Файл: Веселовский С.И. Разрезка материалов.pdf

Разрезка материалов лазером

При излучении возбужденных атомов и молекул ве­ щества внутренняя энергия колоссально увеличивается. Атомы приводятся в возбужденное состояние путем воз­ действия на вещество электромагнитного поля. Возбу­ жденная атомная система излучает избыток энергии в виде квантов светового потока. Лазерных материалов, т. е. способных к возбуждению атома, насчитывается 50. Все их можно разделить на три группы: твердые, газовые и полупроводниковые (рис. 158).

Наиболее распространенным видом излучателя свето­ вого потока является рубиновый стержень, к которому импульсной лампой подводят энергию'«накачки». С поступ­ лением электрической энергии происходит мощная вспышка света, которая накачивает ионы внутри рубино­ вой трубки и переводит их на более высокие энергетиче­ ские уровни, чем уровень энергии системы. Иоиы испу­ скают фотоны и заставляют другие ионы также выделять фотоны. Возникает цепная реакция, и образуется импульс света, идущего параллельно оси стержня. Световой луч фокусируется на небольшой участок и испаряет любое вещество.

проходит через металл (рис. 159, б), то вначале видна струя ионизированного газа, затем искры, представляю­ щие частицы расплавленного металла. Лазерному лучу

300

придается форма, необходимая для обработки заготовки. Процесс разрезки является непрерывным, и для осуще­ ствления его используют лазер с непрерывным излучением газа типа С 0 2 - Точная фокусировка луча лазера мощ­ ностью 250 Вт позволяет разрезать стальной лист толщи­ ной 0,75 мм за время 2,5 с Незначительная скорость ре­ зания делает процесс резания заготовок обычных сталей

малоэффективным. С помощью кислородной струи и сфо­ кусированного луча газа С 0 2 лазером можно резать любой металл со скоростью 10 см/с Резину толщиной 254 мм можно резать со скоростью 12 м/с, бумагу со скоростью 3048 м/мин и т. д. После разрезки лазером последующая обработка кромок не нужна. Лазером, работающим на углекислом газе, мощностью 1 кВт с коэффициентом по­ лезного действия 20% получают непрерывный рез. Диа­ метр сфокусированного луча лазера мощностью 300 кВт

301

мальное расстояние от среза сопла до обрабатываемой заготовки для струи диаметром 2,5 мм составляет 1,5 мм; рез_ получается чистым. Разрезаемый металл укладывают горизонтально в фокусе лазерного луча. При лазерногазовой разрезке ширина реза на 1 / 3 ^больше диаметра сфокусированного лазерного луча. При разрезке загото­ вок из углеродистой и нержавеющей стали толщиной 2,5 мм достигается скорость 1 м/мин при ширине реза 0,5 мм. Сфокусированным лучом 0,3 мм достигается скорость ре­ зания 1016 мм/мин' При увеличении мощности скорость

J 2Z^%ZZZZZZZL>&nZZZ&ZZZi4ZZZZZZZZZ№

и гелии, луч лазера

ЦГ~ 1 ~*

Ф Ф

Электрса

Рис. 160. Схема газово-лазерной установки

резания возрастает. Лазерно-газовую резку используют для вырезки заготовок"небольшой толщины. С увеличе­ нием мощности увеличится и толщина разрезаемого мате­ риала [155].

Электронно-лучевые и лазерные станки выполняют сверление алмазных фильеров за 0,1 с вместо 2 ч, затра­ чиваемых ранее. Установка К-3 оснащена современной оптической системой для фокусирования луча; импульсы света получаются через каждые 20 с при длительности 0,5 или 5 м/с [117]. Мощность импульса (2 кВт) контроли­ руется измерительным устройством. Наводка луча на обра­ батываемую заготовку обеспечивается с точностью до не­ скольких микрон. Луч можно сфокусировать в пятно диа­ метром от десятых долей миллиметра до 2—3 мкм.

В установке К-4 применено охлаждение, поэтому ча­ стота импульсов может быть увеличена до 1 имп./с при длительности 0,5 м/с.

Лазерная установка «Луч 1М» предназначена для микро­ обработки непрозрачных материалов толщиной до 1 мм; диаметр луча равен 0,03—0,15 мм, активным элементом является рубин. Энергия накачки 250—1000 Дж; размеры рубина 0 7 X 120 мм; лампа оптической накачки ИСПТ-6000; диаметр фокального пятна 30—150 мкм, руч-

зоз

ное перемещение рабочего столика: горизонтальное О— 20 мм и вертикальное 0—27 мм; наибольшее увеличе­ ние — 70; энергия на выходе не менее 2 Дж; потребляе­ мая мощность 3 кВт; габаритные размеры установки 1305 X 1200 X 1550 мм; масса 300 кг. Электронная уни­ версальная установка ЭЛУРО предназначена для вырезки мелких заготовок в вакууме. Наименьшие ширина про­ резаемого или разрезаемого паза 0,01 мм и глубина обра­ батываемого материала 2 мм; размеры поверхности стола 200 X 250 мм, перемещение стола: продольное 150 мм, поперечное 200 мм, точность перемещения стола состав­ ляет 3 мкм. Продолжительность получения рабочего ва­ куума после смены обрабатываемых заготовок 10 мни; площадь, занимаемая установкой, 12 м2 ; время, затрачи­ ваемое на прорезку-разрезку пазов, зависит от обрабаты­ ваемого материала и качества обработки; например, паз шириной 50 мкм и длиной 3 мм в стальном листе толщиной 0,5 мм обрабатывают за 20 с; но металл удаляют за 5 с, а остальное время затрачивается на достижение требуе­ мых шероховатости и точности. Скорость съема металла составляет 0,1 мг/с При обработке электронным лучом можно точно регулировать глубину резания путем уста­ новления определенного соотношения мощности, скорости подачи импульсов и концентрации электронов в луче.

Модернизированную установку К-ЗМ используют при производстве полупроводников, электровакуумных и микроэлектронных приборов. Рубин часто заменяют стек­ лом, активированным иодимом. Наибольшая толщина пробиваемого материала (1—2 мм) зависит от его теплофизических свойств; наибольшая энергия излучения 2 Дж, длительность импульсов 0,5; 2,5 и 5,8 мкс; частота повторения импульсов 3 имп./мин; фокусное расстояние фокусирующей системы 1—16 мм; диаметр светового пятна в плоскости обрабатываемого объекта 1—300 мкм; по­ требляемая мощность не более 1 кВт; габаритные размеры установки: 1000 X 500 X 1800 мм. Основное назначение установки — сварка металлов, прошивка пазов и отвер­ стий в любых материалах.

На станке МА-64 обрабатывают отверстия диаметром 20—200 мкм в материалах с любыми физическими свойст­ вами, а также пазы и щели; наибольшая энергия излуче­ ния 5—8 Дж; длительность импульса 0,3—1,5 мкс; частота

304

системы 80; энергия накачки 6500 Дж; напряжение на кон­ денсаторах ±1 0 В. Станок имеет координатный стол раз­ мером 50 X 50 мм; потребляемая мощность 9 кВт; габа­ ритные размеры станка 1400 X 1300 X 1500 мм; масса 1500 кг.

На Полтавском заводе искусственных алмазов и алмаз­ ного инструмента используют установку ЛУЧ-1 для обра­ ботки алмазных волок за 2 мин. Создана установка «Квант-9», экономический эффект от внедрения которой 120 тыс. руб. в год.

Лучевые методы обработки материалов наиболее эф­ фективны при производстве изделий микроэлектронной техники. При изготовлении микроотверстий, подгонке регистров, изготовлении алмазных фильтров и часовых камней производительность повышается в 300 раз.

Электронно-лучевая установка ЭЛУМ-1 предназна­ чена для размерной обработки микроэлектронных устройств из тугоплавких жаропрочных твердых сплавов и других материалов. Установка оснащена фиксирован­ ной программой перемещения стола, обеспечивающей по­ дачу заготовки в зону обработки электронным лучом. Установка имеет характеристику: напряжение 20—• 100 кВт; диаметр луча 10 мкм; разрешающая способность не более 10 мкм; разрежение в области электронной пушки 1 • 10"4 мм рт. ст.; потребляемая мощность 1 кВт; экономи­ ческая эффективность применения установки 900 тыс. руб.

вгод.

Впромышленности применяют установку А-306-18 для лазерной сварки и обработки малогабаритных узлов и деталей. В установке имеется система подачи очищенного воздуха в рабочую зону; энергия излучения 6 Дж; мини­ мальный диаметр светящегося пятна 0,1 мм; потребляе­ мая мощность 1,2 кВт.

Высокопроизводительной установкой является полу­ автомат ПЛС-1, предназначенный для сварки и микро­ обработки электронных деталей; производительность полу­ автомата 1000 деталей в час; длительность импульса 2 м/с; установленная мощность 4 кВт.

Оптический импульсный квантовый 'генератор «Им­ пульс» предназначен для размерной обработки материалов. Импульс имеет мощность излучения 1 кВт, длину волны 10,6 мкм, энергию 2 Дж; частота повторения импульсов до 200 Гц; потребляемая мощность 2 кВт; габаритные размеры 2000 х 2000 X 1500 мм; масса 300 кг,

305

Микроскопическая установка «ОПТИН-481М» с опти­ ческим квантовым генератором предназначена для про­

одиночных вспышек с ручным управлением; длина волны

Установка «ОПТИН-481» (МЛС-2) позволяет фокуси­ ровать излучение генератора. Установка снабжена про­ граммным устройством с работой при частоте 2 Гц.

В оптическом квантовом генераторе «ОПТИН-4'82» ис­ пользованы неодимовое стекло и оптическая система для изображения шаблона на объекте. Максимальная энергия в импульсе 250 Дж и потребляемая мощность 3 кВт; дли­

имеющие длину волны излучения 0,694 мкм; угол расхо­ ждения луча 20—30', масса 6 кг. Лазер на рубине ГОР-ЮОМ имеет длину волны излучения 0,694 мкм при максимальной энергии 100 Дж; максимальная энергия накачки 15 000 Дж. Угол расхождения луча не более 1°; интервалы между вспышками 3 мин; срок службы при энергии на выходе 100 Дж не менее 500 вспышек; масса прибора 300 кг.

Лазер ГОС-1000 предназначен также и для обработки тугоплавких и сверхпрочных материалов. Он имеет сле­ дующую характеристику: длина волны излучения 1,06 мкм; угол расхождения луча не более 20', Энергия на выходе

309