WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |
Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное агентство по образованию Санкт–Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики В.П.Вейко Опорный конспект лекций по курсу «Физико–технические основы лазерных технологий» ЛАЗЕРНАЯ МИКРООБРАБОТКА Санкт–Петербург 2005 Вейко В.П. Опорный конспект лекций по курсу «Физико– технические основы лазерных технологий». Раздел: Лазерная микрообработка. – СПб: СПбГУ ИТМО, 2005. – 110 с.

Для студентов специальности «Лазерная техника и лазерные технологии», бакалавров и магистров направления «Техническая физика».

Курс также может быть полезен инженерам, ученым, маркетологам, менеджерам, которые применяют лазеры в микротехнологиях, для понимания преимуществ и ограничений использования лазеров в этой области, для повышения знаний в области процессов лазерной обработки и для их будущей работы.

Рекомендовано УМО по оптическому образованию в качестве учебного пособия для обучения студентов по специальности 072300 «Лазерная техника и лазерные технологии» © Санкт–Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, 2005 © В.П. Вейко, 2005.

– 3 – АННОТАЦИЯ Конспект содержит анализ и синтез проблем качества лазерной микрообработки.

Анализ включает рассмотрение следующих вопросов:

– какой режим, непрерывный или импульсный лучше для лазерной обработки – роль тепловой структуры импульса;

– роль жидкой фазы;

– роль пространственной структуры лазерного луча;

– роль дополнительных факторов, влияющих на лазерную обработку: струя жидкости,. струя газа и т.д.

Синтез включает решение следующих задач:

– как выбирать оптимальный лазерный источник и как определить его важнейшие параметры: мощность, длительность импульса, форму импульса, частоту следования импульсов и т.д.;

– как выбрать оптимальную оптическую систему и как обеспечить необходимое поперечное и продольное распределение энергии в зоне обработки;

– как выбрать лучшие алгоритмы управления лазерной обработкой.

– 4 – СОДЕРЖАНИЕ 1. ВВЕДЕНИЕ 2. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЛАЗЕРНОЙ МИКРООБРАБОТКИ (ЛМ) 3. ЛАЗЕРНЫЕ ИСТОЧНИКИ ДЛЯ ЛМ 4. ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ ДЛЯ ЛМ 5. КАК УЛУЧШИТЬ КАЧЕСТВО ЛМ 6. ВАЖНЕЙШИЕ ПРОЦЕССЫ ЛАЗЕРНОЙ МИКРООБРАБОТКИ РАЗДЕЛЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ ЛАЗЕРНАЯ РЕЗКА МЕТАЛЛОВ ЛАЗЕРНО–ИНДУЦИРОВАННОЕ ХИМИЧЕСКОЕ ТРАВЛЕНИЕ ЛАЗЕРНАЯ МАРКИРОВКА ЛАЗЕРНОЕ СКРАЙБИРОВАНИЕ УПРАВЛЯЕМОЕ ТЕРМОРАСКАЛЫВАНИЕ СВЕРЛЕНИЕ МИКРООТВЕРСТИЙ – 5 – 1. ВВЕДЕНИЕ ОСНОВНАЯ ЦЕЛЬ УЧЕБНОГО ПОСОБИЯ СОСТОИТ В ТОМ, ЧТОБЫ ОТВЕТИТЬ НА ВОПРОС:

КАК УЛУЧШИТЬ КАЧЕСТВО И ТОЧНОСТЬ ЛМ В ПРОЦЕССАХ – ПРЕЦИЗИОННОЙ ЛАЗЕРНОЙ РЕЗКИ – ЛАЗЕРНОГО СКРАЙБИРОВАНИЯ И МАРКИРОВКИ – УПРАВЛЯЕМОГО ТЕРМОРАСКАЛЫВАНИЯ – СВЕРЛЕНИЯ МИКРООТВЕРСТИЙ НА ПРИМЕРАХ ИЗГОТОВЛЕНИЯ РАЗЛИЧНЫХ МЕХАНИЧЕСКИХ КОМПОНЕНТОВ ДЛЯ МЕДИЦИНСКИХ ПРИБОРОВ, МИКРОСИСТЕМНОЙ (MEMS) И ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ, МЕХАНИЧЕСКОГО ИНСТРУМЕНТА И Т.Д.

– 6 – ОБЩАЯ СХЕМА ЛАЗЕРНОЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ Рис. 1. 1 – лазер, 2 – блок питания, 3 – излучение, 4 – оптическая головка, 5 – обрабатываемая деталь, 6 – координатный стол, 7 – система визуального контроля, 8 – система контроля параметров лазера, 9 – система контроля технологического процесса, 10 – микропроцессор.

– 7 – ОСНОВНЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ЛАЗЕРНОЙ МИКРООБРАБОТКИ ИСПАРЕНИЕ — ДЛЯ ЛЮБЫХ МАТЕРИАЛОВ АБЛЯЦИЯ НАГРЕВАНИЕ ПРИ ФОРМООБРАЗОВАНИИ В НАГРЕТОМ СОСТОЯНИИ (СМ. ОПОРНЫЙ КОНСПЕКТ ПО КУРСУ В.П.ВЕЙКО «ЛАЗЕРНОЕ ФОРМИРОВАНИЕ МИКРООПТИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ», ИЗД. СПБГУИТМО, 2006) ЛАЗЕРНОЕ ХИМИЧЕСКОЕ ТРАВЛЕНИЕ И ДРУГИЕ ПРОЦЕССЫ, ТИПИЧНЫЕ ДЛЯ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ ДЛЯ ОБРАБОТКИ ТОНКИХ ПЛЕНОК И ПОВЕРХНОСТИ ЭЛЕКТРОННЫХ МАТЕРИАЛОВ (СМ. В.П.ВЕЙКО, С.М.МЕТЕВ «ЛАЗЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ», ИЗД. БАН, СОФИЯ, 1991) ПОСЛОЙНОЕ (3–Х МЕРНОЕ) ЛАЗЕРНОЕ НАРАЩИВАНИЕ (СИНТЕЗ) – ИЗ БУМАГИ (LOM), ФОТОПОЛИМЕРОВ (СТЕРЕОЛИТОГРАФИЯ) ИЛИ КЕРАМИЧЕСКИХ ПОРОШКОВ (SLS) (СМ. ПЕРЕВОД КНИГИ В.СТИН «ЛАЗЕРНАЯ ОБРАБОТКА МАТЕРИАЛОВ») – 8 – ПРОБЛЕМЫ ТОЧНОСТИ И КАЧЕСТВА ЛАЗЕРНОЙ МИКРООБРАБОТКИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ a) б) в) г) Рис.2. Общий вид произведенных лазером разрезов в стали:

a) – с фронтальной, б) – с обратной стороны, a) плохое качество, б) хорошее качество в), г) – продольные сечения разрез, в) плохое качество, г) хорошее качество – 9 – ПРОБЛЕМЫ ТОЧНОСТИ И КАЧЕСТВА ЛАЗЕРНОЙ МИКРООБРАБОТКИ ЧТО ДОЛЖНО БЫТЬ РАССМОТРЕНО I. Параметры лазерного луча как инструмента микроформообразования - Временные – энергетические характеристики –зависят от параметров лазера - - Пространственно – геометрические характеристики –зависят главным образом от оптических параметров системы II. Процессы взаимодействия лазерного излучения с материалами,в частности нагревание, испарение, появление жидкой фазы, реактивное давление паров и т.д.

III. Дополнительные и сопутствующие факторы, влияющие на результат лазерной обработки: поддув газа и жидкости, пред– и постобработка, и так далее – 10 – 2. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЛАЗЕРНОЙ МИКРООБРАБОТКИ ОБЩАЯ СХЕМА ФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПРИ ЛМ Поглощение лазерного излучения по закону q x = q0 1- R e-x ( ) ( ) на глубине проникновения = ~10-5 -10-6 см (для металлов) Нагрев материалов до точки плавления Tпл Плавление после поглощения скрытой теплоты плавления Lпл Нагрев до температуры испарения (кипения) Tи = Tк P =Pатм Испарение после поглощения скрытой теплоты испарения Lи Движение фронта испарения внутрь материала со скоростью VТребуемая энергия E (пренебрегая теплопроводностью) равна E = cTпл + Lпл +c Tи -Tпл + Lи (2.1) ( ) где = hS — объем зоны нагрева – 11 – ОДНОМЕРНАЯ МОДЕЛЬ ИСПАРЕНИЯ ЛМ (1) F Для плотности мощности q = (S — площадь светового пятна на поверхности материала, St t — длительность воздействия) уравнение (1) преобразовывается в :



h q = cTи + Lпл + Lи (2.2) () t где обычно cTи 103 Дж/см3, Lпл 103 Дж/см3, Lи 104 Дж/смСкорость проникновения фронта испарения V0 вглубь материала (в предположении, что поглощенная энергия потрачена только на испарение (пренебрегая cTи, Lпл << Lи) равна:

q V0 = (2.3) Lи С другой стороны, скорость V может быть выражена через температуру поверхности T0 (согласно модели твердого тела) формулой Френкеля:

* V0 Cзв exp -T T0 (2.4) L* * * и где Cзв — скорость звука в твердых телах, T =, (k — постоянная Больцмана, T — темпеk ратура испарения, L* — это Lи, рассчитанная на атом).

и – 12 – ОДНОМЕРНАЯ МОДЕЛЬ ИСПАРЕНИЯ (2) Вычисленные по формулам (2) и (3) величины T0, V0 приведены в таблице 1.

Таблица NN q, Вт/см2 T0, K V0, см/с h, см 1 106 4050 14.2.5 10–2 4800 70.5 106 5.2 10–3 107 1.42 102 2.5 10–4 5 107 6.8 102 5.3 10–5 108 1.32 103 2.7 10–h — глубина отверстия в одномерной модели испарения – 13 – ОДНОМЕРНАЯ МОДЕЛЬ ИСПАРЕНИЯ (3) – Глубина отверстия h увеличивается линейно с длительностью импульса, со скоростью V0 :

q h = V0 = (2.5) Lи – Диаметр отверстия не увеличивается:

d = d0 = const – Отсутствует жидкая фаза – только испарение – Высокая точность Fig. 2.1. Качественные характеристики одно– Высокое качество мерной модели микроформобразования.

Но одномерная модель не работает после t > t0, когда h > d0. Почему – 14 – ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ (1) Рис. 2.2. Продольный вид «лазерных» отверстий в стали (глубина ~ 1 мм).

a) b) c) d) Рис. 2.3. Общий вид «лазерных» отверстий в стали. Длительность импульса:

a) ~ ms, b) ~ s, c) ~ ns, d) ~ fs – 15 – ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ (2) a б в Рис. 2.4. Поведение жидкой фазы в течении (а) и после (б, в) лазерной обработки.

– 16 – ДВУМЕРНАЯ МОДЕЛЬ ЛАЗЕРНОЙ ОБРАБОТКИ (1) Одномерная модель не может применяться для описания кинетики изменения отверстия, как только глубина отверстия h становится сопоставимой с размером светового пятна r0, т.к.

кинетикой его формирования дальше пренебрегать нельзя.

Увеличение глубины h может быть описано, как прежде, моделью испарения, но определение диаметра отверстия d более сложно из–за взаимодействия многих факторов, влияющих на нагревание и разрушение стенок.

Прежде всего надо учитывать появление жидкой фазы из–за плавления материала между изотермами испарения поверхности Tи и плавления Tпл (под поверхностью).

Другие важные факторы, которые влияют на процесс формирования отверстия (рис. 2.2, 2.3): – конденсация пара, – прямое поглощение света стенками из–за расфокусировки луча, – рассеяние света паром, – радиационный и конвективный теплообмен между струей пара и стенками, – теплопроводность.

К этим явлениям следует добавить:

– реактивное давление отдачи паров, которое должно удалять расплавленный материал из отверстия, – эффекты экранирования лазерного излучения продуктами испарения–плазмой.

– 17 – ДВУМЕРНАЯ МОДЕЛЬ ЛАЗЕРНОЙ ОБРАБОТКИ (2) Рис. 2.6. Диаграмма временного изменения глубины отверстия h и диаметра d = 2r при условии совпадения фокальной плоскости линзы с поверхностью. — половина угла светового конуса, tg = D0 - l 2F, D0 — диа( ) метр источника излучения, l — это расстояние между лазером и передним фокусом линзы с фокусным расстоянием F, r0 — Рис. 2.5. Схематическая дианачальный радиус отверстия грамма двумерного микрофор(равен радиусу светового пятмообразования на), — угол расходимости луча.

– 18 – ДВУМЕРНАЯ МОДЕЛЬ ЛАЗЕРНОЙ ОБРАБОТКИ (3) При описании реальных процессов формирования отверстия будем предполагать, что материал со дна отверстия только испаряется, в то время как со стенок удаляется в виде расплава под действием давления паров. Кроме того, температурной зависимостью полной теплоты испарения (L T0 Lи) и экранированием поверхности испарения продуктами разрушения будем ( ) пренебрегать. Уравнение энергетического баланса в отверстии в любой момент времени может тогда быть записано как:

P t dt = Lиr t dh + Lпл2r t h t dr (2.6) ( ) ( )( ) ( ) где P t — текущее значение поглощенной лучистой мощности, и Lпл — скрытая теплота плав( ) ления.

Следующее условие мы можем получить, используя экспериментальные данные (скоростную киносъемку), в соответствии, с которыми в большинстве случаев текущий радиус отверстия r t и глубина h t связаны уравнением светового конуса для крайних лучей с углом рас( ) ( ) твора 2 (рис. 2.6):

r t = r0 + tgh t (2.7) ( )( ) Решение системы уравнений (2.6) и (2.7) для P t = const дает следующие результаты:

( ) – 19 – ДВУМЕРНАЯ МОДЕЛЬ ЛАЗЕРНОЙ ОБРАБОТКИ (4) при h t < r( ) Pt tg h(t) (2.8), r (t) r0 + Pt (2.9) r02Lи (r0Lи) при h t >> r( ) 13 3Pt 3Pt tg h(t) (2.10), r t tgh t = (2.11) ( ) ( ) tg2()(Lи + 2Lпл)) Lи + 2Lпл На начальных стадиях формирования отверстия его диаметр изменяется незначительно, в то время как его глубина растет линейно со временем вследствие испарения материала по всей площади светового пятна (как в одномерной модели испарения). Позже, комбинация интенсивного плавления стенок отверстия и выброс жидкой фазы ведет к замедлению скорости увеличения глубины; в предельном случае (t ) глубина и радиус растут пропорционально t, то есть форма отверстия не изменяется.





Данная модель может использоваться для вычисления конечных размеров отверстия в металлах к концу лазерного воздействия (для простоты предполагаем, что Lи >> Lпл и Wi = Pi — полная энергия импульса, Pi — импульсная мощность).

– 20 – КАКИЕ ОСНОВНЫЕ ЯВЛЕНИЯ ОГРАНИЧИВАЮТ КАЧЕСТВО ЛАЗЕРНОЙ МИКРООБРАБОТКИ (1) Теперь мы можем заключить, что практически в любом реальном процессе формирования отверстий и резки существенная доля жидкой фазы остается на стенках после окончания лазерного импульса.

Формирование большого количества жидкой фазы и ее неполное удаление из отверстия — это наиболее неблагоприятный и трудноуправляемый фактор, который ведет к значительному уменьшению эффективности и ухудшению качества сверления отверстий.

Перераспределение жидкой фазы до кристаллизации оказывает решающее влияние на окончательную форму отверстия. В результате ее перераспределения, форма отверстия в момент отвердевания может существенно отличаться от формы, определенной геометрией луча, кинетикой испарения и гидродинамикой выброса жидкой фазы в конце лазерного импульса.

– 21 – КАКИЕ ОСНОВНЫЕ ЯВЛЕНИЯ ОГРАНИЧИВАЮТ КАЧЕСТВО ЛАЗЕРНОЙ МИКРООБРАБОТКИ (2) Основные причины увеличения количества жидкой фазы:

• уменьшение плотности светового потока из–за постепенной расфокусировки луча с ростом глубины отверстия;

• медленный спад мощности в конце импульса, что способствует увеличению объема остатка жидкой фазы в отверстии после окончания импульса;

• длительность действия.

• Чем дольше время воздействия, тем больше объем жидкой фазы и, поэтому, больше разброс размеров отверстия и реза.

Кроме того, большое время воздействия вызывает увеличение глубины зоны теплового влияния (прогретого слоя), где происходят окисление и структурные изменения,и появление дефектов на поверхности отверстия.

Другие источники погрешности в лазерном формировании отверстия:

• неоднородность распределения по сечению интенсивности луча из–за модового характера лазерного излучения;

• размывание светового пятна при обработке в фокальной плоскости из–за отсутствия его резких границ.

– 22 – ВЫВОДЫ ИЗ РАССМОТРЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ЛМ 1. Главный фактор, ограничивающий качество лазерной микрообработки — появление жидкой фазы и ее неполное удаление в процессе обработки.

2. Главная причина появления жидкой фазы — плавление материала на глубину, приблизительно оцениваемую как:

xпл ~ a (2.12) 3. Главная причина удаления жидкой фазы в отсутствие внешних факторов — действие давления паров отдачи Pотд, которое приблизительно оценивается как:

Fотд mW W q Pотд = ~ ~ (2.13) S S 4. Чтобы обеспечить условия для минимизации жидкой фазы необходимо оптимизировать параметры лазерного луча как инструмента микрообработки, а именно:

- энергетические и временные характеристики, которые зависят от параметров лазерного источника - пространственные характеристики, которые зависят от параметров оптической системы и лазерного пучка - характеристики взаимодействия лазерного пучка с материалом – 23 – 3. ЛАЗЕРЫ ДЛЯ МИКРООБРАБОТКИ НАИБОЛЕЕ ВАЖНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ЛАЗЕРОВ ДЛЯ МИКРООБРАБОТКИ • Вид воздействия — непрерывный или импульсный • Мощность излучения, P • Длина волны, • Длительность импульса, • Частота следования импульсов, f • Пространственные характеристики модовой структуры иизлучения TEMmn • Расходимость пучка, – 24 – КАКОЙ РЕЖИМ РАБОТЫ ЛАЗЕРА С ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ТОЧКИ ЗРЕНИЯ ЛУЧШЕ — НЕПРЕРЫВНЫЙ ИЛИ ИМПУЛЬСНЫЙ Для непрерывного излучения пороговая плотность мощности испарения определяется как:

kTи qн = (3.1) Arдля стали ( A — коэффициент поглощения ( A = 1- R ), при Tи = 3000 K, A = 0.5 ( = 1.06 мкм), k — коэффициент теплопроводности, k = 0.32 Вт/см К, r0 — радиус поперечного сечения луча в фокальной плоскости, (r0 = 10 мкм) получаем: qн = 1.9 106 Вт/см2. Соответствующая мощность лазера равна:

Pн = qS (3.2) где S – площадь лазерного пятна, и таким образом Pн 6.0 Вт.

Для импульсного лазерного источника с теми же параметрами и соответствующим тепловым режимом пороговая плотность мощности может быть выражена как:

kTи qи = (3.3) 2A a (a — коэффициент теплопроводности, a = 3.45 10-2 см2/с для стали), что дает величину qи 0.9 106 Вт/см2.

– 25 – Кроме того, можно вычислить импульсную мощность, Pи, согласно (5) и среднюю мощность Pи:

Pи = Pиf = Wиf (3.4) (f — частота повторения (следования) импульсов), Pи 2.8 Вт and Pи = 7 10-2 Вт при = 10-4 с, f = 50 Гц.

Итак, из (3.1, 3.2) и (3.3, 3.4) мы можем заключить в общем случае следующее:

Pи r = f (3.5) Pн a r0 Pи Pи при выше приведенных параметрах 1 и ~ f : для f = 250 Гц и = 10-4 с = 10-Pн Pн a Pи для f = 1 кГц и = 10-3 с = 10-Pн Теперь мы можем сделать первый важный вывод: с энергетической точки зрения импульсный режим работы лазера для микрообработки намного лучше, чем непрерывный.

Заметим далее, что физические процессы при импульсной периодической резке во многом совпадают с таковыми при сверлении отверстий, так как рез образуется как совокупность отдельных отверстий.

– 26 – КАКОЙ РЕЖИМ РАБОТЫ ЛАЗЕРА ЛУЧШЕ С ТОЧКИ ЗРЕНИЯ КАЧЕСТВА МИКРООБРАБОТКИ— НЕПРЕРЫВНЫЙ ИЛИ ИМПУЛЬСНЫЙ Для качественной микрообработки необходимо обеспечить следующие условия:

1. Минимальное количество образующейся жидкой фазы.

Количество жидкой фазы оценочно пропорционально a (формула 2.12) 2. Максимальное количество жидкой фазы удаляемой из зоны обработки (отверстия, разреза и так далее) в ходе процесса за счет давления паров.

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.