: удельный вес получается для титана больше, чем для алюминия.

Однако это превосходство  титана сохраняется приблизительно до 425 °С, после чего определяющим фактором становится чрезвычайная активность титана, о чем уже говорилось выше.

Достоинства титана:

• малая плотность (4500 кг/м³) способствует уменьшению массы используемого материала;
• высокая механическая прочность. Стоит отметить, что при повышенных температурах (250-500 °С) титановые сплавы по прочности превосходят высокопрочные сплавы алюминия и магния;
• необычайно высокая коррозионная стойкость, обусловленная способностью титана образовывать на поверхности тонкие (5-15 мкм) сплошные пленки оксида ТiO₂, прочно связанные с массой металла;
• удельная прочность (отношение прочности и плотности) лучших титановых сплавов достигает 30-35 и более, что почти вдвое превышает удельную прочность легированных сталей.

Недостатки титана:

• высокая стоимость производства, титан значительно дороже железа, алюминия, меди, магния;
• активное взаимодействие при высоких температурах, особенно в жидком состоянии, со всеми газами, составляющими атмосферу, в результате чего титан и его сплавы можно плавить лишь в вакууме или в среде инертных газов;
• трудности вовлечения в производство титановых отходов;
• плохие антифрикционные свойства, обусловленные налипанием титана на многие материалы, титан в паре с титаном не может работать на трение;
• высокая склонность титана и многих его сплавов к водородной хрупкости и солевой коррозии;
• плохая обрабатываемость резанием, аналогичная обрабатываемости нержавеющих сталей аустенитного класса;
• большая химическая активность, склонность к росту зерна при высокой температуре и фазовые превращения при сварочном цикле вызывают трудности при сварке титана.

1.2 Лазерная прошивка отверстий

Выполнение отверстий  диаметром до 1 ... 3 мм традиционным сверлением связано с определенными трудностями вследствие частой замены инструмента, дефицитностью сверл малого диаметра, сложностью их заточки. Особенно усложняется эта задача при выполнении отверстий в труднообрабатываемых материалах.

Для изготовления отверстий  малых диаметров значительный интерес  представляют электроэрозионная, электрохимическая, ультразвуковая и электронно-лучевая обработка, но эти методы не обеспечивают высокой производительности процесса.

Лазерная обработка отверстий  является более производительным процессом, хотя по удельному расходу энергии  она превышает механические и  электрофизические методы.

При воздействии лазерного  излучения в виде отдельного импульса образование отверстия происходит за счет плавления и испарения  материала.

Большое значение в формировании отверстий при обработке плавящихся материалов единичным импульсом  имеет перераспределение жидкой фазы до момента затвердевания.

В результате этого форма  отверстия может значительно  отличаться от той, которая в момент окончания импульса определялась геометрией луча, кинетикой испарения и гидродинамикой выброса части материала в  жидкой фазе.

Образование большого объема жидкой фазы и ее неполное удаление из отверстия являются, как правило, неблагоприятными и трудноуправляемыми факторами, существенно снижающими эффективность и точность сверления  единичным импульсом лазерного  излучения.

С этой точки зрения высокое  качество отверстий обеспечивается при сверлении испаряющихся (сублимирующихся, возгоняющихся) неметаллов, при разрушении которых под действием лазерного  излучения жидкая фаза практически  отсутствует. 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.

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 тепловыделение 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 Х и 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 апертуры 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.