WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     | 1 |   ...   | 4 | 5 || 7 | 8 |   ...   | 27 |

Срок службы технологических лазеров до замены активного элемента зависит от длительности работы осветителя излучателя лазера. Увеличение эффективности концентрации излучения на активном элементе позволяет работать при меньших электрических нагрузках осветителя, что увеличивает срок службы установки. Наиболее широкое распространение в установках с активными твердотельными элементами получили импульсные ксеноновые лампы накачки, срок службы которых от сотен тысяч до 2,5 млн вспышек.

При эксплуатации вследствие «старения» ламп интенсивность светового потока уменьшается, поэтому приходится постепенно повышать рабочее напряжение для сохранения выходных параметров генератора.

Для изменения пространственно-временных и энергетических характеристик лазерного луча применяют различные устройства управления им. Отклонение луча на необходимые углы осуществляется с помощью зеркал и призм. Если требуется быстрое отклонение луча, то механические системы колебаний и вращения зеркал и призм могут вследствие их инерционности ограничивать технологические процессы, например сканирование по построчному растру. Тогда можно использовать малоинерционные электрооптические и магнитооптические элементы или специальные электромеханические системы с приводом от вибраторов, например, на пьезоэлементах.

В лазерных процессах требуется управлять мощностью и энергией лазерного излучения. Плавную регулировку мощности от порогового значения до максимального можно выполнять, изменяя мощность накачки.

Для быстрой модуляции интенсивности излучения применяют ячейку Поккельса, содержащую одноосный кристалл, превращающийся в двуосный после приложения к нему электрического поля. Во многих лазерах ослабление интенсивности излучения достигают с помощью дополнительных поглощающих фильтров, вводимых по пути распространения потока, электрооптических модуляторов или вращающихся секторов, прерывающих поток на определенное время (достигаемое ослабление порядка 103).

Большинство технологических процессов требуют изменения начального диаметра пучка D0. С целью увеличения плотности лучистого потока его фокусируют оптическими системами, при этом в результате фокусировки диаметр луча 4 f Dф = f tg f, (2.19) Dгде f - фокусное расстояние оптической системы.

Вследствие волновой природы света даже сфокусированное до минимальных размеров изображение занимает конечный объем. Кроме того, изображение будет увеличено из-за аберраций оптической системы.

Следовательно, сфокусированное изображение несколько увеличивается как в диаметре, так и вдоль оси распространения пучка. Последнее характеризуют глубиной фокуса d:

8 f d =. (2.20) D На значение диаметра DФ влияет модовый состав излучения, для многомодового излучения наблюдается увеличение DФ.

В технологических установках с целью уменьшения диаметра сфокусированного лазерного пятна часто необходимо использовать малые фокусные расстояния f. При этом необходимо принимать меры к защите линз от продуктов выброса из зоны обработки, а малая глубина фокуса d в таких системах затрудняет проведение стабильного и воспроизводимого процесса.

2.2.2.ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА И ЗАКАЛКА Лазерная закалка без плавления поверхностного слоя Одним из перспективных процессов лазерной технологии является упрочнение поверхности конструкционных материалов и деталей различных механизмов и машин. Поверхностное упрочнение стали может быть достигнуто нагреванием до температуры, при которой происходит аустенизация, то есть образование твердого раствора карбида железа в -Fe.

Последующее быстрое охлаждение приводит к переходу к мартенситной структуре, при которой карбид железа сохраняется в растворе в -Fe. Эта фаза характеризуется повышенной твердостью. Требуемые для упрочнения скорости нагрева и охлаждения и толщины упрочненного слоя легко достигаются при лазерном нагреве быстро сканируемым расфокусированным лазерным лучом. Интенсивность излучения и скорость сканирования выбираются с учетом прогрева материала на нужную глубину, которая обычно не превышает 0,5 мм. После прекращения действия излучения происходит естественное охлаждение за счет теплопроводности. Скорости нагрева и охлаждения при этом составляют 104 град/с. Типичное значение плотности мощности при нагреве порядка 104 Вт/см2 при диаметре пучка см. Поэтому термическую обработку больших поверхностей проводят киловаттными лазерами на углекислом газе. Скорость сканирования определяется толщиной слоя упрочнения и площадью сечения пучка и составляет 1 - 10 см/с. Для предварительного расчета параметров прогретой зоны при упрочнении могут быть использованы уравнения, приведенные в разделе 2.1.

Высокая отражательная способность большинства металлов на длине волны 10,6 мкм приводит к необходимости покрывать поверхность металла поглощающими излучение соединениями. Примерами таких материалов могут быть коллоидный графит, оксид марганца, оксид меди и другие. При этом энергетический КПД процесса возрастает в 2 - 3 раза.

Для металлов при длительности импульса 1 мс глубина зоны закалки - всего несколько десятых долей миллиметра. Ещё меньше глубина получается при действии излучения лазеров с модулированной добротностью - единицы и доли микрометра, зато микротвёрдость обработанной зоны выше, чем при обработке излучением в режиме свободной генерации. По радиусу зоны воздействия глубина зоны закалки распределена неравномерно - в центре пятна нагрева она наиболее велика и уменьшается до нуля за пределами пятна нагрева, несколько превышая его по размерам. Лазерное излучение может быть с высокой точностью сфокусировано на небольшом участке поверхности детали, изнашивающейся, например, в результате трения.



Локальная закалка позволяет уменьшить деформацию изделий после воздействия, сократить и даже исключить финишную обработку поверхностей. Для импульсной лазерной закалки серийно выпускаются установка "Квант-16", в которой в качестве активной среды используется стекло, легированное неодимом. Её основные параметры: энергия в импульсе до 30 Дж, длительность импульса 4 - 7 мс, частота следования импульсов 0,Гц, оптическая система позволяет получать размеры пятен нагрева до 2-5 мм.

При лазерной закалке практически отсутствует разница в результатах упрочнения при обработке в средах аргона, азота при атмосферном давлении или в условиях вакуума. Для лазерной закалки непрерывным излучением обычно используют СО2-лазеры, а также в ряде случаев - лазеры на алюмоиттриевом гранате (АИГ).

Лазерное упрочнение имеет ряд преимуществ по сравнению с традиционной технологией. К ним относятся:

1) минимальные механические искажения из-за поступления тепла в небольших количествах;

2) возможность упрочнения деталей, имеющих малую толщину или диаметр;

3) локальность обработки;

4) возможность обработки внутренних поверхностей, простота регулирования площади нагрева;

5) простота получения узких упрочненных зон;

6) отсутствие загрязнения окружающей среды;

7) возможность применения к сложным профилям, например, к зубьям шестерен;

8) высокая производительность и экономичность процесса;

9) возможность полной автоматизации процесса, в том числе при получении упрочненных зон сложного профиля.

При упрочнении сталей микротвердость поверхности увеличивается в 3 - 5 раз при глубине порядка 0,5 мм.

Для многих металлов при нагреве и последующей закалке упрочнение поверхности не достигается без формирования специального покрытия. В этом случае в технике используются процессы азотирования, карбидирования, силицирования и другие. Лазерная технология реализации такого рода процессов отличается указанными выше преимуществами и позволяет получать упрочняющие покрытия на различных металлах. В качестве примера можно привести процесс создания слоя нитрида титана на поверхности титана.

Термическая лазерная обработка может быть использована и для металлизации поверхности. На поверхность, содержащую окислы металлов, направляется лазерное излучение. Под действием луча происходит реакция восстановления и выделение чистого металла. Лазерным лучом можно сформировать на поверхности любой рисунок. Этот метод используется в промышленности для изготовления сопротивлений, индуктивностей, конденсаторов, микросхем.

Упрочнение и легирование при плавлении поверхностных слоев При достаточно больших плотностях мощности сканирующий лазерный луч можно использовать для плавления тонких поверхностных слоев металла. Возникающий расплав быстро охлаждается из-за отвода тепла в массу материала. При достаточно высоких скоростях охлаждения возможно образование различных метастабильных фаз с полезными свойствами.

Застывающий расплав имеет высокую степень гомогенизации, мелкокристаллическую структуру, а в ряде случаев происходит аморфизация поверхности металла. Такие поверхностные слои обычно имеют высокую микротвердость, коррозионную устойчивость.

Поверхностное плавление используется также для легирования поверхностных слоев подложки и плакирования материала. Легирование тонкого поверхностного слоя расплава, созданного воздействием импульсного или непрерывного излучения, используют как метод повышения микротвёрдости, а также для получения локального участка с повышенными антикоррозионными свойствами. Например, для легирования стали Ст45 на её поверхность наносится тонкий слой микропорошка легирующего металла и жидкого стекла, используемого как связующее вещество. В состав микропорошка входят С, Mn, Co, Cr, Nb, Ni, Mo.

Химический состав стали после лазерной обработки изменяется, что обусловливает изменение микротвёрдости, которая выше, чем твёрдость Ст45, облучённой на воздухе без легирования. Глубину проплавления и степень перемешивания расплавов покрытия и основного металла регулируют, управляя скоростью перемещения луча.

Таким образом, лазерные технологии с плавлением поверхностного слоя успешно используются для создания износоустойчивых покрытий на режущем инструменте, лопатках турбин, рабочих поверхностях валов; для создания антикоррозионных покрытий; для легирования поверхностного слоя; для изменения электрических и магнитных свойств твердых тел.

Одним из примеров эффективного использования лазерных технологий является балансировка. Обычно при балансировке проводят определение более тяжелой области в быстро вращающейся детали, последующее извлечение ее из зажимного устройства в испытательном стенде, удаление части материала сверлением или другим механическим способом, повторное закрепление детали на стенде, новое раскручивание детали и так далее.

Лазерные методы позволяют проводить быструю балансировку детали непосредственно в процессе ее вращения. Импульс лазера испаряет небольшие дозы металла (0,001 г/импульс). Поджиг лазера синхронизируется с моментом регистрации избыточной массы. В данном случае нужны лазеры с длительностью импульса порядка микросекунд. При таких длительностях можно балансировать роторы со скоростями вращения до 24000 об/мин.

2.2.3 ЛАЗЕРНАЯ ПАЙКА Процессы пайки широко используются в технологии современного производства. По оценкам экспертов доля соединений, полученных пайкой, в таких отраслях промышленности, как электронная, радио- и приборостроительная, составляет 40-60 %. Пайкой называют образование соединения с межатомными связями путём нагрева соединяемых материалов ниже температуры их плавления, смачивание их припоем (при котором происходит физико-химическое взаимодействие расплавленного припоя с материалом, проявляющееся в растекании припоя или образовании мениска с конечным краевым углом смачивания), затекание припоя в зазор и последующая его кристаллизация. Для того, чтобы при пайке образовывалось достаточно прочное соединение, припой должен смочить соединяемые поверхности. Смачивание твёрдого материала жидким припоем определяется наличием окисных плёнок на границе раздела твёрдый материал - жидкий припой и степенью физико-химического взаимодействия паяемого материала и припоя. Можно выделить три способа активировки смачивания:





1) уменьшение поверхностного натяжения жидкого припоя на границе с твёрдым паяемым материалом;

2) увеличение поверхностного натяжения твёрдого паяемого материала;

3) уменьшение поверхностного натяжения жидкого припоя на границе с газовой средой.

Требования, предъявляемые к поверхностям в рамках пайки традиционными способами, остаются в силе и для лазерной пайки. Отличия связаны со специфическими свойствами лазерного излучения как источника нагрева. Для традиционных способов пайки увеличение шероховатости поверхности в определённых пределах повышает качество соединения. При лазерном нагреве наличие шероховатости нужно учитывать в двух аспектах.

С одной стороны, фактическое увеличение площади поверхности уменьшает величину реальной плотности мощности, действующей на образец. С другой, когда длина волны падающего излучения соизмерима с величиной микронеровностей, можно отметить увеличение коэффициента поглощения излучения вследствие многократных отражений на шероховатостях. При лазерной пайке, так же как и при обычной, проводят предварительную очистку поверхности, защиту её специальными покрытиями, предотвращающими окисление, используют флюсы, производят поверхностное оплавление покрытия или осуществляют процесс в восстановительной атмосфере.

Лазерная пайка в производстве изделий электронной техники Для пайки используются лазеры, работающие в режиме свободной генерации. Ш ироко применяются как моноимпульсный, так и импульснопериодический режимы. Достоинства импульсного режима: точное, прецизионное дозирование энергетического вклада, высокая воспроизводимость технологических параметров, малое время формирования паяного соединения. Высокие значения плотности энергии и плотности мощности излучения позволяют проводить пайку припоями, имеющими высокие (свыше 1000 °С) температуры плавления. Хотя размеры соединения, формируемого за время действия одного импульса излучения, невелики (порядка единиц миллиметра), лазерное импульсное излучение успешно применяется для выполнения протяженных соединений. Для пайки применяют также лазеры, работающие в режиме модулированной добротности. Непрерывный режим позволяет реализовать пайку с мягким нагревом, с выравниванием температуры в зоне пайки. В процессах пайки, как правило, используются лазеры, работающие на длине волны =1,06 мкм.

Это связано с распространенностью твердотельных лазеров и простотой управления их энергетическими и оптическими характеристиками. Основные применения пайки в электронной промышленности:

1) пайка электрических проводников к поверхности;

2) пайка электродной фольги с выводами электролитических конденсаторов;

3) пайка плакирующего материала с подложкой;

4) пайка выводов к видеоголовкам;

5) пайка электронных ЧИПов к контактам;

6) соединения типа трубка-лента (рис.2.5);

7) пайка конденсаторов и резисторов на контактных площадках микрополосовой линии подложки;

8) пайка электрических выводов к тонкоплёночным системам;

9) пайка электрических выводов ИС к проводнику;

10) пайка проводников с плёнкой на подложке;

11) соединение полублоков магнитных головок;

12) соединение ИС с печатной платой;

13) герметизация малогабаритного корпуса ПП прибора с крышкой;

14) соединение нитей (вольфрам) с проволокой (молибден).

h 1 Рис.2.5. Лазерная пайка: 1 - трубка с глухим отверстием, 2 - припой, 3 - лента Достоинства лазерной пайки: бесконтактность, высокая степень локальности, точность энерговложения, высокая скорость нагрева, недостижимая в традиционных способах нагрева, пайка в труднодоступных местах, возможность механизации и автоматизации процесса. Лазерная пайка позволяет избежать перегрева радиодеталей при монтаже.

2.2.4 ЛАЗЕРНАЯ СВАРКА Одним из наиболее широко распространённых лазерных технологических процессов в производстве является сварка. Сварка предназначена для получения неразъёмных соединений и осуществляется локальным приложением различных видов энергии: электрической, механической, химической и др.

Лазерное излучение обеспечивает высокую концентрацию энергии, существенно превосходящую другие источники энергии, используемые для сварки. Источником нагрева служит сконцентрированный поток излучения квантового генератора. В результате плавления и кристаллизации возникает прочное сцепление (сварной шов), основанное на межатомном взаимодействии. По совокупности технологических и энергетических признаков лазерная сварка разделяется на:

• непрерывную с глубоким проплавлением;

• импульсно-периодическую с глубоким проплавлением;

• непрерывную лазерную сварку малых толщин;

Pages:     | 1 |   ...   | 4 | 5 || 7 | 8 |   ...   | 27 |










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

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