Прошивка титана лазером

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.

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

Таблица 1

Прошивка и вырубка  нелегированного титана на прессе могут  производиться в холодном состоянии, но при обработке титановых сплавов  требуется нагрев. Главные трудности  при этих операциях связаны с  сильным растрескиванием вследствие высокой скорости обработки, с пружиниванием металла, особенно при обработке титановых сплавов, и возникновением трещин от остаточных напряжений.

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.

 

2 Лазерная установка для прошивки титана

2.1 Выбор оптимальной лазерной установки

Выберем лазерную установку  для прошивки отверстий в тонкостенной гильзе из титана.

Физические характеристики титана:

 

ρ - плотность  материала	4500 кг/м3
С – удельная теплоемкость	540 Дж/(кг·°С)
λ – теплопроводность материала	18,85 Вт/(м·°С)

 

Для расчетного определения  рабочих параметров процесса, плотности мощности лазерного излучения, мощности излучения (для лазерного сверления одного отверстия) необходимо доопределить следующие параметры:

• температуропроводность материала

α = λ / (С·ρ) = 18,85/ (540·4500) = 7,7·10^-6 м²/с

• зона термического влияния (глубина), на которую распространится тепло за время лазерного воздействия

σ = 0,5 мм = 0,5·10^-3 м

• время термического влияния, за которое тепло распространится на заданную глубину

τ = σ ²/ (4·α) = (0,5·10^-3)² / (4·7,7·10^-6) = 0,008 с

• диаметр пятна

d = 0,5 мм = 0,5·10^-3 м

• площадь пятна

S = π·d² / 4 = 3,14·(0,5·10^-3)² / 4 = 0,19625·10^-6 м²

• температура прошивки титана

Т_m = 1668 ^°С

Плотность мощности лазерного  излучения равна:

Мощность излучения:

q = Q / S

Q = q·S = 112·10⁶·0,19625·10^-6 = 21,98 Вт

Исходя из найденных параметров, выбираем лазерную установку типа LRS-150А со следующими техническими характеристиками:

 

Модель	LRS-150А
Тип лазера	импульсно периодический АИГ: Nd3 +, λ = 1,06 мкм
Максимальная  энергия импульса излучения	60 Дж
Длительность  импульса излучения	0,2 … 20 мс
Максимальная  импульсная мощность излучения	5 кВт
Частота повторения импульсов излучения	1 … 200 Гц
Максимальная  мощность излучения	150 Вт
Диаметр сфокусированного луча	0,3 …2,0 мм
Габариты	450 х 850 х 1100 мм
Масса	160 кг

 

2.2 Описание лазерной установки

Универсальные лазерные установки серии LRS предназначены для выполнения технологических операций по прецизионной лазерной сварке, наплавке и поверхностного термоупрочнения. Отличительная особенность лазерной сварки – при ее использовании нагрев поверхности обрабатываемого участка детали носит локальный характер. Лазерная сварка позволяет в ограниченном объеме расплавлять соединяемые детали, не подвергая тепловому воздействию ближайшие части конструкции. В результате геометрия свариваемых деталей остается практически неизменной. Хорошо себя зарекомендовал метод импульсного лазерного нагрева для локальной поверхностной закалки инструментальных сталей.

Широкий диапазон регулирования параметров излучения лазерных установок LRS позволяет производить сварку и наплавку, как на конструкционных сталях, так и на цветных металлах и сплавах. Работы могут выполняться как на малогабаритных (10х10х10 мм), так и крупногабаритных (300х200х100 мм) деталях и узлах весом до 100 кг.

Данные  установки включают в себя лазерный излучатель с системой фокусировки  и наблюдения, источник питания с  блоком охлаждения лазера, координатный стол с ручным приводом и пульт  управления. Возможность плавного вертикального  перемещения излучателя лазера по высоте в сочетании с трехкоординатным позиционированием свариваемых  деталей расширяет инструментальную зону обработки и оперативность  технологической перестройки под  новые изделия.

Наличие в установке оптической контрольно-фокусирующей системы со стереоскопическим микроскопом  позволяет производить точное позиционирование места сварки и контролировать выполнение технологических операций. Система  наблюдения, в соответствии с медицинскими требованиями, оснащена устройством  защиты глаз оператора от вспышки  в момент сварки, что обеспечивает полную безопасность работ.

Рабочим инструментом установки  является сфокусированный луч импульсного  твердотельного лазера, работающего  в режиме свободной генерации. Его  энергетическое воздействие позволяет  за время от 10'³ до 10"² секунд произвести нагрев с последующим локальным плавлением поверхности металла в пятне, диаметром от 0,3 до 2 мм.

Основным элементом лазера является специальное устройство - квантрон, конструктивно объединяющий в себе активный элемент, газоразрядную  лампу накачки и керамический отражатель. Отражатель направляет световую энергию, излучаемую лампой накачки, в  активный элемент лазера. Активный элемент представляет собой стержень из алюмоиттриевого граната, активированного ионами неодима. Он размещен в оптическом резонаторе лазера, образованном диэлектрическими зеркалами.

Лампа накачки - газонаполненная  герметичная конструкция из кварцевого стекла с двумя электродами. Световая энергия вспышки лампы поглощается  активным элементом, переводя ионы неодима  в возбужденное состояние, что в  свою очередь приводит к генерации  лазерного излучения.

Малая расходимость лазерного  луча позволяет фокусировать его  энергию в пятне небольшого диаметра. При этом температура в зоне обработки  может достигать несколько тысяч  градусов.

Модели LRS-100, LRS-150 и LRS-200 работают в импульсно-периодическом режиме и имеют одну и ту же длину волны изучения, равную 1,06 мкм. Средняя мощность излучения составляет соответственно до 100, 150 и 200 Вт. Пиковая мощность излучения – соответственно 4, 6 и 8 кВт. Габариты моделей – 450х850х1100 мм, вес – соответственно 150, 160 и 180 кг.

Данное  оборудование предполагает большой  набор комплектующих составляющих. Так, дополнительно к моделям LRS-100, LRS-150, LRS-200 может поставляться следующее оборудование: объектив с фокусным расстоянием f=200 мм; объектив с фокусным расстоянием f=300 мм; объектив с возможностью перемещения точки фокуса (z-координата) фокусным расстоянием f =200 мм; объектив с возможностью перемещения точки фокуса (z-координата) фокусным расстоянием f =300 мм; оборудование для подачи защитного газа; система доставки излучения; система видео - наблюдения обрабатываемой поверхности; оборудование для освещения рабочей зоны и автоматизированные координатные столы.

Многофункциональные комплексы LRS-A представляют собой дальнейшее развитие лазерных технологических установок серии LRS, выпускаемых ОКБ "Булат". Комплексы оснащены автоматизированными двух координатными столами с системой управления и предназначены для выполнения разнообразных задач в области лазерной сварки, наплавки, контурной резки и маркировки.

В режиме контурной резки и маркировки системы управления комплексов позволяют  с высокой точностью задавать сложные траектории движения луча с  помощью графических файлов формата DXF . Для выполнения сварочных операций в автоматическом режиме система  управления предварительно выполняет  обучение траектории движения по контрольным  точкам. Сформированные траектории могут  храниться в памяти, редактироваться  и отрабатываться в заданных режимах. Формирование рабочих заданий, выбор  режимов и параметров работы комплекса  производится с использованием специально разработанного программного обеспечения и тактильного экрана.

Конструкцией  комплексов предусмотрено плавное  перемещение излучателя лазера по вертикали. В сочетании с применением перископической насадки, поворачивающей луч лазера, это создает уникальные возможности обработки не только вертикальных и наклонных плоских поверхностей, но и деталей в форме тел вращения.

Сложные работы с высокой  точностью выполняются в ручном режиме с использованием бинокулярного  микроскопа, совмещенного с фокусирующей оптической системой. Наблюдательный канал оптической системы оснащен  двухступенчатой защитой глаз оператора  от действия лазерного излучения: с  помощью светофильтра и жидкокристаллического  затвора, работающего синхронно  с излучателем лазера. Изображение зоны лазерной обработки выводится на экран системы видеонаблюдения, что позволяет следить за процессом работы непосредственно во время выполнения технологических операций.

Широкие функциональные возможности  комплексов в базовой комплектации, мобильность конструкции, простота управления и удобство в работе делают их незаменимыми для использования  в промышленном производстве, для  работы в мастерских и лабораториях, а также в качестве оборудования для обучения специалистов работе с  лазерной техникой.

Универсальность комплексов позволяет снизить затраты на приобретение оборудования и увеличить  эффективность его использования, поскольку один комплекс серии LRS-A способен заменить несколько лазерных установок  различного специального назначения. Простое и быстрое оснащение  комплекса дополнительными узлами и устройствами (перископическая  насадка, вращательный привод, приспособления для резки, оптоволоконная система  транспортировки излучения для  работы с крупными объектами и  пр.) значительно расширяют возможности  их использования.