Urządzenia do obróbki laserowej w produkcji płytek drukowanych.
Eksperci opracowali wiele sposobów obróbki diamentów w celu poprawy jakości tych kamieni. Wiercenie laserowe uważane jest za najbardziej sprawdzony sposób na poprawę jakości diamentów.
Ten rodzaj obróbki diamentów po raz pierwszy zastosowano komercyjnie w latach 70-tych ubiegłego wieku. Ciemne inkluzje, takie jak magnetyty, pirotyty i wtrącenia węglowe, nie poprawiają właściwości optycznych kamienia, a tym bardziej nie przyciągają kupujących. Podczas procesu wiercenia laserowego, te inkluzje są wypalone, rozpuszczony w kwasie azotowym lub siarkowym lub sklarowany.
Wiązka laserowa ze specjalnego urządzenia, generatora kwantowego podczerwieni o długości fali około 1060 nm, wierci mikrootwor o średnicy nie większej niż 20-60 mikronów. 20 mikronów to 0,02 mm, czyli grubość ludzkiego włosa. Wiercenie diamentowe przeprowadza się na głębokość nie większą niż 1,6 mm. Proces ten trwa średnio 30 minut lub dłużej.
Istnieje sposób na rozjaśnienie ciemnych wtrąceń. Powietrze dostaje się przez otwór wywiercony wiązką lasera, pod wpływem którego kolor wtrącenia może stać się znacznie jaśniejszy. Inną metodą klarowania jest wprowadzenie odczynnika do kanału otworu lasera w środowisku próżniowym, co klaruje lub całkowicie rozpuszcza wtrącenie. Wynik końcowy zależy od składu chemicznego inkluzji.
Przy dziesięciokrotnym powiększeniu pod mikroskopem lub lupą zbadanie kanałów otworów lasera, nawet jeśli są uszczelnione, nie jest trudne. Oni mają rodzaj wgłębień w kształcie lejka na powierzchni i proste linie białawego koloru wewnątrz. Ostatnio do wypełniania kanałów zaczęto stosować takie substancje jak żywica syntetyczna czy wosk ze względu na ich wysoki współczynnik załamania światła. Po wypełnieniu kanału odpowiednią substancją następuje jego uszczelnienie. Chociaż wypełnione otwory są mniej widoczne na powierzchni i mniej podatne na zanieczyszczenia, w świetle odbitym na miejscu wiercenia można dostrzec „krater”. Okrągłe rowki na powierzchni można również wyczuć czubkiem igły. Należy wziąć pod uwagę, że jeśli podczas wiercenia otworu wiązka lasera trafi w obszar charakteryzujący się silnymi naprężeniami wewnętrznymi, wokół kanału utworzą się dobrze widoczne naprężenia i pęknięcia łupkowe.
Trudności pojawiają się przy ocenie takich kamieni. Oczywiście wizualne cechy gemologiczne ulegają zauważalnej poprawie, ale wiercenie powoduje sztuczne defekty w postaci małych pęknięć.
Diamenty są klasyfikowane do określonej grupy czystości na podstawie ich wyglądu i obecności wywierconych otworów. Należy zaznaczyć, że celem wiercenia laserowego nie jest zwiększenie przejrzystości diamentu, lecz rozjaśnienie ciemnych wtrąceń. Prowadzi to do poprawy wyglądu kamienia i bardziej przyciąga kupujących.
Odpowiednie certyfikaty jakości, faktury i inne dokumenty muszą koniecznie zawierać informacje o wynikach ingerencji człowieka i obecności otworów wierconych laserowo.
Niedawno opracowany nowa metoda obróbki laserowej diamenty, w których kanał nie jest wydobywany na powierzchnię. Ten rodzaj obróbki nadaje się do diamentów z ciemnymi wtrąceniami zlokalizowanymi blisko powierzchni. Jednak zastosowanie tej metody nadal nie gwarantuje braku nowych pęknięć i pęknięć naprężeniowych, „piórek” i mikropęknięć wokół wtrąceń. Tego rodzaju wady, które istniały przed leczeniem, po zastosowaniu tej metody mogą się pogłębić. Z drugiej strony nowe pęknięcia docierające do powierzchni mogą działać jak kanały. Po wprowadzeniu kwasów do tych kanałów wtrącenia stają się jaśniejsze. Ta metoda nie jest odpowiednia dla wszystkich kamieni, ale diamenty z ciemnymi inkluzjami, położony blisko powierzchni, z drobnymi pęknięciami - idealny materiał do tej metody uszlachetniania.
Istotą tej metody obróbki laserowej jest to, że lasery skupiają się w trybie pulsacyjnym dokładnie do punktu włączenia. W procesie tym wytwarzana jest znaczna ilość ciepła, co sprzyja rozprzestrzenianiu się pęknięć na powierzchnię kamienia. Dzięki temu nie ma potrzeby wiercenia kanału w celu utworzenia lejka na powierzchni. Rozpuszczalnik, który łatwo przenika przez nowe pęknięcia do wtrącenia, rozjaśnia je lub rozpuszcza. Ale ta metoda również może prowadzą do powstawania wgłębień i ubytków na powierzchni kamienia z tą różnicą, że ich kształt nie będzie już tak idealnie okrągły, a wymiary będą nieco mniejsze.
Inny metoda obróbki laserowej opracowany przez izraelskich specjalistów na początku XXI wieku. Nazwali go KM (skrót od „Kiduah Meuhad”), co w tłumaczeniu z hebrajskiego oznacza „specjalne wiercenie”. Metoda, która stała się popularna w Antwerpii, polega na rozjaśnianiu ciemnych wtrąceń mikropęknięciami za pomocą kwasu w specjalnych warunkach. Wiązka laserowa kierowana jest na defekt znajdujący się najbliżej powierzchni, powodując rozprzestrzenienie się defektu na powierzchnię.
Po naświetleniu laserem diament zanurza się w stężonym kwasie i podgrzewa do wysokich temperatur pod ciśnieniem. Dzięki stworzonym warunkom kwas wnika do środka przed włączeniem i rozpuszcza go.
Diamenty po obróbce QM można rozpoznać po obecności miejscowo niebieskawo-brązowawych odcieni w świetle odbitym sztucznie utworzone pęknięcia zwłaszcza podczas toczenia kamienia. Tego samego nie można powiedzieć o diamentach, które poddaje się obróbce tradycyjną technologią wiercenia laserowego, w wyniku czego na powierzchni powstają zauważalne dziury. Ponadto w diamentach obrobionych metodą CM czasami można dostrzec niewielkie ilości czarniawego materiału w postaci nieregularnych linii na powierzchni pęknięć naprężeniowych, które powstały podczas obróbki laserowej.
Wiercenie otworów w kamieniach zegarkowych – to tutaj laser rozpoczął swoje działanie. Mówimy o kamieniach rubinowych, które stosowane są w zegarkach jako łożyska ślizgowe. Przy produkcji takich łożysk konieczne jest wiercenie otworów o średnicy zaledwie 1-0,05 mm w rubinie - bardzo twardym i jednocześnie delikatnym materiale. Przez wiele lat tę operację jubilerską wykonywano w zwykły, mechaniczny sposób, przy użyciu wierteł wykonanych z cienkiego drutu fortepianowego o średnicy 40-50 mikronów. Takie wiertło wykonywało do 30 tysięcy obrotów na minutę i jednocześnie wykonywało około stu ruchów posuwisto-zwrotnych. Wiercenie jednego kamienia trwało do 10-15 minut.
Od 1964 roku mało wydajne wiercenie mechaniczne kamieni zegarkowych zostało powszechnie zastąpione wierceniem laserowym. Oczywiście terminu „wiercenie laserowe” nie należy rozumieć dosłownie; Wiązka lasera nie wierci dziury - przebija ją, powodując intensywne odparowanie materiału. Obecnie wiercenie laserowe kamieni zegarkowych jest powszechną praktyką. W tym celu stosuje się je zwłaszcza
29
ness, lasery na szkle z neodymem. Otwór w kamieniu (o grubości przedmiotu obrabianego 0,5-1 mm) wykonuje się za pomocą serii kilku impulsów laserowych o energii 0,5-1 J. Wydajność instalacji laserowej w trybie automatycznym wynosi kamień na sekundę. To tysiąc razy więcej niż wydajność wiercenia mechanicznego!
Niedługo po swoich narodzinach laser otrzymał kolejne zadanie, z którym poradził sobie równie dobrze: wiercenie (wybijanie) otworów w matrycach diamentowych. Być może nie wszyscy wiedzą, że do produkcji bardzo cienkiego drutu z miedzi, brązu, wolframu stosuje się technologię przeciągania metalu przez otwór o odpowiedniej średnicy. Otwory takie wierci się w materiałach, które charakteryzują się szczególnie dużą twardością, gdyż w procesie ciągnienia drutu średnica otworu musi pozostać niezmieniona. Wiadomo, że diament jest najtwardszy. Dlatego najlepiej jest przeciągnąć cienki drut przez otwór w diamencie - przez tzw. matryce diamentowe. Tylko za pomocą matryc diamentowych możliwe jest uzyskanie ultracienkiego drutu o średnicy zaledwie 10 mikronów. Ale jak wywiercić cienki otwór w super twardym materiale, takim jak diament? Bardzo trudno jest to zrobić mechanicznie, mechaniczne wywiercenie jednego otworu w matrycy diamentowej zajmuje nawet dziesięć godzin. Ale, jak się okazało, wcale nie jest trudno przebić tę dziurę serią kilku potężnych impulsów laserowych. />Dziś wiercenie laserowe jest szeroko stosowane nie tylko w przypadku materiałów szczególnie twardych, ale także materiałów charakteryzujących się zwiększoną kruchością. Wiertarka laserowa okazała się nie tylko potężnym, ale i bardzo delikatnym „narzędziem”. Jako przykład omówimy problem wiercenia otworów w podłożach wiórowych wykonanych z ceramiki tlenku glinu. Ceramika jest niezwykle delikatna. Z tego powodu mechaniczne wiercenie otworów w podłożu wiórowym prowadzono z reguły na „surowym” materiale. Po wierceniu ceramikę wypalono. W tym przypadku nastąpiło pewne odkształcenie produktu i zniekształcenie względnego położenia wywierconych otworów. Problem został rozwiązany wraz z pojawieniem się wierteł laserowych. Za ich pomocą można pracować z podłożami ceramicznymi, które zostały już poddane obróbce
30
Tak w przekroju wygląda otwór w matrycy diamentowej. Impulsy laserowe wycinają szorstki kanał w diamentowym przedmiocie. Następnie poprzez leczenie kanału ultradźwiękami, szlifowanie i polerowanie nadają mu wymagany profil. Drut uzyskany poprzez przeciągnięcie przez matrycę ma średnicę d 
Te schludne otwory o średnicy 0,3 mm są wycinane w płycie ceramicznej z tlenku glinu o grubości 0,7 mm za pomocą lasera CO2
giga. Za pomocą laserów w ceramice wycinane są bardzo cienkie otwory o średnicy zaledwie 10 mikronów. Należy pamiętać, że takich otworów nie można uzyskać poprzez wiercenie mechaniczne.
Nikt nie miał wątpliwości, że wiercenie jest zadaniem lasera. Tutaj laser właściwie nie miał godnych konkurentów, zwłaszcza jeśli chodzi o wiercenie szczególnie cienkich i szczególnie głębokich otworów, gdy otwory trzeba wiercić w bardzo delikatnych lub bardzo twardych materiałach. Minęło stosunkowo niewiele czasu i stało się jasne, że laser
belkę można z powodzeniem wykorzystać nie tylko do wiercenia, ale także do wielu innych operacji obróbki materiału. Zatem dzisiaj możemy mówić o powstaniu i rozwoju nowej technologii – lasera.
Obróbka materiałów przemysłowych stała się jedną z dziedzin najpowszechniej stosowanych laserów. Przed pojawieniem się laserów głównymi źródłami ciepła do obróbki były palnik gazowy, wyładowanie łuku elektrycznego, łuk plazmowy i wiązka elektronów. Wraz z pojawieniem się laserów emitujących dużą energię, stało się możliwe wytwarzanie dużych gęstości strumienia świetlnego na obrabianej powierzchni. Rolą laserów jako źródeł światła, pracujących w trybie ciągłym, impulsowym lub gigantycznym impulsie, jest zapewnienie na powierzchni obrabianego materiału gęstości mocy wystarczającej do jego ogrzania, stopienia lub odparowania, co jest podstawą technologii laserowej.
Obecnie laser z powodzeniem wykonuje szereg operacji technologicznych, a przede wszystkim takich jak cięcie, spawanie, wiercenie otworów, obróbka cieplna powierzchni, trasowanie, znakowanie, grawerowanie itp., a w niektórych przypadkach zapewnia przewagę nad innymi rodzajami obróbki . Dzięki temu wiercenie otworów w materiałach można wykonać szybciej, a trasowanie różnych materiałów jest bardziej zaawansowane. Ponadto z dużym sukcesem realizowane są niektóre rodzaje operacji, które wcześniej były niemożliwe do wykonania ze względu na trudną dostępność. Na przykład spawanie materiałów i wiercenie otworów można wykonać przez szkło w próżni lub atmosferze różnych gazów.
Słowo „laser” składa się z pierwszych liter angielskiego wyrażenia Light Amplification by Stimulated Emi ion of Radiation, które w języku rosyjskim oznacza: wzmocnienie światła poprzez emisję wymuszoną. Klasycznie zdarzało się, że opisując technologie laserowe do obróbki materiałów, główną uwagę zwracano jedynie na same lasery, zasadę ich działania i parametry techniczne. Jednakże w celu realizacji dowolnego procesu laserowej obróbki wymiarowej materiałów, oprócz lasera, należy zastosować układ ogniskowania wiązki, urządzenie do sterowania ruchem wiązki po powierzchni przedmiotu obrabianego lub urządzenie do przesuwania produktu względem wiązka, system wtrysku gazu, systemy optycznego prowadzenia i pozycjonowania oraz oprogramowanie do kontroli procesu są również wymagane do cięcia laserowego, grawerowania itp. W większości przypadków dobór parametrów urządzeń i systemów bezpośrednio obsługujących laser jest nie mniej istotny niż parametry samego lasera. Na przykład w przypadku znakowania łożysk o średnicy mniejszej niż 10 mm lub precyzyjnego zgrzewania laserowego, czas poświęcony na pozycjonowanie i ogniskowanie produktu jest o jeden do dwóch rzędów wielkości dłuższy od czasu grawerowania lub spawania (czas potrzebny na oznaczenie łożysko wynosi około 0,5 s). Dlatego bez zastosowania automatycznych systemów pozycjonowania i ogniskowania zastosowanie kompleksów laserowych w wielu przypadkach staje się ekonomicznie niepraktyczne. Analogia systemów laserowych do samochodów pokazuje, że laser pełni funkcję silnika. Bez względu na to, jak dobry jest silnik, samochód nie ruszy bez kół i wszystkiego innego.
Kolejnym ważnym czynnikiem przy wyborze systemów technologii laserowej jest łatwość ich konserwacji. Jak pokazuje praktyka, operatorzy mają niskie kwalifikacje do obsługi tego typu urządzeń. Jednym z powodów jest to, że systemy laserowe instalowane są w większości przypadków w celu zastąpienia przestarzałych procesów technologicznych (znakowanie udarowe i chemiczne wyrobów, grawerowanie mechaniczne, spawanie ręczne, znakowanie ręczne itp.). Menedżerowie przedsiębiorstw, którzy z reguły modernizują swoją produkcję ze względów etycznych, wymieniając stary sprzęt na nowy, pozostawiają stary (dosłownie i w przenośni) personel serwisowy. Dlatego też, aby wprowadzić do produkcji laserowe systemy technologiczne w danych początkowych warunkach ich rozwoju (w republikach poradzieckich), konieczne jest zapewnienie możliwie najwyższego poziomu automatyzacji i łatwości szkolenia. Nie powinniśmy ignorować faktu, że wynagrodzenie niewykwalifikowanego personelu jest niższe niż wynagrodzenie przeszkolonego specjalisty. Dlatego bardziej opłacalne ekonomicznie jest kupowanie złożonego sprzętu z możliwością łatwej konserwacji niż zapraszanie wysoko wykwalifikowanego personelu.
Zatem zadanie wykorzystania technologii laserowych we współczesnej produkcji należy rozpatrywać nie tylko z punktu widzenia parametrów technicznych samego lasera, ale także biorąc pod uwagę charakterystykę sprzętu i oprogramowania, które umożliwiają wykorzystanie specyficznych właściwości lasera. lasera do rozwiązania konkretnego problemu technologicznego.
Dowolny system laserowy przeznaczony do obróbki wymiarowej materiałów,
charakteryzuje się następującymi parametrami:
— szybkość przetwarzania (cięcie, grawerowanie itp.);
- rezolucja;
— dokładność przetwarzania;
— wielkość pola roboczego;
— asortyment materiałów do obróbki (metale żelazne, metale nieżelazne, drewno, tworzywa sztuczne itp.);
— zakres rozmiarów i mas produktów przeznaczonych do przetworzenia;
— konfiguracja produktu (np. grawerowanie na powierzchniach płaskich, cylindrycznych, falistych);
— czas niezbędny na zmianę realizowanych zadań (zmiana wzoru grawerowania, konfiguracji – linii cięcia, zmiana materiału do obróbki itp.);
— czas instalacji i umiejscowienia produktu;
— parametry warunków środowiskowych (zakres temperatur, wilgotność, zapylenie), w jakich system może pracować;
— wymagania dotyczące kwalifikacji personelu obsługi.
Na podstawie tych parametrów dobiera się rodzaj urządzenia skanującego laserowo i wiązkowo, opracowuje się projekt elementu złącznego produktu, opracowuje poziom automatyzacji całego systemu, omawia kwestię konieczności pisania specjalistycznych programów do sporządzania rysunków ustalane są pilniki, linie cięcia itp.
Głównymi cechami technicznymi decydującymi o charakterze obróbki są parametry energetyczne lasera – energia, moc, gęstość energii, czas trwania impulsu, przestrzenna i czasowa struktura promieniowania, przestrzenny rozkład gęstości mocy promieniowania w punkcie ogniskowania, warunki ogniskowania, właściwości fizyczne materiału (odbicie światła, właściwości termofizyczne, temperatura topnienia itp.). Rozważmy główne typy laserów i charakterystykę ich promieniowania. Jako ośrodki aktywne laserów wykorzystuje się ciała stałe, ciecze i gazy. W laserach na ciele stałym ośrodkiem aktywnym są substancje krystaliczne lub amorficzne z domieszkami niektórych pierwiastków. Znanych jest wiele substancji stałych nadających się do stosowania w laserach, lecz tylko kilka z nich znajduje szerokie zastosowanie w praktyce obróbki materiałów: Al2O3 z domieszką tlenku chromu (rubin); szkło, granat itrowo-glinowy Y3Al5O12 i wolframian wapnia CaWO4, aktywowany neodymem. Te media aktywne umożliwiają, w porównaniu z innymi materiałami, tworzenie laserów o dużej energii wyjściowej i dużej wydajności. Lasery ciekłe, zgodnie z zasadą działania, przypominają lasery na ciele stałym, w których jako ośrodek aktywny stosowane są ciekłe dielektryki z rozpuszczonymi zanieczyszczeniami.
Energia impulsu promieniowania laserów na ciele stałym i cieczowym (w trybie generacji swobodnej) waha się od dziesiątych części Joule'a do 103 J i więcej, a w trybie Q-switch do kilkudziesięciu i setek Joule. Moc promieniowania laserów impulsowych, w zależności od trybu pracy, może wahać się od setek kilowatów (generowanie darmowe) do gigowatów (z przełączaniem Q). W trybie impulsowym (generowanie nieuporządkowane) różnica pomiędzy średnią mocą zintegrowaną na impuls a mocą pojedynczego impulsu może osiągnąć dwa rzędy wielkości. Wskazana różnica jest nieco mniejsza dla impulsu o uporządkowanej strukturze (impuls regularny). Średnia moc zintegrowana różni się nieznacznie od mocy w dowolnym momencie dla quasi-stacjonarnego impulsu promieniowania. Dlatego quasi-stacjonarny tryb wytwarzania ma praktyczne znaczenie w procesach spawania i obróbce materiałów, jako tryb, za pomocą którego można uzyskać „miękkie” ogrzewanie. Użycie tego trybu ogranicza usuwanie materiału ze strefy uderzenia.
Wartość graniczna wydajności laserów determinowane są przede wszystkim stratami wewnętrznymi w aktywnym medium krysztale oraz efektywnością wykorzystania energii pompy. Zatem w przypadku laserów rubinowych rzeczywista wydajność wynosi nie przekracza 1%, a dla laserów na szkle z neodymem – 2%.
Inną odmianą jest lasery gazowe, którego ośrodkiem aktywnym jest gaz, mieszanina kilku gazów lub mieszanina gazu z parami metalu. Do laserów gazowych zalicza się także lasery chemiczne., ponieważ wykorzystuje się w nich gazowe media aktywne. W laserze chemicznym ośrodek aktywny jest wzbudzany w wyniku szybkich reakcji chemicznych. Neutralne atomy, jony i cząsteczki gazu są wykorzystywane jako cząstki aktywne w laserach gazowych. Lasery na atomach neutralnych wytwarzają promieniowanie o długości fal głównie z zakresu podczerwieni widma, a niektóre z czerwonego obszaru widma widzialnego.
Lasery jonowo-gazowe wytwarzają promieniowanie głównie widzialne i ultrafioletowe. Molekularne lasery gazowe generują promieniowanie o długości fali 10-100 mikronów (zakres podczerwieni i submilimetrowy). Moc laserów na atomach neutralnych, np. helowo-neonowych w trybie ciągłym, nie przekracza 50 mW, jonowych (argonowych) – sięga 500 W, a najpotężniejsze są molekularne. W ten sposób lasery na dwutlenku węgla zapewniają ciągłą moc wyjściową kilkudziesięciu kilowatów. Efektywność lasery na neutralnych atomach i jonach praktycznie nie przekraczają 0,1%, molekularne mają znacznie wyższą wydajność, sięgającą 20%.
Najbardziej obiecujące do zastosowania w wielu procesach technologicznych są lasery światłowodowe. Obecnie na rynku dostępne są lasery światłowodowe jednomodowe o średniej mocy wyjściowej do 2 kW, systemy wielomodowe o mocy do 10 kW oraz systemy wielomodowe o mocy wyjściowej do 50 kW. Najwyższe poziomy mocy osiągnięto w laserach światłowodowych aktywowanych Yb, generujących promieniowanie o długości fali 1,07 µm, które jest lepiej absorbowane w metalach niż promieniowanie o długości fali 10,6 µm. Dodatkowo 10-krotnie krótsza długość fali pozwala na mniejszą rozbieżność promieniowania, co oznacza, że może być ono lepiej skupione. Wyjaśnia to fakt, że nawet lasery jednomodowe o stosunkowo małej mocy i mocy 100 W mogą ciąć stal o grubości 1,5 mm z prędkością do 4 m/min. Charakterystyka techniczna laserów światłowodowych umożliwia wdrożenie zdalnego trybu spawania, co znacznie upraszcza integrację sprzętu laserowego z nowoczesnymi zrobotyzowanymi liniami produkcyjnymi i znacznie zwiększa prędkość spawania.
Ale nie chodzi tylko o moc i rozbieżność wiązek. Kolejny parametr, który ostro podkreśla lasery światłowodowe, - wysoka efektywność energetyczna. Aktywowane włókno jest pompowane przez diody laserowe, wydajność. która przekracza 60%, dzięki czemu mamy pełną (czyli „z gniazdka”) sprawność. laserów światłowodowych wynosi 28-30% (wielokrotnie więcej niż w przypadku najlepszych przemysłowych laserów CO2, a także laserów na ciele stałym z pompowaniem półprzewodnikowym i lampowym). Z tego powodu ich koszty operacyjne związane ze zużyciem energii i chłodzeniem są 5–8 razy niższe niż w przypadku laserów CO2 i około 20–50 razy mniejsze niż w przypadku laserów na ciele stałym pompowanych lampą. Ten ostatni fakt, a także brak jednostek nastawnych w laserach światłowodowych i ich realizacja w postaci zintegrowanych urządzeń światłowodowych, zapewniają wysoką niezawodność systemów jako całości. Konstrukcyjnie i z operacyjnego punktu widzenia lasery światłowodowe są bliższe sprzętom czysto elektronicznym niż innym typom laserów przemysłowych. Warto dodać, że praktycznie nie wymagają one rutynowej konserwacji.
Dobrą integrację laserów światłowodowych z nowoczesnymi urządzeniami technologicznymi ułatwia również fakt, że ich promieniowanie wyjściowe jest doskonale przenoszone bez utraty mocy i właściwości przestrzennych wzdłuż cienkich włókien kwarcowych, chronionych przed wpływami mechanicznymi elastycznymi metalowymi wężami o średnicy 8,0 mm. 0,15 mm. Długość takich kabli światłowodowych sięga 200 m i w razie potrzeby można ją zwiększyć.
Poniżej rozważamy specjalistyczne zadania rozwiązywane przez laserowe systemy technologiczne. Nacisk został przesunięty na charakterystykę laserów przeznaczonych do rozwiązywania tych problemów.
Cięcie laserowe metali
Zastosowanie laserów do cięcia metali, a także niemetali wynika z następujących zalet w porównaniu z metodami tradycyjnymi: szeroka klasa ciętych materiałów; możliwość uzyskania cienkich nacięć dzięki ostremu skupieniu wiązki lasera; mała strefa termicznego wpływu promieniowania; minimalny wpływ mechaniczny na materiał; możliwość szybkiego włączania i wyłączania urządzenia z dużą dokładnością; czystość chemiczna procesu cięcia; możliwość automatyzacji procesu i uzyskania wysokiej produktywności metody; możliwość cięcia wzdłuż złożonego profilu w dwóch, a nawet trzech wymiarach.
Cięcie laserowe, podobnie jak inne rodzaje obróbki laserowej, opiera się na termicznym działaniu promieniowania i odbywa się za pomocą poruszającego się źródła ciepła, które za pomocą specjalnego układu optycznego może poruszać się w dwóch wzajemnie prostopadłych kierunkach, co pozwala na utworzenie plamy o dużej gęstości i doprowadzić go do wymaganego punktu przetwarzanej próbki.
Cięcie stosunkowo grubych blach odbywa się z reguły poprzez wdmuchnięcie gazu aktywnego (tlenu) do strefy cięcia. Istota tego procesu, zwanego cięciem laserem gazowym (GLC), polega na tym, że promieniowanie laserowe jest skupiane przez układ optyczny na powierzchni obrabianego materiału, a tlen dostarczany jest współosiowo z wiązką za pomocą specjalnego urządzenia. Podczas cięcia laserowego metali tlen spełnia następujące funkcje:
wspomaga spalanie metali;
usuwa produkty zniszczenia i oczyszcza strefę cięcia poprzez wydmuch produktów gazowych i kropelek;
intensywnie chłodzi obszary materiału sąsiadujące ze strefą skrawania.
Obecność strumienia tlenu podczas cięcia metali pozwala znacznie zwiększyć głębokość i prędkość cięcia oraz uzyskać wysokiej jakości krawędzie. Niewielka część padającego promieniowania jest pochłaniana przez powierzchnię metalu i powoduje jego nagrzanie. Powstała warstwa tlenków zwiększa udział pochłoniętej energii, a temperatura metali wzrasta do temperatury topnienia. Ciekły metal i tlenki są wydmuchiwane przez strumień tlenu ze strefy cięcia, ułatwiając w ten sposób utlenianie znajdujących się poniżej warstw. Trwa to do momentu, aż blacha zostanie przycięta na pełną głębokość. Niski pobór energii i duża koncentracja energii pozwalają uzyskać równoległe krawędzie przy małej szerokości skrawania (0,1-0,5 mm) i małej strefie wpływu ciepła.
Prędkość cięcia grubych blach wzrasta wraz ze wzrostem mocy lasera i zależy od grubości blachy oraz przewodności cieplnej metalu. Przy mocy lasera około 400-600 W możliwe jest cięcie metali żelaznych i tytanu z prędkością około kilku metrów na minutę, natomiast cięcie metali o dużej przewodności cieplnej (miedź, aluminium) stwarza pewne trudności. W literaturze istnieje wystarczająca ilość informacji na temat istotnego wpływu energii reakcji chemicznej na prędkość skrawania i czystość krawędzi, jednak złożoność procesu nie pozwala na jakąkolwiek ocenę ilościową, tym bardziej, że skład końcowego utleniania produktów, udział frakcji kropelkowej metalu przedmuchanej przez strumień gazu i ciepło utajone przemian fazowych (topienie, parowanie). Tabela 1 pokazuje średnie prędkości skrawania dla różnych metali.
Tabela 1.
Cięcie laserem gazowym często porównywane jest do cięcia mikroplazmowego, które umożliwia cięcie grubszych blach i z większą prędkością. Należy jednak zaznaczyć, że GLR zapewnia lepszą lokalizację i większą gęstość dostarczanej energii, w efekcie czego zmniejsza się strefa oddziaływania termicznego.
Mechaniczne cięcie tytanu ze względu na jego dużą lepkość jest trudne, natomiast cięcie plazmowe powoduje powstanie dużej strefy wpływu ciepła i nasycenia gazem krawędzi. Zastosowanie GLR prowadzi do obniżenia kosztów przetwarzania o 75%. W przypadku GLR istotnym punktem przy ustalaniu prędkości cięcia jest odpowiednio dobrana prędkość strumienia gazu wypływającego z dyszy, która zależy od ciśnienia gazu w przecinarce.
Wydajność procesu aluminium HLR zależy w dużym stopniu od stanu powierzchni. Cięcie blach o gładkiej, nieobrobionej powierzchni staje się znacznie trudniejsze, natomiast piaskowanie powierzchni pozwala na GLR, ale jakość cięcia jest niska (reprezentuje regularną sekwencję otworów). Utlenianie, pasywacja, anodowanie i azotowanie powierzchni gładkiej blachy nie zapewniły wystarczających warunków dla HLR. Podczas cięcia materiałów takich jak miedź i mosiądz występują trudności. Faktem jest, że metale te mają wysoki współczynnik odbicia promieniowania laserowego, zarówno w stanie zimnym, jak i nagrzanym, oraz wysoką przewodność cieplną. Tworzące się na nich warstewki tlenkowe są cienkie i nieefektywnie pochłaniają promieniowanie laserowe.
Wiercenie laserowe otworów w metalach
Stosowanie lasera jako narzędzia wiertniczego ma zalety.
Nie dochodzi do mechanicznego kontaktu narzędzia wiertniczego z materiałem, a także do pękania i zużycia wierteł.
Zwiększa się dokładność rozmieszczenia otworów, ponieważ optyka skupiająca wiązkę lasera służy jednocześnie do skierowania jej w wymagany punkt. Otwory mogą być zorientowane w dowolnym kierunku.
Uzyskuje się większy stosunek głębokości do średnicy wiercenia niż w przypadku innych metod wiercenia.
Zarówno podczas wiercenia, jak i cięcia właściwości obrabianego materiału w istotny sposób wpływają na parametry lasera wymagane do wykonania operacji. Wiercenie przeprowadza się laserami impulsowymi pracującymi zarówno w trybie swobodnym o czasie trwania impulsu około 1 μs, jak i w trybie Q-switch o czasie trwania kilkudziesięciu nanosekund. W obu przypadkach dochodzi do oddziaływania termicznego na materiał, jego topnienia i parowania. Głębokość otworu rośnie głównie w wyniku parowania, a średnica w wyniku topnienia ścian i przepływu cieczy pod wytworzonym nadmiernym ciśnieniem pary.
Zazwyczaj głębokie otwory o pożądanej średnicy uzyskuje się za pomocą powtarzalnych impulsów laserowych o niskiej energii. W tym przypadku powstają otwory o mniejszym stożku i lepszej jakości niż otwory uzyskane przy wyższej energii pojedynczego impulsu. Wyjątkiem są materiały zawierające pierwiastki zdolne do wytworzenia wysokiego ciśnienia pary. Zatem mosiądz jest bardzo trudny do spawania pulsacyjnym promieniowaniem lasera ze względu na dużą zawartość cynku, jednak podczas wiercenia mosiądz ma pewne zalety, ponieważ atomy cynku znacznie poprawiają mechanizm parowania.
Ponieważ tryb wielopulsowy umożliwia uzyskanie otworów lepszej jakości o wymaganej geometrii i niewielkim odchyleniu od określonych wymiarów, w praktyce tryb ten stał się powszechny podczas wiercenia otworów w cienkich metalach i materiałach niemetalowych. Jednak przy wierceniu otworów w grubych materiałach preferowane są pojedyncze impulsy o wysokiej energii. Diafragmentacja wiązki lasera umożliwia uzyskanie ukształtowanych otworów, jednak metoda ta jest coraz częściej stosowana przy obróbce cienkich folii i materiałów niemetalicznych. W przypadku, gdy wiercenie laserowe przeprowadza się w cienkich blachach o grubości mniejszej niż 0,5 mm, istnieje pewne ujednolicenie procesu, polegające na tym, że otwory o średnicy od 0,001 do 0,2 mm można wykonywać we wszystkich metalach przy stosunkowo małe moce.
Wiercenie otworów w metalu można zastosować w wielu przypadkach. Tym samym za pomocą laserów impulsowych można przeprowadzić dynamiczne wyważanie części obracających się z dużą prędkością. Nierównowaga jest wybierana poprzez miejscowe stopienie określonej objętości materiału. Lasera można również używać do mocowania elementów elektronicznych poprzez lokalne odparowanie materiału lub przez ogólne ogrzewanie. Wysoka gęstość mocy, mały rozmiar plamki i krótki czas trwania impulsu sprawiają, że laser jest idealnym narzędziem do tych celów.
Lasery stosowane do wiercenia otworów w metalu muszą zapewniać gęstość mocy rzędu 107 - 108 W/cm2 w skupionej wiązce. Wiercenie otworów wiertłami do metalu o średnicy mniejszej niż 0,25 mm jest trudnym zadaniem praktycznym, natomiast wiercenie laserowe pozwala na uzyskanie otworów o średnicy proporcjonalnej do długości fali promieniowania z dość dużą dokładnością pozycjonowania. Specjaliści z General Electric (USA) obliczyli, że wiercenie laserowe otworów jest wysoce konkurencyjne ekonomicznie w porównaniu z obróbką wiązką elektronów. Obecnie do wiercenia otworów wykorzystuje się głównie lasery na ciele stałym. Zapewniają częstotliwość powtarzania impulsów do 1000 Hz i moc w trybie ciągłym od 1 do 103 W, w trybie impulsowym – do setek kilowatów, a w trybie Q-switch – do kilku megawatów. Niektóre wyniki obróbki takimi laserami podano w tabeli. 3.
Tabela 3.
| Metal | Grubość, mm | Średnica otworu, mm | Czas trwania wiercenie |
Energia lasera, J |
|
| wejście | dzień wolny | ||||
| Stal nierdzewna | 0,65 0,9 1,78 |
0,25 0,5 0,3 |
0,15 0,25 0,22 |
10 impulsów 2,35 0,8 |
0,15 0,25 16,0 |
| Stal niklowa | 0,5 | 0,2 | 0,15 | 2,0 | 3,3 |
| Wolfram | 0,5 1,6 |
0,2 0,35 |
0,2 0,2 |
2,1 1,8 |
4,0 2,1 |
| Magnez | 1,6 0,5 |
0,4 0,25 |
0,3 0,2 |
2,0 2,0 |
3,3 3,3 |
| Molibden | 0,5 0,8 |
0,25 0,2 |
0,25 0,2 |
2,35 2,25 |
5,9 4,9 |
| Miedź | 1,6 | 0,3 | 0,15 | 2,35 | 5,9 |
| Tantal | 1,6 | 0,3 | 0,1 | 2,42 | 8,0 |
Spawanie laserowe miało dwa etapy swojego rozwoju. Początkowo opracowano zgrzewanie punktowe. Wyjaśniono to dostępnością w tamtym czasie potężnych impulsowych laserów na ciele stałym. Obecnie, dzięki dostępności potężnych laserów gazowych CO2 i Nd:YAG na ciele stałym, które zapewniają promieniowanie ciągłe i impulsowe, możliwe jest spawanie spoinami o głębokości penetracji dochodzącej do kilku milimetrów. Spawanie laserowe ma szereg zalet w porównaniu do innych rodzajów spawania. W obecności dużej gęstości strumienia świetlnego i układu optycznego możliwa jest lokalna penetracja w danym punkcie z dużą dokładnością. Ta okoliczność umożliwia spawanie materiałów w trudno dostępnych miejscach, w komorze próżniowej lub wypełnionej gazem, jeśli posiada ona okna przezroczyste dla promieniowania laserowego. Szczególnie praktyczne jest spawanie elementów mikroelektronicznych w komorze z atmosferą gazu obojętnego, ponieważ w tym przypadku nie zachodzą reakcje utleniania.
Spawanie części odbywa się przy znacznie niższych gęstościach mocy niż cięcie. Tłumaczy się to tym, że spawanie wymaga jedynie podgrzania i stopienia materiału, czyli wymagane są gęstości mocy, które są wciąż niewystarczające do intensywnego parowania (105-106 W/cm2), przy czasie trwania impulsu około 10-3-10 -4 s. Ponieważ promieniowanie laserowe skupione na obrabianym materiale jest powierzchniowym źródłem ciepła, ciepło przekazywane jest w głąb spawanych części na skutek przewodnictwa cieplnego, a strefa wtopienia zmienia się w czasie przy odpowiednio dobranym trybie spawania. W przypadku niewystarczających gęstości mocy dochodzi do braku penetracji strefy spawania, a przy dużych gęstościach mocy obserwuje się parowanie metalu i powstawanie dziur.
Spawanie można wykonać na wycinarce laserowej gazowej przy niższych mocach i przy zastosowaniu słabego wtrysku gazu obojętnego do strefy spawania. Przy mocy lasera CO2 około 200 W możliwe jest spawanie stali o grubości do 0,8 mm z prędkością 0,12 m/min; Jakość szwu nie jest gorsza niż w przypadku obróbki wiązką elektronów. Spawanie wiązką elektronów charakteryzuje się nieco większymi prędkościami spawania, ale odbywa się w komorze próżniowej, co stwarza duże niedogodności i wymaga znacznych całkowitych kosztów czasu.
W tabeli Na rys. 4 przedstawiono dane dotyczące zgrzewania doczołowego laserem CO2 o mocy 250 W różnych materiałów.
Tabela 4. Przy innych mocach promieniowania lasera CO2 uzyskano dane dotyczące zgrzewania szwu podane w tabeli 1. 5. Podczas spawania zakładkowego, końcowego i narożnego uzyskano prędkości zbliżone do podanych w tabeli, przy całkowitym wtopieniu spawanego materiału w obszarze działania belki.
Tabela 5. Systemy spawania laserowego umożliwiają spawanie różnych metali przy minimalnych efektach cieplnych ze względu na mały rozmiar plamki lasera oraz spawanie cienkich drutów o średnicy mniejszej niż 20 mikronów w trybie drut z drutem lub drut z blachą konfiguracja.
Cięcie materiałów niemetalowych
Wiązkę lasera stosuje się z dużym powodzeniem do cięcia materiałów niemetalowych, takich jak tworzywa sztuczne, włókno szklane, kompozyty borowe i węglowe, ceramika, guma, drewno, azbest, materiały tekstylne itp. Ten zakres materiałów z reguły ma mniej dyfuzyjność cieplną niż metale, dlatego też zapotrzebowanie energii właściwej na proces cięcia jest znacznie mniejsze. Dlatego progowa gęstość strumienia wymagana do rozpoczęcia cięcia niemetali zależy tylko w niewielkim stopniu od grubości blachy.
Do cięcia materiałów niemetalowych, a także metali, stosuje się głównie lasery o fali ciągłej YAG i CO2. Aby zwiększyć wydajność cięcia, do strefy cięcia wdmuchuje się gaz aktywny lub neutralny, który wydmuchuje odparowane frakcje kropel i chłodzi lokalnie obrabiany obszar, umożliwiając cięcie materiałów z niewielkim zwęglaniem i topieniem.
W procesie HLR dielektryków decydującą rolę w ich zniszczeniu odgrywa wydmuch ze strefy cięcia drobno rozproszonych i kropelkowych frakcji powstałych pod wpływem termicznego promieniowania laserowego. Wyjątkiem są materiały na bazie żywic fenolowo-formaldehydowych: tekstolit, włókno szklane itp. Tego typu materiał pod wpływem promieniowania laserowego zamienia się w lepką spiekaną masę, którą trudno usunąć z cięcia strumieniem gazu: duże koszty energii są potrzebne do odparowania produktów zniszczenia.
Cięcie laserem gazowym pozwala uzyskać czyste cięcie dielektryków o dobrej jakości krawędzi cięcia. Jednocześnie po stronie wejściowej belki krawędź ma lepszą jakość, a po stronie wyjściowej obserwuje się pewne przetopienie. Cięcie materiału organicznego o dużej grubości ma interesującą cechę; Szerokość wyjściowa cięcia jest znacznie mniejsza, niż można by się spodziewać na podstawie geometrycznej rozbieżności wiązki generowanej przez optykę ogniskującą.
Jeśli moc lasera jest wystarczająca, można przeprowadzić proces HLR szkła i kwarcu. Jednocześnie jakość cięcia jest wysoka, ale po stronie wyjściowej i wejściowej belki krawędzie są lekko stopione.
Świetne perspektywy otwierają się przy użyciu GLR do cięcia tekstyliów. Dostępne wyniki badań eksperymentalnych cięcia zarówno pojedynczych warstw, jak i posadzek wielowarstwowych pokazują, że w każdym konkretnym przypadku istnieją tryby pracy laserów i prędkości ruchu obrabianego materiału, przy których uzyskuje się cięcie o wysokiej jakości bez przypalania.
W tabeli Rysunek 6 przedstawia wyniki cięcia niektórych materiałów dielektrycznych za pomocą lasera CO2.
Tabela 6. Wiercenie materiałów niemetalowych
Wiercenie otworów jest jednym z pierwszych obszarów technologii laserowej. Po pierwsze, wypalając dziury w różnych materiałach, eksperymentatorzy wykorzystali je do oszacowania energii promieniowania impulsów laserowych. Obecnie proces wiercenia laserowego staje się samodzielnym kierunkiem technologii laserowej. Do materiałów, które można wiercić za pomocą wiązki lasera zaliczają się niemetale takie jak diamenty, kamienie rubinowe, ferryty, ceramika itp., w których wiercenie otworów konwencjonalnymi metodami jest trudne lub nieskuteczne. Za pomocą wiązki lasera można wiercić otwory o różnych średnicach. Do tej operacji stosowane są dwie poniższe metody. W pierwszej metodzie wiązka lasera porusza się po zadanym konturze, a kształt otworu wyznacza trajektoria jej względnego ruchu. Tutaj zachodzi proces cięcia, podczas którego źródło ciepła porusza się z określoną prędkością w danym kierunku: w tym przypadku z reguły stosuje się lasery o fali ciągłej, a także impulsowe, działające ze zwiększoną powtarzalnością impulsów wskaźnik.
W drugiej metodzie, zwanej projekcją, obrobiony otwór przyjmuje kształt wiązki lasera, której za pomocą układu optycznego można nadać dowolny przekrój. Metoda rzutowa wiercenia otworów ma pewne zalety w stosunku do pierwszej. Jeśli więc na drodze wiązki umieścimy przesłonę (maskę), to w ten sposób można odciąć jej część obwodową i uzyskać w miarę równomierny rozkład natężenia w przekroju poprzecznym wiązki. Dzięki temu granica napromienianej strefy staje się ostrzejsza, zmniejsza się zbieżność otworu i poprawia się jakość.
Istnieje szereg technik, które pozwalają dodatkowo wybrać część roztopionego materiału z obrabianego otworu. Jednym z nich jest wytworzenie nadciśnienia za pomocą sprężonego powietrza lub innych gazów, które dostarczane są do strefy wiercenia za pomocą dyszy współosiowej z promieniowaniem laserowym. Metodą tą wiercono otwory o średnicy 0,05-0,5 mm w płytach ceramicznych o grubości do 2,5 mm za pomocą lasera CO2 pracującego w trybie ciągłym.
Wiercenie otworów w twardej ceramice jest trudnym zadaniem: konwencjonalna metoda wymaga narzędzia diamentowego, podczas gdy inne istniejące metody mają trudności związane z wielkością otworu o średnicy równej dziesiątych części milimetra. Trudności te są szczególnie zauważalne, gdy grubość obrabianej blachy jest większa niż średnica otworu. Stosunek głębokości otworu (grubości materiału) do jego średnicy jest miarą jakości wykonania cienkich otworów; wynosi 2:1 w przypadku wiercenia konwencjonalnego i około 4:1 w przypadku metody ultradźwiękowej stosowanej podczas wiercenia w ceramice i innych materiałach ogniotrwałych.
Laserowa metoda wiercenia tej klasy materiałów pozwala uzyskać lepszy współczynnik przy bardzo dużej dokładności wykonania otworu i stosunkowo krótszym czasie. Tak więc, podczas wiercenia laserowego polikrystalicznej ceramiki z tlenku glinu o dużej gęstości, laser rubinowy o energii impulsu 1,4 J skupia soczewkę o ogniskowej 25 mm na powierzchni dysku i zapewnia gęstość mocy około 4 Zastosowano -106 W/cm2. Do wywiercenia krążka ceramicznego o grubości 3,2 mm potrzeba było średnio 40 impulsów z częstotliwością powtarzania 1 Hz. Czas trwania impulsu lasera wynosił 0,5 ms. Powstałe otwory zwężały się o średnicy około 0,5 mm na wlocie i 0,1 mm na wylocie. Można zauważyć, że stosunek głębokości do średniej średnicy otworu wynosi około 11:1, czyli jest znacznie większy niż podobny stosunek dla innych metod wiercenia otworów. W przypadku prostych materiałów stosunek ten podczas wiercenia laserowego może wynosić 50:1.
Do usunięcia produktów spalania i fazy ciekłej ze strefy wiercenia stosuje się przedmuch powietrzem lub innymi gazami. Efektywniejsze przedmuchiwanie produktów następuje w przypadku połączenia przedmuchu od przedniej strony i podciśnienia od tylnej strony próbki. Podobny schemat zastosowano do wiercenia otworów w ceramice o grubości do 5 mm. Jednak skuteczne usunięcie fazy ciekłej w tym przypadku następuje dopiero po utworzeniu otworu przelotowego.
W tabeli Na rysunku 7 przedstawiono parametry otworów w niektórych materiałach niemetalowych oraz sposoby ich obróbki.
Tabela 7.
| Materiał | Parametry otworu | Tryb przetwarzania | |||||
| Średnica, mm | Głębokość, mm | Stosunek głębokości do średnicy | Energia, j | Czas trwania impulsu x10-4, s. 10-4 |
Gęstość strumienia, W/cm2 | Liczba impulsów na | |
Technologie laserowe mogą odgrywać coraz większą rolę w przemysłowej obróbce materiałów. Z powodzeniem wykonują cięcie, spawanie, wiercenie, termiczną obróbkę powierzchni, trasowanie i inne operacje. Zaletami tego są wyższa produktywność, doskonała jakość, wyjątkowość operacji wykonywanych w trudno dostępnych miejscach lub na bardzo małych powierzchniach. Automatyczne systemy pozycjonowania i ogniskowania kompleksów laserowych jeszcze bardziej usprawniają ich zastosowanie, a łatwość obsługi stwarza warunki do ich szerokiego wdrożenia w procesach produkcyjnych
S.N. Kołpakow, A.A. Do przyjęcia,
Alt Laser LLC, Charków
Obecnie laser z powodzeniem wykonuje szereg operacji technologicznych, przede wszystkim takich jak cięcie, spawanie, wiercenie otworu, obróbka cieplna powierzchni, trasowanie, znakowanie, grawerowanie itp., a w niektórych przypadkach zapewnia przewagę nad innymi rodzajami obróbki. Dzięki temu wiercenie otworów w materiałach można wykonać szybciej, a trasowanie różnych materiałów jest bardziej zaawansowane. Ponadto niektóre rodzaje operacji, które wcześniej były niemożliwe ze względu na zwiększoną pracochłonność, są wykonywane z dużym sukcesem. Na przykład spawanie materiałów i wiercenie otworów można przeprowadzić przez szkło w próżni lub atmosferze różnych gazów
Przemysłowa obróbka materiałów stała się jednym z obszarów najpowszechniejszego zastosowania laserów. Przed pojawieniem się laserów głównymi źródłami ciepła do obróbki były palnik gazowy, wyładowanie łuku elektrycznego, łuk plazmowy i wiązka elektronów. Wraz z pojawieniem się laserów emitujących dużą energię, stało się możliwe wytwarzanie dużych gęstości strumienia świetlnego na obrabianej powierzchni. Rolą laserów jako źródeł światła, pracujących w trybie ciągłym, impulsowym lub gigantycznym impulsie, jest zapewnienie na powierzchni obrabianego materiału gęstości mocy wystarczającej do jego ogrzania, stopienia lub odparowania, co jest podstawą technologii laserowej.
Obecnie laser z powodzeniem wykonuje szereg operacji technologicznych, przede wszystkim takich jak cięcie, spawanie, wiercenie otworów, obróbka cieplna powierzchni, trasowanie, znakowanie, grawerowanie itp., a w niektórych przypadkach zapewnia przewagę nad innymi rodzajami obróbki. Dzięki temu wiercenie otworów w materiałach można wykonać szybciej, a trasowanie różnych materiałów jest bardziej zaawansowane. Ponadto z dużym sukcesem realizowane są niektóre rodzaje operacji, które wcześniej były niemożliwe do wykonania ze względu na trudną dostępność. Na przykład spawanie materiałów i wiercenie otworów można wykonać przez szkło w próżni lub atmosferze różnych gazów.
Słowo „laser” składa się z pierwszych liter angielskiego wyrażenia Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, które w języku rosyjskim oznacza: wzmocnienie światła poprzez emisję wymuszoną . Klasycznie zdarzało się, że opisując technologie laserowe do obróbki materiałów, główną uwagę zwracano jedynie na same lasery, zasadę ich działania i parametry techniczne. Jednakże w celu realizacji dowolnego procesu laserowej obróbki wymiarowej materiałów, oprócz lasera, należy zastosować układ ogniskowania wiązki, urządzenie do sterowania ruchem wiązki po powierzchni przedmiotu obrabianego lub urządzenie do przesuwania produktu względem wiązka, układ wtrysku gazu, systemy naprowadzania i pozycjonowania optycznego oraz oprogramowanie sterujące to także potrzebne procesy cięcia laserowego, grawerowania itp. W większości przypadków nie mniej istotny jest dobór parametrów urządzeń i systemów bezpośrednio obsługujących laser niż parametry samego lasera. Na przykład w przypadku znakowania łożysk o średnicy mniejszej niż 10 mm lub precyzyjnego zgrzewania laserowego, czas poświęcony na pozycjonowanie i ogniskowanie produktu jest o jeden do dwóch rzędów większy od czasu grawerowania lub spawania (czas potrzebny na oznaczenie łożyska wynosi około 0,5 s). Dlatego bez zastosowania automatycznych systemów pozycjonowania i ogniskowania zastosowanie kompleksów laserowych w wielu przypadkach staje się ekonomicznie niepraktyczne. Analogia systemów laserowych do samochodów pokazuje, że laser pełni funkcję silnika. Bez względu na to, jak dobry jest silnik, samochód nie ruszy bez kół i wszystkiego innego.
Kolejnym ważnym czynnikiem przy wyborze systemów technologii laserowej jest łatwość ich konserwacji. Jak pokazuje praktyka, operatorzy mają niskie kwalifikacje do obsługi tego typu urządzeń. Jednym z powodów jest to, że systemy laserowe instalowane są w większości przypadków w celu zastąpienia przestarzałych procesów technologicznych (znakowanie udarowe i chemiczne wyrobów, grawerowanie mechaniczne, spawanie ręczne, znakowanie ręczne itp.). Menedżerowie przedsiębiorstw, którzy z reguły modernizują swoją produkcję ze względów etycznych, wymieniając stary sprzęt na nowy, pozostawiają stary (dosłownie i w przenośni) personel serwisowy. Dlatego też, aby wprowadzić do produkcji laserowe systemy technologiczne w danych początkowych warunkach ich rozwoju (w republikach poradzieckich), konieczne jest zapewnienie możliwie najwyższego poziomu automatyzacji i łatwości szkolenia. Nie powinniśmy ignorować faktu, że wynagrodzenie niewykwalifikowanego personelu jest niższe niż wynagrodzenie przeszkolonego specjalisty. Dlatego bardziej opłacalne ekonomicznie jest kupowanie złożonego sprzętu z możliwością łatwej konserwacji niż zapraszanie wysoko wykwalifikowanego personelu.
Zatem zadanie wykorzystania technologii laserowych w nowoczesnej produkcji należy rozpatrywać nie tylko z punktu widzenia parametrów technicznych samego lasera, ale także biorąc pod uwagę charakterystykę sprzętu i oprogramowania, które pozwalają na wykorzystanie specyficznej specyfiki lasera. właściwości lasera do rozwiązania konkretnego problemu technologicznego.
Każdy system laserowy przeznaczony do obróbki wymiarowej materiałów charakteryzuje się następującymi parametrami:
- szybkość obróbki (cięcie, grawerowanie itp.);
- rezolucja;
- dokładność przetwarzania;
- wielkość pola roboczego;
- asortyment materiałów do obróbki (metale żelazne, metale nieżelazne, drewno, tworzywa sztuczne itp.);
- zakres rozmiarów i mas produktów przeznaczonych do przetworzenia;
- konfiguracja produktu (np. grawer na powierzchniach płaskich, cylindrycznych, falistych);
- czas niezbędny na zmianę realizowanych zadań (zmiana wzoru graweru, konfiguracji linii cięcia, zmiana materiału do obróbki itp.);
- czas instalacji i umiejscowienia produktu;
- parametry warunków środowiskowych (zakres temperatur, wilgotność, zapylenie), w jakich system może pracować;
- wymagania dotyczące kwalifikacji personelu obsługującego.
Na podstawie tych parametrów dobiera się rodzaj urządzenia skanującego laserowo i wiązkowo, opracowuje się projekt elementu złącznego produktu, opracowuje poziom automatyzacji całego systemu, omawia kwestię konieczności pisania specjalistycznych programów do sporządzania rysunków ustalane są pilniki, linie cięcia itp.
Głównymi cechami technicznymi decydującymi o charakterze obróbki są parametry energetyczne lasera – energia, moc, gęstość energii, czas trwania impulsu, przestrzenne i czasowe struktury promieniowania, przestrzenny rozkład gęstości mocy promieniowania w punkcie ogniskowania, warunki ogniskowania, właściwości fizyczne materiału (odbicie światła, właściwości termofizyczne, temperatura topnienia itp.).
Wiercenie laserowe otworów w metalach
Stosowanie lasera jako narzędzia wiertniczego ma zalety.
Nie dochodzi do mechanicznego kontaktu narzędzia wiertniczego z materiałem, a także do pękania i zużycia wierteł.
Zwiększa się dokładność rozmieszczenia otworów, ponieważ optyka skupiająca wiązkę lasera służy jednocześnie do skierowania jej w wymagany punkt. Otwory mogą być zorientowane w dowolnym kierunku.
Uzyskuje się większy stosunek głębokości do średnicy wiercenia niż w przypadku innych metod wiercenia.
Zarówno podczas wiercenia, jak i cięcia właściwości obrabianego materiału w istotny sposób wpływają na parametry lasera wymagane do wykonania operacji. Wiercenie przeprowadza się laserami impulsowymi pracującymi zarówno w trybie swobodnym o czasie trwania impulsu około 1 μs, jak i w trybie Q-switch o czasie trwania kilkudziesięciu nanosekund. W obu przypadkach dochodzi do oddziaływania termicznego na materiał, jego topnienia i parowania. Głębokość otworu rośnie głównie w wyniku parowania, a średnica - w wyniku topnienia ścian i przepływu cieczy pod wytworzonym nadmiernym ciśnieniem pary.
Zazwyczaj głębokie otwory o pożądanej średnicy uzyskuje się za pomocą powtarzalnych impulsów laserowych o niskiej energii. W tym przypadku powstają otwory o mniejszym stożku i lepszej jakości niż otwory uzyskane przy wyższej energii pojedynczego impulsu. Wyjątkiem są materiały zawierające pierwiastki zdolne do wytworzenia wysokiego ciśnienia pary. Zatem mosiądz jest bardzo trudny do spawania pulsacyjnym promieniowaniem lasera ze względu na dużą zawartość cynku, jednak podczas wiercenia mosiądz ma pewne zalety, ponieważ atomy cynku znacznie poprawiają mechanizm parowania.
Ponieważ tryb wielopulsowy umożliwia uzyskanie otworów lepszej jakości o wymaganej geometrii i niewielkim odchyleniu od określonych wymiarów, w praktyce tryb ten stał się powszechny podczas wiercenia otworów w cienkich metalach i materiałach niemetalowych. Jednak przy wierceniu otworów w grubych materiałach preferowane są pojedyncze impulsy o wysokiej energii. Diafragmentacja wiązki lasera umożliwia uzyskanie ukształtowanych otworów, jednak metoda ta jest coraz częściej stosowana przy obróbce cienkich folii i materiałów niemetalicznych. W przypadku, gdy wiercenie laserowe przeprowadza się w cienkich blachach o grubości mniejszej niż 0,5 mm, istnieje pewne ujednolicenie procesu, polegające na tym, że otwory o średnicy od 0,001 do 0,2 mm można wykonywać we wszystkich metalach przy stosunkowo małe moce.
Wiercenie otworów w metalu można zastosować w wielu przypadkach. Tym samym za pomocą laserów impulsowych można przeprowadzić dynamiczne wyważanie części obracających się z dużą prędkością. Nierównowaga jest wybierana poprzez miejscowe stopienie określonej objętości materiału. Lasera można również używać do mocowania elementów elektronicznych poprzez lokalne odparowanie materiału lub przez ogólne ogrzewanie. Wysoka gęstość mocy, mały rozmiar plamki i krótki czas trwania impulsu sprawiają, że laser jest idealnym narzędziem do tych celów.
Lasery stosowane do wiercenia otworów w metalu muszą zapewniać gęstość mocy rzędu 10 7 -10 8 W/cm 2 w skupionej wiązce. Wiercenie otworów wiertłami do metalu o średnicy mniejszej niż 0,25 mm jest trudnym zadaniem praktycznym, natomiast wiercenie laserowe pozwala na uzyskanie otworów o średnicy proporcjonalnej do długości fali promieniowania z dość dużą dokładnością pozycjonowania. Specjaliści z General Electric (USA) obliczyli, że wiercenie laserowe otworów jest wysoce konkurencyjne ekonomicznie w porównaniu z obróbką wiązką elektronów (tabela 1). Obecnie do wiercenia otworów wykorzystuje się głównie lasery na ciele stałym. Zapewniają częstotliwość powtarzania impulsów do 1000 Hz i moc w trybie ciągłym od 1 do 10 3 W, w trybie impulsowym - do setek kilowatów, a w trybie Q-switch - do kilku megawatów. Niektóre wyniki obróbki takimi laserami podano w tabeli. 2.
Spawanie laserowe metali
Spawanie laserowe miało dwa etapy swojego rozwoju. Początkowo opracowano zgrzewanie punktowe. Wyjaśniono to dostępnością w tamtym czasie potężnych impulsowych laserów na ciele stałym. Obecnie, dzięki dostępności potężnych laserów gazowych CO 2 i półprzewodnikowych Nd:YAG, które zapewniają promieniowanie ciągłe i impulsowo-ciągłe, możliwe jest spawanie spoinami z głębokością penetracji do kilku milimetrów. Spawanie laserowe ma szereg zalet w porównaniu do innych rodzajów spawania. W obecności dużej gęstości strumienia świetlnego i układu optycznego możliwa jest lokalna penetracja w danym punkcie z dużą dokładnością. Ta okoliczność umożliwia spawanie materiałów w trudno dostępnych miejscach, w komorze próżniowej lub wypełnionej gazem, jeśli posiada ona okna przezroczyste dla promieniowania laserowego. Szczególnie praktyczne jest spawanie elementów mikroelektronicznych w komorze z atmosferą gazu obojętnego, ponieważ w tym przypadku nie zachodzą reakcje utleniania.
Spawanie części odbywa się przy znacznie niższych gęstościach mocy niż cięcie. Wyjaśnia to fakt, że spawanie wymaga jedynie podgrzania i stopienia materiału, tj. wymagane są gęstości mocy, które są wciąż niewystarczające do intensywnego parowania (10 5 -10 6 W/cm 2), przy czasie trwania impulsu około 10 - 3 -10 -4 Z. Ponieważ promieniowanie laserowe skupione na obrabianym materiale jest powierzchniowym źródłem ciepła, ciepło oddawane jest w głąb spawanych elementów na skutek przewodnictwa cieplnego, a strefa wtopienia zmienia się w czasie przy odpowiednio dobranym trybie spawania. W przypadku niewystarczających gęstości mocy dochodzi do braku penetracji strefy spawania, a przy dużych gęstościach mocy obserwuje się parowanie metalu i powstawanie dziur.
Spawanie można wykonać na wycinarce laserowej gazowej przy niższych mocach i przy zastosowaniu słabego wtrysku gazu obojętnego do strefy spawania. Przy mocy lasera CO 2 wynoszącej około 200 W możliwe jest spawanie stali o grubości do 0,8 mm z prędkością 0,12 m/min; Jakość szwu nie jest gorsza niż w przypadku obróbki wiązką elektronów. Spawanie wiązką elektronów charakteryzuje się nieco większymi prędkościami spawania, ale odbywa się w komorze próżniowej, co stwarza duże niedogodności i wymaga znacznych całkowitych kosztów czasu.
W tabeli Na rycinie 3 przedstawiono dane dotyczące zgrzewania doczołowego laserem CO 2 o mocy 250 W różnych materiałów.
Przy innych mocach promieniowania lasera CO 2 uzyskano parametry zgrzewania szwu podane w tabeli 1. 4. Podczas spawania zakładkowego, końcowego i narożnego uzyskano prędkości zbliżone do podanych w tabeli, przy całkowitym wtopieniu spawanego materiału w obszarze działania belki.
Systemy spawania laserowego umożliwiają spawanie różnych metali, wytwarzając minimalne efekty termiczne ze względu na mały rozmiar plamki lasera, a także spawanie cienkich drutów o średnicy mniejszej niż 20 mikronów w konfiguracji drut-drut lub drut-arkusz.
Literatura
1. Krylov K.I., Prokopenko V.T., Mitrofanov A.S. Zastosowanie laserów w budowie maszyn i budowie przyrządów. — L.: Inżynieria mechaniczna. Leningr. wydział, 1978. - 336 s.
2. Rykalin N.N. Laserowa obróbka materiałów. - M., Inżynieria mechaniczna, 1975. - 296 s.
Jednym z kierunków rozwoju produkcji silników lotniczych jest podwyższanie temperatury gazów przed turbiną. Jednocześnie jednak następuje wzrost naprężeń termomechanicznych łopatek turbin gazowych i w konsekwencji dalsze skomplikowanie ich konstrukcji. Niezawodność i żywotność silników turbinowych, a co za tym idzie, bezpieczeństwo lotu, w dużej mierze zależą od niezawodności tych elementów silnika. Problem ten można rozwiązać jedynie poprzez opracowanie i wprowadzenie jakościowo nowych technologii, w tym wszycie otworów chłodzących w łopatkach. W tym przypadku, aby uniknąć gorących punktów na powierzchni ostrzy, gęstość otworów powinna wynosić do ~200 otworów/cm². Ponadto złożona struktura wysokotemperaturowego krystalicznego stopu niklu, takiego jak CMSX4, wymaga procesu wiercenia, który nie zmienia jego osnowy.
Wiercenie otworów zapewniających kanały chłodzące elementy silników turbinowych jest jednym z najczęstszych procesów obróbki laserowej. Wciąż jednak nie ma systemów laserowych, które umożliwiłyby efektywne wiercenie wielkoformatowych mikrootworów o średnicy 100–500 µm i głębokości TЈ 56 mm z małą wartością strefy przegrzania (gdzie a » 1cm 2 /s).
W przypadku konwencjonalnego wiercenia laserowego (impulsy w zakresie milisekundowym t chochlik?0,5 ms, gęstość mocy ~10 6 W/cm 2) na powierzchni otworu tworzy się przetopiona warstwa H (Ryż. 1) o grubości ponad 50 mikronów, w których na skutek szybkiego krzepnięcia tworzą się mikropęknięcia, skracające żywotność części.
Problem ten można rozwiązać stosując krótkie nanosekundowe impulsy o dużej gęstości mocy (10 8 10 9 W/cm 2) i krótszej długości fali (wyższy próg absorpcji promieniowania w plazmie). Przetopiona warstwa ulega znacznemu zmniejszeniu, ponieważ usuwanie materiału odbywa się głównie w fazie gazowej. Dla impulsów trwających 10,8 s, progowa gęstość energii dla szybkiego usunięcia materiału wynosi ~10 J/cm 2 przy prędkości ablacji Vćwiczenia ? 1 µm/impuls. Jednakże, gdy grubość materiału wzrasta powyżej 1 mm, szybkość ablacji znacznie spada ( Vćwiczenia? 0,1 µm/impuls) ( Ryż. 2). Zwiększenie gęstości energii o więcej niż rząd wielkości tylko nieznacznie zwiększa szybkość ablacji.
Jednym z mechanizmów ograniczających szybkość ablacji jest absorpcja i rozpraszanie promieniowania laserowego w plazmie, parach metali i kropelkach stopu. Kolejnym czynnikiem ograniczającym jest silniejsze tłumienie promieniowania laserowego wewnątrz głębokiego kanału przez jednowymiarowo rozszerzającą się plazmę, w przeciwieństwie do dwuwymiarowego przypadku powierzchniowego. W rezultacie minimalna gęstość energii wymagana do przewiercenia próbki o grubości ~0,4 mm wzrasta do 30 J/cm 2 , a dla próbki o grubości ~0,9 mm do 100 J/cm 2 . Laser Nd:YAG o wysokiej częstotliwości (30 W, 10 kHz, 15 ns) potrzebuje kilku sekund przy gęstości energii ~500 J/cm2, aby wywiercić otwór F<30 мкм в 1,5 мм жаропрочном сплаве Inconel 718. При этом благодаря практически квазинепрерывной абляции наблюдается формирование значительного переплавленного слоя на боковых стенках отверстий и микротрещин, которые распространяются в основной материал, уменьшая ресурс детали. К тому же конусность отверстия может достигать значений 510 о (обычно конусность отверстия при сверлении Nd:YAG лазером оценивается как 0,02 T, Gdzie T grubość metalu w mm).
Wiercenie głębokich otworów o średnicy 150–350 μm w łopatkach turbin przy tej samej wydajności ablacji wymaga energii impulsów już ~50100 mJ i odpowiednio kW średniej mocy lasera w trybie TEM 00. Inne podejście – wiercenie trepanacyjne – jest o rząd wielkości dłuższe (czas jest porównywalny z wierceniem elektroerozyjnym), chociaż wymaga słabszej mocy lasera.
Zestaw doświadczalny
Rozwiązaniem problemu wiercenia głębokich mikrootworów wydaje się zastosowanie ciągów impulsów o stosunkowo długich (300500 ns) impulsach (czas trwania ciągu wynosi kilka milisekund z odstępem między nimi wynoszącym 20 µs), z dodatkowym profilowaniem ich intensywność podczas procesu wiercenia. Po pierwsze, stosunkowo długi czas trwania impulsu pozwala na obróbkę materiału z gęstością energii o ponad rząd wielkości większą niż gęstość energii dla impulsów o czasie trwania 1015 ns (przy tej samej intensywności), a co za tym idzie, wiercenie ma mniejsze znaczenie dla grubości materiału. Po drugie, istnieje możliwość zwiększenia energii impulsu w kierunku końca stosu (profilowanie) w celu zwiększenia efektywności usuwania odparowanego materiału. Po trzecie, stosując impulsy impulsowe, można obniżyć średnią moc lasera do 1020 W, a tym samym znacząco obniżyć jego koszt.
Instalacja laserowa do wiercenia mikrootworów o dużych wymiarach składa się z oscylatora głównego i dwuprzepustowego wzmacniacza Nd:YAG ( Ryż. 3). Oscylator główny to pompowany w sposób ciągły laser Nd:YAG z przesłoną akustyczno-optyczną - generuje impulsy o długości 150-550 ns z częstotliwością powtarzania 3,5-50 kHz przy średniej mocy do 1 W. Dwuprzebiegowy wzmacniacz Nd:YAG odcina ciągły ciąg impulsów i wzmacnia serię impulsów o czasie trwania 1 x 6 ms (w zależności od głębokości otworu). Za wzmacniaczem energia impulsu osiąga 1 J. Częstotliwość powtarzania impulsów wynosi 10 Hz.
Soczewka skupiająca F=150 mm zapewnia gęstość mocy wynoszącą 10 8 W/cm 2 na powierzchni próbki dla średnicy wiązki 100 µm. Gazy pomocnicze O 2 , N 2 lub Ar (w zależności od przetwarzanego materiału) służą do wypychania stopu ze strefy technologicznej.
Wyniki i dyskusje
Wiercenie mikrootworów (Zh100 µm) przeprowadzono w stopie Ni IC10, monokrysztale Ni DD6, stalach konstrukcyjnych i nierdzewnych. NA Ryż. 4 przedstawia wyniki wiercenia mikrootworów w stopie Ni IC10 (grubość 1,6 mm) przy różnym czasie trwania impulsu (energia pojedynczego impulsu E = 18,5 mJ, częstotliwość powtarzania impulsu w pakiecie F = 30 kHz, czas trwania pakietu impulsów 0,9 ms, gęstość energii na próbce) 170 J/cm2). Dłuższy czas trwania impulsu skutkuje lepszą jakością otworu. Dla impulsów 550 ns grubość przetopionej warstwy dla większości otworów jest mniejsza niż 20 µm, a nawet 10 µm ( Ryż. 4 cale). W przypadku krótszych impulsów występuje większe zróżnicowanie grubości przetopionej warstwy. Wynik wiercenia zależy w dużej mierze od rodzaju materiału. Monokryształ Ni DD6 wykazuje odwrotny wynik w porównaniu do IC10: grubość przetopionej warstwy otworów wykonanych w DD6 z O 2 jest znacznie mniejsza niż w przypadku otworów wykonanych bez gazu.
Tabela 1
przedstawiono wyniki prędkości wiercenia otworów w materiale IC10 impulsami o różnej częstotliwości powtarzania w pakiecie (energia impulsu 18,5 mJ).
Jak widać z Tabela 1, wydajność wiercenia wzrasta wraz ze wzrostem czasu trwania impulsu. Przy częstotliwości powtarzania impulsów >30 kHz zwiększa się absorpcja i rozpraszanie promieniowania laserowego w pióropuszu plazmy, co zmniejsza wydajność wiercenia. Zgodnie z oczekiwaniami wzrost współczynnika kształtu prowadzi do gwałtownego spadku szybkości ablacji, ponieważ rozpraszanie promieniowania laserowego wzrasta wraz ze wzrostem głębokości otworu. Na większej głębokości i przy częstotliwości powtarzania impulsów w serii<30 кГц (граничная частота сильного поглощения излучения плазмой) плазма перестает подогревать расплав и большее его количество не удаляется, а застывает на боковых стенках отверстий.
Zbieżność otworu zależy również od częstotliwości powtarzania impulsów w pakiecie. Dla częstotliwości powtarzania impulsów wynoszącej 50 kHz różnica między średnicą otworu wejściowego i wyjściowego nie przekracza 10%, ale jednocześnie uzyskujemy spadek prędkości ablacji, a co za tym idzie i wydajności wiercenia.
ilustruje zależność efektywności wiercenia mikrootworów od ich głębokości. Badania przeprowadzono na próbkach wykonanych ze stali konstrukcyjnej i nierdzewnej o grubości do 5 mm. Szybkość ablacji, a co za tym idzie skuteczność wiercenia mikrootworów, gwałtownie maleje wraz ze wzrostem grubości próbki do ponad 2 mm ( Ryż. 5 B). W zmniejszaniu prędkości wiercenia wraz z grubością kluczową rolę odgrywa plazma i odbicie promieniowania laserowego od ścian bocznych. Jednak skuteczność wiercenia w tym przypadku jest o ponad dwa rzędy wielkości większa niż skuteczność wiercenia krótkimi impulsami 1015 ns o tej samej intensywności.
Poprawa geometrii mikrootworów
Dalsze zwiększenie wydajności wiercenia i poprawa kształtu otworu (zmniejszenie leja na wejściu, zmniejszenie stożka) jest możliwe poprzez zaprogramowanie energii w kolejnych impulsach ( Ryż. 6) i przekształcenie profilu przestrzennego wiązki w strefie oddziaływania z Gaussa na wiązkę o równomiernym rozkładzie supergaussowskim lub nawet o minimalnym natężeniu promieniowania w środku wiązki ( Ryż. 7). Oczywiście lepiej jest używać laserów o wysokiej jakości wiązki.
Profil promieniowania przestrzennego w strefie obróbki znacząco wpływa na prędkość wiercenia i stożkowość mikrootworów oraz topologię powierzchni materiału w pobliżu otworu. Przy bezpośrednim skupieniu promieniowania (profil Gaussa) wokół otworu tworzy się znaczna kropka stopu i lejek wlotowy, a typowe kąty stożka dla NiAl o grubości 2,5 mm wynoszą 0,3 o 0,5 o. Podczas przesyłania obrazu wiązki supergaussowskiej te negatywne efekty są znacznie zmniejszone ( Ryż. 8), a zbieżność otworu wynosi? 0,25 o.
Dla próbki stali konstrukcyjnej o grubości 5 mm stwierdzono, że zbieżność wynosi 0,31 0 i 0,23 0, odpowiednio dla bezpośredniego ogniskowania i transmisji obrazu. W rzeczywistości dla częstotliwości powtarzania impulsów w impulsie 30 kHz system transmisji obrazu zmniejsza zbieżność otworu 1,52 razy (patrz także Tabela 1). Jednocześnie profil promieniowania przestrzennego praktycznie nie miał wpływu na prędkość wiercenia otworów dla próbek o grubości 1 mm i większej. Zauważalny efekt zaobserwowano jedynie przy małych grubościach 50 µm i 100 µm. W Tabela 2 Podano dane dotyczące wiercenia mikrootworów w folii.
Zatem przeniesienie obrazu do płaszczyzny wejściowej próbki jest skutecznym sposobem na zmniejszenie zbieżności otworów i zminimalizowanie lejka wejściowego ze stopioną kulką.
System ustawiania ostrości
(Rura „świetlna”)
Bardzo trudno jest utrzymać małą zbieżność otworu w przypadku próbki o dużej grubości (56 mm). Ograniczona ogniskowa soczewki ogniskującej staje się głównym problemem w uzyskaniu małej stożkowości. Możliwym rozwiązaniem byłoby zastosowanie układu ogniskującego, który transmituje zadany profil wiązki laserowej z apertury wyjściowej wzmacniacza, a następnie skupia się na próbce w postaci długiej rurki „świetlnej”, której długość może być znacznie dłuższa niż zwykła długość konfokalna obiektywu. Czy dla lasera o aperturze wyjściowej ~45 mm opracowano kompaktowy system afokalny, który tworzy „świetlną” tubę? 100 mikronów i długość? 3mm, Ryż. 9. Przyszłe eksperymenty powinny zająć się konsekwencjami tego podejścia.