eng
Содержание
Содержание
Вступление . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
Основные характеристики взаимодействия излучения
с веществом . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
Почему и для кого написана эта книга . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
Часть 1. 50 лет динамичного развития
Раздел 1. История развития лазерной прецизионной размерной
обработки и современные области ее применения . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.1.
Лазерное прецизионное сверление . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
1.1.1.
Сверление отверстий в изделиях
из кристаллических материалов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
1.1.2.
Сверление отверстий в металлах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
1.1.3.
Развитие технологии прецизионного лазерного сверления 31
1.2.
Лазерное прецизионное резание на начальном этапе . . . . . . . . . 38
1.3.
Использование лазерного резания на современном этапе . . . . . . 43
1.3.1.
Мощные лазеры в технологии изготовления изделий
из листовых металлов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
1.3.2.
Лазерное прецизионное резание с использованием
нано-, пико- и фемтосекундных импульсов. . . . . . . . . . . . 50
1.3.3.
Лазерные технологии, применяемые в микроэлектронике 65
1.4.
Процессы прецизионной лазерной обработки в технологии
изготовления солнечных панелей. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
1.5.
Лазерная подгонка и функциональная настройка компонентов
и изделий электронной техники . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
1.6.
Лазерное прецизионное фрезерование на современном этапе . . . 79
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
Часть 2. Закономерности лазерного сверления и резания
Раздел 2. Поглощение лазерного излучения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
2.1.
Поглощение лазерного излучения металлами . . . . . . . . . . . . . . . 87
2.2.
Поглощение лазерного излучения полупроводниками. . . . . . . . . 91
2.3.
Взаимодействие импульсного излучения свободной генерации
с диэлектриками, не имеющими собственного поглощения . . . . 95
2.3.1.
Начальный этап взаимодействия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
2.3.2.
Образование и состав поглощающего слоя. . . . . . . . . . . . 101
2.3.3.
Пороговая плотность мощности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
2.3.4.
Образование и состав поглощающего слоя в алмазе . . . . . 111
2.4.
Поглощение излучения импульсов наносекундной
длительности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
2.5.
Поглощение излучения импульсов пико- и фемтосекундного
диапазона длительности. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
2.6.
Взаимодействие лазерного излучения с полимерами . . . . . . . . . 122
Литература. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
Раздел 3. Лазерное сверление отверстий импульсным излучением
свободной генерации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
3.1.
Закономерности формирования отверстий
при лазерном сверлении . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
3.1.1.
Начальный этап формирования . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
3.1.2.
Средний этап формирования. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
3.1.3.
Конечный этап формирования . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
3.2.
Экранирование на факеле, образованном действием
импульсного излучения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
3.3.
О напряжениях, возникающих в зоне лазерного сверления
от действия импульсов свободной генерации . . . . . . . . . . . . . . 179
3.3.1.
Экспериментальное исследование поля напряжений . . . . 179
3.3.2.
Теоретический анализ поля термонапряжений . . . . . . . . . 185
3.4.
Влияние частоты повторения импульсов
на формообразование отверстий. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
Литература. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
Раздел 4. Сверление и резание ультракороткими импульсами . . . . . . . 212
4.1.
Формирование отверстий, обрабатываемых импульсами нано-
и пикосекундной длительности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
4.2.
Возможности обработки отверстий импульсами нано-,
пико- и фемтосекундной длительности . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226
4.2.1.
Особенности абляции, производимой
импульсами наносекундной длительности . . . . . . . . . . . . 227
4.2.2.
Повышение эффективности и улучшения качества
сверления импульсами наносекундной длительности . . . . 241
4.3.
Особенности абляции, производимой импульсами пико-
и фемтосекундной длительности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255
4.4.
Зависимость производительности и качества сверления
ультракороткими импульсами от процесса накопления тепла
в зоне обработки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260
4.5.
Об области применения лазерной обработки
ультракороткими импульсами . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266
4.6.
Повышение эффективности и качества резания,
производимого импульсами пикосекундной длительности . . . . 275
Литература. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300
Раздел 5. Лазерное резание . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302
5.1.
Модель лазерного резания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305
5.2.
Оценка эффективности продува зоны резания и возможности
ее повышения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314
5.2.1.
Зависимость массы прошедшего через рез
ассистирующего газа от структуры ударной волны . . . . . . 318
5.2.2.
Формирование ударной волны, привносимые
ею изменения в поток ассистирующего газа на фронте
резания. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323
5.3.
Базовые закономерности процесса лазерного резания . . . . . . . . 332
5.3.1.
Резание на максимально возможную глубину. . . . . . . . . . 332
5.3.2.
Оптимизация ширины реза . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 347
5.4.
Скоростное резание металлов и кремния толщиной 0,1—0,5 мм 370
5.5.
Резание хрупких материалов толщиной 0,5—2 мм. . . . . . . . . . . 376
5.5.1.
Заплавление реза. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 376
5.5.2.
Образование зон с повышенной
вероятностью растрескивания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 380
5.6.
Резание и скрайбирование на глубину от нескольких десятков
нанометров и до 100 мкм. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 387
5.7.
Особенности резания алмаза . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 390
Литература. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 394
Часть 3. Практика лазерной прецизионной обработки
Раздел 6. Повышение точности и качества
лазерной обработки отверстий . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 397
6.1.
Модуляция на АОЗ — эффективный способ улучшения
точности и качества лазерного сверления импульсами
свободной генерации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 397
6.1.1.
Выбор частоты модуляции. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 399
6.1.2.
Изменения пространственного распределения илучения. . 403
6.2.
Проекционный способ локализации излучения. . . . . . . . . . . . . 405
6.2.1.
Принцип работы проекционной оптической схемы . . . . . 405
6.2.2.
Изменения формообразования отверстий
при использовании проекционной схемы . . . . . . . . . . . . 409
6.2.3.
Световая трубка . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 411
6.3.
Оптические методы повышения точности и качества
лазерной обработки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 412
6.3.1.
Оптический модуль трансформации
гауссового пространственного распределения
интенсивности излучения в равномерное. . . . . . . . . . . . . 412
6.3.2.
Оптические методы перемещения излучения
в зоне обработки. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 415
6.4.
Модуль «Струя воды — оптическая трубка» . . . . . . . . . . . . . . . 424
6.5.
Защитные покрытия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 428
6.6.
Механическая калибровка и химическое травление. . . . . . . . . . 432
Литература. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 440
Раздел 7. Лазерное фрезерование, термораскалывание
и технология STEALTH DICING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 441
7.1.
Лазерное трепанирование отверстий большого диаметра . . . . . . 441
7.2.
Лазерное фрезерование поверхностей сложной формы . . . . . . . 451
7.2.1.
Принцип проведения лазерного фрезерования . . . . . . . . . 451
7.2.2.
Современные области применения
лазерного фрезерования . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 456
7.3.
Комбинированный метод направленного термораскалывания
полупроводников. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 466
7.4.
Технология STEALTH DICING в производстве изделий
микроэлектроники. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 473
7.4.1.
Принцип технологии и ее преимущества . . . . . . . . . . . . . 473
7.4.2.
Физические основы технологии. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 474
7.4.3.
Экспериментальные подтверждения преимуществ
технологии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 482
7.4.4.
Область применения технологии STEALTH DICING . . . . 489
Литература. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 492
Раздел 8. Некоторые аспекты практики лазерного резания
в среде воздуха и нейтральных газов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 495
8.1.
Режимы и предельные толщины резания металлов
в среде воздуха и нейтрального газа излучением
многомодового волоконного лазера мощностью 1 кВт . . . . . . . 495
8.2.
Режимы и предельные толщины резания металлов
в среде воздуха и нейтрального газа излучением
многомодового волоконного лазера мощностью 1,5 кВт . . . . . . 514
8.3.
Режимы и предельные толщины резания металлов
в среде воздуха и нейтрального газа излучением
многомодового волоконного лазера мощностью 2 кВт . . . . . . . 524
8.4.
Осложнения, характерные для резания лазером,
работающим в режиме непрерывного излучения. . . . . . . . . . . . 537
8.4.1.
Выплеск жидкой фазы на поверхность реза . . . . . . . . . . . 537
8.4.2.
Влияние вибраций на качество боковой поверхности
и метод его устранения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 540
8.5.
Сравнение эффективности резания металлов волоконными
и СО2-лазерами . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 545
8.6.
Резание материалов с использованием импульсного лазера
на гранате . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 555
8.7.
Технологии разделения подложек из полупроводниковых
и диэлектрических материалов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 564
Литература. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 573
Раздел 9. Особенности лазерного резания в среде кислорода . . . . . . . 574
9.1.
Преимущества, базовые понятия резания в среде кислорода
и его основная проблема . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 575
9.2.
Возможно ли лазерно-кислородное резание без образования
«ребер» на боковой поверхности реза? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 587
9.3.
Резание конструкционной стали в среде кислорода излучением
многомодового волоконного лазера мощностью 1 кВт . . . . . . . 596
9.4.
Резание конструкционной стали в среде кислорода излучением
многомодового волоконного лазера мощностью 1,5 кВт . . . . . . 623
9.5.
Резание конструкционной стали в среде кислорода излучением
многомодового волоконного лазера мощностью 2 кВт . . . . . . . 632
Литература. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 637
Часть 4. Лазерные технологические установки для прецизионной
обработки, производимые НПЦ «Лазеры и аппаратура ТМ»
Раздел 10. Основные характеристики ЛТУ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 640
10.1.
ЛТУ с перемещением детали относительно
сфокусированного лазерного пятна (серии МЛ1 и МЛП1). . . . 642
10.2.
ЛТУ со сканированием сфокусированного лазерного пятна
(серия МЛ2 и МЛП2). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 651
10.3.
ЛТУ с портальными кинематическими системами
(серия МЛ35 и МЛП35) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 656
10.4.
Лазерные установки, предназначенные для подгонки
резисторов (серия МЛ5) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 664
Литература. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 672
Приложения
1.
Символы, используемые в книге. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 673
2.
Таблица теплофизических констант . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 676
3.
Параметры лазерного излучения и его фокусировка . . . . . . . . . . 677
Вступление
В 2012 г. исполнилось 50 лет с начала исследований по практическо-
му применению лазеров для обработки материалов. За этот короткий
в историческом масштабе период времени во всем мире лазерная тех-
ника шагнула от первых макетных и лабораторных изделий к массо-
вому промышленному выпуску лазерных установок для многочислен-
ных технологических применений во всех областях материального
производства.
Значительный, а зачастую и решающий вклад в это развитие внесли
работы отечественных ученых. У истоков многих направлений развития
лазерной техники и ее применений находились основоположники
квантовой электроники академики Н.Г. Басов и А.М. Прохоров, со-
здавшие теорию усиления и генерации электромагнитного излучения
квантовыми системами и уже в 60-х годах обосновавшие возможность
разработки большинства типов современных лазеров и базовые при-
нципы взаимодействия лазерного излучения с веществом.
Всего за несколько лет с момента появления первых лазеров в стра-
не была создана мощная научная школа, развившая теоретические
основы квантовой электроники и обосновавшая многие стратегические
направления разработки и использования лазеров в военной области и
в народном хозяйстве.
Уже в 1962 г. были начаты первые исследования возможности ис-
пользования лазеров для обработки различных материалов. Быстрое и
успешное развитие данного направления во многом определялось тру-
дами известных советских ученых.
Академиком Н.Н. Рыкалиным и д.ф-м.н., профессором А.А. Угловым
были разработаны основы теории тепловых процессов, протекающих
в зоне лазерной обработки [1]. Д.ф-м.н., профессор С.И. Анисимов уже
к 1970 г. создал модель квазистационарной лазерной абляции металлов
и базовые положения теории взаимодействия мощного лазерного излуче-
ния с веществом [2]. Им разработана теория оптического пробоя диэлек-
триков, инициированного поглощением на микровключениях. А его
двухтемпературная модель взаимодействия ультракоротких лазерных
импульсов с металлами получила в последнее время широкую извест-
ность в связи с появлением фемтосекундных лазеров.
Д.ф.-м.н. М.Н. Либенсон первым исследовал процессы и описал
физику взаимодействия лазерного излучения с веществом примени-
тельно к сверлению и резанию [3]. Д.т.н., профессор, директор НПО
«Полюс» М.Ф. Стельмах был организатором как масштабных исследо-
ваний в области различных направлений лазерной обработки, так и се-
рийного производства лазерного технологического оборудования [4].
Сотрудники НПО «Полюс» А.А. Чельный и В.М. Вакуленко были
одними из ведущих в стране разработчиков технологий и оборудова-
ния для различных применений лазерной обработки. Д.т.н, профессор
В.П. Вейко один из первых начал разрабатывать теоретические аспекты
лазерной микрообработки и в настоящее время продолжает исследова-
тельскую и преподавательскую деятельность и является руководителем
научной школы РФ «Фундаментальные основы лазерных микро- и на-
нотехнологий» [5].
Широкую известность и мировое признание получили работы д.т.н.,
профессора В.С. Кондратенко в области разработки теории и практики
лазерного термораскалывания хрупких материалов, диэлектриков и по-
лупроводников [6].
В последнее десятилетие для прецизионной лазерной обработки
широко используются волоконные лазеры, микрооптические формиро-
ватели пучка («shapers») и диодные лазерные системы. Мировыми лиде-
рами в разработке и производстве этих компонентов являются корпора-
ция IPG с филиалами в США, Германии и России и фирма LIMO,
основанные и возглавляемые нашими соотечественниками В.П. Гапон-
цевым и В.Н. Лисоченко.
Большой удачей авторов настоящей книги является то, что они
много лет, участвуя в создании различных лазерных систем, имели воз-
можность встречаться и обсуждать научные и инженерные проблемы
лазерной обработки материалов и развития квантовой электроники
с упомянутыми выше и другими выдающимися учеными — нашими
соотечественниками, и могли по достоинству оценить их значительный
вклад в развитие лазерной индустрии.
В настоящей книге авторами сделана попытка в систематизирован-
ном виде донести до современного читателя часть информации, накоп-
ленной несколькими поколениями исследователей и разработчиков
только по одному из направлений практического применения лазеров,
связанного с прецизионной лазерной обработкой. Книга основана на
результатах авторских работ, полученных в ЭНИМС и в НПЦ «Лазеры
и аппаратура ТМ», и анализе результатов многочисленных работ, опуб-
ликованных в открытых источниках.
Сведения об авторах
К.т.н. Е.Д. Вакс начал работать в области лазерных технологий с са-
мого начала их зарождения. Будучи заведующим лабораторией лазер-
ной обработки ЭНИМС, Е.Д. Вакс начиная с 1963 г., проводил экспе-
риментальные исследования и разрабатывал теоретические аспекты
теории лазерного сверления и резания материалов, широко используе-
мых в промышленности. Под его руководством впервые в СССР были
разработаны и внедрены в промышленное производство: технология
и автоматизированные лазерные установки для сверления отверстий
в часовых рубиновых камнях, технология и лазерные станки с програм-
мным управлением для резания изделий из керамик и фрезерова-
ния волок из природного и искусственного алмазов. В последние годы
Е.Д. Вакс продолжает разработку новых направлений лазерной преци-
зионной обработки в технологической лаборатории НПЦ «Лазеры и ап-
паратура ТМ».
Один из создателей отечественной элементной базы квантовой
электроники к.т.н. Л.Г. Сапрыкин работает в области квантовой элек-
троники с 70-х годов. В конце 80-х и 90-х годах он был руководителем
лазерного направления НИИ «Зенит».
М.Н. Миленький пришел в лазерную индустрию в начале 80-х годов
после окончания факультета физической и квантовой электроники
МФТИ. В 90-х годах он руководил лабораторией лазерных лидарных
систем НИИ «Зенит».
В конце 90-х годов Л.Г. Сапрыкин и М.Н. Миленький организовали
и возглавили научно-производственный центр «Лазеры и аппаратура
ТМ». В настоящее время НПЦ из малого предприятия, выполнявшего
разовые заказы, вырос по объему выполняемых НИОКР с разнообраз-
ными тематическими направлениями, номенклатуре и объему произ-
водства в общепризнанного лидера среди российских производителей
лазерного технологического оборудования.
Введение
Основные характеристики взаимодействия излучения с веществом
При лазерной обработке характер взаимодействия лазерного излуче-
ния с обрабатываемым материалом зависит от многих факторов. На-
чальным и сложным из них является выбор лазеров, производимый в
зависимости от их оптических и энергетических параметров, режимов
работы и способов формирования и фокусирования их излучения. При
этом необходимо учитывать, что характер взаимодействия излучения
зависит от оптических, теплофизических и механических свойств обра-
батываемого материала. И наконец, результат обработки зависит и от
кинематических характеристик, скоростных и режимных возможностей
установки, поскольку они определяют временные и экспозиционные
пределы воздействия на материал, а также достижимую точность.
Специалисты в области разных видов лазерной обработки укажут
множество параметров и факторов, которые необходимо одновременно
учитывать для «правильного» проведения каждого процесса. Иначе
говоря, для «правильной» обработки (т.е. обеспечивающей наилучший
результат) оператору необходимо было бы выбрать в многомерном про-
странстве всех возможных значений единственно правильное «техноло-
гическое окно» значений. А оно, как правило, достаточно узкое.
Это означает, что, разрабатывая процесс обработки, необходимо
прежде всего определиться с теми параметрами, которые оказывают
наиболее значимое влияние как на процесс обработки, так и на желае-
мый характер взаимодействия излучения с материалом. Ниже перечис-
лены основные факторы, оказывающие существенное влияние на про-
цесс лазерной обработки материала.
Основные факторы, оказывающие существенное влияние на процесс
обработки
Лазер (тип; длина волны; выходная мощность; энергия в импульсе;
частота повторения импульсов; длительность и форма импульсов; поля-
ризация излучения; диаметр пучка; расходимость излучения; простра-
нственное распределение интенсивности излучения; режимы работы).
Материал (оптические свойства на выбранной длине волны: погло-
щение; отражение; рассеяние (как оптическое качество поверхности);
коэффициент преломления; теплофизические свойства: теплопровод-
ность; теплоемкость; температуры начальная/плавления/кипения/испа-
рения и латентное тепло фазовых переходов; коэффициенты термиче-
ского расширения; коэффициент поверхностного натяжения для
жидкой фазы; состав для сплавов; давление насыщенных паров; меха-
нические: размеры, плотность; твердость; упругость).
Параметры процесса (характеристики объектива и вспомогательной
оптики; положение фокальной плоскости и глубина фокуса; размер и
форма сфокусированного пятна излучения; перекрытие соседних свето-
вых пятен; защитные и режущие газы; скорость перемещения; методи-
ки обработки).
В классическом понимании лазерная обработка подразумевает теп-
ловые механизмы воздействия на материал (энергетический баланс
между поглощенным теплом и ушедшим на нагрев/плавление/испаре-
ние и теплоперенос). До появления высокоинтенсивных лазеров, гене-
рирующих ультракороткие импульсы, данный подход брался за основу
рассмотрения взаимодействия лазерного излучения с веществом. Еще
в 70-х годах на базе обобщения эмпирического опыта многих групп
была составлена первая «Карта типовых процессов лазерной обработ-
ки», которая в дальнейшем неоднократно расширялась по мере разви-
тия лазеров и технологии [7].
На современной карте (рис. 1) на основании экспериментально полу-
ченных данных показано, какой плотностью мощности (интенсивно-
стью) должно обладать лазерное излучение, чтобы получить требуемый
вид обработки при заданном времени воздействия (или при заданной
длительности импульса для импульсного воздействия).
Плотность мощности лазерного излучения, падающего на обрабаты-
ваемую поверхность с коэффициентом отражения R(л) и реально прини-
мающего участие в процессе взаимодействия с материалом при заданных
площади и длительности воздействия, может быть приблизительно оце-
нена из следующего соотношения:
W = (1 R)
Ei /S·ti,
где R — коэффициент отражения обрабатываемого материала на длине
волны действующего излучения, Ei — энергия импульса в джоулях, S —
площадь поверхности, на которую локализуется излучение в см2, ti —
длительность импульса в секундах.
В зависимости от вида обработки и свойств обрабатываемого мате-
риала используется лазерное излучение определенной мощности с за-
данным временем воздействия или длительностью импульсов и с задан-
ной плотностью мощности на поверхности образца.
В диапазоне W = 105 Вт/см2 — 5 Ї 105 Вт/см2 проводятся операции
термоупрочнения. При W = 5 Ї 105 Вт/см2 — 5 Ї 106 Вт/см2 температура
в зоне воздействия лазерного излучения достигает уровня, достаточного
для наплавки и сваривания металлов. А при W > 5 Ї 106 Вт/см2 абляция
от лазерного нагрева позволяет производить сверление, резание и фре-
зерование различных материалов.
Сверление, резание и фрезерование лежат в основе прецизионной
лазерной обработки. Рассмотрению процессов, связанных с этими тех-
нологическими операциями, и посвящена настоящая книга.
Но прежде чем перейти к их рассмотрению, необходимо объяснить,
что означает прецизионность в лазерной обработке и микрообработке.
Рис. 1. Эмпирическая карта зон типовых процессов лазерной обра-
ботки
Под ней понимается:
— высокая, находящаяся для различных применений в пределах от
единиц микрон и до 20—30 микрон точность и повторяемость геомет-
рических размеров обрабатываемых объектов (допуск на диаметр и ко-
нусность отверстий, ширину и конусность реза, допуск на размеры
фрезерованной поверхности);
— минимальная, в пределах от единиц и до 10 мкм, толщина де-
фектного слоя (зона с измененной структурой исходного материала) на
боковой поверхности отверстий или реза, зависящая от глубины про-
никновения зоны теплового влияния;
— чистота обработанной поверхности для различных применений
соответствует величине от Rа 10 до Rа 0,32;
— минимальный по высоте и ширине, в пределах нескольких десят-
ков микрон, грат, образованный застывшей жидкой фазой на входе и
выходе просверленных отверстий или изготовленного реза. В некото-
рых применениях лазерной обработки грат на входе и выходе не допус-
кается. В том числе и потому, что его удаление требует введения допол-
нительной операции, повышающей время изготовления и стоимость
продукции;
— минимизация ширины реза; она не должна превышать при изго-
товлении изделий: с пленочными покрытиями — 20—30 мкм; из при-
родного алмаза и хрупких диэлектрических материалов — 100 мкм; из
металлов толщиной до 20 мм — 0,5 мм;
— ограничение глубины резания при изготовлении ряда изделий с
пленочными покрытиями толщиной до нескольких микрон. При этом
не допускается повреждение поверхности подложки, на которую по-
крытия нанесены;
— высокая, находящаяся для различных применений в пределах от
нескольких единиц микрон и до 50 микрон точность топологии распо-
ложения в поле обработки систем отверстий, вырезаемых контуров и
фрезеруемых деталей;
— при подгонке сопротивлений обеспечение требуемого допуска на
их номинал. В ряде случаев подгонки не допускается повреждение по-
верхности подложки, на которую нанесен резистивный слой толщиной
не более 1 мкм.
Выполнение указанных требований достигается как совершенство-
ванием аппаратной части лазера и оборудования, так и программной
Введение 19
оптимизацией режимов обработки под конкретную задачу (т.е. отработ-
кой технологии).
Ниже будет показано, что для достижения чистоты, качества и точно-
сти размеров при указанных видах лазерной обработки в большинстве
случаев желательно обеспечивать максимально возможную величину W
и одновременно повышать скорость обработки.
Точность и повторяемость диаметральных размеров и конусности
отверстий, ширины и конусности реза, размеров фрезерованной по-
верхности во многом зависят от равномерности пространственного рас-
пределения интенсивности излучения в его поперечном сечении и ста-
бильности этого параметра. Какое пространственное распределение
является наиболее удовлетворительным для прецизионной обработки
и каковы возможные способы его обеспечения, также рассмотрено
в разделах 3 и 6 книги.
Точность и качество обработки, производимой с использованием
импульсных лазеров, определяется также толщиной дефектного слоя,
образующегося на обрабатываемой поверхности, ее чистотой, а также
высотой грата на выходе отверстия или реза грата на входе и выходе
сверления или реза. Данные показатели зависят от выбранных про-
странственно-энергетических параметров излучения. Какими они дол-
жны быть для улучшения результата лазерной обработки и какому спо-
собу локализации излучения на поверхность детали следует отдать
предпочтение, посвящена тематика разделов 3, 6, 7 и 8 книги.
Наличие и высота грата на входе и выходе реза, изготавливаемого
непрерывным лазером, чистота боковой поверхности реза и толщина
образующегося на ней дефектного слоя зависят не только от мощности
излучения, но и от условий его фокусировки на поверхность обрабаты-
ваемой детали. Во многом данные показатели качества определяются
и скоростью резания. То, каковой она должна быть и как ее подобрать
с тем, чтобы обеспечить наилучшие точностные результаты, объясняет-
ся в разделах 5, 8 и 9.
В последующих частях книги приведены примеры лазерной пре-
цизионной обработки, внедренные в массовое или мелкосерийное
производство и внесшие радикальное изменение в предшествующие
технологические процессы. Рассматриваются также и перспектив-
ные примеры использования лазерной прецизионной обработки,
имеющие принципиально важную значимость для настоящего вре-
мени.
Почему и для кого написана эта книга
Настоящая книга посвящена проблематике прецизионной лазерной
обработки, о которой написано немалое число специальных статей, по-
священных отдельным вопросам этой темы. В СССР и затем в России
опубликовано порядка десятка или более книг отечественных и зару-
бежных авторов, в которых рассмотрены все виды лазерной обработки,
включая прецизионное сверление и резание. Как минимум 6 книг ана-
логичного содержания опубликованы в период 2004—2011 гг. в США
и Германии. К этому надо добавить множество статей отечественных
и зарубежных авторов, в которых рассматриваются различные аспекты
лазерной прецизионной обработки. Тогда что же побудило нас напи-
сать эту книгу и для кого она написана?
Слово «проблематика» в первой фразе данного текста выбрано не
случайно. Дело в том, что в опубликованных источниках проблемы, со-
путствующие практике лазерной обработки, в основном только обозна-
чены, да и то далеко не все. Потому в них можно найти не слишком
много информации, которая реально могла бы быть полезной при ре-
шении вопросов, возникающих в конкретных случаях ее применения.
В этом плане в первую очередь эффективную помощь оказывает ясное
и обоснованное представление целого ряда закономерностей взаимоде-
йствия лазерного излучения с обрабатываемым материалом.
Для начала следует иметь четкое понимание того, как происходит
абляция, в особенности на тех материалах, которые не имеют соб-
ственного поглощения на длине волны действующего излучения. Из-
вестно только то, что в этом случае поглощение излучения длитель-
ностью от миллисекунд и до наносекунд, вероятнее всего, происходит
на посторонних включениях и дефектах структуры. Однако экспери-
ментальные доказательства тому нигде не приводятся. Вне поля вни-
мания авторов книг оказалось то основное, что следует за поглоще-
нием. Здесь речь идет о закономерности, которая определяет условия
поддержания абляции во время действия излучения, производящего
сверление или резание.
По сию пору остаются несформулированными и необъясненными
закономерности формообразования при лазерном сверлении, а значит,
и резании, и фрезеровании. Но без этого невозможно обоснованно
подходить к разработке требуемых технологических процессов, к поис-
кам новых, перспективных направлений лазерной обработки и созда-
вать соответствующее им оборудование.
Некоторые авторы сообщают об экранировании лазерного излу-
чения плазмой, возникающей при обработке материалов. Но данные
о том, какие потери вносит наличие жидкой фазы в факеле и как мож-
но снизить это негативное влияние, не приводятся. Дело в том, что ни-
кто из них не проводил соответствующих экспериментальных исследо-
ваний.
То же самое можно сказать и об экспериментальных исследованиях
термонапряжений, возникающих при лазерной обработке. В имеющих-
ся публикациях, посвященных данной проблеме, ничего, кроме слож-
ного теоретического рассмотрения решения дифференциальных урав-
нений в частных производных второго порядка, описывающих поле
термонапряжений, читатель не найдет. Да и вряд ли он разберется
в том, каким образом их следует применять на практике. А ведь во
многих случаях именно термонапряжения, порождающие глубокий де-
фектный слой или растрескивание деталей, ограничивают область при-
менения лазерной обработки.
В работах многих авторов рассмотрены отдельные аспекты теории
лазерного резания в различных средах, включая кислородную, с при-
менением достаточно мощных СО2- и волоконных лазеров. Однако
обобщающего теоретического или экспериментального воззрения на
этот процесс, облегчающего решение проблем его использования на
практике, до сих пор не существует. Ряд ведущих зарубежных иссле-
довательских центров предлагает практические рекомендации по про-
ведению лазерного резания металлов с использованием СО2- и воло-
конных лазеров мощностью 1—4 кВт. Однако эти рекомендации
относятся к конкретным типам оборудования и во многих случаях не
могут служить основой для использования их потребителями других
установок.
О том, когда целесообразно производить лазерную расточку или
фрезерование, и то, как это надо делать, пожалуй, никто из пишущих в
настоящее время авторов даже не упоминает.
Теория и практика обработки с использованием ультракоротких ла-
зерных импульсов рассматривается во множестве различных статей,
подавляющая часть которых написана на английском языке. Не требует
доказательств то, сколь важно в настоящее время представить эту ин-
формацию в обобщенном и проанализированном виде.
Данное перечисление можно продолжить и далее. Но уже того, что
отмечено, достаточно для понимания целесообразности публикации
22 Введение
настоящей книги. Она предназначена для студентов, изучающих лазер-
ную обработку, и для тех, кто занимается исследованиями в этой облас-
ти и созданием используемого в ней оборудования. Полезной она ста-
нет и пользователям такого оборудования на производстве.
Литература
[1] Рыкалин Н.Н., Углов А.А. Лазерная обработка материалов. М.: Ма-
шиностроение, 1975.
[2] Анисимов С.И., Имас Я.А., Романов Г.С., Ходыко Ю.В. Действие
излучения большой мощности на металлы. М.: Наука, 1970.
[3] Виноградов Б.А., Гавриленко В.Н., Либенсон М.Н. Теоретические
основы воздействия лазерного излучения на материалы. Изд. БПИ,
1993.
[4] Страница памяти М.Ф. Стельмаха. (2012), сайт ОАО «НИИ Полюс»
http://www.polyus.info/in_memory_of_stelmakh/
[5] Вейко В.П., Либенсон М.Н. Лазерная обработка. Л.: Лениздат, 1973,
190 с.
[6] Кондратенко В.С. Исследование и разработка процесса резки стекла
методом лазерного управляемого термораскалывания. Диссерт.
к.т.н., Москва, 1983.
Часть 1
50 лет динамичного развития
ГЛАВА 1
ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ЛАЗЕРНОЙ ПРЕЦИЗИОННОЙ РАЗМЕРНОЙ ОБРАБОТКИ И СОВРЕМЕННЫЕ ОБЛАСТИ ЕЕ ПРИМЕНЕНИЯ
Прежде чем приступить к изложению закономерностей прецизионной
лазерной обработки, целесообразно в историческом контексте дать
краткий обзор причин ее появления и этапов практического развития.
Надо сказать, что в 60—70-е годы прошлого столетия СССР стал ли-
дером в области лазерных технологий, опережая большинство развитых
стран и по количеству произведенных лазерных установок, и по номен-
клатуре освоенных технологий и направлений, часть из которых опере-
жала мировой уровень на 5—7 лет. Жаль, но к 2012 году годовой объем
продаж лазерного оборудования России уже не превышал 0,1 % (!) от
мирового объема.
Первые в стране лазеры на рубине были запущены в ГОИ в июне и
в ФИАНе в сентябре 1961 г. Первый лазер на отечественных рубиновых
активных элементах был продемонстрирован осенью 1962 г. Первые им-
пульсы с мощностью, достаточной для «прошивки» лезвия бритвы, были
получены в ФИАНе в 1962 году, а к концу года в лабораториях и КБ
страны уже работало более десятка лазеров. И хотя большая часть лазер-
ной программы страны в эти годы ориентировалась на военно-космиче-
ские применения лазерной техники, в НИИ «Полюс» уже в 1963 году
были созданы первые серийные технологические установки СУ-1 и К3
с рубиновыми лазерами, ориентированные в основном на задачи радио-
технической и электронной промышленности. В последующие 10—15 лет
были не только проведены значительные модернизации этих установок,
но и разработаны более 40 новых моделей с лазерами на стекле с неоди-
мом, с АИГ-лазерами и газовыми азотными и СО2-лазерами.
Выпуск известной серии установок от «Квант-3» и до «Квант-19»,
разработанных в НИИ «Полюс» и перекрывавших задачи от приборной
сварки, резки, сверления волок и до корпусирования микросхем, лазер-
ной подгонки резисторов, резки стекла и скрайбирования полупровод-
никовых пластин, превысил 6,5 тыс. шт. Несколько меньшими тиража-
ми прошли установки этого же класса серий «Кристалл», «Кварц»,
«СЛС», «Корунд» и др.
Несколько позже было выпущено около 300 машин для раскроя ме-
талла с помощью мощных СО2-лазеров, часть из которых была оснаще-
на отечественными ЧПУ-стойками управления.
Разработка и специализация установок требовала исследования про-
цессов обработки и отработки технологических приемов и методик их
использования на производстве.
Помимо «Полюса», технологические исследования по лазерной об-
работке материалов проводились уже в 1962 г. в лаборатории лазерной
обработки ЭНИМСа (Экспериментальный научно-исследовательский
институт металлорежущих станков, г. Москва). Рубиновый макетный
излучатель с энергией в импульсе до 5 Дж (правда, с частотой повторе-
ния один раз в три минуты) уже позволял «пробивать» малые отверстия
в широкой номенклатуре материалов [1].
До середины 1970-х в большинстве установок в основном использо-
вались импульсные лазеры на рубине или стекле, активированном не-
одимом. На этих активных элементах собирались твердотельные лазеры
для серийных технологических установок серии «Квант» и серийных
станков ЭНИМСа (модели 4222 и 4222Ф2, МА4Р222Ф3, МА4Г222Ф3
и МА95Ф4), в том числе и с программным управлением, а также ЛТУ
других предприятий.
Но уже к 1968 г. в НИИ «Полюс» было налажено серийное выращи-
вание методом Чохральского монокристаллов алюмоиттриевого граната
с неодимом, ниобата лития, KDP и др. и была создана полная техноло-
гическая цепочка получения высококачественных элементов из крис-
таллов. Одновременно разрабатывалась элементная база источников
питания для серийного выпуска технологических непрерывных и им-
пульсных Nd:YAG-лазеров (серии ЛТН и ЛТИ соответственно). В сере-
дине 70-х было начато серийное производство лазеров с модулирован-
ными импульсами наносекундного диапазона длительности.
Также к 1969 году в стране были разработаны и серийно выпускались
(в Минэлектронпроме) СО2-лазеры мощностью до 1 кВт, а позднее —
и более мощные, применявшиеся в основном для сварки и термической
обработки деталей машин и закалки пресс-форм и штампов.
За рубежом технологии промышленной лазерной резки берут свое на-
чало с первых английских патентов 1967—68 гг., описывающих лазерную
резку тонких листов металла непрерывным СО2-лазером и прошивочное
скрайбирование импульсным СО2-лазером керамических подложек с по-
следующим разделением их на «чипы». В 1970 г. с появлением качествен-
ного Nd:YAG-лазера компании Quantronix впервые была продемонстри-
рована технология разделения Si-пластин лазерным скрайбированием.
Следующие поступательные этапы технологического роста в области
прецизионной лазерной обработки связаны с появлением в середине
90-х годов первых мощных твердотельных лазеров с диодной накачкой
(DPSS-лазеры) и с возможностью преобразования излучения во вторую
и третью гармоники.
В начале 2000-х до промышленного применения «доросли» принци-
пиально новые два класса лазеров с диодной накачкой — дисковые и
волоконные, предлагающие потребителю широкий выбор по мощнос-
ти, режимам работы, качеству излучения и гораздо более экономичные
и надежные в сравнении с лазерами предшествующего поколения.
За начало следующего этапа можно условно принять 2007 год, когда
в мире число изготовленных лазеров со сверхкороткими импульсами
перевалило за 1000 шт. Применение пико- и фемтосекундных лазеров
в технологических установках не только позволило значительно под-
нять качество и чистоту обработки за счет «холодного» абляционного
взаимодействия с материалом, но и расширило спектр обрабатываемых
материалов, включая прозрачные диэлектрики, и обеспечило техноло-
гии получения прецизионных 2D-и 3D-микроструктур, в т.ч. и с суб-
микронным диапазоном размеров.
Ниже в данном разделе рассмотрены причины, побудившие отечес-
твенную промышленность к развитию технологий прецизионной лазер-
ной обработки.
1.1.Лазерное прецизионное сверление
В условиях конца 60-х и начала 70-х годов одной из актуальных задач
данного направления было радикальное повышение производительнос-
ти при изготовлении в промышленных масштабах ряда миниатюрных
изделий из кристаллических материалов.
К ним, в частности, относились:
— часовые камни и подшипники скольжения специальных точных
приборов, которые изготавливаются из рубина и сапфира;
— волоки из естественного алмаза, необходимые для вытягивания
тонкой проволоки диаметром от 10 мкм;
— волоки из искусственных алмазов, в которых необходимо было
сверлить и профилировать профилированные отверстия с диамет-
ром до 80—100 мкм при допуске всего в несколько микрон.
Несколько позже похожие по сложности и точности задачи возник-
ли при сверлении отверстий в прозрачных кристаллах пьезокварца, ни-
обата и танталата лития и др.
В 1970 г. по заказу корпорации Boeing на заводе американской ком-
пании General Electric с помощью импульсного рубинового лазера было
впервые выполнено сверление многочисленных охлаждающих отвер-
стий в турбинных лопатках и деталях «горячей зоны» авиационного га-
зотурбинного двигателя (ГТД), что в разы увеличивало его ресурс.
К 1974 году уже более десяти усовершенствованных систем компании
Raytheon с Nd:YAG-лазерами успешно работали на серийных заводах
General Electric Ind., крупнейшего в то время производителя авиацион-
ных двигателей для гражданских и военных самолетов и для ракет-
но-космической техники.
Понятно, что эта задача стала очень актуальной и для отечествен-
ных производителей авиационных турбин.
Стратегически важной задачей 70-х было лазерное «сверление» пре-
цизионных фильер в труднообрабатываемых металлических деталях для
станков вытяжки синтетических волокон.
В ту пору требовал решения еще ряд важнейших для различных
отраслей промышленности задач, суть которых излагается несколько
ниже.
1.1.1. Сверление отверстий в изделиях
из кристаллических материалов
Обработка волок из природного алмаза с применением лазерных станков в
производственном процессе началась в СССР в 1969 г. Возможным это
стало только после того, как стали понятны и были устранены причи-
ны растрескивания природного алмаза при воздействии на него сфоку-
сированного лазерного излучения, а также подобраны лазерные техно-
логические режимы, обеспечивающие точно заданные размеры
калибрующей зоны волок.
Дело в том, что при лазерной прошивке алмаза в зоне обработки
всегда образуется тонкий графитовый слой, и его толщина сильно зави-
сит от режимов лазерной обработки. Поскольку допуск на диаметр ка-
либрующей зоны алмазных волок для протяжки тонкой проволоки по
ТУ не должен превышать ±2 мкм, то необходимо было жестко выдер-
живать режим работы лазера и параметры фокусировки, с тем чтобы
толщина графита на боковой поверхности канала не превышала 2 мкм
на сторону.
Первый подобный лазерный станок модели «Квант 9» для сверления
калибрующей зоны волок, разработанный в НПО «Полюс», был внед-
рен в начале 1969 г. на заводе алмазного инструмента в г. Рославль.
Летом того же года на Полтавском заводе искусственных алмазов и ал-
мазного инструмента для изготовления волок был внедрен лазерный
станок модели МА49, разработанный в ЭНИМС.
В результате изменения технологии время на операции сверления
канала волоки сократилось с нескольких смен до нескольких минут.
В последующие два года с помощью лазерной установки «Квант 9»
(НПО «Полюс») лазерную обработку распространили и на операцию
изготовления входной распушки (входного конуса) волоки.
Примерно в середине 1970-х гг. в СССР в промышленных масшта-
бах было освоено выращивание дешевых искусственных алмазов, после
чего лазерные установки начали использовать и для изготовления волок
с диаметром калибрующей зоны от 100 мкм и более.
В 1973 г. специалисты ЭНИМС решили сложную для того времени
проблему изготовления волок из природного алмаза с диаметром ка-
либрующей зоны в 10 мкм. Для проведения этой операции на заводе
жаропрочных и тугоплавких материалов в г. Чирчик (Узбекистан) был
внедрен специальный лазерный станок.
К концу 70-х началось активное промышленное использование им-
пульсных и непрерывных лазеров на гранате (Nd:YAG), работающих
как в режиме свободной генерации, так и с модулированной доброт-
ностью, и замена ими лазеров на рубине и стекле с неодимом.
В 70#х годах в стране также была успешно решена актуальная для ча#
совой промышленности задача лазерного сверления отверстий в часовых
рубиновых камнях.
Надо сказать, что к этому моменту такая задача стояла перед произ-
водителями часов и часовых и прецизионных механизмов во всем мире.
Так, в 1965 г. швейцарский производитель рубиновых камней для часов
Watch Stones Corp. подписал контракт с Институтом прикладной физи-
ки Бернского университета на исследование возможности лазерного
сверления отверстий в рубиновых заготовках, тем самым открыв «ла-
зерную эру» в Швейцарии. В начале 1972 г. ведущий швейцарский про-
изводитель часов ASUAG (c 1983 г. — SWATCH Group SA) открыл спе-
циальный лазерный центр для технологической проработки проблемы.
В 1974 году центр был преобразован в компанию LASAG Corp. с мис-
сией разработки лазерного оборудования и технологии лазерного свер-
ления часовых рубиновых камней для швейцарской и европейской ча-
совой промышленности.
На разработку отечественной технологии и соответствующих ей ла-
зерных станков также потребовалось почти 10 лет. За этот период была
успешно решена задача предотвращения растрескивания камней, полу-
чение 50 мкм диаметра отверстия с требуемым допуском и толщиной
дефектного слоя и разработана конструкция лазерных станков-автома-
тов
В 2012 г. исполнилось 50 лет с начала исследований по практическо-
му применению лазеров для обработки материалов. За этот короткий
в историческом масштабе период времени во всем мире лазерная тех-
ника шагнула от первых макетных и лабораторных изделий к массо-
вому промышленному выпуску лазерных установок для многочислен-
ных технологических применений во всех областях материального
производства.
Значительный, а зачастую и решающий вклад в это развитие внесли
работы отечественных ученых. У истоков многих направлений развития
лазерной техники и ее применений находились основоположники
квантовой электроники академики Н.Г. Басов и А.М. Прохоров, со-
здавшие теорию усиления и генерации электромагнитного излучения
квантовыми системами и уже в 60-х годах обосновавшие возможность
разработки большинства типов современных лазеров и базовые при-
нципы взаимодействия лазерного излучения с веществом.
Всего за несколько лет с момента появления первых лазеров в стра-
не была создана мощная научная школа, развившая теоретические
основы квантовой электроники и обосновавшая многие стратегические
направления разработки и использования лазеров в военной области и
в народном хозяйстве.
Уже в 1962 г. были начаты первые исследования возможности ис-
пользования лазеров для обработки различных материалов. Быстрое и
успешное развитие данного направления во многом определялось тру-
дами известных советских ученых.
Академиком Н.Н. Рыкалиным и д.ф-м.н., профессором А.А. Угловым
были разработаны основы теории тепловых процессов, протекающих
в зоне лазерной обработки [1]. Д.ф-м.н., профессор С.И. Анисимов уже
к 1970 г. создал модель квазистационарной лазерной абляции металлов
и базовые положения теории взаимодействия мощного лазерного излуче-
ния с веществом [2]. Им разработана теория оптического пробоя диэлек-
триков, инициированного поглощением на микровключениях. А его
двухтемпературная модель взаимодействия ультракоротких лазерных
импульсов с металлами получила в последнее время широкую извест-
ность в связи с появлением фемтосекундных лазеров.
Д.ф.-м.н. М.Н. Либенсон первым исследовал процессы и описал
физику взаимодействия лазерного излучения с веществом примени-
тельно к сверлению и резанию [3]. Д.т.н., профессор, директор НПО
«Полюс» М.Ф. Стельмах был организатором как масштабных исследо-
ваний в области различных направлений лазерной обработки, так и се-
рийного производства лазерного технологического оборудования [4].
Сотрудники НПО «Полюс» А.А. Чельный и В.М. Вакуленко были
одними из ведущих в стране разработчиков технологий и оборудова-
ния для различных применений лазерной обработки. Д.т.н, профессор
В.П. Вейко один из первых начал разрабатывать теоретические аспекты
лазерной микрообработки и в настоящее время продолжает исследова-
тельскую и преподавательскую деятельность и является руководителем
научной школы РФ «Фундаментальные основы лазерных микро- и на-
нотехнологий» [5].
Широкую известность и мировое признание получили работы д.т.н.,
профессора В.С. Кондратенко в области разработки теории и практики
лазерного термораскалывания хрупких материалов, диэлектриков и по-
лупроводников [6].
В последнее десятилетие для прецизионной лазерной обработки
широко используются волоконные лазеры, микрооптические формиро-
ватели пучка («shapers») и диодные лазерные системы. Мировыми лиде-
рами в разработке и производстве этих компонентов являются корпора-
ция IPG с филиалами в США, Германии и России и фирма LIMO,
основанные и возглавляемые нашими соотечественниками В.П. Гапон-
цевым и В.Н. Лисоченко.
Большой удачей авторов настоящей книги является то, что они
много лет, участвуя в создании различных лазерных систем, имели воз-
можность встречаться и обсуждать научные и инженерные проблемы
лазерной обработки материалов и развития квантовой электроники
с упомянутыми выше и другими выдающимися учеными — нашими
соотечественниками, и могли по достоинству оценить их значительный
вклад в развитие лазерной индустрии.
В настоящей книге авторами сделана попытка в систематизирован-
ном виде донести до современного читателя часть информации, накоп-
ленной несколькими поколениями исследователей и разработчиков
только по одному из направлений практического применения лазеров,
связанного с прецизионной лазерной обработкой. Книга основана на
результатах авторских работ, полученных в ЭНИМС и в НПЦ «Лазеры
и аппаратура ТМ», и анализе результатов многочисленных работ, опуб-
ликованных в открытых источниках.
Сведения об авторах
К.т.н. Е.Д. Вакс начал работать в области лазерных технологий с са-
мого начала их зарождения. Будучи заведующим лабораторией лазер-
ной обработки ЭНИМС, Е.Д. Вакс начиная с 1963 г., проводил экспе-
риментальные исследования и разрабатывал теоретические аспекты
теории лазерного сверления и резания материалов, широко используе-
мых в промышленности. Под его руководством впервые в СССР были
разработаны и внедрены в промышленное производство: технология
и автоматизированные лазерные установки для сверления отверстий
в часовых рубиновых камнях, технология и лазерные станки с програм-
мным управлением для резания изделий из керамик и фрезерова-
ния волок из природного и искусственного алмазов. В последние годы
Е.Д. Вакс продолжает разработку новых направлений лазерной преци-
зионной обработки в технологической лаборатории НПЦ «Лазеры и ап-
паратура ТМ».
Один из создателей отечественной элементной базы квантовой
электроники к.т.н. Л.Г. Сапрыкин работает в области квантовой элек-
троники с 70-х годов. В конце 80-х и 90-х годах он был руководителем
лазерного направления НИИ «Зенит».
М.Н. Миленький пришел в лазерную индустрию в начале 80-х годов
после окончания факультета физической и квантовой электроники
МФТИ. В 90-х годах он руководил лабораторией лазерных лидарных
систем НИИ «Зенит».
В конце 90-х годов Л.Г. Сапрыкин и М.Н. Миленький организовали
и возглавили научно-производственный центр «Лазеры и аппаратура
ТМ». В настоящее время НПЦ из малого предприятия, выполнявшего
разовые заказы, вырос по объему выполняемых НИОКР с разнообраз-
ными тематическими направлениями, номенклатуре и объему произ-
водства в общепризнанного лидера среди российских производителей
лазерного технологического оборудования.
Введение
Основные характеристики взаимодействия излучения с веществом
При лазерной обработке характер взаимодействия лазерного излуче-
ния с обрабатываемым материалом зависит от многих факторов. На-
чальным и сложным из них является выбор лазеров, производимый в
зависимости от их оптических и энергетических параметров, режимов
работы и способов формирования и фокусирования их излучения. При
этом необходимо учитывать, что характер взаимодействия излучения
зависит от оптических, теплофизических и механических свойств обра-
батываемого материала. И наконец, результат обработки зависит и от
кинематических характеристик, скоростных и режимных возможностей
установки, поскольку они определяют временные и экспозиционные
пределы воздействия на материал, а также достижимую точность.
Специалисты в области разных видов лазерной обработки укажут
множество параметров и факторов, которые необходимо одновременно
учитывать для «правильного» проведения каждого процесса. Иначе
говоря, для «правильной» обработки (т.е. обеспечивающей наилучший
результат) оператору необходимо было бы выбрать в многомерном про-
странстве всех возможных значений единственно правильное «техноло-
гическое окно» значений. А оно, как правило, достаточно узкое.
Это означает, что, разрабатывая процесс обработки, необходимо
прежде всего определиться с теми параметрами, которые оказывают
наиболее значимое влияние как на процесс обработки, так и на желае-
мый характер взаимодействия излучения с материалом. Ниже перечис-
лены основные факторы, оказывающие существенное влияние на про-
цесс лазерной обработки материала.
Основные факторы, оказывающие существенное влияние на процесс
обработки
Лазер (тип; длина волны; выходная мощность; энергия в импульсе;
частота повторения импульсов; длительность и форма импульсов; поля-
ризация излучения; диаметр пучка; расходимость излучения; простра-
нственное распределение интенсивности излучения; режимы работы).
Материал (оптические свойства на выбранной длине волны: погло-
щение; отражение; рассеяние (как оптическое качество поверхности);
коэффициент преломления; теплофизические свойства: теплопровод-
ность; теплоемкость; температуры начальная/плавления/кипения/испа-
рения и латентное тепло фазовых переходов; коэффициенты термиче-
ского расширения; коэффициент поверхностного натяжения для
жидкой фазы; состав для сплавов; давление насыщенных паров; меха-
нические: размеры, плотность; твердость; упругость).
Параметры процесса (характеристики объектива и вспомогательной
оптики; положение фокальной плоскости и глубина фокуса; размер и
форма сфокусированного пятна излучения; перекрытие соседних свето-
вых пятен; защитные и режущие газы; скорость перемещения; методи-
ки обработки).
В классическом понимании лазерная обработка подразумевает теп-
ловые механизмы воздействия на материал (энергетический баланс
между поглощенным теплом и ушедшим на нагрев/плавление/испаре-
ние и теплоперенос). До появления высокоинтенсивных лазеров, гене-
рирующих ультракороткие импульсы, данный подход брался за основу
рассмотрения взаимодействия лазерного излучения с веществом. Еще
в 70-х годах на базе обобщения эмпирического опыта многих групп
была составлена первая «Карта типовых процессов лазерной обработ-
ки», которая в дальнейшем неоднократно расширялась по мере разви-
тия лазеров и технологии [7].
На современной карте (рис. 1) на основании экспериментально полу-
ченных данных показано, какой плотностью мощности (интенсивно-
стью) должно обладать лазерное излучение, чтобы получить требуемый
вид обработки при заданном времени воздействия (или при заданной
длительности импульса для импульсного воздействия).
Плотность мощности лазерного излучения, падающего на обрабаты-
ваемую поверхность с коэффициентом отражения R(л) и реально прини-
мающего участие в процессе взаимодействия с материалом при заданных
площади и длительности воздействия, может быть приблизительно оце-
нена из следующего соотношения:
W = (1 R)
Ei /S·ti,
где R — коэффициент отражения обрабатываемого материала на длине
волны действующего излучения, Ei — энергия импульса в джоулях, S —
площадь поверхности, на которую локализуется излучение в см2, ti —
длительность импульса в секундах.
В зависимости от вида обработки и свойств обрабатываемого мате-
риала используется лазерное излучение определенной мощности с за-
данным временем воздействия или длительностью импульсов и с задан-
ной плотностью мощности на поверхности образца.
В диапазоне W = 105 Вт/см2 — 5 Ї 105 Вт/см2 проводятся операции
термоупрочнения. При W = 5 Ї 105 Вт/см2 — 5 Ї 106 Вт/см2 температура
в зоне воздействия лазерного излучения достигает уровня, достаточного
для наплавки и сваривания металлов. А при W > 5 Ї 106 Вт/см2 абляция
от лазерного нагрева позволяет производить сверление, резание и фре-
зерование различных материалов.
Сверление, резание и фрезерование лежат в основе прецизионной
лазерной обработки. Рассмотрению процессов, связанных с этими тех-
нологическими операциями, и посвящена настоящая книга.
Но прежде чем перейти к их рассмотрению, необходимо объяснить,
что означает прецизионность в лазерной обработке и микрообработке.
Рис. 1. Эмпирическая карта зон типовых процессов лазерной обра-
ботки
Под ней понимается:
— высокая, находящаяся для различных применений в пределах от
единиц микрон и до 20—30 микрон точность и повторяемость геомет-
рических размеров обрабатываемых объектов (допуск на диаметр и ко-
нусность отверстий, ширину и конусность реза, допуск на размеры
фрезерованной поверхности);
— минимальная, в пределах от единиц и до 10 мкм, толщина де-
фектного слоя (зона с измененной структурой исходного материала) на
боковой поверхности отверстий или реза, зависящая от глубины про-
никновения зоны теплового влияния;
— чистота обработанной поверхности для различных применений
соответствует величине от Rа 10 до Rа 0,32;
— минимальный по высоте и ширине, в пределах нескольких десят-
ков микрон, грат, образованный застывшей жидкой фазой на входе и
выходе просверленных отверстий или изготовленного реза. В некото-
рых применениях лазерной обработки грат на входе и выходе не допус-
кается. В том числе и потому, что его удаление требует введения допол-
нительной операции, повышающей время изготовления и стоимость
продукции;
— минимизация ширины реза; она не должна превышать при изго-
товлении изделий: с пленочными покрытиями — 20—30 мкм; из при-
родного алмаза и хрупких диэлектрических материалов — 100 мкм; из
металлов толщиной до 20 мм — 0,5 мм;
— ограничение глубины резания при изготовлении ряда изделий с
пленочными покрытиями толщиной до нескольких микрон. При этом
не допускается повреждение поверхности подложки, на которую по-
крытия нанесены;
— высокая, находящаяся для различных применений в пределах от
нескольких единиц микрон и до 50 микрон точность топологии распо-
ложения в поле обработки систем отверстий, вырезаемых контуров и
фрезеруемых деталей;
— при подгонке сопротивлений обеспечение требуемого допуска на
их номинал. В ряде случаев подгонки не допускается повреждение по-
верхности подложки, на которую нанесен резистивный слой толщиной
не более 1 мкм.
Выполнение указанных требований достигается как совершенство-
ванием аппаратной части лазера и оборудования, так и программной
Введение 19
оптимизацией режимов обработки под конкретную задачу (т.е. отработ-
кой технологии).
Ниже будет показано, что для достижения чистоты, качества и точно-
сти размеров при указанных видах лазерной обработки в большинстве
случаев желательно обеспечивать максимально возможную величину W
и одновременно повышать скорость обработки.
Точность и повторяемость диаметральных размеров и конусности
отверстий, ширины и конусности реза, размеров фрезерованной по-
верхности во многом зависят от равномерности пространственного рас-
пределения интенсивности излучения в его поперечном сечении и ста-
бильности этого параметра. Какое пространственное распределение
является наиболее удовлетворительным для прецизионной обработки
и каковы возможные способы его обеспечения, также рассмотрено
в разделах 3 и 6 книги.
Точность и качество обработки, производимой с использованием
импульсных лазеров, определяется также толщиной дефектного слоя,
образующегося на обрабатываемой поверхности, ее чистотой, а также
высотой грата на выходе отверстия или реза грата на входе и выходе
сверления или реза. Данные показатели зависят от выбранных про-
странственно-энергетических параметров излучения. Какими они дол-
жны быть для улучшения результата лазерной обработки и какому спо-
собу локализации излучения на поверхность детали следует отдать
предпочтение, посвящена тематика разделов 3, 6, 7 и 8 книги.
Наличие и высота грата на входе и выходе реза, изготавливаемого
непрерывным лазером, чистота боковой поверхности реза и толщина
образующегося на ней дефектного слоя зависят не только от мощности
излучения, но и от условий его фокусировки на поверхность обрабаты-
ваемой детали. Во многом данные показатели качества определяются
и скоростью резания. То, каковой она должна быть и как ее подобрать
с тем, чтобы обеспечить наилучшие точностные результаты, объясняет-
ся в разделах 5, 8 и 9.
В последующих частях книги приведены примеры лазерной пре-
цизионной обработки, внедренные в массовое или мелкосерийное
производство и внесшие радикальное изменение в предшествующие
технологические процессы. Рассматриваются также и перспектив-
ные примеры использования лазерной прецизионной обработки,
имеющие принципиально важную значимость для настоящего вре-
мени.
Почему и для кого написана эта книга
Настоящая книга посвящена проблематике прецизионной лазерной
обработки, о которой написано немалое число специальных статей, по-
священных отдельным вопросам этой темы. В СССР и затем в России
опубликовано порядка десятка или более книг отечественных и зару-
бежных авторов, в которых рассмотрены все виды лазерной обработки,
включая прецизионное сверление и резание. Как минимум 6 книг ана-
логичного содержания опубликованы в период 2004—2011 гг. в США
и Германии. К этому надо добавить множество статей отечественных
и зарубежных авторов, в которых рассматриваются различные аспекты
лазерной прецизионной обработки. Тогда что же побудило нас напи-
сать эту книгу и для кого она написана?
Слово «проблематика» в первой фразе данного текста выбрано не
случайно. Дело в том, что в опубликованных источниках проблемы, со-
путствующие практике лазерной обработки, в основном только обозна-
чены, да и то далеко не все. Потому в них можно найти не слишком
много информации, которая реально могла бы быть полезной при ре-
шении вопросов, возникающих в конкретных случаях ее применения.
В этом плане в первую очередь эффективную помощь оказывает ясное
и обоснованное представление целого ряда закономерностей взаимоде-
йствия лазерного излучения с обрабатываемым материалом.
Для начала следует иметь четкое понимание того, как происходит
абляция, в особенности на тех материалах, которые не имеют соб-
ственного поглощения на длине волны действующего излучения. Из-
вестно только то, что в этом случае поглощение излучения длитель-
ностью от миллисекунд и до наносекунд, вероятнее всего, происходит
на посторонних включениях и дефектах структуры. Однако экспери-
ментальные доказательства тому нигде не приводятся. Вне поля вни-
мания авторов книг оказалось то основное, что следует за поглоще-
нием. Здесь речь идет о закономерности, которая определяет условия
поддержания абляции во время действия излучения, производящего
сверление или резание.
По сию пору остаются несформулированными и необъясненными
закономерности формообразования при лазерном сверлении, а значит,
и резании, и фрезеровании. Но без этого невозможно обоснованно
подходить к разработке требуемых технологических процессов, к поис-
кам новых, перспективных направлений лазерной обработки и созда-
вать соответствующее им оборудование.
Некоторые авторы сообщают об экранировании лазерного излу-
чения плазмой, возникающей при обработке материалов. Но данные
о том, какие потери вносит наличие жидкой фазы в факеле и как мож-
но снизить это негативное влияние, не приводятся. Дело в том, что ни-
кто из них не проводил соответствующих экспериментальных исследо-
ваний.
То же самое можно сказать и об экспериментальных исследованиях
термонапряжений, возникающих при лазерной обработке. В имеющих-
ся публикациях, посвященных данной проблеме, ничего, кроме слож-
ного теоретического рассмотрения решения дифференциальных урав-
нений в частных производных второго порядка, описывающих поле
термонапряжений, читатель не найдет. Да и вряд ли он разберется
в том, каким образом их следует применять на практике. А ведь во
многих случаях именно термонапряжения, порождающие глубокий де-
фектный слой или растрескивание деталей, ограничивают область при-
менения лазерной обработки.
В работах многих авторов рассмотрены отдельные аспекты теории
лазерного резания в различных средах, включая кислородную, с при-
менением достаточно мощных СО2- и волоконных лазеров. Однако
обобщающего теоретического или экспериментального воззрения на
этот процесс, облегчающего решение проблем его использования на
практике, до сих пор не существует. Ряд ведущих зарубежных иссле-
довательских центров предлагает практические рекомендации по про-
ведению лазерного резания металлов с использованием СО2- и воло-
конных лазеров мощностью 1—4 кВт. Однако эти рекомендации
относятся к конкретным типам оборудования и во многих случаях не
могут служить основой для использования их потребителями других
установок.
О том, когда целесообразно производить лазерную расточку или
фрезерование, и то, как это надо делать, пожалуй, никто из пишущих в
настоящее время авторов даже не упоминает.
Теория и практика обработки с использованием ультракоротких ла-
зерных импульсов рассматривается во множестве различных статей,
подавляющая часть которых написана на английском языке. Не требует
доказательств то, сколь важно в настоящее время представить эту ин-
формацию в обобщенном и проанализированном виде.
Данное перечисление можно продолжить и далее. Но уже того, что
отмечено, достаточно для понимания целесообразности публикации
22 Введение
настоящей книги. Она предназначена для студентов, изучающих лазер-
ную обработку, и для тех, кто занимается исследованиями в этой облас-
ти и созданием используемого в ней оборудования. Полезной она ста-
нет и пользователям такого оборудования на производстве.
Литература
[1] Рыкалин Н.Н., Углов А.А. Лазерная обработка материалов. М.: Ма-
шиностроение, 1975.
[2] Анисимов С.И., Имас Я.А., Романов Г.С., Ходыко Ю.В. Действие
излучения большой мощности на металлы. М.: Наука, 1970.
[3] Виноградов Б.А., Гавриленко В.Н., Либенсон М.Н. Теоретические
основы воздействия лазерного излучения на материалы. Изд. БПИ,
1993.
[4] Страница памяти М.Ф. Стельмаха. (2012), сайт ОАО «НИИ Полюс»
http://www.polyus.info/in_memory_of_stelmakh/
[5] Вейко В.П., Либенсон М.Н. Лазерная обработка. Л.: Лениздат, 1973,
190 с.
[6] Кондратенко В.С. Исследование и разработка процесса резки стекла
методом лазерного управляемого термораскалывания. Диссерт.
к.т.н., Москва, 1983.
Часть 1
50 лет динамичного развития
ГЛАВА 1
ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ЛАЗЕРНОЙ ПРЕЦИЗИОННОЙ РАЗМЕРНОЙ ОБРАБОТКИ И СОВРЕМЕННЫЕ ОБЛАСТИ ЕЕ ПРИМЕНЕНИЯ
Прежде чем приступить к изложению закономерностей прецизионной
лазерной обработки, целесообразно в историческом контексте дать
краткий обзор причин ее появления и этапов практического развития.
Надо сказать, что в 60—70-е годы прошлого столетия СССР стал ли-
дером в области лазерных технологий, опережая большинство развитых
стран и по количеству произведенных лазерных установок, и по номен-
клатуре освоенных технологий и направлений, часть из которых опере-
жала мировой уровень на 5—7 лет. Жаль, но к 2012 году годовой объем
продаж лазерного оборудования России уже не превышал 0,1 % (!) от
мирового объема.
Первые в стране лазеры на рубине были запущены в ГОИ в июне и
в ФИАНе в сентябре 1961 г. Первый лазер на отечественных рубиновых
активных элементах был продемонстрирован осенью 1962 г. Первые им-
пульсы с мощностью, достаточной для «прошивки» лезвия бритвы, были
получены в ФИАНе в 1962 году, а к концу года в лабораториях и КБ
страны уже работало более десятка лазеров. И хотя большая часть лазер-
ной программы страны в эти годы ориентировалась на военно-космиче-
ские применения лазерной техники, в НИИ «Полюс» уже в 1963 году
были созданы первые серийные технологические установки СУ-1 и К3
с рубиновыми лазерами, ориентированные в основном на задачи радио-
технической и электронной промышленности. В последующие 10—15 лет
были не только проведены значительные модернизации этих установок,
но и разработаны более 40 новых моделей с лазерами на стекле с неоди-
мом, с АИГ-лазерами и газовыми азотными и СО2-лазерами.
Выпуск известной серии установок от «Квант-3» и до «Квант-19»,
разработанных в НИИ «Полюс» и перекрывавших задачи от приборной
сварки, резки, сверления волок и до корпусирования микросхем, лазер-
ной подгонки резисторов, резки стекла и скрайбирования полупровод-
никовых пластин, превысил 6,5 тыс. шт. Несколько меньшими тиража-
ми прошли установки этого же класса серий «Кристалл», «Кварц»,
«СЛС», «Корунд» и др.
Несколько позже было выпущено около 300 машин для раскроя ме-
талла с помощью мощных СО2-лазеров, часть из которых была оснаще-
на отечественными ЧПУ-стойками управления.
Разработка и специализация установок требовала исследования про-
цессов обработки и отработки технологических приемов и методик их
использования на производстве.
Помимо «Полюса», технологические исследования по лазерной об-
работке материалов проводились уже в 1962 г. в лаборатории лазерной
обработки ЭНИМСа (Экспериментальный научно-исследовательский
институт металлорежущих станков, г. Москва). Рубиновый макетный
излучатель с энергией в импульсе до 5 Дж (правда, с частотой повторе-
ния один раз в три минуты) уже позволял «пробивать» малые отверстия
в широкой номенклатуре материалов [1].
До середины 1970-х в большинстве установок в основном использо-
вались импульсные лазеры на рубине или стекле, активированном не-
одимом. На этих активных элементах собирались твердотельные лазеры
для серийных технологических установок серии «Квант» и серийных
станков ЭНИМСа (модели 4222 и 4222Ф2, МА4Р222Ф3, МА4Г222Ф3
и МА95Ф4), в том числе и с программным управлением, а также ЛТУ
других предприятий.
Но уже к 1968 г. в НИИ «Полюс» было налажено серийное выращи-
вание методом Чохральского монокристаллов алюмоиттриевого граната
с неодимом, ниобата лития, KDP и др. и была создана полная техноло-
гическая цепочка получения высококачественных элементов из крис-
таллов. Одновременно разрабатывалась элементная база источников
питания для серийного выпуска технологических непрерывных и им-
пульсных Nd:YAG-лазеров (серии ЛТН и ЛТИ соответственно). В сере-
дине 70-х было начато серийное производство лазеров с модулирован-
ными импульсами наносекундного диапазона длительности.
Также к 1969 году в стране были разработаны и серийно выпускались
(в Минэлектронпроме) СО2-лазеры мощностью до 1 кВт, а позднее —
и более мощные, применявшиеся в основном для сварки и термической
обработки деталей машин и закалки пресс-форм и штампов.
За рубежом технологии промышленной лазерной резки берут свое на-
чало с первых английских патентов 1967—68 гг., описывающих лазерную
резку тонких листов металла непрерывным СО2-лазером и прошивочное
скрайбирование импульсным СО2-лазером керамических подложек с по-
следующим разделением их на «чипы». В 1970 г. с появлением качествен-
ного Nd:YAG-лазера компании Quantronix впервые была продемонстри-
рована технология разделения Si-пластин лазерным скрайбированием.
Следующие поступательные этапы технологического роста в области
прецизионной лазерной обработки связаны с появлением в середине
90-х годов первых мощных твердотельных лазеров с диодной накачкой
(DPSS-лазеры) и с возможностью преобразования излучения во вторую
и третью гармоники.
В начале 2000-х до промышленного применения «доросли» принци-
пиально новые два класса лазеров с диодной накачкой — дисковые и
волоконные, предлагающие потребителю широкий выбор по мощнос-
ти, режимам работы, качеству излучения и гораздо более экономичные
и надежные в сравнении с лазерами предшествующего поколения.
За начало следующего этапа можно условно принять 2007 год, когда
в мире число изготовленных лазеров со сверхкороткими импульсами
перевалило за 1000 шт. Применение пико- и фемтосекундных лазеров
в технологических установках не только позволило значительно под-
нять качество и чистоту обработки за счет «холодного» абляционного
взаимодействия с материалом, но и расширило спектр обрабатываемых
материалов, включая прозрачные диэлектрики, и обеспечило техноло-
гии получения прецизионных 2D-и 3D-микроструктур, в т.ч. и с суб-
микронным диапазоном размеров.
Ниже в данном разделе рассмотрены причины, побудившие отечес-
твенную промышленность к развитию технологий прецизионной лазер-
ной обработки.
1.1.Лазерное прецизионное сверление
В условиях конца 60-х и начала 70-х годов одной из актуальных задач
данного направления было радикальное повышение производительнос-
ти при изготовлении в промышленных масштабах ряда миниатюрных
изделий из кристаллических материалов.
К ним, в частности, относились:
— часовые камни и подшипники скольжения специальных точных
приборов, которые изготавливаются из рубина и сапфира;
— волоки из естественного алмаза, необходимые для вытягивания
тонкой проволоки диаметром от 10 мкм;
— волоки из искусственных алмазов, в которых необходимо было
сверлить и профилировать профилированные отверстия с диамет-
ром до 80—100 мкм при допуске всего в несколько микрон.
Несколько позже похожие по сложности и точности задачи возник-
ли при сверлении отверстий в прозрачных кристаллах пьезокварца, ни-
обата и танталата лития и др.
В 1970 г. по заказу корпорации Boeing на заводе американской ком-
пании General Electric с помощью импульсного рубинового лазера было
впервые выполнено сверление многочисленных охлаждающих отвер-
стий в турбинных лопатках и деталях «горячей зоны» авиационного га-
зотурбинного двигателя (ГТД), что в разы увеличивало его ресурс.
К 1974 году уже более десяти усовершенствованных систем компании
Raytheon с Nd:YAG-лазерами успешно работали на серийных заводах
General Electric Ind., крупнейшего в то время производителя авиацион-
ных двигателей для гражданских и военных самолетов и для ракет-
но-космической техники.
Понятно, что эта задача стала очень актуальной и для отечествен-
ных производителей авиационных турбин.
Стратегически важной задачей 70-х было лазерное «сверление» пре-
цизионных фильер в труднообрабатываемых металлических деталях для
станков вытяжки синтетических волокон.
В ту пору требовал решения еще ряд важнейших для различных
отраслей промышленности задач, суть которых излагается несколько
ниже.
1.1.1. Сверление отверстий в изделиях
из кристаллических материалов
Обработка волок из природного алмаза с применением лазерных станков в
производственном процессе началась в СССР в 1969 г. Возможным это
стало только после того, как стали понятны и были устранены причи-
ны растрескивания природного алмаза при воздействии на него сфоку-
сированного лазерного излучения, а также подобраны лазерные техно-
логические режимы, обеспечивающие точно заданные размеры
калибрующей зоны волок.
Дело в том, что при лазерной прошивке алмаза в зоне обработки
всегда образуется тонкий графитовый слой, и его толщина сильно зави-
сит от режимов лазерной обработки. Поскольку допуск на диаметр ка-
либрующей зоны алмазных волок для протяжки тонкой проволоки по
ТУ не должен превышать ±2 мкм, то необходимо было жестко выдер-
живать режим работы лазера и параметры фокусировки, с тем чтобы
толщина графита на боковой поверхности канала не превышала 2 мкм
на сторону.
Первый подобный лазерный станок модели «Квант 9» для сверления
калибрующей зоны волок, разработанный в НПО «Полюс», был внед-
рен в начале 1969 г. на заводе алмазного инструмента в г. Рославль.
Летом того же года на Полтавском заводе искусственных алмазов и ал-
мазного инструмента для изготовления волок был внедрен лазерный
станок модели МА49, разработанный в ЭНИМС.
В результате изменения технологии время на операции сверления
канала волоки сократилось с нескольких смен до нескольких минут.
В последующие два года с помощью лазерной установки «Квант 9»
(НПО «Полюс») лазерную обработку распространили и на операцию
изготовления входной распушки (входного конуса) волоки.
Примерно в середине 1970-х гг. в СССР в промышленных масшта-
бах было освоено выращивание дешевых искусственных алмазов, после
чего лазерные установки начали использовать и для изготовления волок
с диаметром калибрующей зоны от 100 мкм и более.
В 1973 г. специалисты ЭНИМС решили сложную для того времени
проблему изготовления волок из природного алмаза с диаметром ка-
либрующей зоны в 10 мкм. Для проведения этой операции на заводе
жаропрочных и тугоплавких материалов в г. Чирчик (Узбекистан) был
внедрен специальный лазерный станок.
К концу 70-х началось активное промышленное использование им-
пульсных и непрерывных лазеров на гранате (Nd:YAG), работающих
как в режиме свободной генерации, так и с модулированной доброт-
ностью, и замена ими лазеров на рубине и стекле с неодимом.
В 70#х годах в стране также была успешно решена актуальная для ча#
совой промышленности задача лазерного сверления отверстий в часовых
рубиновых камнях.
Надо сказать, что к этому моменту такая задача стояла перед произ-
водителями часов и часовых и прецизионных механизмов во всем мире.
Так, в 1965 г. швейцарский производитель рубиновых камней для часов
Watch Stones Corp. подписал контракт с Институтом прикладной физи-
ки Бернского университета на исследование возможности лазерного
сверления отверстий в рубиновых заготовках, тем самым открыв «ла-
зерную эру» в Швейцарии. В начале 1972 г. ведущий швейцарский про-
изводитель часов ASUAG (c 1983 г. — SWATCH Group SA) открыл спе-
циальный лазерный центр для технологической проработки проблемы.
В 1974 году центр был преобразован в компанию LASAG Corp. с мис-
сией разработки лазерного оборудования и технологии лазерного свер-
ления часовых рубиновых камней для швейцарской и европейской ча-
совой промышленности.
На разработку отечественной технологии и соответствующих ей ла-
зерных станков также потребовалось почти 10 лет. За этот период была
успешно решена задача предотвращения растрескивания камней, полу-
чение 50 мкм диаметра отверстия с требуемым допуском и толщиной
дефектного слоя и разработана конструкция лазерных станков-автома-
тов