Технологические операции лазерной обработки различных материалов и изделий

 

Лазерная резка и размерная обработка

Лазерная резка – наиболее распространенная технологическая операция. Заключается в плавлении, испарении и удалении паров струей инертного газа или кислорода при использовании высокой плотности мощности – порядка 10⁷…10⁸ Вт/см² лазерного излучения непрерывного действия или импульсно-периодического действия (СО₂-лазеры с длиной волны 10,6 мкм и твердотельные–рубиновые с длиной волны 0,69 мкм, на неодимовом стекле с длиной волны 1,06 мкм, или на иттрий-алюминиевом гранате с длинной волны 1,064 мкм).

При резке углеродистых и коррозионно-стойких сталей используют струю кислорода, при резке титановых сплавов - инертные газы (аргон, гелий). При резке алюминиевых сплавов требуется более высокая плотность мощности, чем для сталей, а при резке сплавов меди – еще более высокая.

Скорость резки зависит от плотности мощности. Так, при резке листа стали Х15Н5Д2Т толщиной 3 мм при мощности 0,8 кВт скорость резки (с кислородом) достигает 1,3 м/мин, а при 4,9 кВт – 7 м/мин.

При безкислородной резке сталей толщиной до 2 мм СО₂-лазером мощностью 4,9 кВт скорость резки составляет 12 м/мин при ширине реза 0,3 мм. Максимальная толщина разрезаемой стали СО₂-лазером без кислорода составляет 8 мм. Для интенсификации процесса резки в зону резания через специальное сопло подают различные газы. Такая резка называется газолазерной.

На рис. 6. показаны виды работ лазерной головки пятикоординатного станка.

Рис. 6. Виды работ при размерной резке изделий из листового материала: а – вырезка окон из штампованной сферической заготовки; б – вырезка паза на штампованной панели.

 

Резку кремниевых и германиевых пластин на отдельные элементы, необходимые полупроводниковой промышленности, производят методом лазерного скрайбирования. Оно заключается в нанесении рисок (канавок) методом плавления и испарения материала с дальнейшим изломом пластин по этим рискам под действием механического усилия.

Лазерная размерная и контурная обработка применяется при резке пластин и пленок полупроводниковых материалов, прошивании и калибровке различных отверстий.

Лазерное прошивание и обработка отверстий нашло более широкое применение в машиностроении при использовании установок с импульсным и непрерывным режимом излучения с плотностью мощности порядка 10⁷ Вт/см². Такая обработка наиболее эффективна при изготовлении небольших – до 1 мм отверстий в труднообрабатываемых материалах: алмазных фильерах, рубиновых часовых камнях и т.д.

Размеры отверстий – диаметр d, глубина h, отношение h/d зависят от параметров режима обработки: энергии импульса Е, Дж, плотности мощности W_п, Вт/см², длительности импульса t_и, мс (табл. 2).

Таблица 2.

Размеры отверстий в зависимости от режима обработки

Е, Дж	Wп, Вт/см2	tи, мс	d, мм	h, мм	h/d
5,0 5,4 5,7 5,9 5,4	4,4·107 6,3·107 7,6·107 1,1·108 2,2·108	1,15 0,85 0,75 0,55 0,25	0,26 0,30 0,36 0,38 0,42	1,6 1,8 1,6 1,5 1,2	6,1 6,0 4,4 3,9 2,9

 

Применение лазерной прошивки большого количества отверстий, особенно на деталях сложной пространственной формы позволяет снизить трудоемкость такой обработки по сравнению с традиционным сверлением в 20…30 раз.