Лазерна технологія обробки мініатюрних виробів
В даний час бурхливий розвиток отримала область технології, заснована на використанні оптичних квантових генераторів-лазерів. Фотонний (світловий) промінь, що генерується лазером, забезпечує на локальній ділянці питому енергію, рівну 1-102 МГВт на квадратному сантиметрі. Такої високої щільності енергії досить для розплавлення і випаровування будь-якого відомого матеріалу. Практично всі матеріали, що потрапляють в зону дії променя, швидко плавляться, закипають і випаровуються.
Можливість фокусування лазерного променя на малій майданчику, малий кут його розбіжності, сувора спрямованість і здатність проникати в замкнуті об'єми через прозорі стінки є унікальними технологічними властивостями лазера, які з успіхом можна застосовувати при розмірної обробці, різанні і зварюванні мініатюрних виробів. Так, за допомогою променя лазера отримують глухі і наскрізні отвори в різних матеріалах, прорізають вузькі пази і щілини, наносять мікрорельєфу, штрихи, гравіювання і маркування. Широке застосування отримала лазерне зварювання.
Мал. 1. Принципова схема лазера з твердотілим активним елементом
При виробництві виробів в ряді випадків необхідно забезпечити локальну загартування вельми малих ділянок поверхні. Таку загартування можна проводити променем лазера. Крім цього гсуч лазера використовують для мікролегування поверхневих ділянок виробів.
Залежно від типу застосовуваного елементадля накачування лазери, які використовуються в технологічних ^ ялинах, підрозділяють на газові і твердотільні. У газових лазерах активним середовищем найчастіше є суміш газів: гелію неону і двоокису вуглецю СО ,. Ці лазери генерують безперервне випромінювання і використовуються в основному для різання матеріалів, виготовлення пазів, прорізів, вирізки по контуру і т. Д..
В твердотільних лазерах в якості активного елементу використовують рубін, скло, активований неодимом, і ін. Випромінювання твердотільних лазерів імпульсна. При цьому для порушення активного елементу використовують розряд батареї конденсаторів через ксенонової лампи накачування.
Операції по розмірної обробці виконуються як імпульсними, так і безперервно випромінюють лазерами. На рис. 1 приведена принципова схема роботи імпульсної лазерної установки з твердотілим активним елементом. Енергія від мережі змінного струму через трансформатор і випрямляч 2 подається на пластини конденсатора. У міру зарядки батарея конденсаторів через дросель розряджається на лампу накачування, світловий потік від якої концентрується за допомогою еліптичного рефлектора на активному елементі (наприклад, з рубіна). Цей процес називається оптичної «накачуванням» активного елементу. Активний елемент перетворює подводимую енергію в світлове випромінювання з постійною довжиною хвилі (монохроматичні випромінювання), що випускається з його обох торців. Найбільш відповідальними елементами лазерної установки є дзеркала, що відображають світлове випромінювання активного елементу назад до нього. Таким чином, світло багаторазово пронизує активний рубіновий елемент, посилюючись при цьому. Дзеркало має знижену здатність до відбиття світла. Потік світлової енергії проходить через це дзеркало і потрапляє в оптичну систему, що складається з двояковогнутих і двоопуклою лінз, які надають йому спрямований характер. Фокусуванням когерентного (строго спрямованого) світлового променя на поверхню виробу досягають високу концентрацію енергії на малій площі.
Практично діаметр сфокусованого променя дещо відрізняється від розрахункового внаслідок відображають і поглинаючих властивостей лінз і дзеркал. Мінімальна фокальна пляма сфокусованого променя в сучасних установках становить близько 0002 мм. Зазвичай максимальна енергія в імпульсі випромінювання лазера знаходиться на рівні 1-20 Дж, а тривалість імпульсу 1-10 мкс залежно від енергії імпульсу і системи накачування. Питома щільність енергії досягає в момент імпульсу 107 Вт /см2.
Макрогеометрії поверхні отвору, отриманого лазерним променем, незалежно від матеріалу виробу має найменші спотворення в центральній частині отвори і найбільші на початку і кінці. Чим вище питома щільність енергії і менше тривалість його впливу, тим вище якість обробленої поверхні. Поверхня, отримана в результаті впливу лазерного променя, являє собою відносно гладкий, оплавлений рельєф. Її геометрія залежить від матеріалу виробу, довжини оброблюваного отвору і енергії імпульсу.
При отриманні отворів за допомогою лазера необхідно забезпечити величину діаметра і глибину отворів в заданих межах. Значення цих параметрів залежить від багатьох факторів, головними з яких є енергія накачування, стабільність напруги, що підводиться, конструктивно-технологічні параметри оптичної системи і квантового генератора.