eng
Содержание
Содержание
Вступление . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
Основные характеристики взаимодействия излучения
с веществом . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
Почему и для кого написана эта книга . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
Часть 1. 50 лет динамичного развития
Раздел 1. История развития лазерной прецизионной размерной
обработки и современные области ее применения . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.1.
Лазерное прецизионное сверление . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
1.1.1.
Сверление отверстий в изделиях
из кристаллических материалов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
1.1.2.
Сверление отверстий в металлах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
1.1.3.
Развитие технологии прецизионного лазерного сверления 31
1.2.
Лазерное прецизионное резание на начальном этапе . . . . . . . . . 38
1.3.
Использование лазерного резания на современном этапе . . . . . . 43
1.3.1.
Мощные лазеры в технологии изготовления изделий
из листовых металлов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
1.3.2.
Лазерное прецизионное резание с использованием
нано-, пико- и фемтосекундных импульсов. . . . . . . . . . . . 50
1.3.3.
Лазерные технологии, применяемые в микроэлектронике 65
1.4.
Процессы прецизионной лазерной обработки в технологии
изготовления солнечных панелей. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
1.5.
Лазерная подгонка и функциональная настройка компонентов
и изделий электронной техники . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
1.6.
Лазерное прецизионное фрезерование на современном этапе . . . 79
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
Часть 2. Закономерности лазерного сверления и резания
Раздел 2. Поглощение лазерного излучения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
2.1.
Поглощение лазерного излучения металлами . . . . . . . . . . . . . . . 87
2.2.
Поглощение лазерного излучения полупроводниками. . . . . . . . . 91
2.3.
Взаимодействие импульсного излучения свободной генерации
с диэлектриками, не имеющими собственного поглощения . . . . 95
2.3.1.
Начальный этап взаимодействия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
2.3.2.
Образование и состав поглощающего слоя. . . . . . . . . . . . 101
2.3.3.
Пороговая плотность мощности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
2.3.4.
Образование и состав поглощающего слоя в алмазе . . . . . 111
2.4.
Поглощение излучения импульсов наносекундной
длительности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
2.5.
Поглощение излучения импульсов пико- и фемтосекундного
диапазона длительности. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
2.6.
Взаимодействие лазерного излучения с полимерами . . . . . . . . . 122
Литература. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
Раздел 3. Лазерное сверление отверстий импульсным излучением
свободной генерации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
3.1.
Закономерности формирования отверстий
при лазерном сверлении . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
3.1.1.
Начальный этап формирования . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
3.1.2.
Средний этап формирования. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
3.1.3.
Конечный этап формирования . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
3.2.
Экранирование на факеле, образованном действием
импульсного излучения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
3.3.
О напряжениях, возникающих в зоне лазерного сверления
от действия импульсов свободной генерации . . . . . . . . . . . . . . 179
3.3.1.
Экспериментальное исследование поля напряжений . . . . 179
3.3.2.
Теоретический анализ поля термонапряжений . . . . . . . . . 185
3.4.
Влияние частоты повторения импульсов
на формообразование отверстий. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
Литература. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
Раздел 4. Сверление и резание ультракороткими импульсами . . . . . . . 212
4.1.
Формирование отверстий, обрабатываемых импульсами нано-
и пикосекундной длительности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
4.2.
Возможности обработки отверстий импульсами нано-,
пико- и фемтосекундной длительности . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226
4.2.1.
Особенности абляции, производимой
импульсами наносекундной длительности . . . . . . . . . . . . 227
4.2.2.
Повышение эффективности и улучшения качества
сверления импульсами наносекундной длительности . . . . 241
4.3.
Особенности абляции, производимой импульсами пико-
и фемтосекундной длительности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255
4.4.
Зависимость производительности и качества сверления
ультракороткими импульсами от процесса накопления тепла
в зоне обработки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260
4.5.
Об области применения лазерной обработки
ультракороткими импульсами . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266
4.6.
Повышение эффективности и качества резания,
производимого импульсами пикосекундной длительности . . . . 275
Литература. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300
Раздел 5. Лазерное резание . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302
5.1.
Модель лазерного резания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305
5.2.
Оценка эффективности продува зоны резания и возможности
ее повышения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314
5.2.1.
Зависимость массы прошедшего через рез
ассистирующего газа от структуры ударной волны . . . . . . 318
5.2.2.
Формирование ударной волны, привносимые
ею изменения в поток ассистирующего газа на фронте
резания. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323
5.3.
Базовые закономерности процесса лазерного резания . . . . . . . . 332
5.3.1.
Резание на максимально возможную глубину. . . . . . . . . . 332
5.3.2.
Оптимизация ширины реза . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 347
5.4.
Скоростное резание металлов и кремния толщиной 0,1—0,5 мм 370
5.5.
Резание хрупких материалов толщиной 0,5—2 мм. . . . . . . . . . . 376
5.5.1.
Заплавление реза. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 376
5.5.2.
Образование зон с повышенной
вероятностью растрескивания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 380
5.6.
Резание и скрайбирование на глубину от нескольких десятков
нанометров и до 100 мкм. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 387
5.7.
Особенности резания алмаза . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 390
Литература. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 394
Часть 3. Практика лазерной прецизионной обработки
Раздел 6. Повышение точности и качества
лазерной обработки отверстий . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 397
6.1.
Модуляция на АОЗ — эффективный способ улучшения
точности и качества лазерного сверления импульсами
свободной генерации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 397
6.1.1.
Выбор частоты модуляции. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 399
6.1.2.
Изменения пространственного распределения илучения. . 403
6.2.
Проекционный способ локализации излучения. . . . . . . . . . . . . 405
6.2.1.
Принцип работы проекционной оптической схемы . . . . . 405
6.2.2.
Изменения формообразования отверстий
при использовании проекционной схемы . . . . . . . . . . . . 409
6.2.3.
Световая трубка . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 411
6.3.
Оптические методы повышения точности и качества
лазерной обработки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 412
6.3.1.
Оптический модуль трансформации
гауссового пространственного распределения
интенсивности излучения в равномерное. . . . . . . . . . . . . 412
6.3.2.
Оптические методы перемещения излучения
в зоне обработки. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 415
6.4.
Модуль «Струя воды — оптическая трубка» . . . . . . . . . . . . . . . 424
6.5.
Защитные покрытия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 428
6.6.
Механическая калибровка и химическое травление. . . . . . . . . . 432
Литература. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 440
Раздел 7. Лазерное фрезерование, термораскалывание
и технология STEALTH DICING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 441
7.1.
Лазерное трепанирование отверстий большого диаметра . . . . . . 441
7.2.
Лазерное фрезерование поверхностей сложной формы . . . . . . . 451
7.2.1.
Принцип проведения лазерного фрезерования . . . . . . . . . 451
7.2.2.
Современные области применения
лазерного фрезерования . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 456
7.3.
Комбинированный метод направленного термораскалывания
полупроводников. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 466
7.4.
Технология STEALTH DICING в производстве изделий
микроэлектроники. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 473
7.4.1.
Принцип технологии и ее преимущества . . . . . . . . . . . . . 473
7.4.2.
Физические основы технологии. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 474
7.4.3.
Экспериментальные подтверждения преимуществ
технологии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 482
7.4.4.
Область применения технологии STEALTH DICING . . . . 489
Литература. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 492
Раздел 8. Некоторые аспекты практики лазерного резания
в среде воздуха и нейтральных газов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 495
8.1.
Режимы и предельные толщины резания металлов
в среде воздуха и нейтрального газа излучением
многомодового волоконного лазера мощностью 1 кВт . . . . . . . 495
8.2.
Режимы и предельные толщины резания металлов
в среде воздуха и нейтрального газа излучением
многомодового волоконного лазера мощностью 1,5 кВт . . . . . . 514
8.3.
Режимы и предельные толщины резания металлов
в среде воздуха и нейтрального газа излучением
многомодового волоконного лазера мощностью 2 кВт . . . . . . . 524
8.4.
Осложнения, характерные для резания лазером,
работающим в режиме непрерывного излучения. . . . . . . . . . . . 537
8.4.1.
Выплеск жидкой фазы на поверхность реза . . . . . . . . . . . 537
8.4.2.
Влияние вибраций на качество боковой поверхности
и метод его устранения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 540
8.5.
Сравнение эффективности резания металлов волоконными
и СО2-лазерами . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 545
8.6.
Резание материалов с использованием импульсного лазера
на гранате . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 555
8.7.
Технологии разделения подложек из полупроводниковых
и диэлектрических материалов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 564
Литература. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 573
Раздел 9. Особенности лазерного резания в среде кислорода . . . . . . . 574
9.1.
Преимущества, базовые понятия резания в среде кислорода
и его основная проблема . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 575
9.2.
Возможно ли лазерно-кислородное резание без образования
«ребер» на боковой поверхности реза? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 587
9.3.
Резание конструкционной стали в среде кислорода излучением
многомодового волоконного лазера мощностью 1 кВт . . . . . . . 596
9.4.
Резание конструкционной стали в среде кислорода излучением
многомодового волоконного лазера мощностью 1,5 кВт . . . . . . 623
9.5.
Резание конструкционной стали в среде кислорода излучением
многомодового волоконного лазера мощностью 2 кВт . . . . . . . 632
Литература. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 637
Часть 4. Лазерные технологические установки для прецизионной
обработки, производимые НПЦ «Лазеры и аппаратура ТМ»
Раздел 10. Основные характеристики ЛТУ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 640
10.1.
ЛТУ с перемещением детали относительно
сфокусированного лазерного пятна (серии МЛ1 и МЛП1). . . . 642
10.2.
ЛТУ со сканированием сфокусированного лазерного пятна
(серия МЛ2 и МЛП2). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 651
10.3.
ЛТУ с портальными кинематическими системами
(серия МЛ35 и МЛП35) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 656
10.4.
Лазерные установки, предназначенные для подгонки
резисторов (серия МЛ5) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 664
Литература. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 672
Приложения
1.
Символы, используемые в книге. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 673
2.
Таблица теплофизических констант . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 676
3.
Параметры лазерного излучения и его фокусировка . . . . . . . . . . 677
Вступление
В 2012 г. исполнилось 50 лет с начала исследований по практическо-
му применению лазеров для обработки материалов. За этот короткий
в историческом масштабе период времени во всем мире лазерная тех-
ника шагнула от первых макетных и лабораторных изделий к массо-
вому промышленному выпуску лазерных установок для многочислен-
ных технологических применений во всех областях материального
производства.
Значительный, а зачастую и решающий вклад в это развитие внесли
работы отечественных ученых. У истоков многих направлений развития
лазерной техники и ее применений находились основоположники
квантовой электроники академики Н.Г. Басов и А.М. Прохоров, со-
здавшие теорию усиления и генерации электромагнитного излучения
квантовыми системами и уже в 60-х годах обосновавшие возможность
разработки большинства типов современных лазеров и базовые при-
нципы взаимодействия лазерного излучения с веществом.
Всего за несколько лет с момента появления первых лазеров в стра-
не была создана мощная научная школа, развившая теоретические
основы квантовой электроники и обосновавшая многие стратегические
направления разработки и использования лазеров в военной области и
в народном хозяйстве.
Уже в 1962 г. были начаты первые исследования возможности ис-
пользования лазеров для обработки различных материалов. Быстрое и
успешное развитие данного направления во многом определялось тру-
дами известных советских ученых.
Академиком Н.Н. Рыкалиным и д.ф-м.н., профессором А.А. Угловым
были разработаны основы теории тепловых процессов, протекающих
в зоне лазерной обработки [1]. Д.ф-м.н., профессор С.И. Анисимов уже
к 1970 г. создал модель квазистационарной лазерной абляции металлов
и базовые положения теории взаимодействия мощного лазерного излуче-
ния с веществом [2]. Им разработана теория оптического пробоя диэлек-
триков, инициированного поглощением на микровключениях. А его
двухтемпературная модель взаимодействия ультракоротких лазерных
импульсов с металлами получила в последнее время широкую извест-
ность в связи с появлением фемтосекундных лазеров.
Д.ф.-м.н. М.Н. Либенсон первым исследовал процессы и описал
физику взаимодействия лазерного излучения с веществом примени-
тельно к сверлению и резанию [3]. Д.т.н., профессор, директор НПО
«Полюс» М.Ф. Стельмах был организатором как масштабных исследо-
ваний в области различных направлений лазерной обработки, так и се-
рийного производства лазерного технологического оборудования [4].
Сотрудники НПО «Полюс» А.А. Чельный и В.М. Вакуленко были
одними из ведущих в стране разработчиков технологий и оборудова-
ния для различных применений лазерной обработки. Д.т.н, профессор
В.П. Вейко один из первых начал разрабатывать теоретические аспекты
лазерной микрообработки и в настоящее время продолжает исследова-
тельскую и преподавательскую деятельность и является руководителем
научной школы РФ «Фундаментальные основы лазерных микро- и на-
нотехнологий» [5].
Широкую известность и мировое признание получили работы д.т.н.,
профессора В.С. Кондратенко в области разработки теории и практики
лазерного термораскалывания хрупких материалов, диэлектриков и по-
лупроводников [6].
В последнее десятилетие для прецизионной лазерной обработки
широко используются волоконные лазеры, микрооптические формиро-
ватели пучка («shapers») и диодные лазерные системы. Мировыми лиде-
рами в разработке и производстве этих компонентов являются корпора-
ция IPG с филиалами в США, Германии и России и фирма LIMO,
основанные и возглавляемые нашими соотечественниками В.П. Гапон-
цевым и В.Н. Лисоченко.
Большой удачей авторов настоящей книги является то, что они
много лет, участвуя в создании различных лазерных систем, имели воз-
можность встречаться и обсуждать научные и инженерные проблемы
лазерной обработки материалов и развития квантовой электроники
с упомянутыми выше и другими выдающимися учеными — нашими
соотечественниками, и могли по достоинству оценить их значительный
вклад в развитие лазерной индустрии.
В настоящей книге авторами сделана попытка в систематизирован-
ном виде донести до современного читателя часть информации, накоп-
ленной несколькими поколениями исследователей и разработчиков
только по одному из направлений практического применения лазеров,
связанного с прецизионной лазерной обработкой. Книга основана на
результатах авторских работ, полученных в ЭНИМС и в НПЦ «Лазеры
и аппаратура ТМ», и анализе результатов многочисленных работ, опуб-
ликованных в открытых источниках.
Сведения об авторах
К.т.н. Е.Д. Вакс начал работать в области лазерных технологий с са-
мого начала их зарождения. Будучи заведующим лабораторией лазер-
ной обработки ЭНИМС, Е.Д. Вакс начиная с 1963 г., проводил экспе-
риментальные исследования и разрабатывал теоретические аспекты
теории лазерного сверления и резания материалов, широко используе-
мых в промышленности. Под его руководством впервые в СССР были
разработаны и внедрены в промышленное производство: технология
и автоматизированные лазерные установки для сверления отверстий
в часовых рубиновых камнях, технология и лазерные станки с програм-
мным управлением для резания изделий из керамик и фрезерова-
ния волок из природного и искусственного алмазов. В последние годы
Е.Д. Вакс продолжает разработку новых направлений лазерной преци-
зионной обработки в технологической лаборатории НПЦ «Лазеры и ап-
паратура ТМ».
Один из создателей отечественной элементной базы квантовой
электроники к.т.н. Л.Г. Сапрыкин работает в области квантовой элек-
троники с 70-х годов. В конце 80-х и 90-х годах он был руководителем
лазерного направления НИИ «Зенит».
М.Н. Миленький пришел в лазерную индустрию в начале 80-х годов
после окончания факультета физической и квантовой электроники
МФТИ. В 90-х годах он руководил лабораторией лазерных лидарных
систем НИИ «Зенит».
В конце 90-х годов Л.Г. Сапрыкин и М.Н. Миленький организовали
и возглавили научно-производственный центр «Лазеры и аппаратура
ТМ». В настоящее время НПЦ из малого предприятия, выполнявшего
разовые заказы, вырос по объему выполняемых НИОКР с разнообраз-
ными тематическими направлениями, номенклатуре и объему произ-
водства в общепризнанного лидера среди российских производителей
лазерного технологического оборудования.
Введение
Основные характеристики взаимодействия излучения с веществом
При лазерной обработке характер взаимодействия лазерного излуче-
ния с обрабатываемым материалом зависит от многих факторов. На-
чальным и сложным из них является выбор лазеров, производимый в
зависимости от их оптических и энергетических параметров, режимов
работы и способов формирования и фокусирования их излучения. При
этом необходимо учитывать, что характер взаимодействия излучения
зависит от оптических, теплофизических и механических свойств обра-
батываемого материала. И наконец, результат обработки зависит и от
кинематических характеристик, скоростных и режимных возможностей
установки, поскольку они определяют временные и экспозиционные
пределы воздействия на материал, а также достижимую точность.
Специалисты в области разных видов лазерной обработки укажут
множество параметров и факторов, которые необходимо одновременно
учитывать для «правильного» проведения каждого процесса. Иначе
говоря, для «правильной» обработки (т.е. обеспечивающей наилучший
результат) оператору необходимо было бы выбрать в многомерном про-
странстве всех возможных значений единственно правильное «техноло-
гическое окно» значений. А оно, как правило, достаточно узкое.
Это означает, что, разрабатывая процесс обработки, необходимо
прежде всего определиться с теми параметрами, которые оказывают
наиболее значимое влияние как на процесс обработки, так и на желае-
мый характер взаимодействия излучения с материалом. Ниже перечис-
лены основные факторы, оказывающие существенное влияние на про-
цесс лазерной обработки материала.
Основные факторы, оказывающие существенное влияние на процесс
обработки
Лазер (тип; длина волны; выходная мощность; энергия в импульсе;
частота повторения импульсов; длительность и форма импульсов; поля-
ризация излучения; диаметр пучка; расходимость излучения; простра-
нственное распределение интенсивности излучения; режимы работы).
Материал (оптические свойства на выбранной длине волны: погло-
щение; отражение; рассеяние (как оптическое качество поверхности);
коэффициент преломления; теплофизические свойства: теплопровод-
ность; теплоемкость; температуры начальная/плавления/кипения/испа-
рения и латентное тепло фазовых переходов; коэффициенты термиче-
ского расширения; коэффициент поверхностного натяжения для
жидкой фазы; состав для сплавов; давление насыщенных паров; меха-
нические: размеры, плотность; твердость; упругость).
Параметры процесса (характеристики объектива и вспомогательной
оптики; положение фокальной плоскости и глубина фокуса; размер и
форма сфокусированного пятна излучения; перекрытие соседних свето-
вых пятен; защитные и режущие газы; скорость перемещения; методи-
ки обработки).
В классическом понимании лазерная обработка подразумевает теп-
ловые механизмы воздействия на материал (энергетический баланс
между поглощенным теплом и ушедшим на нагрев/плавление/испаре-
ние и теплоперенос). До появления высокоинтенсивных лазеров, гене-
рирующих ультракороткие импульсы, данный подход брался за основу
рассмотрения взаимодействия лазерного излучения с веществом. Еще
в 70-х годах на базе обобщения эмпирического опыта многих групп
была составлена первая «Карта типовых процессов лазерной обработ-
ки», которая в дальнейшем неоднократно расширялась по мере разви-
тия лазеров и технологии [7].
На современной карте (рис. 1) на основании экспериментально полу-
ченных данных показано, какой плотностью мощности (интенсивно-
стью) должно обладать лазерное излучение, чтобы получить требуемый
вид обработки при заданном времени воздействия (или при заданной
длительности импульса для импульсного воздействия).
Плотность мощности лазерного излучения, падающего на обрабаты-
ваемую поверхность с коэффициентом отражения R(л) и реально прини-
мающего участие в процессе взаимодействия с материалом при заданных
площади и длительности воздействия, может быть приблизительно оце-
нена из следующего соотношения:
W = (1 R)
Ei /S·ti,
где R — коэффициент отражения обрабатываемого материала на длине
волны действующего излучения, Ei — энергия импульса в джоулях, S —
площадь поверхности, на которую локализуется излучение в см2, ti —
длительность импульса в секундах.
В зависимости от вида обработки и свойств обрабатываемого мате-
риала используется лазерное излучение определенной мощности с за-
данным временем воздействия или длительностью импульсов и с задан-
ной плотностью мощности на поверхности образца.
В диапазоне W = 105 Вт/см2 — 5 Ї 105 Вт/см2 проводятся операции
термоупрочнения. При W = 5 Ї 105 Вт/см2 — 5 Ї 106 Вт/см2 температура
в зоне воздействия лазерного излучения достигает уровня, достаточного
для наплавки и сваривания металлов. А при W > 5 Ї 106 Вт/см2 абляция
от лазерного нагрева позволяет производить сверление, резание и фре-
зерование различных материалов.
Сверление, резание и фрезерование лежат в основе прецизионной
лазерной обработки. Рассмотрению процессов, связанных с этими тех-
нологическими операциями, и посвящена настоящая книга.
Но прежде чем перейти к их рассмотрению, необходимо объяснить,
что означает прецизионность в лазерной обработке и микрообработке.
Рис. 1. Эмпирическая карта зон типовых процессов лазерной обра-
ботки
Под ней понимается:
— высокая, находящаяся для различных применений в пределах от
единиц микрон и до 20—30 микрон точность и повторяемость геомет-
рических размеров обрабатываемых объектов (допуск на диаметр и ко-
нусность отверстий, ширину и конусность реза, допуск на размеры
фрезерованной поверхности);
— минимальная, в пределах от единиц и до 10 мкм, толщина де-
фектного слоя (зона с измененной структурой исходного материала) на
боковой поверхности отверстий или реза, зависящая от глубины про-
никновения зоны теплового влияния;
— чистота обработанной поверхности для различных применений
соответствует величине от Rа 10 до Rа 0,32;
— минимальный по высоте и ширине, в пределах нескольких десят-
ков микрон, грат, образованный застывшей жидкой фазой на входе и
выходе просверленных отверстий или изготовленного реза. В некото-
рых применениях лазерной обработки грат на входе и выходе не допус-
кается. В том числе и потому, что его удаление требует введения допол-
нительной операции, повышающей время изготовления и стоимость
продукции;
— минимизация ширины реза; она не должна превышать при изго-
товлении изделий: с пленочными покрытиями — 20—30 мкм; из при-
родного алмаза и хрупких диэлектрических материалов — 100 мкм; из
металлов толщиной до 20 мм — 0,5 мм;
— ограничение глубины резания при изготовлении ряда изделий с
пленочными покрытиями толщиной до нескольких микрон. При этом
не допускается повреждение поверхности подложки, на которую по-
крытия нанесены;
— высокая, находящаяся для различных применений в пределах от
нескольких единиц микрон и до 50 микрон точность топологии распо-
ложения в поле обработки систем отверстий, вырезаемых контуров и
фрезеруемых деталей;
— при подгонке сопротивлений обеспечение требуемого допуска на
их номинал. В ряде случаев подгонки не допускается повреждение по-
верхности подложки, на которую нанесен резистивный слой толщиной
не более 1 мкм.
Выполнение указанных требований достигается как совершенство-
ванием аппаратной части лазера и оборудования, так и программной
Введение 19
оптимизацией режимов обработки под конкретную задачу (т.е. отработ-
кой технологии).
Ниже будет показано, что для достижения чистоты, качества и точно-
сти размеров при указанных видах лазерной обработки в большинстве
случаев желательно обеспечивать максимально возможную величину W
и одновременно повышать скорость обработки.
Точность и повторяемость диаметральных размеров и конусности
отверстий, ширины и конусности реза, размеров фрезерованной по-
верхности во многом зависят от равномерности пространственного рас-
пределения интенсивности излучения в его поперечном сечении и ста-
бильности этого параметра. Какое пространственное распределение
является наиболее удовлетворительным для прецизионной обработки
и каковы возможные способы его обеспечения, также рассмотрено
в разделах 3 и 6 книги.
Точность и качество обработки, производимой с использованием
импульсных лазеров, определяется также толщиной дефектного слоя,
образующегося на обрабатываемой поверхности, ее чистотой, а также
высотой грата на выходе отверстия или реза грата на входе и выходе
сверления или реза. Данные показатели зависят от выбранных про-
странственно-энергетических параметров излучения. Какими они дол-
жны быть для улучшения результата лазерной обработки и какому спо-
собу локализации излучения на поверхность детали следует отдать
предпочтение, посвящена тематика разделов 3, 6, 7 и 8 книги.
Наличие и высота грата на входе и выходе реза, изготавливаемого
непрерывным лазером, чистота боковой поверхности реза и толщина
образующегося на ней дефектного слоя зависят не только от мощности
излучения, но и от условий его фокусировки на поверхность обрабаты-
ваемой детали. Во многом данные показатели качества определяются
и скоростью резания. То, каковой она должна быть и как ее подобрать
с тем, чтобы обеспечить наилучшие точностные результаты, объясняет-
ся в разделах 5, 8 и 9.
В последующих частях книги приведены примеры лазерной пре-
цизионной обработки, внедренные в массовое или мелкосерийное
производство и внесшие радикальное изменение в предшествующие
технологические процессы. Рассматриваются также и перспектив-
ные примеры использования лазерной прецизионной обработки,
имеющие принципиально важную значимость для настоящего вре-
мени.
Почему и для кого написана эта книга
Настоящая книга посвящена проблематике прецизионной лазерной
обработки, о которой написано немалое число специальных статей, по-
священных отдельным вопросам этой темы. В СССР и затем в России
опубликовано порядка десятка или более книг отечественных и зару-
бежных авторов, в которых рассмотрены все виды лазерной обработки,
включая прецизионное сверление и резание. Как минимум 6 книг ана-
логичного содержания опубликованы в период 2004—2011 гг. в США
и Германии. К этому надо добавить множество статей отечественных
и зарубежных авторов, в которых рассматриваются различные аспекты
лазерной прецизионной обработки. Тогда что же побудило нас напи-
сать эту книгу и для кого она написана?
Слово «проблематика» в первой фразе данного текста выбрано не
случайно. Дело в том, что в опубликованных источниках проблемы, со-
путствующие практике лазерной обработки, в основном только обозна-
чены, да и то далеко не все. Потому в них можно найти не слишком
много информации, которая реально могла бы быть полезной при ре-
шении вопросов, возникающих в конкретных случаях ее применения.
В этом плане в первую очередь эффективную помощь оказывает ясное
и обоснованное представление целого ряда закономерностей взаимоде-
йствия лазерного излучения с обрабатываемым материалом.
Для начала следует иметь четкое понимание того, как происходит
абляция, в особенности на тех материалах, которые не имеют соб-
ственного поглощения на длине волны действующего излучения. Из-
вестно только то, что в этом случае поглощение излучения длитель-
ностью от миллисекунд и до наносекунд, вероятнее всего, происходит
на посторонних включениях и дефектах структуры. Однако экспери-
ментальные доказательства тому нигде не приводятся. Вне поля вни-
мания авторов книг оказалось то основное, что следует за поглоще-
нием. Здесь речь идет о закономерности, которая определяет условия
поддержания абляции во время действия излучения, производящего
сверление или резание.
По сию пору остаются несформулированными и необъясненными
закономерности формообразования при лазерном сверлении, а значит,
и резании, и фрезеровании. Но без этого невозможно обоснованно
подходить к разработке требуемых технологических процессов, к поис-
кам новых, перспективных направлений лазерной обработки и созда-
вать соответствующее им оборудование.
Некоторые авторы сообщают об экранировании лазерного излу-
чения плазмой, возникающей при обработке материалов. Но данные
о том, какие потери вносит наличие жидкой фазы в факеле и как мож-
но снизить это негативное влияние, не приводятся. Дело в том, что ни-
кто из них не проводил соответствующих экспериментальных исследо-
ваний.
То же самое можно сказать и об экспериментальных исследованиях
термонапряжений, возникающих при лазерной обработке. В имеющих-
ся публикациях, посвященных данной проблеме, ничего, кроме слож-
ного теоретического рассмотрения решения дифференциальных урав-
нений в частных производных второго порядка, описывающих поле
термонапряжений, читатель не найдет. Да и вряд ли он разберется
в том, каким образом их следует применять на практике. А ведь во
многих случаях именно термонапряжения, порождающие глубокий де-
фектный слой или растрескивание деталей, ограничивают область при-
менения лазерной обработки.
В работах многих авторов рассмотрены отдельные аспекты теории
лазерного резания в различных средах, включая кислородную, с при-
менением достаточно мощных СО2- и волоконных лазеров. Однако
обобщающего теоретического или экспериментального воззрения на
этот процесс, облегчающего решение проблем его использования на
практике, до сих пор не существует. Ряд ведущих зарубежных иссле-
довательских центров предлагает практические рекомендации по про-
ведению лазерного резания металлов с использованием СО2- и воло-
конных лазеров мощностью 1—4 кВт. Однако эти рекомендации
относятся к конкретным типам оборудования и во многих случаях не
могут служить основой для использования их потребителями других
установок.
О том, когда целесообразно производить лазерную расточку или
фрезерование, и то, как это надо делать, пожалуй, никто из пишущих в
настоящее время авторов даже не упоминает.
Теория и практика обработки с использованием ультракоротких ла-
зерных импульсов рассматривается во множестве различных статей,
подавляющая часть которых написана на английском языке. Не требует
доказательств то, сколь важно в настоящее время представить эту ин-
формацию в обобщенном и проанализированном виде.
Данное перечисление можно продолжить и далее. Но уже того, что
отмечено, достаточно для понимания целесообразности публикации
22 Введение
настоящей книги. Она предназначена для студентов, изучающих лазер-
ную обработку, и для тех, кто занимается исследованиями в этой облас-
ти и созданием используемого в ней оборудования. Полезной она ста-
нет и пользователям такого оборудования на производстве.
Литература
[1] Рыкалин Н.Н., Углов А.А. Лазерная обработка материалов. М.: Ма-
шиностроение, 1975.
[2] Анисимов С.И., Имас Я.А., Романов Г.С., Ходыко Ю.В. Действие
излучения большой мощности на металлы. М.: Наука, 1970.
[3] Виноградов Б.А., Гавриленко В.Н., Либенсон М.Н. Теоретические
основы воздействия лазерного излучения на материалы. Изд. БПИ,
1993.
[4] Страница памяти М.Ф. Стельмаха. (2012), сайт ОАО «НИИ Полюс»
http://www.polyus.info/in_memory_of_stelmakh/
[5] Вейко В.П., Либенсон М.Н. Лазерная обработка. Л.: Лениздат, 1973,
190 с.
[6] Кондратенко В.С. Исследование и разработка процесса резки стекла
методом лазерного управляемого термораскалывания. Диссерт.
к.т.н., Москва, 1983.
Часть 1
50 лет динамичного развития
ГЛАВА 1
ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ЛАЗЕРНОЙ ПРЕЦИЗИОННОЙ РАЗМЕРНОЙ ОБРАБОТКИ И СОВРЕМЕННЫЕ ОБЛАСТИ ЕЕ ПРИМЕНЕНИЯ
Прежде чем приступить к изложению закономерностей прецизионной
лазерной обработки, целесообразно в историческом контексте дать
краткий обзор причин ее появления и этапов практического развития.
Надо сказать, что в 60—70-е годы прошлого столетия СССР стал ли-
дером в области лазерных технологий, опережая большинство развитых
стран и по количеству произведенных лазерных установок, и по номен-
клатуре освоенных технологий и направлений, часть из которых опере-
жала мировой уровень на 5—7 лет. Жаль, но к 2012 году годовой объем
продаж лазерного оборудования России уже не превышал 0,1 % (!) от
мирового объема.
Первые в стране лазеры на рубине были запущены в ГОИ в июне и
в ФИАНе в сентябре 1961 г. Первый лазер на отечественных рубиновых
активных элементах был продемонстрирован осенью 1962 г. Первые им-
пульсы с мощностью, достаточной для «прошивки» лезвия бритвы, были
получены в ФИАНе в 1962 году, а к концу года в лабораториях и КБ
страны уже работало более десятка лазеров. И хотя большая часть лазер-
ной программы страны в эти годы ориентировалась на военно-космиче-
ские применения лазерной техники, в НИИ «Полюс» уже в 1963 году
были созданы первые серийные технологические установки СУ-1 и К3
с рубиновыми лазерами, ориентированные в основном на задачи радио-
технической и электронной промышленности. В последующие 10—15 лет
были не только проведены значительные модернизации этих установок,
но и разработаны более 40 новых моделей с лазерами на стекле с неоди-
мом, с АИГ-лазерами и газовыми азотными и СО2-лазерами.
Выпуск известной серии установок от «Квант-3» и до «Квант-19»,
разработанных в НИИ «Полюс» и перекрывавших задачи от приборной
сварки, резки, сверления волок и до корпусирования микросхем, лазер-
ной подгонки резисторов, резки стекла и скрайбирования полупровод-
никовых пластин, превысил 6,5 тыс. шт. Несколько меньшими тиража-
ми прошли установки этого же класса серий «Кристалл», «Кварц»,
«СЛС», «Корунд» и др.
Несколько позже было выпущено около 300 машин для раскроя ме-
талла с помощью мощных СО2-лазеров, часть из которых была оснаще-
на отечественными ЧПУ-стойками управления.
Разработка и специализация установок требовала исследования про-
цессов обработки и отработки технологических приемов и методик их
использования на производстве.
Помимо «Полюса», технологические исследования по лазерной об-
работке материалов проводились уже в 1962 г. в лаборатории лазерной
обработки ЭНИМСа (Экспериментальный научно-исследовательский
институт металлорежущих станков, г. Москва). Рубиновый макетный
излучатель с энергией в импульсе до 5 Дж (правда, с частотой повторе-
ния один раз в три минуты) уже позволял «пробивать» малые отверстия
в широкой номенклатуре материалов [1].
До середины 1970-х в большинстве установок в основном использо-
вались импульсные лазеры на рубине или стекле, активированном не-
одимом. На этих активных элементах собирались твердотельные лазеры
для серийных технологических установок серии «Квант» и серийных
станков ЭНИМСа (модели 4222 и 4222Ф2, МА4Р222Ф3, МА4Г222Ф3
и МА95Ф4), в том числе и с программным управлением, а также ЛТУ
других предприятий.
Но уже к 1968 г. в НИИ «Полюс» было налажено серийное выращи-
вание методом Чохральского монокристаллов алюмоиттриевого граната
с неодимом, ниобата лития, KDP и др. и была создана полная техноло-
гическая цепочка получения высококачественных элементов из крис-
таллов. Одновременно разрабатывалась элементная база источников
питания для серийного выпуска технологических непрерывных и им-
пульсных Nd:YAG-лазеров (серии ЛТН и ЛТИ соответственно). В сере-
дине 70-х было начато серийное производство лазеров с модулирован-
ными импульсами наносекундного диапазона длительности.
Также к 1969 году в стране были разработаны и серийно выпускались
(в Минэлектронпроме) СО2-лазеры мощностью до 1 кВт, а позднее —
и более мощные, применявшиеся в основном для сварки и термической
обработки деталей машин и закалки пресс-форм и штампов.
За рубежом технологии промышленной лазерной резки берут свое на-
чало с первых английских патентов 1967—68 гг., описывающих лазерную
резку тонких листов металла непрерывным СО2-лазером и прошивочное
скрайбирование импульсным СО2-лазером керамических подложек с по-
следующим разделением их на «чипы». В 1970 г. с появлением качествен-
ного Nd:YAG-лазера компании Quantronix впервые была продемонстри-
рована технология разделения Si-пластин лазерным скрайбированием.
Следующие поступательные этапы технологического роста в области
прецизионной лазерной обработки связаны с появлением в середине
90-х годов первых мощных твердотельных лазеров с диодной накачкой
(DPSS-лазеры) и с возможностью преобразования излучения во вторую
и третью гармоники.
В начале 2000-х до промышленного применения «доросли» принци-
пиально новые два класса лазеров с диодной накачкой — дисковые и
волоконные, предлагающие потребителю широкий выбор по мощнос-
ти, режимам работы, качеству излучения и гораздо более экономичные
и надежные в сравнении с лазерами предшествующего поколения.
За начало следующего этапа можно условно принять 2007 год, когда
в мире число изготовленных лазеров со сверхкороткими импульсами
перевалило за 1000 шт. Применение пико- и фемтосекундных лазеров
в технологических установках не только позволило значительно под-
нять качество и чистоту обработки за счет «холодного» абляционного
взаимодействия с материалом, но и расширило спектр обрабатываемых
материалов, включая прозрачные диэлектрики, и обеспечило техноло-
гии получения прецизионных 2D-и 3D-микроструктур, в т.ч. и с суб-
микронным диапазоном размеров.
Ниже в данном разделе рассмотрены причины, побудившие отечес-
твенную промышленность к развитию технологий прецизионной лазер-
ной обработки.
1.1.Лазерное прецизионное сверление
В условиях конца 60-х и начала 70-х годов одной из актуальных задач
данного направления было радикальное повышение производительнос-
ти при изготовлении в промышленных масштабах ряда миниатюрных
изделий из кристаллических материалов.
К ним, в частности, относились:
— часовые камни и подшипники скольжения специальных точных
приборов, которые изготавливаются из рубина и сапфира;
— волоки из естественного алмаза, необходимые для вытягивания
тонкой проволоки диаметром от 10 мкм;
— волоки из искусственных алмазов, в которых необходимо было
сверлить и профилировать профилированные отверстия с диамет-
ром до 80—100 мкм при допуске всего в несколько микрон.
Несколько позже похожие по сложности и точности задачи возник-
ли при сверлении отверстий в прозрачных кристаллах пьезокварца, ни-
обата и танталата лития и др.
В 1970 г. по заказу корпорации Boeing на заводе американской ком-
пании General Electric с помощью импульсного рубинового лазера было
впервые выполнено сверление многочисленных охлаждающих отвер-
стий в турбинных лопатках и деталях «горячей зоны» авиационного га-
зотурбинного двигателя (ГТД), что в разы увеличивало его ресурс.
К 1974 году уже более десяти усовершенствованных систем компании
Raytheon с Nd:YAG-лазерами успешно работали на серийных заводах
General Electric Ind., крупнейшего в то время производителя авиацион-
ных двигателей для гражданских и военных самолетов и для ракет-
но-космической техники.
Понятно, что эта задача стала очень актуальной и для отечествен-
ных производителей авиационных турбин.
Стратегически важной задачей 70-х было лазерное «сверление» пре-
цизионных фильер в труднообрабатываемых металлических деталях для
станков вытяжки синтетических волокон.
В ту пору требовал решения еще ряд важнейших для различных
отраслей промышленности задач, суть которых излагается несколько
ниже.
1.1.1. Сверление отверстий в изделиях
из кристаллических материалов
Обработка волок из природного алмаза с применением лазерных станков в
производственном процессе началась в СССР в 1969 г. Возможным это
стало только после того, как стали понятны и были устранены причи-
ны растрескивания природного алмаза при воздействии на него сфоку-
сированного лазерного излучения, а также подобраны лазерные техно-
логические режимы, обеспечивающие точно заданные размеры
калибрующей зоны волок.
Дело в том, что при лазерной прошивке алмаза в зоне обработки
всегда образуется тонкий графитовый слой, и его толщина сильно зави-
сит от режимов лазерной обработки. Поскольку допуск на диаметр ка-
либрующей зоны алмазных волок для протяжки тонкой проволоки по
ТУ не должен превышать ±2 мкм, то необходимо было жестко выдер-
живать режим работы лазера и параметры фокусировки, с тем чтобы
толщина графита на боковой поверхности канала не превышала 2 мкм
на сторону.
Первый подобный лазерный станок модели «Квант 9» для сверления
калибрующей зоны волок, разработанный в НПО «Полюс», был внед-
рен в начале 1969 г. на заводе алмазного инструмента в г. Рославль.
Летом того же года на Полтавском заводе искусственных алмазов и ал-
мазного инструмента для изготовления волок был внедрен лазерный
станок модели МА49, разработанный в ЭНИМС.
В результате изменения технологии время на операции сверления
канала волоки сократилось с нескольких смен до нескольких минут.
В последующие два года с помощью лазерной установки «Квант 9»
(НПО «Полюс») лазерную обработку распространили и на операцию
изготовления входной распушки (входного конуса) волоки.
Примерно в середине 1970-х гг. в СССР в промышленных масшта-
бах было освоено выращивание дешевых искусственных алмазов, после
чего лазерные установки начали использовать и для изготовления волок
с диаметром калибрующей зоны от 100 мкм и более.
В 1973 г. специалисты ЭНИМС решили сложную для того времени
проблему изготовления волок из природного алмаза с диаметром ка-
либрующей зоны в 10 мкм. Для проведения этой операции на заводе
жаропрочных и тугоплавких материалов в г. Чирчик (Узбекистан) был
внедрен специальный лазерный станок.
К концу 70-х началось активное промышленное использование им-
пульсных и непрерывных лазеров на гранате (Nd:YAG), работающих
как в режиме свободной генерации, так и с модулированной доброт-
ностью, и замена ими лазеров на рубине и стекле с неодимом.
В 70#х годах в стране также была успешно решена актуальная для ча#
совой промышленности задача лазерного сверления отверстий в часовых
рубиновых камнях.
Надо сказать, что к этому моменту такая задача стояла перед произ-
водителями часов и часовых и прецизионных механизмов во всем мире.
Так, в 1965 г. швейцарский производитель рубиновых камней для часов
Watch Stones Corp. подписал контракт с Институтом прикладной физи-
ки Бернского университета на исследование возможности лазерного
сверления отверстий в рубиновых заготовках, тем самым открыв «ла-
зерную эру» в Швейцарии. В начале 1972 г. ведущий швейцарский про-
изводитель часов ASUAG (c 1983 г. — SWATCH Group SA) открыл спе-
циальный лазерный центр для технологической проработки проблемы.
В 1974 году центр был преобразован в компанию LASAG Corp. с мис-
сией разработки лазерного оборудования и технологии лазерного свер-
ления часовых рубиновых камней для швейцарской и европейской ча-
совой промышленности.
На разработку отечественной технологии и соответствующих ей ла-
зерных станков также потребовалось почти 10 лет. За этот период была
успешно решена задача предотвращения растрескивания камней, полу-
чение 50 мкм диаметра отверстия с требуемым допуском и толщиной
дефектного слоя и разработана конструкция лазерных станков-автома-
тов с достаточной производительностью и надежностью.
В 1972 г. на часовом заводе в г. Петродворец была внедрена разра-
ботанная в ЭНИМС лазерная технология сверления отверстий 50—
80 мкм в 0,5 мм часовых камнях с допуском ±3 мкм и с толщиной
дефектного слоя не более 10 мкм на сторону. Для этого специалисты
завода и института совместно разработали и изготовили лазерные
станки-автоматы модели АК-345 и АК-348. Произошло это всего на
несколько месяцев позже, чем аналогичная технология стала использо-
ваться в Швейцарии.
Впервые в станке были использованы инновационные оптические
решения — лазер высокой яркости на стекле с неодимом с оригиналь-
ным резонатором, выводом излучения через отверстие в переднем зер-
кале. Была впервые использована проекционная оптическая схема фо-
кусировки излучения на деталь, переход на двухимпульсную обработку
и много других нововведений. При длительности импульса ~300 мкс
лазер обеспечивал очень высокие яркость и пиковую мощность при
стабильной и долговременной работе.
Десять этих станков обеспечивали годовой выпуск до 90 миллионов
камней при средней производительности одно отверстие в секунду
вместо 30 минут при механическом сверлении. На этих же станках
впоследствии сверлились отверстия в миниатюрных сапфировых под-
шипниках скольжения [1].
На часовом заводе в г. Углич и на заводе точных технических кам-
ней в г. Куса, изготавливающих часовые камни в суммарном количес-
тве порядка 500 миллионов штук в год, в производство были внедрены
лазерные станки «Караван». На этих станках обработка одного отвер-
стия также занимала не более двух секунд.
1.1.2. Сверление отверстий в металлах
Очень острой проблемой для отечественной промышленности 70-х го-
дов была разработка стабильной и производительной технологии пре-
цизионного сверления отверстий в приборных жиклерах гироскопов, а
также в металлических фильерах для вытяжки тонких синтетических
волокон.
Приборные жиклеры, используемые для раскрутки сжатым воздухом
гироскопов в системах инерциального управления летательных аппара-
тов, выполнялись из латуни толщиной 150 мкм, и прецизионное калиб-
рованное отверстие диаметром 50—100 мкм прокалывалось вручную с
помощью специальной иглы. Эта непростая операция с учетом «челове-
ческого фактора» приводила к значительному разбросу в калибровке,
что и предопределило необходимость перехода на автоматическое ла-
зерное сверление.
Фильерные цилиндры для вытяжки полимерных и синтетических
волокон и мононитей изготавливаются из нержавеющей стали толщи-
ной до 0,2 мм и имеют в донной части от нескольких десятков до не-
скольких тысяч отверстий (фильер) диаметром от 30 и до 100—150 мкм,
реже до 1—2 мм, через которые и продавливается горячий жидкий по-
лимерный материал для охлаждения и растяжки. Застывая на некото-
ром расстоянии после выхода из калибрующего отверстия, он образует
прочные волокна, применяемые для изготовления синтетической пря-
жи и скручивания в синтетические нити.
Отверстия в таких фильерах изготавливались прокалыванием на
специальных сложных автоматах. Актуальность применения лазерного
сверления в данном случае определялась быстрым износом как прока-
лывающего инструмента, так и самих фильер.
Основным требованием ко всем перечисленным отверстиям было
обеспечение высокой размерной точности, воспроизводимости и по-
стоянства расхода (воздуха или расплавленного полимера). Требуемый
допуск обычно составлял ±2 мкм. Но даже при соблюдении допуска ла-
зерное сверление не всегда обеспечивало требуемую точность расхода
или заданную скорость потоков. Как показали исследования, основной
причиной несоответствия являлось наличие затвердевшей жидкой фазы
на боковой поверхности отверстий, выполненных лазерами со сравни-
тельно «длинными» импульсами.
Лишь к концу 1980-х с переходом на модуляцию импульсного или
непрерывного излучения лазера акустооптическим затвором удалось ра-
дикально уменьшить остаточное количество жидкой фазы и увеличить
повторяемость и калибруемость отверстий.
На середину 70-х приходится появление новых типов газоразрядных при#
боров-индикаторов. В их конструкциях в катоде, изготавливаемом из спе-
циальных марок стали толщиной 0,1 мм, необходимо было сверлить ре-
гулярные матрицы в несколько тысяч отверстий диаметром 100 ± 2 мкм
и с координатной точностью не менее ±2 мкм.
Для выполнения этой непростой тогда задачи в ЭНИМСе был создан
специальный станок модели АК-348Ф2 с ЧПУ, обеспечивающим 2-коор-
динатное управление столом и синхронную с ним работу лазера.
Сверление отверстий в жаропрочных и труднообрабатываемых материалах
К середине 70-х прошлого века при бурном развитии турбореактив-
ной авиации задача повышения ресурса и увеличения межповерочного
интервала для авиационных двигателей встала с особой остротой. За ру-
бежом к этому времени на предприятиях GE Aircraft Engines, Rolls-Royce
и Pratt & Whitney уже работали десятки лазерных установок от компаний
Raytheon (SS-500 и SS-550), Lumonics (JK MS-830), а позднее и Convergent
Energy (Gemini c Aurora P50) и др. для сверления охлаждающих от-
верстий в турбинных лопатках «горячей зоны» и в деталях камеры сгора-
ния авиационных двигателей.
Число отверстий диаметром от 250 до 900 мкм и глубиной от 3 и до
10 мм в хромоникелевых жаропрочных и труднообрабатываемых спла-
вах доходило до нескольких сотен на одну лопатку, а потребность в ло-
патках исчислялась сотнями тысяч (см. рис. 1.1).
При столь массовом производстве высокая скорость и производи-
тельность лазерного сверления в короткое время вытеснили на многих
заводах конкурирующие процессы электрохимической (ЭХО) и элек-
троэрозионной (ЭЭО) обработки (хотя они все еще используются для
получения отверстий с очень большим аспектным отношением или
криволинейной формой). Более низкое качество и больший размерный
Рис. 1.1. Сверление и профилирование охлаждающих отверстий
в лопатке ГТД и увеличенное изображение диффузора
с проработанным аэродинамическим профилем
разброс в сравнении с эрозионными методами на тот момент устраивал
производителей, поскольку в процессе охлаждения участвовали одно-
временно сотни отверстий и лопатка калибровалась только по совокуп-
ному расходу воздуха и нижнему допуску на размеры отверстий [25].
Во всех установках применялись импульсные Nd:YAG-лазеры с лам-
повой накачкой, высокой яркостью и пиковой мощностью 20—50 кВт
при длительности импульса от 0,2 до 5 мсек. Средняя мощность в середи-
не 80-х уже составляла 300—500 Вт, а к 90-м с целью увеличения произ-
водительности в ряде случаев была поднята до 1 кВт. Многоимпульсное
сверление (до 30—80 имп./отв. в «пачке») осуществлялось перкуссионным
или трепанационным методом с газовой продувкой. Высокое качество ма-
ломодового пучка обеспечивало достижение средней плотности мощно-
сти в фокусе до 106—107 Вт/см2, однако почти гауссовское распределение
приводило к сосуществованию процессов плавления и испарения с пре-
обладанием испарения в центре и значительной зоной расплава вблизи
стенок отверстия. Дальнейшее повышение средней мощности и увеличе-
ние энергии в импульсе для смещения процесса в сторону испарения
приводило к менее стабильному качеству, особенно для глубоких отвер-
стий. С точки зрения эффективности процесса — из-за разницы значе-
ний теплоты плавления и испарения — удаление расплавленного матери-
ала избыточным давлением паров более экономично и требует менее 15—
20 % от энергии, необходимой для только испарения того же материала.
Поэтому более надежным и простым методом повышения качества ока-
зались подбор временной формы импульса и его динамическое измене-
ние в пределах «пачки». Среднее время выполнения одного отверстия со-
ставляло от одной до нескольких секунд.
К концу 90-х в мировой авиации были ужесточены требования по на-
дежности, уровням шумности и экологичности авиационных двигателей.
В «горячей зоне» появились лопатки с керамическим термобарьерным
покрытием (англ. «TBC»), для улучшения охлаждения и снижения уровня
шумов и расхода топлива все выходы отверстий на поверхность лопатки
начали профилировать, придавая им требуемую аэродинамическую фор-
му диффузоров.
Хрупкая TBC-керамика из-за возможного трещинообразования не
может обрабатываться мощными импульсами миллисекундного лазера.
Для ее обработки и профилирования в установки дополнительно инстал-
лировались вторые YAG-лазеры с модуляцией добротности и разверткой
излучения с помощью сканеров. Пиковая мощность короткоимпульсного
лазера достигает 1—2 МВт при средней мощности до 100 Вт, и абляцион-
ное многопроходное 3D-профилирование каждого диффузора занимает
не более нескольких секунд, при этом его профиль индивидуально опти-
мизируется для каждого охлаждающего отверстия [45].
Аэродинамика охлаждающего потока лопатки и сложный внешний и
разветвленный внутренний профиль требуют расположения отверстий по
индивидуальной схеме и под разными (в т.ч. и «острыми», вплоть до 15°)
углами к поверхности. Поэтому обработка проводится на специальных
скоростных 5-осных лазерных станках с прецизионной кинематикой [13].
Один из наиболее современных европейских заводов MTU Aero
Engines расположен в Мюнхене и производит современные авиацион-
ные двигатели, узлы и комплекты лопаток как для Airbus S.A.S. (для се-
мейства самолетов A-320 и A-380), так и для других авиастроительных
компаний. Обработка лопаток и деталей осуществляется в три смены
на шести двухлазерных станках LaserTec 80 PowerDrill производства
Deckel-Maсho Group (DMG). В станках установлены лазеры компаний
Lasag и Rofin-Baasel [46].
В некоторых станках аналогичного назначения компании WinBro
сверление отверстий производится последовательно лазерно-эрозион-
ным методом, что обеспечивает более высокое качество [47].
34 Раздел 1. История развития лазерной прецизионной размерной
обработки и современные области ее применения
Рис. 1.2. Универсальный 5-координатный лазерно-эрозионный об-
рабатывающий центр WinBro Serie 800 для сверления и
профилирования диффузоров всех типов лопаток и сопло-
вых блоков
Близкие задачи по сверлению отверстий диаметром 80—100 мкм, но
с очень малым допуском до ±2 мкм при глубине сверления до 1 мм сто-
яла в 70-х и 80-х годах перед производителями фильтров и распыли-
тельных форсунок топливной аппаратуры дизельных двигателей, также
выполняемых из жаропрочных сплавов и работающих в условиях давле-
ний до 1000 атм. Механическая или электроэрозионная обработка была
достаточна трудоемка и приводила на тот момент к значительному про-
центу брака.
Накопление к середине 90-х годов данных по физическим законо-
мерностям лазерного сверления и развитие элементной базы твердо-
тельных лазеров позволили существенно расширить их применения в
этой области, значительно повысив производительность и обеспечивая
при этом требуемое качество и геометрическую точность.
В Европе, а с 1984 г. и в Америке такие лазеры для прецизионного
сверления начала поставлять производителям технологических устано-
вок швейцарская компания Lasag Corp. Имея значительный технологи-
ческий опыт, накопленный в начале 80-х при разработке собственной
5-осевой установки для сверления деталей авиационных турбин, и ти-
поряд мощных твердотельных лазеров с уникальными характеристика-
ми, Lasag в короткие сроки организовала серийный выпуск и техноло-
гическое сопровождение новых Nd:YAG-излучателей, оптимально
«заточенных» под данный круг задач [2].
На рис. 1.3 приведены фото фильтра (слева) и кольцевой обечайки
(справа) с отверстиями, изготовленными c помощью лазеров серий
KLS 246 и FLS 552 по технологии Lasag.
В примере изготовления фильтра на рис. 1.3 следует выделить высо-
кую точность диаметральных размеров отверстий, реализованную на
повышенной частоте повторения импульсов.
На рис 1.4 приведены фото, иллюстрирующие возможности одноим-
пульсного сверления отверстий в торцах очень тонких хирургических игл
(офтальмологические иглы) на установке модели NR компании Lasag.
Диаметр высверливаемых за один импульс отверстий может составлять
0,05—0,4 мм и выбирается в зависимости от диаметра самой иглы. Полу-
чается круглое цилиндрическое отверстие, на выходе которого отсутству-
ет застывшая жидкая фаза. Достигаемое аспектное отношение (при жест-
ком допуске на толщину остающейся стенки) составляет 1:4 — 1:8.
В этом примере следует обратить внимание на то, что импульс излуче-
ния с энергией, достаточной для быстрого и «чистого» одноимпульсного
36 Раздел 1. История развития лазерной прецизионной размерной
обработки и современные области ее применения
Лазер KLS 246: режим — 500 Гц,
0,05 Дж, 0,1 мс; нержавеющая
сталь толщиной 0,5 мм; диаметр
отверстия на входе — 0,06 мм,
на выходе — 0,055 мм; точность
±0,005 мм; время 120 отв./мин
Лазер FLS 552: режим — 20 Гц,
14 Дж, 0,6 мс; низколегированная
сталь 2 мм; диаметр отверстия
на входе — 0,7 мм, на выходе —
0,55 мм; точность ±0,015 мм
Рис. 1.3. Сверление отверстий в топливном фильтре (слева) и
в кольцевой обечайке (справа)
Рис. 1.4. Одноимпульсное сверление отверстий в торце тонкой оф-
тальмологической иглы из нержавеющей стали
испарения материала, модулируется несколькими более короткими
подымпульсами с нарастающей интенсивностью и с регулируемой скваж-
ностью (в данном случае скважность около двух). Поскольку эти резуль-
таты относятся к 1985 году, то это практически первая демонстрация
успешной микрообработки «пачками» импульсов. Регулировка скважно-
сти, амплитуды и числа импульсов в «пачке» позволяет подобрать режим
качественного сверления без повреждения тонких стенок для каждого ти-
поразмера игл. В разделе 6.1 показано, что такая структура является осно-
вой улучшения качества лазерной обработки.
В России лазерные установки с близкими параметрами излучения
были разработаны и начали серийно выпускаться с начала 2000-х годов
в НПЦ «Лазеры и аппаратура ТМ ».
Современный этап развития технологий лазерного сверления тесно
связан с прогрессом в разработке и выпуске в промышленном исполнении
твердотельных лазеров с диодной накачкой, генерирующих на высоких ча-
стотах повторения импульсы нано- и пикосекундной длительности.
На рис. 1.5 приведен пример высокоскоростной перфорации сотен
тысяч отверстий в тонколистовом металле. Показан фрагмент мембраны
фильтра, содержащего более 200 тысяч отверстий диаметром 30 мкм, с ша-
гом между ними 50 мкм. Мембрана изготовлена из нержавеющей стали
толщиной 30 мкм и выполнена импульсами наносекундной длительности.
Рис. 1.5. Перфорация отверстий диаметром 30 мкм и с шагом
50 мкм в нержавеющей стали толщиной 30 мкм
Стабильность диаметра перфорированных отверстий и правильность
их формы свидетельствует о стабильности всех параметров лазерного из-
лучения и высокой равномерности его пространственного распределения.
Данная система отверстий была изготовлена на специальном лазер-
ном станке, который, по заявлению представителя создавшей его не-
мецкой фирмы LPKF, способен перфорировать до 680000 отверстий в
час [4]. Столь высокая скорость реализуется за счет перемещения сфо-
кусированного излучения по поверхности детали гальваносканером.
В настоящее время для решения аналогичных технологических задач
предлагается множество различных нано- и пикосекундных лазеров.
Масштабный промышленный выпуск целой линейки пикосекундных
лазеров осуществила немецкая фирма Lumera Laser. В М юнхене на вы-
ставке Laser Show 2009 был продемонстрирован лазер Hyper Rapid 50,
генерирующий импульсы длительностью 15 псек на четырех длинах волн
(л = 355, 532 и 1064 нм). На частоте следования импульсов 400 кГц при
качестве излучения не хуже М2 < 1,5 энергия, соответствующая указан-
ным значениям л, равна 70—120 мкДж, что обеспечивает абляцию, рав-
ную 60 мм3/мин [5]. Пикосекундные лазеры производят также такие из-
вестные компании, как Rofin и Trumpf [6].
1.2. Лазерное прецизионное резание на начальном этапе
Прецизионное резание с использованием импульсных твердотельных
лазеров на кристаллах Nd:YAG, обеспечивающих плотность мощности
на поверхности зоны перекрытия соседних сфокусированных световых
пятен не менее 5 Ї 106 Вт/см2 для абляции материала, было опробовано
уже в середине 70-х. На его базе создавались импульсные лазеры с по-
вышенной частотой следования и энергией импульсов и непрерывные
лазеры (и тот и другой могли работать с модулированной добротностью
излучения), что позволило удовлетворять возросшую к тому времени
потребность в лазерном резании.
Кроме того, весомые усилия на данном этапе были сосредоточены
на разработке технологий лазерного резания материалов, механическая
обработка которых затруднена или практически невозможна. В связи с
этим резка листовых материалов и металлов на этот момент целиком
производилась с использованием более мощных непрерывных СО2-ла-
зеров.
Практически только к концу 80-х годов с появлением сравнительно
мощных (до 0,3—0,6 кВт) непрерывных и импульсных Nd:YAG-лазеров
с ламповой накачкой стало возможным и целесообразным не только
разрабатывать установки и применять твердотельные лазеры для реза-
ния механически труднообрабатываемых материалов, но и массово об-
рабатывать такие металлы, как конструкционная и нержавеющая сталь,
алюминий, медь, латунь, титан и т.д., а также и цветные металлы, пло-
хо поддающиеся обработке с помощью СО2-лазеров.
Качество импульсной резки твердотельными лазерами многих чер-
ных и цветных металлов и ряда диэлектриков во многих случаях значи-
тельно превосходило результаты, получаемые при резке СО2-лазерами.
При меньшем размере пятна и ширине реза не только достигалась бо-
лее высокая точность (прецизионность) ответственных деталей, но
и минимизировалась зона термического воздействия (ЗТВ) из-за сни-
жения аккумуляции тепла.
Тем не менее большая часть оборудования с твердотельными лазе-
рами, разрабатываемая в этот период, предназначалась для целевых
специализированных технологических применений и, естественно, вы-
пускалась очень малыми партиями или «поштучно».
Одно из интересных применений прецизионного резания в технологи#
ческом процессе изготовления бриллиантов было осуществлено в 1974—
76 гг. Для этого в ЭНИМСе был разработан первый отечественный
прецизионный станок с лазером на стекле с неодимом, предназначен-
ный для нанесения на природном («сыром») алмазе нестираемых линий
разметки (разметка огранки будущего бриллианта) глубиной порядка
0,1 мм. До этого разметка наносилась технологом тушью и при «распи-
ловке» или огранке алмаза часто терялась, что приводило к ошибкам
и порче дорогого сырья.
Последующая доработка, проведенная в ЭНИМСе, по соверше-
нствованию технологии лазерной разметки позволила учитывать при
разметке ориентацию кристаллических граней алмаза, что позволяло
спланировать получение бриллианта наибольшей возможной каратнос-
ти и наивысшего качества и блеска. Стоимость готового бриллианта
при этом значительно возрастала.
Работа была внедрена на московском заводе «Кристалл» в 1977 г.
Дальнейшая модернизация станка и технологии в ЭНИМСе позво-
лила осуществлять лазерный надрез алмазов на глубину до ~0,3 мм для
последующей точной установки в него тонкого (50—80 мкм) вращаю-
щегося алмазного диска для распиливания кристалла на полную глуби-
ну по плоскости с заданной разметкой ориентацией.
Позднее в середине 80-х на станок был установлен более современ-
ный Nd:YAG-лазер на гранате с непрерывной ламповой накачкой и
акустооптической модуляцией добротности. Лазер, разработанный в
НПО «Полюс», обеспечивал мощность до 20 Вт в маломодовом режиме.
В конце 1980-х в ЭНИМС был разработан Nd:YAG-лазер с непре-
рывной накачкой и акустооптической модуляцией, со средней мощнос-
тью до 100 Вт. С ним была отработана технология программно управ-
ляемого многопроходного резания природного алмаза со скоростью до
25 мм/мин на глубину до 1 мм при ширине реза 100 мкм. При этом
в резе отсутствовало трещинообразование, а на его боковой поверхнос-
ти образовывался слой графита толщиной не более 2 мкм. Данный ре-
зультат делал особо перспективным внедрение лазерной технологии для
проведения сквозного двухстороннего резания алмазов с размерами до
2 мм (~0,1 карата), наиболее часто встречающихся в партиях кристал-
лов для изготовления бриллиантов. Механическое резание таких крис-
таллов могло длиться многие часы.
В 90-е годы основным центром производства бриллиантов в России
стал Смоленский завод «Кристалл». На этом заводе был организован уча-
сток лазерной обработки алмазов. Основу участка составили три станка
компании Orziv (Израиль), оснащенные непрерывным одномодовым ла-
зером Quantronix 114 (США) с непрерывной накачкой и акусто-оптиче-
ской модуляцией излучения, а также две экспериментальные отечествен-
ные установки ЛТК1 и ЛТК-2 с Nd:YAG-лазером с непрерывной
накачкой и АОМ. На последних установках была отлажена отечественная
технология «послойного распиливания» кристаллов по параметрам мини-
мально узкого клинообразного распила, задаваемого оператором, а также
предложено распиливание «крупных» кристаллов «с переворотом», то
есть с двух сторон, с автоматическим совмещением полуплоскостей рас-
пиливания. На этих же станках в автоматическом режиме резки проводи-
лось и предварительное формообразование кристалла под заданную
огранку, включающее все стандартные и фантазийные формы («круг-
лый», «овал», «маркиз», «груша», «сердце» и др.).
Некоторые большие кристаллы невозможно было разрезать алмаз-
ным диском, поскольку у них не существовало так называемого мягко-
го направления и присутствовали внутренние напряжения, препятству-
ющие механической обработке. Их разрезка, как правило, осуществима
40 Раздел 1. История развития лазерной прецизионной размерной
обработки и современные области ее применения
только лазером. В этом случае становится возможным увеличивать глу-
бину резания до нескольких миллиметров за счет постепенного переме-
щения фокальной плоскости ко дну реза, ширина которого увеличива-
ется последовательными параллельными проходами.
Наилучшее качество реза достигалось при использовании импульс-
ного одномодового лазера со средней мощностью около 10 Вт. При дли-
тельности импульсов в 150—200 нс оптимальный результат достигался на
частоте следования 2—2,5 кГц. Оптическое качество пучка и оптическая
система позволяли фокусировать излучение в световое пятно диаметром
30—50 мкм. Малый диаметр лазерного излучения на выходе из резонато-
ра и указанный диаметр светового пятна обеспечивали узкий апертурный
угол фокусируемого пучка и минимальную ширину реза.
Еще одним существенным преимуществом данной установки было
ее оригинальное программное обеспечение. С его помощью была про-
изведена унификация операций резания и предварительной огранки,
что повысило ее функциональность и облегчило эксплуатацию.
К началу 80-х на повестку дня в стране остро встал вопрос лазерной
размерной обработки керамических подложек, а также прецизионной вы#
резки в них «окон» и технологических отверстий. Военная электроника
массово переходила на технологию компактных и легких гибридных
интегральных схем (ГИС), выполняемых на керамических подложках
с высокими диэлектрическими параметрами. Даже при значительном
увеличении функциональной сложности электронных блоков их массо-
габаритные показатели уменьшались в десятки раз, а стойкость и защи-
щенность значительно возрастали. Прогресс в области силовой элек-
троники и СВЧ-приборов требовал использования в качестве подложек
новых теплопроводящих керамических материалов со специфическими
диэлектрическими характеристиками.
Все это стимулировало разработки специализированных лазерных
установок с твердотельными и газовыми лазерами для высокоточной
обработки, резки и разделения различных видов керамических подло-
жек (ситалл, поликор, 22ХС, нитридные теплопроводящие керамики и
др.). Размеры «стандартных» отечественных подложек обычно составля-
ли 60 х 48 мм при толщине от 200 мкм и до 2 мм.
Из-за высокой твердости и хрупкости этих керамик их механиче-
ская обработка была трудноосуществима.
Твердотельные лазеры, работающие на длине волны л = 1,064 мкм,
достаточно хорошо разрезали многие виды керамических материалов.
Однако технология требовала гарантированного отсутствия трещинооб-
разования, в связи с чем глубина дефектного слоя на боковой поверх-
ности реза не должна превышать 10 мкм. Кроме того, требовалась вы-
сокая «чистота» процесса, поскольку многие операции вырезки и
разделения должны были производиться на подложках с подготовлен-
ным рисунком металлизации, а подчас и с установленными компонен-
тами ГИС. Быстро стало понято, что «длинные» импульсы с высокой
энергией, хотя и с легкостью прошивают керамику значительной тол-
щины, малопригодны для «чистого» и бездефектного разделения. Эти
технические и технологические проблемы постепенно решались за счет
использования все более совершенных лазеров с более высокой часто-
той повторения укороченных импульсов и высоким качеством пучка.
Начиная с 1985 года в ЭНИМС в содружестве с НИИ «Зенит»
(г. Зеленоград) была намечена целевая программа по разработке и по-
становке в серию технологической лазерной установки с мощным
твердотельным лазером и подготовкой необходимой к производству
компонентной базы. Первоначально был разработан и серийно выпу-
скался станок модели 4Р222Ф2 на базе рубинового лазера с часто-
той следования импульсов 20 Гц, но уже с 1988 г. начался серийный
выпуск установки модели 4Г222Ф2 с 50-ваттным Nd:YAG-лазером
с ламповой накачкой и частотой следования импульсов до 50 Гц.
Оба станка применялись на многих предприятиях, использующих
керамические подложки для изготовления элементов электроники.
К 1990 году частота и мощность были повышены до 100 Гц и 100 Вт
соответственно.
В начале 90-х для повышения производительности установки и уве-
личения глубины резания был разработан лабораторный образец двух-
каскадного (задающий генератор и усилитель) импульсного (длитель-
ность импульса 250 мкс) лазера с мощностью до 175 Вт с модуляцией
излучения акустооптическим затвором. Удалось решить многие ресурс-
ные проблемы лазера за счет общего снижения нагрузок на квантроны
и лампы.
Позднее работы в этом направлении были продолжены в научно-про-
изводственном центре «Лазеры и аппаратура ТМ» (г. Зеленоград). В кон-
це 90-х годов на новой элементной базе силовой электроники и новой
конструкции резонаторов и квантронов был разработан типоряд твердо-
тельных лазеров и организован серийный выпуск лазерных технологиче-
ских установок серии МЛ1-1 и МЛ1-12.
1.3. Использование лазерного резания на современном этапе
За 30 лет после появления первых машин для лазерной резки
техническое и технологическое развитие в этом сегменте двигалось по
пути медленного эволюционного наращивания мощности излучения
всех известных типов промышленных лазеров и, как следствие, столь
же плавного наращивания скорости и производительности оборудо-
вания. Так же плавно росли качество, точность, сервис, «дружествен-
ность» программного интерфейса и толщина обрабатываемых заго-
товок.
В последнее десятилетие развитие практических применений лазер-
ной резки значительно ускорилось. В основном это определилось про-
мышленным освоением и появлением на рынке новых типов мощных
лазеров с диодной накачкой, обладающих несравненно более высо-
кой удельной мощностью, надежностью, ресурсом и экономичностью.
Одним из признаков современного этапа развития является то, что
безоговорочные лидеры 1990-х годов в области массовой резки листо-
вого материала — СО2-лазеры в последние годы повсеместно вытесня-
ются мощными волоконными и дисковыми лазерами, захватившими за
последние несколько лет более 70 % сегмента прецизионной резки
металлов толщиной до 20 мм. Другая особенность современного разви-
тия технологий лазерного резания связана с созданием промышленных
моделей импульсных лазеров с нано-, пико- и фемтосекундной дли-
тельностью импульсов излучения. С освоением этих лазеров появилась
возможность вывести лазерную микрообработку на качественно новый
уровень.
В данном разделе мы прежде всего рассмотрим особенности и воз-
можности использования именно этих новых и перспективных «игро-
ков» в сегменте лазерной резки, а также постараемся объяснить, почему
во многих случаях потребители и разработчики отдают предпочтения
новым типам лазеров.
1.3.1. Мощные лазеры в технологии изготовления изделий
из листовых металлов
Изготовление изделий из листовых металлов (конструкционная сталь,
нержавеющая сталь, алюминий и его сплавы, медь, латунь, вольфрам,
никель, цирконий, молибден и др. толщиной от 1—8 мм и более)
с использованием лазерного резания является в настоящее время широ-
ко востребованным во многих странах, включая Россию.
Наиболее известным и успешным разработчиком и производителем
волоконных лазеров является известная компания IPG Photonics. Среди
других производителей волоконных лазеров следует выделить компании
Rofin и Trumpf.
Еще две компании недавно вышли на рынок с непрерывными воло-
конными лазерами киловаттной мощности. Это британские компании
SPI Lasers и JK Lasers.
Компания IPG Photonics серийно выпускает одномодовые волокон-
ные лазеры мощностью от 0,1 кВт и до 10 кВт с полной расходимостью
менее 1—2 мрад и качеством одномодового излучения М2 < 1,1 [10].
Эти лазеры обеспечивают наилучшее качество и скорость при резке кон-
струкционной стали толщиной до 5—8 мм и нержавеющей стали толщи-
ной до 4—6 мм [12]. Многомодовые волоконные лазеры выпускаются
мощностью до 50 кВт с расходимостью излучения от 4 мрад и более.
Компания Rofin предлагает волоконные лазеры серии FL, обладаю-
щие мощностью в пределах 500 Вт — 4 кВт. Для оптимизации режимов
обработки может устанавливаться транспортное оптическое волокно
диаметром от 50 до 600 мкм. Одномодовые волоконные лазеры достига-
ют параметра качества пучка BPP = 0,4 мм Ї мрад при выходной мощ-
ности до 1 кВт. «Топовая» модель FL 040 мощностью 4 кВт обеспечива-
ет качество излучения BPP = 2,5 мм Ї мрад. В перспективе должны
последовательно появиться лазеры с выходной мощностью 6 и 10 кВт
(по-видимому, FL 060 и FL 100).
Лазеры компании Rofin включают интеллектуальную систему управ-
ления RCU (Rofin control unit), работающую под ОС WindowsCE
с пультом ДУ и сенсорным дисплеем для оперативного вывода всей ин-
формации о состоянии и параметрах работы. В случае применения не-
скольких лазеров производства Rofin система обеспечивает их единое
управление через общие интерфейсы, в остальных случаях — легкую
программируемую интеграцию в оборудование OEM-производителей.
Опционно RCU обеспечивает непосредственное управление сканерной
головкой и системами контроля процесса.
Компания Trumpf производит под маркой «TruFiber X00» одномо-
довые волоконные лазеры мощностью 200, 300 и 400 Вт с качеством
излучения М2 < 1,1. Лазеры ориентированы на сектор прецизион-
ной обработки и резки сравнительно тонких материалов. Мощность
44 Раздел 1. История развития лазерной прецизионной размерной
обработки и современные области ее применения
многомодового волоконного лазера, выпускаемого Trumpf, равна
3,6 кВт.
Все перечисленные волоконные лазеры могут работать в непрерыв-
ном и импульсном режимах. Но поскольку импульсный режим обеспе-
чивается модуляцией тока, то пиковая мощность импульса остается на
том же уровне, что и в непрерывном режиме. Это означает, что такой
режим, если и улучшает качество резания, то только с потерей в произ-
водительности. О том, в каких случаях целесообразно его использовать,
объяснено в разделе 5 настоящей книги.
Дисковые лазеры, генерирующие излучение с длиной волны л =
= 1,06 мкм, серийно выпускаются компаниями Trumpf и Rofin.
Компания Trumpf разработала и производит семейство дисковых ла-
зеров под общей маркой TruDisk X00 мощностью 1—16 кВт. Качество
излучения (BPP) для лазеров мощностью 1 кВт и 2 кВт составляет
2 мм Ї мрад и 4 мм Ї мрад соответственно, (т.е. М2 = 1,3 и М2 = 3). Ка-
чество излучения (BPP) для лазеров мощностью от 2,6 до 16 кВт равно
8 мм Ї мрад (илиМ2 = 6) [11]. По материалам компании Trumpf, диско-
вый лазер мощностью 3 кВт легко разрезает конструкционную сталь
Рис. 1.6. Одномодовый волоконный лазер IPG Photonics YLS-2000,
многомодовый волоконный лазер компании Rofin FL 040
и одномодовый волоконный лазер TruFiber 400 компании
Trumpf
толщиной до 20 мм, нержавеющую сталь — до 15 мм, алюминий —
до 15 мм, медь — до 4 мм, бронзу — до 3 мм [22].
Излучение дисковых лазеров передается в зону обработки по транс-
портному волокну, диаметр которого у лазеров мощностью 1 и 2 кВт
равен 50 мкм и 100 мкм, а у 2—16 кВт лазеров диаметр установленного
транспортного волокна — 200 мкм. Для лазеров мощностью в 16 кВт он
опционно может быть увеличен до 300 мкм.
Примерно к 2007 г. разработчики и производители СО2-лазеров,
не желая терять свои позиции, существенно улучшили параметры их
излучения. Компания Trumpf выпускает такие лазеры мощностью 0,7—
3,6 кВт с качеством излучения М2 = 1,67 [5]. Таким образом, удалось
уменьшить расходимость излучения этих лазеров примерно до 3 мрад
и повысить их выходную мощность. Улучшены и эксплуатационные ка-
чества этих лазеров. СО2-лазер мощностью 3 кВт режет конструкцион-
ную сталь толщиной до 20 мм, нержавеющую сталь и алюминий тол-
щиной 15 мм, медь толщиной 4 мм и бронзу толщиной 3 мм.
Постарались не оказаться не у дел и другие разработчики СО2-ла-
зеров. Фирма Rofin создала семейство СО2-слэб-лазеров мощностью от
1 кВт и до 8 кВт с качеством излучения k = 0,95.
На проведенной в Москве в 2011 г. выставке «Металлообработка»
компания Mitsubishi демонстрировала технологическую установку со
встроенным в нее многомодовым СО2-лазером мощностью 4,5 кВт соб-
ственной разработки. Демонстрировалось резание конструкционной
стали толщиной до 25 мм (с кислородом) [9].
Российская компания «ВНИТЭП» на той же выставке демонстриро-
вала свою технологическую установку, оснащенную волоконным лазе-
ром от IPG с мощностью 2 кВт, на которой также в кислородной среде
можно резать специальную конструкционную сталь толщиной до 20 мм
[11].
Здесь еще раз важно обратить внимание на то, что особо выделяли
все представители перечисленных фирм. Указываемые ими толщины
реализуются при резании в среде кислорода специальной конструкци-
онной стали, отличающейся повышенной однородностью структуры и
уменьшенным количеством примесей.
Многие широко применяемые на различных производствах листо-
вые металлы не вступают в экзотермическую реакцию. К таковым от-
носятся наиболее употребимые в различных областях промышленности
нержавеющая сталь, алюминий и его сплавы, медь и латунь.
Цирконий, молибден и титан, часто используемые в ряде специали-
зированных отраслей промышленности, неуправляемо сгорают даже
в среде воздуха и тем более в кислородной среде, вызывая тем пожаро-
опасную ситуацию. Потому изготовление из этих металлов различных
изделий с применением лазерного точного резания осуществляется
в среде нейтральных газов.
Исследования процесса резания в среде сжатого воздуха листовой
конструкционной стали отечественного производства толщиной до
5 мм, не относящейся по мировым стандартам к специальной лазерной
стали, нержавеющей стали толщиной до 4 мм, сплавов алюминия тол-
щиной до 5 мм, а также и меди толщиной до 3 мм, производимые с ис-
пользованием волоконного лазера мощностью 1 кВт, были проведены в
НПЦ «Лазеры и аппаратура ТМ» в период 2009—2010 гг. (см. раздел 8).
Удовлетворительные качественные показатели резания в среде ней-
трального газа отечественной нержавеющей стали толщиной 5 мм и
дюрали толщиной 6 мм реализуются за счет использования волоконно-
го многомодового лазера мощностью 1,5 кВт. Для обеспечения прием-
лемого качества резания конструкционной стали толщиной более 3 мм
его надо производить в среде кислорода.
Удовлетворительные для производственников качественные показа-
тели резания в среде кислорода отечественной конструкционной стали
толщиной до 16 мм, нержавеющей стали толщиной до 10 мм и алюми-
ниевого сплава АМГ5 толщиной до 10 мм в среде нейтрального газа ре-
ализуются за счет использования многомодового волоконного лазера
мощностью 2 кВт.
Теоретические расчеты, проведенные в НПЦ в 2011 г., показали, что
увеличение глубины и улучшение качественных показателей резания, про-
водимого на максимально возможной скорости резания, при неизменной
мощности лазера реализуются оптимизацией локализации излучения на
деталь и подбором конструкции и параметров сопла, через которое в зону
обработки подается ассистирующий газ (см. разделы 5, 8 и 9).
Следует коротко остановиться на проблеме резания меди с помощью
волоконных лазеров. Суть ее определяется высоким коэффициентом отра-
жения излучения с длиной волны 1,06 мкм на этом материале. Отраженное
излучение, пройдя через фокусирующий объектив в обратную сторону, по-
падает на торец волокна, используемого в этом лазере, и вызывает его раз-
рушения. В НПЦ «Лазеры и аппаратура ТМ» был разработан способ ре-
зания меди с помощью волоконного лазера, при котором отражение
излучения понижается до уровня, при котором не происходит указанного
разрушения. То, за сет чего снижается отражение, объяснено в разделе 2.
Каким образом реализуется снижение и то, какие получаются результаты
по глубине и скорости резания меди с использованием многомодового во-
локонного лазера мощностью 1 кВт, рассказано в разделах 5 и 8.
Применение лазерного резания не ограничивается изготовлением изде#
лий из листовых материалов. То, сколь в настоящее время актуальна и
разнообразна иная область применения лазерного резания и какие ла-
зеры используются для удовлетворения ее потребностей, показывают
данные, приведенные в таблице 1.1 [13].
Соответствующие таблице 1.1 примеры прецизионного резания при-
ведены ниже на рис. 1.7. Большая часть демонстрируемых на нем деталей
изготовлена с использованием твердотельного импульсного лазера с ак-
тивным элементом на Nd:YAG с мощностью излучения 300 Вт. Как уже
отмечалось выше, такие лазеры начали разрабатываться в конце 90-х. Со-
здание на основе этих лазеров технологических установок, оснащенных
прецизионным координатным столом, оригинальной оптической систе-
мой фокусирования излучения, устройством подачи в зону обработки ас-
систирующего газа, автоматизированной системой управления процессом
обработки, позволило начать широкое внедрение технологии прецизион-
ной резки конструкционной и нержавеющей сталей, труднообрабатывае-
мых металлов, сплавов алюминия, цветных металлов, керамик и т.д.
Application rage — область применения; watch industry — часовая про-
мышленность; medical — fine cutting parts — точное резание меди-
цинских изделий; electronics — электроника; apparatus engineering — ин-
женерная аппаратура; automotive — производство автомобилей;
aerospase — самолето- и ракетостроение.
Таблица 1.1
На рис. 1.7 а показана обработка трубки модулятора электронного
прибора в металле диаметром 6 мм, производимая импульсным
Nd:YAG-лазером мощностью до 300 Вт.
На рис. 1.7 б представлена высокоточная деталь, вырезанная в ме-
талле толщиной 0,2 мм.
На рис. 1.7 в представлен филигранно вырезанный лазерным излу-
чением вкладыш фильтра. По внешнему виду вкладыша допустимо
предположить, что для его обработки использовался cw-лазер с модуля-
цией добротности мощностью до 100 Вт.
На рис. 1.7 г демонстрируется хирургический инструмент с откры-
той полостью, вырезанной в трубке с толщиной стенки 1,5 мм, с ис-
пользованием импульсного Nd:YAG-лазера мощностью до 300 Вт.
Рис. 1.7. Прецизионные детали, изготовленные на оборудовании
Lasertec компании DMG
На российских предприятиях для прецизионного резания деталей из
указанных металлов и керамик наибольшее распространение в настоя-
щее время получили установки на базе двухкаскадных импульсных
твердотельных лазеров с ламповой накачкой серии МЛ1-2 и МЛ4-2.
Они применяются для изготовления изделий из керамики, нержавею-
щей стали, ковара, латуни, меди, алюминия и серебра. То, на каких ре-
жимах следует производить резание на указанных установках, объясне-
но в разделе 8.
Преимуществом лазеров с ламповой накачкой по сравнению с воло-
конными и дисковыми лазерами являются высокие энергия и пиковая
мощность импульсов излучения. Это обеспечивает лучшее качество ре-
зания, выражающееся в повышенной чистоте боковой поверхности
реза, максимальная глубина которого в зависимости от материала нахо-
дится в пределах 2—4 мм, и меньшей высоте грата, образующегося на
его выходе. Однако при повышении их средней мощности (за счет час-
тоты следования импульсов или накачки) из-за возникновения в актив-
ном элементе термических искажений значительно увеличивается рас-
ходимость излучения. По этой причине получение маломодового
излучения мощностью, находящейся в пределах даже 30—50 Вт, являет-
ся принципиально сложной задачей. Данный недостаток существенно
ограничивает область применения резания с их использованием, по-
скольку он не позволяет увеличить производительность и глубину обра-
ботки.
1.3.2. Лазерное прецизионное резание с использованием
нано-, пико- и фемтосекундных импульсов
Повышение требований к надежности и качеству высокотехнологичной
продукции, необходимость ее миниатюризации с одновременным уве-
личением функциональных возможностей привели в последние годы к
быстрому росту спроса на лазерное технологическое оборудование но-
вого поколения. Согласно данным исследовательской компании Strategic,
сектор рынка нового оборудования поколения в последние 4—
5 лет демонстрирует наиболее быстрые темпы роста (более 35—40 %),
значительно превосходящие темпы роста традиционных технологий.
Его основной особенностью является то, что оно должно обеспечивать
толщину дефектного слоя в зоне обработки до микронного уровня и
позволять изготавливать различные по назначению миниатюрные изде-
лия из полупроводниковых и диэлектрических материалов с нанесен-
50 Раздел 1. История развития лазерной прецизионной размерной
обработки и современные области ее применения
ными на них пленочными покрытиями. Реализация этих требований с
использованием ранее разработанных и выпускаемых лазерных обраба-
тывающих комплексов невозможна.
Качественный скачок в создании новых технологий резания и соот-
ветствующего им оборудования произошел в последние годы и был
связан с прогрессом в создании нано-, пико- и фемтосекундных твер-
дотельных лазеров с диодной накачкой. Использование этих лазеров
обеспечило достижение такой плотности мощности в зоне обработ-
ки, при которой абляция состоит в основном из испарения. При этом
возможность проведения обработки излучением не только ближнего
инфракрасного (ИК) диапазона спектра, но и видимого, и ультрафио-
летового диапазонов позволила значительно расширить перечень обра-
батываемых материалов и уменьшить зону термического влияния.
В настоящее время разработку технологических комплексов с на-
но-, пико- и фемтосекундными лазерами ведут практически все фир-
мы, занимающиеся микрообработкой. Одними из первых эти работы
начали компании Clark-MXR Inc., Oxford Lasers Ltd., 3D Micromac,
LPKF и др. Немецкая компания LPKF сконцентрировала свои усилия
в отмеченной выше актуальной области использования лазерного ре-
зания в технологии изготовления как печатных плат и необходимых
для того паяльных масок (стенсил), так и соединительных элементов
плат. При создании оборудования для этих технологий она использу-
ет лазеры с диодной накачкой, генерирующие импульсы наносекунд#
ной длительности на требуемых для оптимального процесса обработки
длинах.
Для серийного промышленного производства LPKF разработала ряд
разнообразных технологических процессов лазерного резания и фрезе-
рования, а также создала на базе этих лазеров соответствующие им
установки серии MicroLine. С использованием этого оборудования на
фирме производятся следующие операции:
— вырезание полугибких и жестких печатных плат требуемой кон-
фигурации из многослойного стеклотекстолита толщиной 0,3—
1 мм [14];
— вырезание пазов заданного контура в многослойной плате с по-
мощью специальной оптики, позволяющей уменьшить до мини-
мума дефекты, образующиеся на боковой поверхности реза. Вы-
сокое качество боковой поверхности такого реза демонстрирует
фотография на рис. 1.8 [14];
1.3. Использование лазерного резания на современном этапе 51
— вырезание гибких соединительных элементов печатных плат, из-
готавливаемых из меди, покрытой пластиком, с общей толщиной
10—50 мкм. Фото соединительного элемента торсионного типа
показано на рис. 1.9 [15];
52 Раздел 1. История развития лазерной прецизионной размерной
обработки и современные области ее применения
Рис. 1.8. Паз, вырезанный в многослойной плате
Рис. 1.9. Соединительный элемент торсионного типа (см. цв.
вклейку)
— сверление в платах глухих переходных отверстий диаметром от
50 мкм на требуемую глубину, предназначенных для последую-
щей организации межслойного электрического соединения за
счет гальванического нанесения на их боковую поверхность слоя
меди [14];
— сверление в платах сквозных отверстий диаметром 75 мкм, пред-
назначенных для электрического соединения слоев меди толщи-
ной 20—30 мкм;
— вырезание масок для нанесения паяльной пасты, изготавливаемых
из нержавеющей стали или специального полимера толщиной
100—250 мкм с различными по форме апертурами («стенсилы»),
количество которых доходит до 15000. В зависимости от толщины
этой детали и числа вырезаемых в ней отверстий скорость обработ-
ки на данной операции равна 7700—10400 апертур в чаc [16].
Компания LPKF разработала новый способ ускорения изготовления
паяльных масок. Суть его заключается в том, что отдельная апертура
вырезается без перемещения стола. Реализуется это использованием
зеркальной отклоняющей системы, перемещающей лазерный луч в
пределах сопла подачи газа [17].
На рис. 1.10 а показан фрагмент маски из 50 тысяч отверстий диамет-
ром 50 мкм, изготовленных новым способом за один час. На рис. 1.10 б
представлен аналогичный фрагмент более сложной маски из 25 тысяч
прямоугольных отверстий размером 60 х 300 мкм, также изготовленной
новым способом за один час. Данные рисунки демонстрируют как высо-
кую точность геометрического расположения обработанных отверстий,
так и высокое качество обработки.
О высоком качестве и разрешающей способности резания, проводи-
мого новым способом, позволяет судить показанная на рис. 1.11 фото-
графия пазов размерами 30 Ї 66 мкм, изготовленных в многослойной
плате. Радиус закругления в углах пазов равен 10 мкм.
На установках серии MicroLine проводится также качественное
резание, скрайбирование и сверление различных спеченных и сырых
керамик (нитрид кремния, оксид алюминия, нитрид алюминия, оксид
циркония) толщиной от 0,25 мм и до 1 мм [17].
Лазерами, генерирующими импульсы пикосекундной длительности,
в настоящее время производится резание обширной номенклатуры де-
талей, изготовленных из различных материалов. Ниже приведены неко-
торые примеры обработки такого рода деталей.
Углеродные композитные материалы относятся к наиболее перспек-
тивным в авиакосмической промышленности, автомобилестроении и
нефтехимии. Их обработка механическими методами весьма затрудни-
тельна, что и вызвало повышенный интерес к их лазерному резанию.
54 Раздел 1. История развития лазерной прецизионной размерной
обработки и современные области ее применения
Рис. 1.11. Миниатюрные пазы, изготовленные в многослойной
плате
Использование для резания углеродных композитных материалов тол-
щиной 1,5—3 мм непрерывных СО2-лазеров мощностью до 2 кВт и им-
пульсного СО2-лазера, работающего на частоте следования импульсов
500 Гц с длительностью импульса 20 мкс и энергией импульса 1 Дж,
привело к неприемлемым по точности результатам. Они таковы: шири-
на реза — 0,4—1 мм, глубина зоны термического влияния на входе реза
— 1,8—4,55 мм, а в поперечном сечении реза — 2—4 мм. В этой зоне
происходит выгорание матрицы и образуются трещины и поры. Боко-
вая поверхность реза покрыта слоем пироуглерода [19].
При использовании СО2-лазера, работающего в импульсном режиме
с частотой следования импульсов 10 Гц, глубина зоны термического вли-
яния оказалась равной нулю. Но и это не привело к удовлетворительному
результату в целом, поскольку ширина реза стала равной 1,6 мм.
Одной из основной причин недопустимых как ширины реза, так
и глубины зоны термического влияния является то, что при воздейст-
вии на материалы излучения с длиной волны л = 10,6 мкм при
плотности мощности, превышающей 106 Вт/см2, вблизи поверхности
детали образуется плазма. Она вызывает рефракцию излучения, его
поглощение и последующую передачу энергии в окружающую среду
и в зону расширения, образующуюся на поверхности обрабатываемо-
го материала [19].
При использовании выпускаемого фирмой Lumera пикосекундного
лазера модели Hyper Rapid 50, работающего в режиме УФ-излучения
с мощностью до 20 Вт на частоте импульсов 200—2000 кГц, скорость
абляции при длительности импульсов 15 псек достигает 60 мм3/мин.
Такая производительность была получена при резании углеродного
композитного материала толщиной 1 мм [20].
Сколь высокое качество реза реализуется при укорочении длитель-
ности импульса до 15 псек, видно на рис. 1.12. Нити волокон четко
различимы в правой части боковой поверхности реза, на которой отсут-
ствует углерод. Минимальная величина неровностей, характеризующая
чистоту поверхности, равна 200 нм. Поскольку расходимость излучения
этого лазера близка к одномодовой, то ширина реза даже при использо-
вании фокусирующего объектива с f = 200 мм не превысит 200 мкм.
По заявлению компании Trumpf, пикосекундные дисковые лазеры се-
рии обеспечивают высококачественное и с достаточно высокой скорос-
тью резание деталей из нержавеющей стали, титана, кремния и других
полупроводниковых материалов. Высокое качество характеризуется
малой глубиной зоны термического влияния, образующейся на боковой
поверхности реза, ее высокой чистотой и отсутствием грата на выходе
реза.
Качество боковой поверхности реза, сравниваемое с тем, которое
получается шлифованием, отчетливо различимо на фотографии отвер-
стия, вырезанного лазером TruMicro 5050 в титане, рис. 1.13 [7].
Рис. 1.12. Боковая поверхность реза композитного материала
(см. цв. вклейку)
Рис. 1.13. Отверстие, вырезанное в титане
Импульсным пикосекундным лазером с мощностью излучения 45 Вт
и длиной волны 1030 нм, производимым фирмой Jenoptik, вырезаются
пазы шириной 0,6 мм в кремнии толщиной 0,725 мм. Скорость изготов-
ления таких пазов равна 0,3 мм3/сек. По мнению специалистов Jenoptik,
такое качество боковой поверхности не может быть обеспечено резанием
с использованием других лазеров [12].
Потребность в резании деталей, изготавливаемых из стальной, латун#
ной, бронзовой и медной ленты толщиной примерно от 0,025 мм и до
0,1 мм, возникла в начале 2000-х. Ниже приведены несколько актуаль-
ных для настоящего времени примеров данного вида резания, произво-
димого с применением пикосекундного лазера.
В медной фольге толщиной 100 мкм лазером вырезаются пазы ши-
риной 100 мкм и длиной 200 мкм. Минимальная ширина перемычки
между пазами равна 50 мкм. Получена она при использовании для ре-
зания пикосекундных импульсов, минимизирующих глубину проник-
новения зоны теплового влияния [21]. В ином случае вряд ли бы уда-
лось предотвратить тепловое разрушение материала столь узких
перемычек.
В фольге из латуни толщиной 25 мкм импульсами пикосекундной
длительности вырезаются 26000 различных контуров. Время вырезки
контура с общей длиной 175 м не превышает 60 мин. То есть скорость
резания вплотную подошла к 3 м/мин [21]. Надо понимать, что меха-
ническое резание фольги такой толщины если и возможно, то на гораз-
до меньшей скорости, да и сопровождается оно значительными труд-
ностями, а именно необходимостью разработки подходящего для него
режущего инструмента и конструкции специального станка, оснащен-
ного соответствующими приспособлениями для крепления ленты.
В последние 4—5 лет использование пикосекундных лазеров возросло
в связи с необходимостью обработки деталей точной механики, элек-
тронных приборов, принтеров и деталей, изготовленных из полимер-
ных материалов, особо чувствительных к температуре.
Уникальный пример обработки высокоточного со сложным профи-
лем микроскопических размеров зубчатого колеса из керамики с исполь-
зованием лазера модели Hyper Rapid 50, генерирующего импульсы дли-
тельностью 11 псек, показан на рис. 1.14 [23]. Иными способами
изготовить такое изделие со столь высоким качеством вряд ли возможно.
Использование этой модели лазера открывает новые перспективные
возможности в разных областях техники. Например, на лопастях турбины
со скоростью до 100 мм/сек скрайбируются дорожки с треугольным по-
перечным профилем и шириной между их вершинами, равной порядка
25 мкм [24].
Нанесение дорожек, показанных на рис. 1.15, снижает фрикционные
потери до 8 %, повышая тем самым эффективность турбины, и уменьша-
ет загрязнение лопаток, понижая тем затраты на обслуживание.
58 Раздел 1. История развития лазерной прецизионной размерной
обработки и современные области ее применения
Рис. 1.14. Миниатюрное зубчатое колесо из керамики
Рис. 1.15. Дорожки на лопасти турбины
Существует широкая номенклатура миниатюрных и высокоточных
деталей, которые по различным причинам необходимо изготавливать из
термически неустойчивых полимерных материалов. Миниатюрность и вы-
сокая точность такого рода изделий делают, пожалуй, безальтернатив-
ной их лазерную обработку. В свою очередь термическая неустойчи-
вость полимеров диктует необходимость использования лазеров,
генерирующих пикосекундные импульсы и минимизирующих глубину
зоны теплового нагрева.
В качестве примера, иллюстрирующего сказанное, на рис. 1.16 пока-
зана решетка, вырезанная в полимере толщиной ~200 мкм с использова-
нием твердотельного лазера с диодной накачкой, генерирующего импуль-
сы пикосекундной длительности на длине волны излучения 355 нм.
Резы шириной порядка 80 мкм отличает минимальная глубина
зоны термического влияния, образованной на его боковой поверхно-
сти, и четкие его края, на которых отсутствуют какие-либо поврежде-
ния. Обращает на себя внимание и то, что ширина перегородок меж-
ду пазами меньше 40 мкм. То, что они остались неразрушенными,
стало возможным благодаря минимальной глубине зоны термического
влияния.
Рис. 1.16. Решетка, вырезанная в полимере
На рис. 1.17 показана микроскопическая тефлоновая деталь, являю-
щаяся несущим элементом фильтра для агрессивных жидкостей. Ее на-
значение и предопределило, что она может быть изготовлена только из
тефлона [26].
Деталь выфрезерована из тефлонового блока пикосекундным лазером
с частотой повторения импульсов 50 кГц, при этом скорость удаления
материала составила около 0,2 мм3/сек.
Одним из наиболее востребованных применений лазеров в меди-
цине и кардиохирургии последних лет стало изготовление коронар-
ных и сосудистых микроимплантов (стенты, stents) из специальных
полимеров или металлических некорродирующих материалов, в т.ч. и
из нитинолового сплава (интерметаллоидный NiTi-сплав с «памятью»
формы). Микростенты вводятся безоперационным путем в зауженные
кровеносные сосуды для их расширения и укрепления и должны
обеспечивать долговременную биосовместимость с тканями и механи-
ческую адаптируемость к форме и просвету сосудов. При изготовле-
нии к ним предъявляются очень жесткие требования по качеству, ми-
60 Раздел 1. История развития лазерной прецизионной размерной
обработки и современные области ее применения
Рис. 1.17. Несущий элемент фильтра агрессивных жидкостей
нимизации зоны термического влияния и отсутствию любого грата на
внешней, боковой или внутренней поверхности.
На рис. 1.18 показан сильно увеличенный фрагмент коронарного
стента, вырезанный пикосекундным лазером из трубчатой NiTi-заго-
товки с толщиной стенки 500 мкм [27].
Специфичность применения обусловила разнообразие конструкций
стентов и необычность применяемых для их изготовления материалов.
Для изготовления биоактивных стентов, стентов с «памятью формы» и
специальных биоабсорбируемых (саморассасываемых) стентов и им-
плантов широко применяются PU-полимеры и PLGA-полимеры на
основе полигликолиевых кислот. Характерной особенностью большин-
ства таких материалов является сравнительно низкая температура плав-
ления (170—230°С). Учитывая это, а также сложный профиль и миниа-
тюрность имплантов, становится понятным, что для их изготовления
подходит только фемтосекундный лазер.
На рис. 1.19 показан сложный профиль электронного эмиттера, из-
готовленного из тантала толщиной ~100 мкм. Отчетливо различимы от-
личное качество боковой поверхности реза и точность ее профиля.
Рис. 1.18. Чистая поверхность реза медицинского стента-импланта
из NiTi-сплава с «памятью» [27]
На рис. 1.20 показаны два фрагмента стента, вырезанного с пре-
цизионной точностью импульсами излучения фемтосекундной дли-
тельности в полимерном материале с высокой чувствительностью
к температуре [28]. Толщина и ширина оставшихся после вы-
резки перемычек, образующих каркас детали, равны примерно
100 мкм.
Почти в каждой отрасли медицины совершенствование различных
имплантируемых элементов включает работы с биологически абсор-
бируемыми материалами. Наиболее перспективным считается поли-
мер, изготавливаемый на основе полигликолиевых кислот (PLGA),
температура плавления которого находится в пределах 170—230 °С.
Учитывая столь низкую температуру плавления, сложный профиль и
миниатюрность имплантатов, становится понятным, что для их изго-
товления подходит только фемтосекундный лазер.
На рис. 1.21 показан полимерный биоабсорбируемый имплантат,
изготовленный из PLGA-трубки с толщиной стенки 250 мкм. Длитель-
ность обрабатывающих импульсов — около 800 фс [27].
Рис. 1.19. Фрагмент эмиттера электронов
На этой фотографии видно, что на боковой поверхности филигран-
ного реза полностью отсутствует зона теплового влияния. Ее также ха-
рактеризует высокая чистота.
1.3. Использование лазерного резания на современном этапе 63
Рис. 1.20. Высокое качество изготовления особо тонких полимер-
ных стентов фемтосекундным лазером [28]
Рис. 1.21. Биологически абсорбируемый полимерный имплант (см.
цв. вклейку)
На рис. 1.22 показана объемная конфигурация полостей, изготов-
ленных импульсами фемтосекундной длительности в плавленом кварце.
Для ее изготовления излучение фокусировалось внутрь прозрачного
кварцевого блока. В области фокальной плоскости развивается много-
фотонное поглощение, вызывающее локальное образование плазмы.
Под ее воздействием образуется кристаллическая дестабилизация, при-
водящая к перестройке материала. При перемещении фокуса по трем
координатам происходит последовательное образование соединенных
между собой зон с перестроенным состоянием материала.
Важность изготовления кварцевых блоков с модифицированной в
микроканалах структурой определяется возможностью создания лабора-
торных образцов микросхем и оптических волноводов с повышенной
миниатюризацией, а также многих иных оптических устройств [28].
Представленные выше изделия относятся к разряду уникальных, ко-
торые возможно изготовить только с использованием фемтосекундных
импульсов. В добавлении к ним в разделе 4 рассматриваются еще не-
сколько уникальных операций резания, а также и операция фрезерова-
ния, которые стали реализуемыми также с помощью фемтосекундных
импульсов.
Несмотря на то, что число приведенных выше примеров пока не
столь велико, уже имеющиеся с очевидностью указывают на ближай-
шее по времени расширение использования обработки с применением
импульсов пико- и фемтосекундной длительности.
64 Раздел 1. История развития лазерной прецизионной размерной
обработки и современные области ее применения
Рис. 1.22. Полости в плавленом кварце. В правой части рисунка де-
монстрируется последовательность изготовления полостей
1.3.3. Лазерные технологии, применяемые
в микроэлектронике
В подразделе 1.3.2 отмечено, что движущей тенденцией в микроэлек-
тронике было и остается желание создавать во все большем количестве
все более сложные и более функциональные изделия на все меньшем
пространстве подложки, платы или корпуса. Достигалось это за счет:
максимальной (для каждого времени) миниатюризации компонентов и
укорачивания межсоединений; повышения предельных рабочих частот
и распараллеливания вычислительных или обрабатывающих мощностей
в одном приборе; перехода от плоских к «трехмерным» структурам
и т.д. Примером, наглядно демонстрирующим сказанное, является то,
что в настоящее время топологические размеры серийно производимых
структур вплотную приблизились к 15—20 нм (для цифровой электро-
ники), а для многих решений аналоговой и СВЧ-электроники давно
перевалили границу в 1 мкм. Понятно, что для всего многообразия со-
временных изделий микроэлектроники одновременно с их миниатюри-
зацией необходимо повышение точности, надежности и увеличения их
«выхода годных». Все сказанное еще раз подтверждает выделенную
выше в подразделе 1.3.2 необходимость создания нового и гибкого ла-
зерного инструментария для микрорезания и соответствующих ему тех-
нологий. Без этого невозможно быстрое технологическое развитие мно-
гих направлений хай-тек-отраслей.
Одним из важнейших применений лазерной обработки в микроэ-
лектронике в настоящее время является использование лазерного мик-
рорезания в технологических процессах изготовления:
— подложек из кремния и арсенида галлия с нанесенным на них по-
крытием толщиной 90 мкм;
— сапфировых подложек толщиной 90 мкм, используемых в мощ-
ных светодиодах, изготавливаемых миллионами штук;
— подложек из нитрида алюминия, используемых в качестве радиа-
торов, и подложек из нитрида галлия, используемых в лазерных
диодах.
Более подробно об особенностях указанных подложек рассказано в
разделе 8.6.
В ближайшей перспективе можно ожидать дальнейшего увеличения
плотности рамещения электронных схем, что потребует дальнейшего
уменьшения ширины линии разделения. Исходя из этого, ряд ведущих
фирм—производителей чипов, в особенности японских, несколько лет
назад стали усиленно развивать технологию разделения подложек из раз-
личных материалов толщиной до 0,5 мм, получившую название
STEALTH DICING. Суть ее заключается в том, что импульсы излучения
короткой длительности с длиной волны л = 1,06—1,07 мкм фокусируется
внутрь подложки. В результате внутри материала относительно фокаль-
ной плоскости образуется зона разрушенного материала. Ее наличие по-
зволяет провести разделение подложки от действия незначительной ме-
ханической нагрузкой. При этом ширина линии раздела не превышает
10 мкм, что позволяет отнести данный метод к прецизионной лазерной
обработке [30]. Подробное объяснение механизма внутреннего разруше-
ния материала и примеры использования технологии STEALTH DICING
приведены в части 7.
В 2012 г. исполнилось 50 лет с начала исследований по практическо-
му применению лазеров для обработки материалов. За этот короткий
в историческом масштабе период времени во всем мире лазерная тех-
ника шагнула от первых макетных и лабораторных изделий к массо-
вому промышленному выпуску лазерных установок для многочислен-
ных технологических применений во всех областях материального
производства.
Значительный, а зачастую и решающий вклад в это развитие внесли
работы отечественных ученых. У истоков многих направлений развития
лазерной техники и ее применений находились основоположники
квантовой электроники академики Н.Г. Басов и А.М. Прохоров, со-
здавшие теорию усиления и генерации электромагнитного излучения
квантовыми системами и уже в 60-х годах обосновавшие возможность
разработки большинства типов современных лазеров и базовые при-
нципы взаимодействия лазерного излучения с веществом.
Всего за несколько лет с момента появления первых лазеров в стра-
не была создана мощная научная школа, развившая теоретические
основы квантовой электроники и обосновавшая многие стратегические
направления разработки и использования лазеров в военной области и
в народном хозяйстве.
Уже в 1962 г. были начаты первые исследования возможности ис-
пользования лазеров для обработки различных материалов. Быстрое и
успешное развитие данного направления во многом определялось тру-
дами известных советских ученых.
Академиком Н.Н. Рыкалиным и д.ф-м.н., профессором А.А. Угловым
были разработаны основы теории тепловых процессов, протекающих
в зоне лазерной обработки [1]. Д.ф-м.н., профессор С.И. Анисимов уже
к 1970 г. создал модель квазистационарной лазерной абляции металлов
и базовые положения теории взаимодействия мощного лазерного излуче-
ния с веществом [2]. Им разработана теория оптического пробоя диэлек-
триков, инициированного поглощением на микровключениях. А его
двухтемпературная модель взаимодействия ультракоротких лазерных
импульсов с металлами получила в последнее время широкую извест-
ность в связи с появлением фемтосекундных лазеров.
Д.ф.-м.н. М.Н. Либенсон первым исследовал процессы и описал
физику взаимодействия лазерного излучения с веществом примени-
тельно к сверлению и резанию [3]. Д.т.н., профессор, директор НПО
«Полюс» М.Ф. Стельмах был организатором как масштабных исследо-
ваний в области различных направлений лазерной обработки, так и се-
рийного производства лазерного технологического оборудования [4].
Сотрудники НПО «Полюс» А.А. Чельный и В.М. Вакуленко были
одними из ведущих в стране разработчиков технологий и оборудова-
ния для различных применений лазерной обработки. Д.т.н, профессор
В.П. Вейко один из первых начал разрабатывать теоретические аспекты
лазерной микрообработки и в настоящее время продолжает исследова-
тельскую и преподавательскую деятельность и является руководителем
научной школы РФ «Фундаментальные основы лазерных микро- и на-
нотехнологий» [5].
Широкую известность и мировое признание получили работы д.т.н.,
профессора В.С. Кондратенко в области разработки теории и практики
лазерного термораскалывания хрупких материалов, диэлектриков и по-
лупроводников [6].
В последнее десятилетие для прецизионной лазерной обработки
широко используются волоконные лазеры, микрооптические формиро-
ватели пучка («shapers») и диодные лазерные системы. Мировыми лиде-
рами в разработке и производстве этих компонентов являются корпора-
ция IPG с филиалами в США, Германии и России и фирма LIMO,
основанные и возглавляемые нашими соотечественниками В.П. Гапон-
цевым и В.Н. Лисоченко.
Большой удачей авторов настоящей книги является то, что они
много лет, участвуя в создании различных лазерных систем, имели воз-
можность встречаться и обсуждать научные и инженерные проблемы
лазерной обработки материалов и развития квантовой электроники
с упомянутыми выше и другими выдающимися учеными — нашими
соотечественниками, и могли по достоинству оценить их значительный
вклад в развитие лазерной индустрии.
В настоящей книге авторами сделана попытка в систематизирован-
ном виде донести до современного читателя часть информации, накоп-
ленной несколькими поколениями исследователей и разработчиков
только по одному из направлений практического применения лазеров,
связанного с прецизионной лазерной обработкой. Книга основана на
результатах авторских работ, полученных в ЭНИМС и в НПЦ «Лазеры
и аппаратура ТМ», и анализе результатов многочисленных работ, опуб-
ликованных в открытых источниках.
Сведения об авторах
К.т.н. Е.Д. Вакс начал работать в области лазерных технологий с са-
мого начала их зарождения. Будучи заведующим лабораторией лазер-
ной обработки ЭНИМС, Е.Д. Вакс начиная с 1963 г., проводил экспе-
риментальные исследования и разрабатывал теоретические аспекты
теории лазерного сверления и резания материалов, широко используе-
мых в промышленности. Под его руководством впервые в СССР были
разработаны и внедрены в промышленное производство: технология
и автоматизированные лазерные установки для сверления отверстий
в часовых рубиновых камнях, технология и лазерные станки с програм-
мным управлением для резания изделий из керамик и фрезерова-
ния волок из природного и искусственного алмазов. В последние годы
Е.Д. Вакс продолжает разработку новых направлений лазерной преци-
зионной обработки в технологической лаборатории НПЦ «Лазеры и ап-
паратура ТМ».
Один из создателей отечественной элементной базы квантовой
электроники к.т.н. Л.Г. Сапрыкин работает в области квантовой элек-
троники с 70-х годов. В конце 80-х и 90-х годах он был руководителем
лазерного направления НИИ «Зенит».
М.Н. Миленький пришел в лазерную индустрию в начале 80-х годов
после окончания факультета физической и квантовой электроники
МФТИ. В 90-х годах он руководил лабораторией лазерных лидарных
систем НИИ «Зенит».
В конце 90-х годов Л.Г. Сапрыкин и М.Н. Миленький организовали
и возглавили научно-производственный центр «Лазеры и аппаратура
ТМ». В настоящее время НПЦ из малого предприятия, выполнявшего
разовые заказы, вырос по объему выполняемых НИОКР с разнообраз-
ными тематическими направлениями, номенклатуре и объему произ-
водства в общепризнанного лидера среди российских производителей
лазерного технологического оборудования.
Введение
Основные характеристики взаимодействия излучения с веществом
При лазерной обработке характер взаимодействия лазерного излуче-
ния с обрабатываемым материалом зависит от многих факторов. На-
чальным и сложным из них является выбор лазеров, производимый в
зависимости от их оптических и энергетических параметров, режимов
работы и способов формирования и фокусирования их излучения. При
этом необходимо учитывать, что характер взаимодействия излучения
зависит от оптических, теплофизических и механических свойств обра-
батываемого материала. И наконец, результат обработки зависит и от
кинематических характеристик, скоростных и режимных возможностей
установки, поскольку они определяют временные и экспозиционные
пределы воздействия на материал, а также достижимую точность.
Специалисты в области разных видов лазерной обработки укажут
множество параметров и факторов, которые необходимо одновременно
учитывать для «правильного» проведения каждого процесса. Иначе
говоря, для «правильной» обработки (т.е. обеспечивающей наилучший
результат) оператору необходимо было бы выбрать в многомерном про-
странстве всех возможных значений единственно правильное «техноло-
гическое окно» значений. А оно, как правило, достаточно узкое.
Это означает, что, разрабатывая процесс обработки, необходимо
прежде всего определиться с теми параметрами, которые оказывают
наиболее значимое влияние как на процесс обработки, так и на желае-
мый характер взаимодействия излучения с материалом. Ниже перечис-
лены основные факторы, оказывающие существенное влияние на про-
цесс лазерной обработки материала.
Основные факторы, оказывающие существенное влияние на процесс
обработки
Лазер (тип; длина волны; выходная мощность; энергия в импульсе;
частота повторения импульсов; длительность и форма импульсов; поля-
ризация излучения; диаметр пучка; расходимость излучения; простра-
нственное распределение интенсивности излучения; режимы работы).
Материал (оптические свойства на выбранной длине волны: погло-
щение; отражение; рассеяние (как оптическое качество поверхности);
коэффициент преломления; теплофизические свойства: теплопровод-
ность; теплоемкость; температуры начальная/плавления/кипения/испа-
рения и латентное тепло фазовых переходов; коэффициенты термиче-
ского расширения; коэффициент поверхностного натяжения для
жидкой фазы; состав для сплавов; давление насыщенных паров; меха-
нические: размеры, плотность; твердость; упругость).
Параметры процесса (характеристики объектива и вспомогательной
оптики; положение фокальной плоскости и глубина фокуса; размер и
форма сфокусированного пятна излучения; перекрытие соседних свето-
вых пятен; защитные и режущие газы; скорость перемещения; методи-
ки обработки).
В классическом понимании лазерная обработка подразумевает теп-
ловые механизмы воздействия на материал (энергетический баланс
между поглощенным теплом и ушедшим на нагрев/плавление/испаре-
ние и теплоперенос). До появления высокоинтенсивных лазеров, гене-
рирующих ультракороткие импульсы, данный подход брался за основу
рассмотрения взаимодействия лазерного излучения с веществом. Еще
в 70-х годах на базе обобщения эмпирического опыта многих групп
была составлена первая «Карта типовых процессов лазерной обработ-
ки», которая в дальнейшем неоднократно расширялась по мере разви-
тия лазеров и технологии [7].
На современной карте (рис. 1) на основании экспериментально полу-
ченных данных показано, какой плотностью мощности (интенсивно-
стью) должно обладать лазерное излучение, чтобы получить требуемый
вид обработки при заданном времени воздействия (или при заданной
длительности импульса для импульсного воздействия).
Плотность мощности лазерного излучения, падающего на обрабаты-
ваемую поверхность с коэффициентом отражения R(л) и реально прини-
мающего участие в процессе взаимодействия с материалом при заданных
площади и длительности воздействия, может быть приблизительно оце-
нена из следующего соотношения:
W = (1 R)
Ei /S·ti,
где R — коэффициент отражения обрабатываемого материала на длине
волны действующего излучения, Ei — энергия импульса в джоулях, S —
площадь поверхности, на которую локализуется излучение в см2, ti —
длительность импульса в секундах.
В зависимости от вида обработки и свойств обрабатываемого мате-
риала используется лазерное излучение определенной мощности с за-
данным временем воздействия или длительностью импульсов и с задан-
ной плотностью мощности на поверхности образца.
В диапазоне W = 105 Вт/см2 — 5 Ї 105 Вт/см2 проводятся операции
термоупрочнения. При W = 5 Ї 105 Вт/см2 — 5 Ї 106 Вт/см2 температура
в зоне воздействия лазерного излучения достигает уровня, достаточного
для наплавки и сваривания металлов. А при W > 5 Ї 106 Вт/см2 абляция
от лазерного нагрева позволяет производить сверление, резание и фре-
зерование различных материалов.
Сверление, резание и фрезерование лежат в основе прецизионной
лазерной обработки. Рассмотрению процессов, связанных с этими тех-
нологическими операциями, и посвящена настоящая книга.
Но прежде чем перейти к их рассмотрению, необходимо объяснить,
что означает прецизионность в лазерной обработке и микрообработке.
Рис. 1. Эмпирическая карта зон типовых процессов лазерной обра-
ботки
Под ней понимается:
— высокая, находящаяся для различных применений в пределах от
единиц микрон и до 20—30 микрон точность и повторяемость геомет-
рических размеров обрабатываемых объектов (допуск на диаметр и ко-
нусность отверстий, ширину и конусность реза, допуск на размеры
фрезерованной поверхности);
— минимальная, в пределах от единиц и до 10 мкм, толщина де-
фектного слоя (зона с измененной структурой исходного материала) на
боковой поверхности отверстий или реза, зависящая от глубины про-
никновения зоны теплового влияния;
— чистота обработанной поверхности для различных применений
соответствует величине от Rа 10 до Rа 0,32;
— минимальный по высоте и ширине, в пределах нескольких десят-
ков микрон, грат, образованный застывшей жидкой фазой на входе и
выходе просверленных отверстий или изготовленного реза. В некото-
рых применениях лазерной обработки грат на входе и выходе не допус-
кается. В том числе и потому, что его удаление требует введения допол-
нительной операции, повышающей время изготовления и стоимость
продукции;
— минимизация ширины реза; она не должна превышать при изго-
товлении изделий: с пленочными покрытиями — 20—30 мкм; из при-
родного алмаза и хрупких диэлектрических материалов — 100 мкм; из
металлов толщиной до 20 мм — 0,5 мм;
— ограничение глубины резания при изготовлении ряда изделий с
пленочными покрытиями толщиной до нескольких микрон. При этом
не допускается повреждение поверхности подложки, на которую по-
крытия нанесены;
— высокая, находящаяся для различных применений в пределах от
нескольких единиц микрон и до 50 микрон точность топологии распо-
ложения в поле обработки систем отверстий, вырезаемых контуров и
фрезеруемых деталей;
— при подгонке сопротивлений обеспечение требуемого допуска на
их номинал. В ряде случаев подгонки не допускается повреждение по-
верхности подложки, на которую нанесен резистивный слой толщиной
не более 1 мкм.
Выполнение указанных требований достигается как совершенство-
ванием аппаратной части лазера и оборудования, так и программной
Введение 19
оптимизацией режимов обработки под конкретную задачу (т.е. отработ-
кой технологии).
Ниже будет показано, что для достижения чистоты, качества и точно-
сти размеров при указанных видах лазерной обработки в большинстве
случаев желательно обеспечивать максимально возможную величину W
и одновременно повышать скорость обработки.
Точность и повторяемость диаметральных размеров и конусности
отверстий, ширины и конусности реза, размеров фрезерованной по-
верхности во многом зависят от равномерности пространственного рас-
пределения интенсивности излучения в его поперечном сечении и ста-
бильности этого параметра. Какое пространственное распределение
является наиболее удовлетворительным для прецизионной обработки
и каковы возможные способы его обеспечения, также рассмотрено
в разделах 3 и 6 книги.
Точность и качество обработки, производимой с использованием
импульсных лазеров, определяется также толщиной дефектного слоя,
образующегося на обрабатываемой поверхности, ее чистотой, а также
высотой грата на выходе отверстия или реза грата на входе и выходе
сверления или реза. Данные показатели зависят от выбранных про-
странственно-энергетических параметров излучения. Какими они дол-
жны быть для улучшения результата лазерной обработки и какому спо-
собу локализации излучения на поверхность детали следует отдать
предпочтение, посвящена тематика разделов 3, 6, 7 и 8 книги.
Наличие и высота грата на входе и выходе реза, изготавливаемого
непрерывным лазером, чистота боковой поверхности реза и толщина
образующегося на ней дефектного слоя зависят не только от мощности
излучения, но и от условий его фокусировки на поверхность обрабаты-
ваемой детали. Во многом данные показатели качества определяются
и скоростью резания. То, каковой она должна быть и как ее подобрать
с тем, чтобы обеспечить наилучшие точностные результаты, объясняет-
ся в разделах 5, 8 и 9.
В последующих частях книги приведены примеры лазерной пре-
цизионной обработки, внедренные в массовое или мелкосерийное
производство и внесшие радикальное изменение в предшествующие
технологические процессы. Рассматриваются также и перспектив-
ные примеры использования лазерной прецизионной обработки,
имеющие принципиально важную значимость для настоящего вре-
мени.
Почему и для кого написана эта книга
Настоящая книга посвящена проблематике прецизионной лазерной
обработки, о которой написано немалое число специальных статей, по-
священных отдельным вопросам этой темы. В СССР и затем в России
опубликовано порядка десятка или более книг отечественных и зару-
бежных авторов, в которых рассмотрены все виды лазерной обработки,
включая прецизионное сверление и резание. Как минимум 6 книг ана-
логичного содержания опубликованы в период 2004—2011 гг. в США
и Германии. К этому надо добавить множество статей отечественных
и зарубежных авторов, в которых рассматриваются различные аспекты
лазерной прецизионной обработки. Тогда что же побудило нас напи-
сать эту книгу и для кого она написана?
Слово «проблематика» в первой фразе данного текста выбрано не
случайно. Дело в том, что в опубликованных источниках проблемы, со-
путствующие практике лазерной обработки, в основном только обозна-
чены, да и то далеко не все. Потому в них можно найти не слишком
много информации, которая реально могла бы быть полезной при ре-
шении вопросов, возникающих в конкретных случаях ее применения.
В этом плане в первую очередь эффективную помощь оказывает ясное
и обоснованное представление целого ряда закономерностей взаимоде-
йствия лазерного излучения с обрабатываемым материалом.
Для начала следует иметь четкое понимание того, как происходит
абляция, в особенности на тех материалах, которые не имеют соб-
ственного поглощения на длине волны действующего излучения. Из-
вестно только то, что в этом случае поглощение излучения длитель-
ностью от миллисекунд и до наносекунд, вероятнее всего, происходит
на посторонних включениях и дефектах структуры. Однако экспери-
ментальные доказательства тому нигде не приводятся. Вне поля вни-
мания авторов книг оказалось то основное, что следует за поглоще-
нием. Здесь речь идет о закономерности, которая определяет условия
поддержания абляции во время действия излучения, производящего
сверление или резание.
По сию пору остаются несформулированными и необъясненными
закономерности формообразования при лазерном сверлении, а значит,
и резании, и фрезеровании. Но без этого невозможно обоснованно
подходить к разработке требуемых технологических процессов, к поис-
кам новых, перспективных направлений лазерной обработки и созда-
вать соответствующее им оборудование.
Некоторые авторы сообщают об экранировании лазерного излу-
чения плазмой, возникающей при обработке материалов. Но данные
о том, какие потери вносит наличие жидкой фазы в факеле и как мож-
но снизить это негативное влияние, не приводятся. Дело в том, что ни-
кто из них не проводил соответствующих экспериментальных исследо-
ваний.
То же самое можно сказать и об экспериментальных исследованиях
термонапряжений, возникающих при лазерной обработке. В имеющих-
ся публикациях, посвященных данной проблеме, ничего, кроме слож-
ного теоретического рассмотрения решения дифференциальных урав-
нений в частных производных второго порядка, описывающих поле
термонапряжений, читатель не найдет. Да и вряд ли он разберется
в том, каким образом их следует применять на практике. А ведь во
многих случаях именно термонапряжения, порождающие глубокий де-
фектный слой или растрескивание деталей, ограничивают область при-
менения лазерной обработки.
В работах многих авторов рассмотрены отдельные аспекты теории
лазерного резания в различных средах, включая кислородную, с при-
менением достаточно мощных СО2- и волоконных лазеров. Однако
обобщающего теоретического или экспериментального воззрения на
этот процесс, облегчающего решение проблем его использования на
практике, до сих пор не существует. Ряд ведущих зарубежных иссле-
довательских центров предлагает практические рекомендации по про-
ведению лазерного резания металлов с использованием СО2- и воло-
конных лазеров мощностью 1—4 кВт. Однако эти рекомендации
относятся к конкретным типам оборудования и во многих случаях не
могут служить основой для использования их потребителями других
установок.
О том, когда целесообразно производить лазерную расточку или
фрезерование, и то, как это надо делать, пожалуй, никто из пишущих в
настоящее время авторов даже не упоминает.
Теория и практика обработки с использованием ультракоротких ла-
зерных импульсов рассматривается во множестве различных статей,
подавляющая часть которых написана на английском языке. Не требует
доказательств то, сколь важно в настоящее время представить эту ин-
формацию в обобщенном и проанализированном виде.
Данное перечисление можно продолжить и далее. Но уже того, что
отмечено, достаточно для понимания целесообразности публикации
22 Введение
настоящей книги. Она предназначена для студентов, изучающих лазер-
ную обработку, и для тех, кто занимается исследованиями в этой облас-
ти и созданием используемого в ней оборудования. Полезной она ста-
нет и пользователям такого оборудования на производстве.
Литература
[1] Рыкалин Н.Н., Углов А.А. Лазерная обработка материалов. М.: Ма-
шиностроение, 1975.
[2] Анисимов С.И., Имас Я.А., Романов Г.С., Ходыко Ю.В. Действие
излучения большой мощности на металлы. М.: Наука, 1970.
[3] Виноградов Б.А., Гавриленко В.Н., Либенсон М.Н. Теоретические
основы воздействия лазерного излучения на материалы. Изд. БПИ,
1993.
[4] Страница памяти М.Ф. Стельмаха. (2012), сайт ОАО «НИИ Полюс»
http://www.polyus.info/in_memory_of_stelmakh/
[5] Вейко В.П., Либенсон М.Н. Лазерная обработка. Л.: Лениздат, 1973,
190 с.
[6] Кондратенко В.С. Исследование и разработка процесса резки стекла
методом лазерного управляемого термораскалывания. Диссерт.
к.т.н., Москва, 1983.
Часть 1
50 лет динамичного развития
ГЛАВА 1
ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ЛАЗЕРНОЙ ПРЕЦИЗИОННОЙ РАЗМЕРНОЙ ОБРАБОТКИ И СОВРЕМЕННЫЕ ОБЛАСТИ ЕЕ ПРИМЕНЕНИЯ
Прежде чем приступить к изложению закономерностей прецизионной
лазерной обработки, целесообразно в историческом контексте дать
краткий обзор причин ее появления и этапов практического развития.
Надо сказать, что в 60—70-е годы прошлого столетия СССР стал ли-
дером в области лазерных технологий, опережая большинство развитых
стран и по количеству произведенных лазерных установок, и по номен-
клатуре освоенных технологий и направлений, часть из которых опере-
жала мировой уровень на 5—7 лет. Жаль, но к 2012 году годовой объем
продаж лазерного оборудования России уже не превышал 0,1 % (!) от
мирового объема.
Первые в стране лазеры на рубине были запущены в ГОИ в июне и
в ФИАНе в сентябре 1961 г. Первый лазер на отечественных рубиновых
активных элементах был продемонстрирован осенью 1962 г. Первые им-
пульсы с мощностью, достаточной для «прошивки» лезвия бритвы, были
получены в ФИАНе в 1962 году, а к концу года в лабораториях и КБ
страны уже работало более десятка лазеров. И хотя большая часть лазер-
ной программы страны в эти годы ориентировалась на военно-космиче-
ские применения лазерной техники, в НИИ «Полюс» уже в 1963 году
были созданы первые серийные технологические установки СУ-1 и К3
с рубиновыми лазерами, ориентированные в основном на задачи радио-
технической и электронной промышленности. В последующие 10—15 лет
были не только проведены значительные модернизации этих установок,
но и разработаны более 40 новых моделей с лазерами на стекле с неоди-
мом, с АИГ-лазерами и газовыми азотными и СО2-лазерами.
Выпуск известной серии установок от «Квант-3» и до «Квант-19»,
разработанных в НИИ «Полюс» и перекрывавших задачи от приборной
сварки, резки, сверления волок и до корпусирования микросхем, лазер-
ной подгонки резисторов, резки стекла и скрайбирования полупровод-
никовых пластин, превысил 6,5 тыс. шт. Несколько меньшими тиража-
ми прошли установки этого же класса серий «Кристалл», «Кварц»,
«СЛС», «Корунд» и др.
Несколько позже было выпущено около 300 машин для раскроя ме-
талла с помощью мощных СО2-лазеров, часть из которых была оснаще-
на отечественными ЧПУ-стойками управления.
Разработка и специализация установок требовала исследования про-
цессов обработки и отработки технологических приемов и методик их
использования на производстве.
Помимо «Полюса», технологические исследования по лазерной об-
работке материалов проводились уже в 1962 г. в лаборатории лазерной
обработки ЭНИМСа (Экспериментальный научно-исследовательский
институт металлорежущих станков, г. Москва). Рубиновый макетный
излучатель с энергией в импульсе до 5 Дж (правда, с частотой повторе-
ния один раз в три минуты) уже позволял «пробивать» малые отверстия
в широкой номенклатуре материалов [1].
До середины 1970-х в большинстве установок в основном использо-
вались импульсные лазеры на рубине или стекле, активированном не-
одимом. На этих активных элементах собирались твердотельные лазеры
для серийных технологических установок серии «Квант» и серийных
станков ЭНИМСа (модели 4222 и 4222Ф2, МА4Р222Ф3, МА4Г222Ф3
и МА95Ф4), в том числе и с программным управлением, а также ЛТУ
других предприятий.
Но уже к 1968 г. в НИИ «Полюс» было налажено серийное выращи-
вание методом Чохральского монокристаллов алюмоиттриевого граната
с неодимом, ниобата лития, KDP и др. и была создана полная техноло-
гическая цепочка получения высококачественных элементов из крис-
таллов. Одновременно разрабатывалась элементная база источников
питания для серийного выпуска технологических непрерывных и им-
пульсных Nd:YAG-лазеров (серии ЛТН и ЛТИ соответственно). В сере-
дине 70-х было начато серийное производство лазеров с модулирован-
ными импульсами наносекундного диапазона длительности.
Также к 1969 году в стране были разработаны и серийно выпускались
(в Минэлектронпроме) СО2-лазеры мощностью до 1 кВт, а позднее —
и более мощные, применявшиеся в основном для сварки и термической
обработки деталей машин и закалки пресс-форм и штампов.
За рубежом технологии промышленной лазерной резки берут свое на-
чало с первых английских патентов 1967—68 гг., описывающих лазерную
резку тонких листов металла непрерывным СО2-лазером и прошивочное
скрайбирование импульсным СО2-лазером керамических подложек с по-
следующим разделением их на «чипы». В 1970 г. с появлением качествен-
ного Nd:YAG-лазера компании Quantronix впервые была продемонстри-
рована технология разделения Si-пластин лазерным скрайбированием.
Следующие поступательные этапы технологического роста в области
прецизионной лазерной обработки связаны с появлением в середине
90-х годов первых мощных твердотельных лазеров с диодной накачкой
(DPSS-лазеры) и с возможностью преобразования излучения во вторую
и третью гармоники.
В начале 2000-х до промышленного применения «доросли» принци-
пиально новые два класса лазеров с диодной накачкой — дисковые и
волоконные, предлагающие потребителю широкий выбор по мощнос-
ти, режимам работы, качеству излучения и гораздо более экономичные
и надежные в сравнении с лазерами предшествующего поколения.
За начало следующего этапа можно условно принять 2007 год, когда
в мире число изготовленных лазеров со сверхкороткими импульсами
перевалило за 1000 шт. Применение пико- и фемтосекундных лазеров
в технологических установках не только позволило значительно под-
нять качество и чистоту обработки за счет «холодного» абляционного
взаимодействия с материалом, но и расширило спектр обрабатываемых
материалов, включая прозрачные диэлектрики, и обеспечило техноло-
гии получения прецизионных 2D-и 3D-микроструктур, в т.ч. и с суб-
микронным диапазоном размеров.
Ниже в данном разделе рассмотрены причины, побудившие отечес-
твенную промышленность к развитию технологий прецизионной лазер-
ной обработки.
1.1.Лазерное прецизионное сверление
В условиях конца 60-х и начала 70-х годов одной из актуальных задач
данного направления было радикальное повышение производительнос-
ти при изготовлении в промышленных масштабах ряда миниатюрных
изделий из кристаллических материалов.
К ним, в частности, относились:
— часовые камни и подшипники скольжения специальных точных
приборов, которые изготавливаются из рубина и сапфира;
— волоки из естественного алмаза, необходимые для вытягивания
тонкой проволоки диаметром от 10 мкм;
— волоки из искусственных алмазов, в которых необходимо было
сверлить и профилировать профилированные отверстия с диамет-
ром до 80—100 мкм при допуске всего в несколько микрон.
Несколько позже похожие по сложности и точности задачи возник-
ли при сверлении отверстий в прозрачных кристаллах пьезокварца, ни-
обата и танталата лития и др.
В 1970 г. по заказу корпорации Boeing на заводе американской ком-
пании General Electric с помощью импульсного рубинового лазера было
впервые выполнено сверление многочисленных охлаждающих отвер-
стий в турбинных лопатках и деталях «горячей зоны» авиационного га-
зотурбинного двигателя (ГТД), что в разы увеличивало его ресурс.
К 1974 году уже более десяти усовершенствованных систем компании
Raytheon с Nd:YAG-лазерами успешно работали на серийных заводах
General Electric Ind., крупнейшего в то время производителя авиацион-
ных двигателей для гражданских и военных самолетов и для ракет-
но-космической техники.
Понятно, что эта задача стала очень актуальной и для отечествен-
ных производителей авиационных турбин.
Стратегически важной задачей 70-х было лазерное «сверление» пре-
цизионных фильер в труднообрабатываемых металлических деталях для
станков вытяжки синтетических волокон.
В ту пору требовал решения еще ряд важнейших для различных
отраслей промышленности задач, суть которых излагается несколько
ниже.
1.1.1. Сверление отверстий в изделиях
из кристаллических материалов
Обработка волок из природного алмаза с применением лазерных станков в
производственном процессе началась в СССР в 1969 г. Возможным это
стало только после того, как стали понятны и были устранены причи-
ны растрескивания природного алмаза при воздействии на него сфоку-
сированного лазерного излучения, а также подобраны лазерные техно-
логические режимы, обеспечивающие точно заданные размеры
калибрующей зоны волок.
Дело в том, что при лазерной прошивке алмаза в зоне обработки
всегда образуется тонкий графитовый слой, и его толщина сильно зави-
сит от режимов лазерной обработки. Поскольку допуск на диаметр ка-
либрующей зоны алмазных волок для протяжки тонкой проволоки по
ТУ не должен превышать ±2 мкм, то необходимо было жестко выдер-
живать режим работы лазера и параметры фокусировки, с тем чтобы
толщина графита на боковой поверхности канала не превышала 2 мкм
на сторону.
Первый подобный лазерный станок модели «Квант 9» для сверления
калибрующей зоны волок, разработанный в НПО «Полюс», был внед-
рен в начале 1969 г. на заводе алмазного инструмента в г. Рославль.
Летом того же года на Полтавском заводе искусственных алмазов и ал-
мазного инструмента для изготовления волок был внедрен лазерный
станок модели МА49, разработанный в ЭНИМС.
В результате изменения технологии время на операции сверления
канала волоки сократилось с нескольких смен до нескольких минут.
В последующие два года с помощью лазерной установки «Квант 9»
(НПО «Полюс») лазерную обработку распространили и на операцию
изготовления входной распушки (входного конуса) волоки.
Примерно в середине 1970-х гг. в СССР в промышленных масшта-
бах было освоено выращивание дешевых искусственных алмазов, после
чего лазерные установки начали использовать и для изготовления волок
с диаметром калибрующей зоны от 100 мкм и более.
В 1973 г. специалисты ЭНИМС решили сложную для того времени
проблему изготовления волок из природного алмаза с диаметром ка-
либрующей зоны в 10 мкм. Для проведения этой операции на заводе
жаропрочных и тугоплавких материалов в г. Чирчик (Узбекистан) был
внедрен специальный лазерный станок.
К концу 70-х началось активное промышленное использование им-
пульсных и непрерывных лазеров на гранате (Nd:YAG), работающих
как в режиме свободной генерации, так и с модулированной доброт-
ностью, и замена ими лазеров на рубине и стекле с неодимом.
В 70#х годах в стране также была успешно решена актуальная для ча#
совой промышленности задача лазерного сверления отверстий в часовых
рубиновых камнях.
Надо сказать, что к этому моменту такая задача стояла перед произ-
водителями часов и часовых и прецизионных механизмов во всем мире.
Так, в 1965 г. швейцарский производитель рубиновых камней для часов
Watch Stones Corp. подписал контракт с Институтом прикладной физи-
ки Бернского университета на исследование возможности лазерного
сверления отверстий в рубиновых заготовках, тем самым открыв «ла-
зерную эру» в Швейцарии. В начале 1972 г. ведущий швейцарский про-
изводитель часов ASUAG (c 1983 г. — SWATCH Group SA) открыл спе-
циальный лазерный центр для технологической проработки проблемы.
В 1974 году центр был преобразован в компанию LASAG Corp. с мис-
сией разработки лазерного оборудования и технологии лазерного свер-
ления часовых рубиновых камней для швейцарской и европейской ча-
совой промышленности.
На разработку отечественной технологии и соответствующих ей ла-
зерных станков также потребовалось почти 10 лет. За этот период была
успешно решена задача предотвращения растрескивания камней, полу-
чение 50 мкм диаметра отверстия с требуемым допуском и толщиной
дефектного слоя и разработана конструкция лазерных станков-автома-
тов с достаточной производительностью и надежностью.
В 1972 г. на часовом заводе в г. Петродворец была внедрена разра-
ботанная в ЭНИМС лазерная технология сверления отверстий 50—
80 мкм в 0,5 мм часовых камнях с допуском ±3 мкм и с толщиной
дефектного слоя не более 10 мкм на сторону. Для этого специалисты
завода и института совместно разработали и изготовили лазерные
станки-автоматы модели АК-345 и АК-348. Произошло это всего на
несколько месяцев позже, чем аналогичная технология стала использо-
ваться в Швейцарии.
Впервые в станке были использованы инновационные оптические
решения — лазер высокой яркости на стекле с неодимом с оригиналь-
ным резонатором, выводом излучения через отверстие в переднем зер-
кале. Была впервые использована проекционная оптическая схема фо-
кусировки излучения на деталь, переход на двухимпульсную обработку
и много других нововведений. При длительности импульса ~300 мкс
лазер обеспечивал очень высокие яркость и пиковую мощность при
стабильной и долговременной работе.
Десять этих станков обеспечивали годовой выпуск до 90 миллионов
камней при средней производительности одно отверстие в секунду
вместо 30 минут при механическом сверлении. На этих же станках
впоследствии сверлились отверстия в миниатюрных сапфировых под-
шипниках скольжения [1].
На часовом заводе в г. Углич и на заводе точных технических кам-
ней в г. Куса, изготавливающих часовые камни в суммарном количес-
тве порядка 500 миллионов штук в год, в производство были внедрены
лазерные станки «Караван». На этих станках обработка одного отвер-
стия также занимала не более двух секунд.
1.1.2. Сверление отверстий в металлах
Очень острой проблемой для отечественной промышленности 70-х го-
дов была разработка стабильной и производительной технологии пре-
цизионного сверления отверстий в приборных жиклерах гироскопов, а
также в металлических фильерах для вытяжки тонких синтетических
волокон.
Приборные жиклеры, используемые для раскрутки сжатым воздухом
гироскопов в системах инерциального управления летательных аппара-
тов, выполнялись из латуни толщиной 150 мкм, и прецизионное калиб-
рованное отверстие диаметром 50—100 мкм прокалывалось вручную с
помощью специальной иглы. Эта непростая операция с учетом «челове-
ческого фактора» приводила к значительному разбросу в калибровке,
что и предопределило необходимость перехода на автоматическое ла-
зерное сверление.
Фильерные цилиндры для вытяжки полимерных и синтетических
волокон и мононитей изготавливаются из нержавеющей стали толщи-
ной до 0,2 мм и имеют в донной части от нескольких десятков до не-
скольких тысяч отверстий (фильер) диаметром от 30 и до 100—150 мкм,
реже до 1—2 мм, через которые и продавливается горячий жидкий по-
лимерный материал для охлаждения и растяжки. Застывая на некото-
ром расстоянии после выхода из калибрующего отверстия, он образует
прочные волокна, применяемые для изготовления синтетической пря-
жи и скручивания в синтетические нити.
Отверстия в таких фильерах изготавливались прокалыванием на
специальных сложных автоматах. Актуальность применения лазерного
сверления в данном случае определялась быстрым износом как прока-
лывающего инструмента, так и самих фильер.
Основным требованием ко всем перечисленным отверстиям было
обеспечение высокой размерной точности, воспроизводимости и по-
стоянства расхода (воздуха или расплавленного полимера). Требуемый
допуск обычно составлял ±2 мкм. Но даже при соблюдении допуска ла-
зерное сверление не всегда обеспечивало требуемую точность расхода
или заданную скорость потоков. Как показали исследования, основной
причиной несоответствия являлось наличие затвердевшей жидкой фазы
на боковой поверхности отверстий, выполненных лазерами со сравни-
тельно «длинными» импульсами.
Лишь к концу 1980-х с переходом на модуляцию импульсного или
непрерывного излучения лазера акустооптическим затвором удалось ра-
дикально уменьшить остаточное количество жидкой фазы и увеличить
повторяемость и калибруемость отверстий.
На середину 70-х приходится появление новых типов газоразрядных при#
боров-индикаторов. В их конструкциях в катоде, изготавливаемом из спе-
циальных марок стали толщиной 0,1 мм, необходимо было сверлить ре-
гулярные матрицы в несколько тысяч отверстий диаметром 100 ± 2 мкм
и с координатной точностью не менее ±2 мкм.
Для выполнения этой непростой тогда задачи в ЭНИМСе был создан
специальный станок модели АК-348Ф2 с ЧПУ, обеспечивающим 2-коор-
динатное управление столом и синхронную с ним работу лазера.
Сверление отверстий в жаропрочных и труднообрабатываемых материалах
К середине 70-х прошлого века при бурном развитии турбореактив-
ной авиации задача повышения ресурса и увеличения межповерочного
интервала для авиационных двигателей встала с особой остротой. За ру-
бежом к этому времени на предприятиях GE Aircraft Engines, Rolls-Royce
и Pratt & Whitney уже работали десятки лазерных установок от компаний
Raytheon (SS-500 и SS-550), Lumonics (JK MS-830), а позднее и Convergent
Energy (Gemini c Aurora P50) и др. для сверления охлаждающих от-
верстий в турбинных лопатках «горячей зоны» и в деталях камеры сгора-
ния авиационных двигателей.
Число отверстий диаметром от 250 до 900 мкм и глубиной от 3 и до
10 мм в хромоникелевых жаропрочных и труднообрабатываемых спла-
вах доходило до нескольких сотен на одну лопатку, а потребность в ло-
патках исчислялась сотнями тысяч (см. рис. 1.1).
При столь массовом производстве высокая скорость и производи-
тельность лазерного сверления в короткое время вытеснили на многих
заводах конкурирующие процессы электрохимической (ЭХО) и элек-
троэрозионной (ЭЭО) обработки (хотя они все еще используются для
получения отверстий с очень большим аспектным отношением или
криволинейной формой). Более низкое качество и больший размерный
Рис. 1.1. Сверление и профилирование охлаждающих отверстий
в лопатке ГТД и увеличенное изображение диффузора
с проработанным аэродинамическим профилем
разброс в сравнении с эрозионными методами на тот момент устраивал
производителей, поскольку в процессе охлаждения участвовали одно-
временно сотни отверстий и лопатка калибровалась только по совокуп-
ному расходу воздуха и нижнему допуску на размеры отверстий [25].
Во всех установках применялись импульсные Nd:YAG-лазеры с лам-
повой накачкой, высокой яркостью и пиковой мощностью 20—50 кВт
при длительности импульса от 0,2 до 5 мсек. Средняя мощность в середи-
не 80-х уже составляла 300—500 Вт, а к 90-м с целью увеличения произ-
водительности в ряде случаев была поднята до 1 кВт. Многоимпульсное
сверление (до 30—80 имп./отв. в «пачке») осуществлялось перкуссионным
или трепанационным методом с газовой продувкой. Высокое качество ма-
ломодового пучка обеспечивало достижение средней плотности мощно-
сти в фокусе до 106—107 Вт/см2, однако почти гауссовское распределение
приводило к сосуществованию процессов плавления и испарения с пре-
обладанием испарения в центре и значительной зоной расплава вблизи
стенок отверстия. Дальнейшее повышение средней мощности и увеличе-
ние энергии в импульсе для смещения процесса в сторону испарения
приводило к менее стабильному качеству, особенно для глубоких отвер-
стий. С точки зрения эффективности процесса — из-за разницы значе-
ний теплоты плавления и испарения — удаление расплавленного матери-
ала избыточным давлением паров более экономично и требует менее 15—
20 % от энергии, необходимой для только испарения того же материала.
Поэтому более надежным и простым методом повышения качества ока-
зались подбор временной формы импульса и его динамическое измене-
ние в пределах «пачки». Среднее время выполнения одного отверстия со-
ставляло от одной до нескольких секунд.
К концу 90-х в мировой авиации были ужесточены требования по на-
дежности, уровням шумности и экологичности авиационных двигателей.
В «горячей зоне» появились лопатки с керамическим термобарьерным
покрытием (англ. «TBC»), для улучшения охлаждения и снижения уровня
шумов и расхода топлива все выходы отверстий на поверхность лопатки
начали профилировать, придавая им требуемую аэродинамическую фор-
му диффузоров.
Хрупкая TBC-керамика из-за возможного трещинообразования не
может обрабатываться мощными импульсами миллисекундного лазера.
Для ее обработки и профилирования в установки дополнительно инстал-
лировались вторые YAG-лазеры с модуляцией добротности и разверткой
излучения с помощью сканеров. Пиковая мощность короткоимпульсного
лазера достигает 1—2 МВт при средней мощности до 100 Вт, и абляцион-
ное многопроходное 3D-профилирование каждого диффузора занимает
не более нескольких секунд, при этом его профиль индивидуально опти-
мизируется для каждого охлаждающего отверстия [45].
Аэродинамика охлаждающего потока лопатки и сложный внешний и
разветвленный внутренний профиль требуют расположения отверстий по
индивидуальной схеме и под разными (в т.ч. и «острыми», вплоть до 15°)
углами к поверхности. Поэтому обработка проводится на специальных
скоростных 5-осных лазерных станках с прецизионной кинематикой [13].
Один из наиболее современных европейских заводов MTU Aero
Engines расположен в Мюнхене и производит современные авиацион-
ные двигатели, узлы и комплекты лопаток как для Airbus S.A.S. (для се-
мейства самолетов A-320 и A-380), так и для других авиастроительных
компаний. Обработка лопаток и деталей осуществляется в три смены
на шести двухлазерных станках LaserTec 80 PowerDrill производства
Deckel-Maсho Group (DMG). В станках установлены лазеры компаний
Lasag и Rofin-Baasel [46].
В некоторых станках аналогичного назначения компании WinBro
сверление отверстий производится последовательно лазерно-эрозион-
ным методом, что обеспечивает более высокое качество [47].
34 Раздел 1. История развития лазерной прецизионной размерной
обработки и современные области ее применения
Рис. 1.2. Универсальный 5-координатный лазерно-эрозионный об-
рабатывающий центр WinBro Serie 800 для сверления и
профилирования диффузоров всех типов лопаток и сопло-
вых блоков
Близкие задачи по сверлению отверстий диаметром 80—100 мкм, но
с очень малым допуском до ±2 мкм при глубине сверления до 1 мм сто-
яла в 70-х и 80-х годах перед производителями фильтров и распыли-
тельных форсунок топливной аппаратуры дизельных двигателей, также
выполняемых из жаропрочных сплавов и работающих в условиях давле-
ний до 1000 атм. Механическая или электроэрозионная обработка была
достаточна трудоемка и приводила на тот момент к значительному про-
центу брака.
Накопление к середине 90-х годов данных по физическим законо-
мерностям лазерного сверления и развитие элементной базы твердо-
тельных лазеров позволили существенно расширить их применения в
этой области, значительно повысив производительность и обеспечивая
при этом требуемое качество и геометрическую точность.
В Европе, а с 1984 г. и в Америке такие лазеры для прецизионного
сверления начала поставлять производителям технологических устано-
вок швейцарская компания Lasag Corp. Имея значительный технологи-
ческий опыт, накопленный в начале 80-х при разработке собственной
5-осевой установки для сверления деталей авиационных турбин, и ти-
поряд мощных твердотельных лазеров с уникальными характеристика-
ми, Lasag в короткие сроки организовала серийный выпуск и техноло-
гическое сопровождение новых Nd:YAG-излучателей, оптимально
«заточенных» под данный круг задач [2].
На рис. 1.3 приведены фото фильтра (слева) и кольцевой обечайки
(справа) с отверстиями, изготовленными c помощью лазеров серий
KLS 246 и FLS 552 по технологии Lasag.
В примере изготовления фильтра на рис. 1.3 следует выделить высо-
кую точность диаметральных размеров отверстий, реализованную на
повышенной частоте повторения импульсов.
На рис 1.4 приведены фото, иллюстрирующие возможности одноим-
пульсного сверления отверстий в торцах очень тонких хирургических игл
(офтальмологические иглы) на установке модели NR компании Lasag.
Диаметр высверливаемых за один импульс отверстий может составлять
0,05—0,4 мм и выбирается в зависимости от диаметра самой иглы. Полу-
чается круглое цилиндрическое отверстие, на выходе которого отсутству-
ет застывшая жидкая фаза. Достигаемое аспектное отношение (при жест-
ком допуске на толщину остающейся стенки) составляет 1:4 — 1:8.
В этом примере следует обратить внимание на то, что импульс излуче-
ния с энергией, достаточной для быстрого и «чистого» одноимпульсного
36 Раздел 1. История развития лазерной прецизионной размерной
обработки и современные области ее применения
Лазер KLS 246: режим — 500 Гц,
0,05 Дж, 0,1 мс; нержавеющая
сталь толщиной 0,5 мм; диаметр
отверстия на входе — 0,06 мм,
на выходе — 0,055 мм; точность
±0,005 мм; время 120 отв./мин
Лазер FLS 552: режим — 20 Гц,
14 Дж, 0,6 мс; низколегированная
сталь 2 мм; диаметр отверстия
на входе — 0,7 мм, на выходе —
0,55 мм; точность ±0,015 мм
Рис. 1.3. Сверление отверстий в топливном фильтре (слева) и
в кольцевой обечайке (справа)
Рис. 1.4. Одноимпульсное сверление отверстий в торце тонкой оф-
тальмологической иглы из нержавеющей стали
испарения материала, модулируется несколькими более короткими
подымпульсами с нарастающей интенсивностью и с регулируемой скваж-
ностью (в данном случае скважность около двух). Поскольку эти резуль-
таты относятся к 1985 году, то это практически первая демонстрация
успешной микрообработки «пачками» импульсов. Регулировка скважно-
сти, амплитуды и числа импульсов в «пачке» позволяет подобрать режим
качественного сверления без повреждения тонких стенок для каждого ти-
поразмера игл. В разделе 6.1 показано, что такая структура является осно-
вой улучшения качества лазерной обработки.
В России лазерные установки с близкими параметрами излучения
были разработаны и начали серийно выпускаться с начала 2000-х годов
в НПЦ «Лазеры и аппаратура ТМ ».
Современный этап развития технологий лазерного сверления тесно
связан с прогрессом в разработке и выпуске в промышленном исполнении
твердотельных лазеров с диодной накачкой, генерирующих на высоких ча-
стотах повторения импульсы нано- и пикосекундной длительности.
На рис. 1.5 приведен пример высокоскоростной перфорации сотен
тысяч отверстий в тонколистовом металле. Показан фрагмент мембраны
фильтра, содержащего более 200 тысяч отверстий диаметром 30 мкм, с ша-
гом между ними 50 мкм. Мембрана изготовлена из нержавеющей стали
толщиной 30 мкм и выполнена импульсами наносекундной длительности.
Рис. 1.5. Перфорация отверстий диаметром 30 мкм и с шагом
50 мкм в нержавеющей стали толщиной 30 мкм
Стабильность диаметра перфорированных отверстий и правильность
их формы свидетельствует о стабильности всех параметров лазерного из-
лучения и высокой равномерности его пространственного распределения.
Данная система отверстий была изготовлена на специальном лазер-
ном станке, который, по заявлению представителя создавшей его не-
мецкой фирмы LPKF, способен перфорировать до 680000 отверстий в
час [4]. Столь высокая скорость реализуется за счет перемещения сфо-
кусированного излучения по поверхности детали гальваносканером.
В настоящее время для решения аналогичных технологических задач
предлагается множество различных нано- и пикосекундных лазеров.
Масштабный промышленный выпуск целой линейки пикосекундных
лазеров осуществила немецкая фирма Lumera Laser. В М юнхене на вы-
ставке Laser Show 2009 был продемонстрирован лазер Hyper Rapid 50,
генерирующий импульсы длительностью 15 псек на четырех длинах волн
(л = 355, 532 и 1064 нм). На частоте следования импульсов 400 кГц при
качестве излучения не хуже М2 < 1,5 энергия, соответствующая указан-
ным значениям л, равна 70—120 мкДж, что обеспечивает абляцию, рав-
ную 60 мм3/мин [5]. Пикосекундные лазеры производят также такие из-
вестные компании, как Rofin и Trumpf [6].
1.2. Лазерное прецизионное резание на начальном этапе
Прецизионное резание с использованием импульсных твердотельных
лазеров на кристаллах Nd:YAG, обеспечивающих плотность мощности
на поверхности зоны перекрытия соседних сфокусированных световых
пятен не менее 5 Ї 106 Вт/см2 для абляции материала, было опробовано
уже в середине 70-х. На его базе создавались импульсные лазеры с по-
вышенной частотой следования и энергией импульсов и непрерывные
лазеры (и тот и другой могли работать с модулированной добротностью
излучения), что позволило удовлетворять возросшую к тому времени
потребность в лазерном резании.
Кроме того, весомые усилия на данном этапе были сосредоточены
на разработке технологий лазерного резания материалов, механическая
обработка которых затруднена или практически невозможна. В связи с
этим резка листовых материалов и металлов на этот момент целиком
производилась с использованием более мощных непрерывных СО2-ла-
зеров.
Практически только к концу 80-х годов с появлением сравнительно
мощных (до 0,3—0,6 кВт) непрерывных и импульсных Nd:YAG-лазеров
с ламповой накачкой стало возможным и целесообразным не только
разрабатывать установки и применять твердотельные лазеры для реза-
ния механически труднообрабатываемых материалов, но и массово об-
рабатывать такие металлы, как конструкционная и нержавеющая сталь,
алюминий, медь, латунь, титан и т.д., а также и цветные металлы, пло-
хо поддающиеся обработке с помощью СО2-лазеров.
Качество импульсной резки твердотельными лазерами многих чер-
ных и цветных металлов и ряда диэлектриков во многих случаях значи-
тельно превосходило результаты, получаемые при резке СО2-лазерами.
При меньшем размере пятна и ширине реза не только достигалась бо-
лее высокая точность (прецизионность) ответственных деталей, но
и минимизировалась зона термического воздействия (ЗТВ) из-за сни-
жения аккумуляции тепла.
Тем не менее большая часть оборудования с твердотельными лазе-
рами, разрабатываемая в этот период, предназначалась для целевых
специализированных технологических применений и, естественно, вы-
пускалась очень малыми партиями или «поштучно».
Одно из интересных применений прецизионного резания в технологи#
ческом процессе изготовления бриллиантов было осуществлено в 1974—
76 гг. Для этого в ЭНИМСе был разработан первый отечественный
прецизионный станок с лазером на стекле с неодимом, предназначен-
ный для нанесения на природном («сыром») алмазе нестираемых линий
разметки (разметка огранки будущего бриллианта) глубиной порядка
0,1 мм. До этого разметка наносилась технологом тушью и при «распи-
ловке» или огранке алмаза часто терялась, что приводило к ошибкам
и порче дорогого сырья.
Последующая доработка, проведенная в ЭНИМСе, по соверше-
нствованию технологии лазерной разметки позволила учитывать при
разметке ориентацию кристаллических граней алмаза, что позволяло
спланировать получение бриллианта наибольшей возможной каратнос-
ти и наивысшего качества и блеска. Стоимость готового бриллианта
при этом значительно возрастала.
Работа была внедрена на московском заводе «Кристалл» в 1977 г.
Дальнейшая модернизация станка и технологии в ЭНИМСе позво-
лила осуществлять лазерный надрез алмазов на глубину до ~0,3 мм для
последующей точной установки в него тонкого (50—80 мкм) вращаю-
щегося алмазного диска для распиливания кристалла на полную глуби-
ну по плоскости с заданной разметкой ориентацией.
Позднее в середине 80-х на станок был установлен более современ-
ный Nd:YAG-лазер на гранате с непрерывной ламповой накачкой и
акустооптической модуляцией добротности. Лазер, разработанный в
НПО «Полюс», обеспечивал мощность до 20 Вт в маломодовом режиме.
В конце 1980-х в ЭНИМС был разработан Nd:YAG-лазер с непре-
рывной накачкой и акустооптической модуляцией, со средней мощнос-
тью до 100 Вт. С ним была отработана технология программно управ-
ляемого многопроходного резания природного алмаза со скоростью до
25 мм/мин на глубину до 1 мм при ширине реза 100 мкм. При этом
в резе отсутствовало трещинообразование, а на его боковой поверхнос-
ти образовывался слой графита толщиной не более 2 мкм. Данный ре-
зультат делал особо перспективным внедрение лазерной технологии для
проведения сквозного двухстороннего резания алмазов с размерами до
2 мм (~0,1 карата), наиболее часто встречающихся в партиях кристал-
лов для изготовления бриллиантов. Механическое резание таких крис-
таллов могло длиться многие часы.
В 90-е годы основным центром производства бриллиантов в России
стал Смоленский завод «Кристалл». На этом заводе был организован уча-
сток лазерной обработки алмазов. Основу участка составили три станка
компании Orziv (Израиль), оснащенные непрерывным одномодовым ла-
зером Quantronix 114 (США) с непрерывной накачкой и акусто-оптиче-
ской модуляцией излучения, а также две экспериментальные отечествен-
ные установки ЛТК1 и ЛТК-2 с Nd:YAG-лазером с непрерывной
накачкой и АОМ. На последних установках была отлажена отечественная
технология «послойного распиливания» кристаллов по параметрам мини-
мально узкого клинообразного распила, задаваемого оператором, а также
предложено распиливание «крупных» кристаллов «с переворотом», то
есть с двух сторон, с автоматическим совмещением полуплоскостей рас-
пиливания. На этих же станках в автоматическом режиме резки проводи-
лось и предварительное формообразование кристалла под заданную
огранку, включающее все стандартные и фантазийные формы («круг-
лый», «овал», «маркиз», «груша», «сердце» и др.).
Некоторые большие кристаллы невозможно было разрезать алмаз-
ным диском, поскольку у них не существовало так называемого мягко-
го направления и присутствовали внутренние напряжения, препятству-
ющие механической обработке. Их разрезка, как правило, осуществима
40 Раздел 1. История развития лазерной прецизионной размерной
обработки и современные области ее применения
только лазером. В этом случае становится возможным увеличивать глу-
бину резания до нескольких миллиметров за счет постепенного переме-
щения фокальной плоскости ко дну реза, ширина которого увеличива-
ется последовательными параллельными проходами.
Наилучшее качество реза достигалось при использовании импульс-
ного одномодового лазера со средней мощностью около 10 Вт. При дли-
тельности импульсов в 150—200 нс оптимальный результат достигался на
частоте следования 2—2,5 кГц. Оптическое качество пучка и оптическая
система позволяли фокусировать излучение в световое пятно диаметром
30—50 мкм. Малый диаметр лазерного излучения на выходе из резонато-
ра и указанный диаметр светового пятна обеспечивали узкий апертурный
угол фокусируемого пучка и минимальную ширину реза.
Еще одним существенным преимуществом данной установки было
ее оригинальное программное обеспечение. С его помощью была про-
изведена унификация операций резания и предварительной огранки,
что повысило ее функциональность и облегчило эксплуатацию.
К началу 80-х на повестку дня в стране остро встал вопрос лазерной
размерной обработки керамических подложек, а также прецизионной вы#
резки в них «окон» и технологических отверстий. Военная электроника
массово переходила на технологию компактных и легких гибридных
интегральных схем (ГИС), выполняемых на керамических подложках
с высокими диэлектрическими параметрами. Даже при значительном
увеличении функциональной сложности электронных блоков их массо-
габаритные показатели уменьшались в десятки раз, а стойкость и защи-
щенность значительно возрастали. Прогресс в области силовой элек-
троники и СВЧ-приборов требовал использования в качестве подложек
новых теплопроводящих керамических материалов со специфическими
диэлектрическими характеристиками.
Все это стимулировало разработки специализированных лазерных
установок с твердотельными и газовыми лазерами для высокоточной
обработки, резки и разделения различных видов керамических подло-
жек (ситалл, поликор, 22ХС, нитридные теплопроводящие керамики и
др.). Размеры «стандартных» отечественных подложек обычно составля-
ли 60 х 48 мм при толщине от 200 мкм и до 2 мм.
Из-за высокой твердости и хрупкости этих керамик их механиче-
ская обработка была трудноосуществима.
Твердотельные лазеры, работающие на длине волны л = 1,064 мкм,
достаточно хорошо разрезали многие виды керамических материалов.
Однако технология требовала гарантированного отсутствия трещинооб-
разования, в связи с чем глубина дефектного слоя на боковой поверх-
ности реза не должна превышать 10 мкм. Кроме того, требовалась вы-
сокая «чистота» процесса, поскольку многие операции вырезки и
разделения должны были производиться на подложках с подготовлен-
ным рисунком металлизации, а подчас и с установленными компонен-
тами ГИС. Быстро стало понято, что «длинные» импульсы с высокой
энергией, хотя и с легкостью прошивают керамику значительной тол-
щины, малопригодны для «чистого» и бездефектного разделения. Эти
технические и технологические проблемы постепенно решались за счет
использования все более совершенных лазеров с более высокой часто-
той повторения укороченных импульсов и высоким качеством пучка.
Начиная с 1985 года в ЭНИМС в содружестве с НИИ «Зенит»
(г. Зеленоград) была намечена целевая программа по разработке и по-
становке в серию технологической лазерной установки с мощным
твердотельным лазером и подготовкой необходимой к производству
компонентной базы. Первоначально был разработан и серийно выпу-
скался станок модели 4Р222Ф2 на базе рубинового лазера с часто-
той следования импульсов 20 Гц, но уже с 1988 г. начался серийный
выпуск установки модели 4Г222Ф2 с 50-ваттным Nd:YAG-лазером
с ламповой накачкой и частотой следования импульсов до 50 Гц.
Оба станка применялись на многих предприятиях, использующих
керамические подложки для изготовления элементов электроники.
К 1990 году частота и мощность были повышены до 100 Гц и 100 Вт
соответственно.
В начале 90-х для повышения производительности установки и уве-
личения глубины резания был разработан лабораторный образец двух-
каскадного (задающий генератор и усилитель) импульсного (длитель-
ность импульса 250 мкс) лазера с мощностью до 175 Вт с модуляцией
излучения акустооптическим затвором. Удалось решить многие ресурс-
ные проблемы лазера за счет общего снижения нагрузок на квантроны
и лампы.
Позднее работы в этом направлении были продолжены в научно-про-
изводственном центре «Лазеры и аппаратура ТМ» (г. Зеленоград). В кон-
це 90-х годов на новой элементной базе силовой электроники и новой
конструкции резонаторов и квантронов был разработан типоряд твердо-
тельных лазеров и организован серийный выпуск лазерных технологиче-
ских установок серии МЛ1-1 и МЛ1-12.
1.3. Использование лазерного резания на современном этапе
За 30 лет после появления первых машин для лазерной резки
техническое и технологическое развитие в этом сегменте двигалось по
пути медленного эволюционного наращивания мощности излучения
всех известных типов промышленных лазеров и, как следствие, столь
же плавного наращивания скорости и производительности оборудо-
вания. Так же плавно росли качество, точность, сервис, «дружествен-
ность» программного интерфейса и толщина обрабатываемых заго-
товок.
В последнее десятилетие развитие практических применений лазер-
ной резки значительно ускорилось. В основном это определилось про-
мышленным освоением и появлением на рынке новых типов мощных
лазеров с диодной накачкой, обладающих несравненно более высо-
кой удельной мощностью, надежностью, ресурсом и экономичностью.
Одним из признаков современного этапа развития является то, что
безоговорочные лидеры 1990-х годов в области массовой резки листо-
вого материала — СО2-лазеры в последние годы повсеместно вытесня-
ются мощными волоконными и дисковыми лазерами, захватившими за
последние несколько лет более 70 % сегмента прецизионной резки
металлов толщиной до 20 мм. Другая особенность современного разви-
тия технологий лазерного резания связана с созданием промышленных
моделей импульсных лазеров с нано-, пико- и фемтосекундной дли-
тельностью импульсов излучения. С освоением этих лазеров появилась
возможность вывести лазерную микрообработку на качественно новый
уровень.
В данном разделе мы прежде всего рассмотрим особенности и воз-
можности использования именно этих новых и перспективных «игро-
ков» в сегменте лазерной резки, а также постараемся объяснить, почему
во многих случаях потребители и разработчики отдают предпочтения
новым типам лазеров.
1.3.1. Мощные лазеры в технологии изготовления изделий
из листовых металлов
Изготовление изделий из листовых металлов (конструкционная сталь,
нержавеющая сталь, алюминий и его сплавы, медь, латунь, вольфрам,
никель, цирконий, молибден и др. толщиной от 1—8 мм и более)
с использованием лазерного резания является в настоящее время широ-
ко востребованным во многих странах, включая Россию.
Наиболее известным и успешным разработчиком и производителем
волоконных лазеров является известная компания IPG Photonics. Среди
других производителей волоконных лазеров следует выделить компании
Rofin и Trumpf.
Еще две компании недавно вышли на рынок с непрерывными воло-
конными лазерами киловаттной мощности. Это британские компании
SPI Lasers и JK Lasers.
Компания IPG Photonics серийно выпускает одномодовые волокон-
ные лазеры мощностью от 0,1 кВт и до 10 кВт с полной расходимостью
менее 1—2 мрад и качеством одномодового излучения М2 < 1,1 [10].
Эти лазеры обеспечивают наилучшее качество и скорость при резке кон-
струкционной стали толщиной до 5—8 мм и нержавеющей стали толщи-
ной до 4—6 мм [12]. Многомодовые волоконные лазеры выпускаются
мощностью до 50 кВт с расходимостью излучения от 4 мрад и более.
Компания Rofin предлагает волоконные лазеры серии FL, обладаю-
щие мощностью в пределах 500 Вт — 4 кВт. Для оптимизации режимов
обработки может устанавливаться транспортное оптическое волокно
диаметром от 50 до 600 мкм. Одномодовые волоконные лазеры достига-
ют параметра качества пучка BPP = 0,4 мм Ї мрад при выходной мощ-
ности до 1 кВт. «Топовая» модель FL 040 мощностью 4 кВт обеспечива-
ет качество излучения BPP = 2,5 мм Ї мрад. В перспективе должны
последовательно появиться лазеры с выходной мощностью 6 и 10 кВт
(по-видимому, FL 060 и FL 100).
Лазеры компании Rofin включают интеллектуальную систему управ-
ления RCU (Rofin control unit), работающую под ОС WindowsCE
с пультом ДУ и сенсорным дисплеем для оперативного вывода всей ин-
формации о состоянии и параметрах работы. В случае применения не-
скольких лазеров производства Rofin система обеспечивает их единое
управление через общие интерфейсы, в остальных случаях — легкую
программируемую интеграцию в оборудование OEM-производителей.
Опционно RCU обеспечивает непосредственное управление сканерной
головкой и системами контроля процесса.
Компания Trumpf производит под маркой «TruFiber X00» одномо-
довые волоконные лазеры мощностью 200, 300 и 400 Вт с качеством
излучения М2 < 1,1. Лазеры ориентированы на сектор прецизион-
ной обработки и резки сравнительно тонких материалов. Мощность
44 Раздел 1. История развития лазерной прецизионной размерной
обработки и современные области ее применения
многомодового волоконного лазера, выпускаемого Trumpf, равна
3,6 кВт.
Все перечисленные волоконные лазеры могут работать в непрерыв-
ном и импульсном режимах. Но поскольку импульсный режим обеспе-
чивается модуляцией тока, то пиковая мощность импульса остается на
том же уровне, что и в непрерывном режиме. Это означает, что такой
режим, если и улучшает качество резания, то только с потерей в произ-
водительности. О том, в каких случаях целесообразно его использовать,
объяснено в разделе 5 настоящей книги.
Дисковые лазеры, генерирующие излучение с длиной волны л =
= 1,06 мкм, серийно выпускаются компаниями Trumpf и Rofin.
Компания Trumpf разработала и производит семейство дисковых ла-
зеров под общей маркой TruDisk X00 мощностью 1—16 кВт. Качество
излучения (BPP) для лазеров мощностью 1 кВт и 2 кВт составляет
2 мм Ї мрад и 4 мм Ї мрад соответственно, (т.е. М2 = 1,3 и М2 = 3). Ка-
чество излучения (BPP) для лазеров мощностью от 2,6 до 16 кВт равно
8 мм Ї мрад (илиМ2 = 6) [11]. По материалам компании Trumpf, диско-
вый лазер мощностью 3 кВт легко разрезает конструкционную сталь
Рис. 1.6. Одномодовый волоконный лазер IPG Photonics YLS-2000,
многомодовый волоконный лазер компании Rofin FL 040
и одномодовый волоконный лазер TruFiber 400 компании
Trumpf
толщиной до 20 мм, нержавеющую сталь — до 15 мм, алюминий —
до 15 мм, медь — до 4 мм, бронзу — до 3 мм [22].
Излучение дисковых лазеров передается в зону обработки по транс-
портному волокну, диаметр которого у лазеров мощностью 1 и 2 кВт
равен 50 мкм и 100 мкм, а у 2—16 кВт лазеров диаметр установленного
транспортного волокна — 200 мкм. Для лазеров мощностью в 16 кВт он
опционно может быть увеличен до 300 мкм.
Примерно к 2007 г. разработчики и производители СО2-лазеров,
не желая терять свои позиции, существенно улучшили параметры их
излучения. Компания Trumpf выпускает такие лазеры мощностью 0,7—
3,6 кВт с качеством излучения М2 = 1,67 [5]. Таким образом, удалось
уменьшить расходимость излучения этих лазеров примерно до 3 мрад
и повысить их выходную мощность. Улучшены и эксплуатационные ка-
чества этих лазеров. СО2-лазер мощностью 3 кВт режет конструкцион-
ную сталь толщиной до 20 мм, нержавеющую сталь и алюминий тол-
щиной 15 мм, медь толщиной 4 мм и бронзу толщиной 3 мм.
Постарались не оказаться не у дел и другие разработчики СО2-ла-
зеров. Фирма Rofin создала семейство СО2-слэб-лазеров мощностью от
1 кВт и до 8 кВт с качеством излучения k = 0,95.
На проведенной в Москве в 2011 г. выставке «Металлообработка»
компания Mitsubishi демонстрировала технологическую установку со
встроенным в нее многомодовым СО2-лазером мощностью 4,5 кВт соб-
ственной разработки. Демонстрировалось резание конструкционной
стали толщиной до 25 мм (с кислородом) [9].
Российская компания «ВНИТЭП» на той же выставке демонстриро-
вала свою технологическую установку, оснащенную волоконным лазе-
ром от IPG с мощностью 2 кВт, на которой также в кислородной среде
можно резать специальную конструкционную сталь толщиной до 20 мм
[11].
Здесь еще раз важно обратить внимание на то, что особо выделяли
все представители перечисленных фирм. Указываемые ими толщины
реализуются при резании в среде кислорода специальной конструкци-
онной стали, отличающейся повышенной однородностью структуры и
уменьшенным количеством примесей.
Многие широко применяемые на различных производствах листо-
вые металлы не вступают в экзотермическую реакцию. К таковым от-
носятся наиболее употребимые в различных областях промышленности
нержавеющая сталь, алюминий и его сплавы, медь и латунь.
Цирконий, молибден и титан, часто используемые в ряде специали-
зированных отраслей промышленности, неуправляемо сгорают даже
в среде воздуха и тем более в кислородной среде, вызывая тем пожаро-
опасную ситуацию. Потому изготовление из этих металлов различных
изделий с применением лазерного точного резания осуществляется
в среде нейтральных газов.
Исследования процесса резания в среде сжатого воздуха листовой
конструкционной стали отечественного производства толщиной до
5 мм, не относящейся по мировым стандартам к специальной лазерной
стали, нержавеющей стали толщиной до 4 мм, сплавов алюминия тол-
щиной до 5 мм, а также и меди толщиной до 3 мм, производимые с ис-
пользованием волоконного лазера мощностью 1 кВт, были проведены в
НПЦ «Лазеры и аппаратура ТМ» в период 2009—2010 гг. (см. раздел 8).
Удовлетворительные качественные показатели резания в среде ней-
трального газа отечественной нержавеющей стали толщиной 5 мм и
дюрали толщиной 6 мм реализуются за счет использования волоконно-
го многомодового лазера мощностью 1,5 кВт. Для обеспечения прием-
лемого качества резания конструкционной стали толщиной более 3 мм
его надо производить в среде кислорода.
Удовлетворительные для производственников качественные показа-
тели резания в среде кислорода отечественной конструкционной стали
толщиной до 16 мм, нержавеющей стали толщиной до 10 мм и алюми-
ниевого сплава АМГ5 толщиной до 10 мм в среде нейтрального газа ре-
ализуются за счет использования многомодового волоконного лазера
мощностью 2 кВт.
Теоретические расчеты, проведенные в НПЦ в 2011 г., показали, что
увеличение глубины и улучшение качественных показателей резания, про-
водимого на максимально возможной скорости резания, при неизменной
мощности лазера реализуются оптимизацией локализации излучения на
деталь и подбором конструкции и параметров сопла, через которое в зону
обработки подается ассистирующий газ (см. разделы 5, 8 и 9).
Следует коротко остановиться на проблеме резания меди с помощью
волоконных лазеров. Суть ее определяется высоким коэффициентом отра-
жения излучения с длиной волны 1,06 мкм на этом материале. Отраженное
излучение, пройдя через фокусирующий объектив в обратную сторону, по-
падает на торец волокна, используемого в этом лазере, и вызывает его раз-
рушения. В НПЦ «Лазеры и аппаратура ТМ» был разработан способ ре-
зания меди с помощью волоконного лазера, при котором отражение
излучения понижается до уровня, при котором не происходит указанного
разрушения. То, за сет чего снижается отражение, объяснено в разделе 2.
Каким образом реализуется снижение и то, какие получаются результаты
по глубине и скорости резания меди с использованием многомодового во-
локонного лазера мощностью 1 кВт, рассказано в разделах 5 и 8.
Применение лазерного резания не ограничивается изготовлением изде#
лий из листовых материалов. То, сколь в настоящее время актуальна и
разнообразна иная область применения лазерного резания и какие ла-
зеры используются для удовлетворения ее потребностей, показывают
данные, приведенные в таблице 1.1 [13].
Соответствующие таблице 1.1 примеры прецизионного резания при-
ведены ниже на рис. 1.7. Большая часть демонстрируемых на нем деталей
изготовлена с использованием твердотельного импульсного лазера с ак-
тивным элементом на Nd:YAG с мощностью излучения 300 Вт. Как уже
отмечалось выше, такие лазеры начали разрабатываться в конце 90-х. Со-
здание на основе этих лазеров технологических установок, оснащенных
прецизионным координатным столом, оригинальной оптической систе-
мой фокусирования излучения, устройством подачи в зону обработки ас-
систирующего газа, автоматизированной системой управления процессом
обработки, позволило начать широкое внедрение технологии прецизион-
ной резки конструкционной и нержавеющей сталей, труднообрабатывае-
мых металлов, сплавов алюминия, цветных металлов, керамик и т.д.
Application rage — область применения; watch industry — часовая про-
мышленность; medical — fine cutting parts — точное резание меди-
цинских изделий; electronics — электроника; apparatus engineering — ин-
женерная аппаратура; automotive — производство автомобилей;
aerospase — самолето- и ракетостроение.
Таблица 1.1
На рис. 1.7 а показана обработка трубки модулятора электронного
прибора в металле диаметром 6 мм, производимая импульсным
Nd:YAG-лазером мощностью до 300 Вт.
На рис. 1.7 б представлена высокоточная деталь, вырезанная в ме-
талле толщиной 0,2 мм.
На рис. 1.7 в представлен филигранно вырезанный лазерным излу-
чением вкладыш фильтра. По внешнему виду вкладыша допустимо
предположить, что для его обработки использовался cw-лазер с модуля-
цией добротности мощностью до 100 Вт.
На рис. 1.7 г демонстрируется хирургический инструмент с откры-
той полостью, вырезанной в трубке с толщиной стенки 1,5 мм, с ис-
пользованием импульсного Nd:YAG-лазера мощностью до 300 Вт.
Рис. 1.7. Прецизионные детали, изготовленные на оборудовании
Lasertec компании DMG
На российских предприятиях для прецизионного резания деталей из
указанных металлов и керамик наибольшее распространение в настоя-
щее время получили установки на базе двухкаскадных импульсных
твердотельных лазеров с ламповой накачкой серии МЛ1-2 и МЛ4-2.
Они применяются для изготовления изделий из керамики, нержавею-
щей стали, ковара, латуни, меди, алюминия и серебра. То, на каких ре-
жимах следует производить резание на указанных установках, объясне-
но в разделе 8.
Преимуществом лазеров с ламповой накачкой по сравнению с воло-
конными и дисковыми лазерами являются высокие энергия и пиковая
мощность импульсов излучения. Это обеспечивает лучшее качество ре-
зания, выражающееся в повышенной чистоте боковой поверхности
реза, максимальная глубина которого в зависимости от материала нахо-
дится в пределах 2—4 мм, и меньшей высоте грата, образующегося на
его выходе. Однако при повышении их средней мощности (за счет час-
тоты следования импульсов или накачки) из-за возникновения в актив-
ном элементе термических искажений значительно увеличивается рас-
ходимость излучения. По этой причине получение маломодового
излучения мощностью, находящейся в пределах даже 30—50 Вт, являет-
ся принципиально сложной задачей. Данный недостаток существенно
ограничивает область применения резания с их использованием, по-
скольку он не позволяет увеличить производительность и глубину обра-
ботки.
1.3.2. Лазерное прецизионное резание с использованием
нано-, пико- и фемтосекундных импульсов
Повышение требований к надежности и качеству высокотехнологичной
продукции, необходимость ее миниатюризации с одновременным уве-
личением функциональных возможностей привели в последние годы к
быстрому росту спроса на лазерное технологическое оборудование но-
вого поколения. Согласно данным исследовательской компании Strategic,
сектор рынка нового оборудования поколения в последние 4—
5 лет демонстрирует наиболее быстрые темпы роста (более 35—40 %),
значительно превосходящие темпы роста традиционных технологий.
Его основной особенностью является то, что оно должно обеспечивать
толщину дефектного слоя в зоне обработки до микронного уровня и
позволять изготавливать различные по назначению миниатюрные изде-
лия из полупроводниковых и диэлектрических материалов с нанесен-
50 Раздел 1. История развития лазерной прецизионной размерной
обработки и современные области ее применения
ными на них пленочными покрытиями. Реализация этих требований с
использованием ранее разработанных и выпускаемых лазерных обраба-
тывающих комплексов невозможна.
Качественный скачок в создании новых технологий резания и соот-
ветствующего им оборудования произошел в последние годы и был
связан с прогрессом в создании нано-, пико- и фемтосекундных твер-
дотельных лазеров с диодной накачкой. Использование этих лазеров
обеспечило достижение такой плотности мощности в зоне обработ-
ки, при которой абляция состоит в основном из испарения. При этом
возможность проведения обработки излучением не только ближнего
инфракрасного (ИК) диапазона спектра, но и видимого, и ультрафио-
летового диапазонов позволила значительно расширить перечень обра-
батываемых материалов и уменьшить зону термического влияния.
В настоящее время разработку технологических комплексов с на-
но-, пико- и фемтосекундными лазерами ведут практически все фир-
мы, занимающиеся микрообработкой. Одними из первых эти работы
начали компании Clark-MXR Inc., Oxford Lasers Ltd., 3D Micromac,
LPKF и др. Немецкая компания LPKF сконцентрировала свои усилия
в отмеченной выше актуальной области использования лазерного ре-
зания в технологии изготовления как печатных плат и необходимых
для того паяльных масок (стенсил), так и соединительных элементов
плат. При создании оборудования для этих технологий она использу-
ет лазеры с диодной накачкой, генерирующие импульсы наносекунд#
ной длительности на требуемых для оптимального процесса обработки
длинах.
Для серийного промышленного производства LPKF разработала ряд
разнообразных технологических процессов лазерного резания и фрезе-
рования, а также создала на базе этих лазеров соответствующие им
установки серии MicroLine. С использованием этого оборудования на
фирме производятся следующие операции:
— вырезание полугибких и жестких печатных плат требуемой кон-
фигурации из многослойного стеклотекстолита толщиной 0,3—
1 мм [14];
— вырезание пазов заданного контура в многослойной плате с по-
мощью специальной оптики, позволяющей уменьшить до мини-
мума дефекты, образующиеся на боковой поверхности реза. Вы-
сокое качество боковой поверхности такого реза демонстрирует
фотография на рис. 1.8 [14];
1.3. Использование лазерного резания на современном этапе 51
— вырезание гибких соединительных элементов печатных плат, из-
готавливаемых из меди, покрытой пластиком, с общей толщиной
10—50 мкм. Фото соединительного элемента торсионного типа
показано на рис. 1.9 [15];
52 Раздел 1. История развития лазерной прецизионной размерной
обработки и современные области ее применения
Рис. 1.8. Паз, вырезанный в многослойной плате
Рис. 1.9. Соединительный элемент торсионного типа (см. цв.
вклейку)
— сверление в платах глухих переходных отверстий диаметром от
50 мкм на требуемую глубину, предназначенных для последую-
щей организации межслойного электрического соединения за
счет гальванического нанесения на их боковую поверхность слоя
меди [14];
— сверление в платах сквозных отверстий диаметром 75 мкм, пред-
назначенных для электрического соединения слоев меди толщи-
ной 20—30 мкм;
— вырезание масок для нанесения паяльной пасты, изготавливаемых
из нержавеющей стали или специального полимера толщиной
100—250 мкм с различными по форме апертурами («стенсилы»),
количество которых доходит до 15000. В зависимости от толщины
этой детали и числа вырезаемых в ней отверстий скорость обработ-
ки на данной операции равна 7700—10400 апертур в чаc [16].
Компания LPKF разработала новый способ ускорения изготовления
паяльных масок. Суть его заключается в том, что отдельная апертура
вырезается без перемещения стола. Реализуется это использованием
зеркальной отклоняющей системы, перемещающей лазерный луч в
пределах сопла подачи газа [17].
На рис. 1.10 а показан фрагмент маски из 50 тысяч отверстий диамет-
ром 50 мкм, изготовленных новым способом за один час. На рис. 1.10 б
представлен аналогичный фрагмент более сложной маски из 25 тысяч
прямоугольных отверстий размером 60 х 300 мкм, также изготовленной
новым способом за один час. Данные рисунки демонстрируют как высо-
кую точность геометрического расположения обработанных отверстий,
так и высокое качество обработки.
О высоком качестве и разрешающей способности резания, проводи-
мого новым способом, позволяет судить показанная на рис. 1.11 фото-
графия пазов размерами 30 Ї 66 мкм, изготовленных в многослойной
плате. Радиус закругления в углах пазов равен 10 мкм.
На установках серии MicroLine проводится также качественное
резание, скрайбирование и сверление различных спеченных и сырых
керамик (нитрид кремния, оксид алюминия, нитрид алюминия, оксид
циркония) толщиной от 0,25 мм и до 1 мм [17].
Лазерами, генерирующими импульсы пикосекундной длительности,
в настоящее время производится резание обширной номенклатуры де-
талей, изготовленных из различных материалов. Ниже приведены неко-
торые примеры обработки такого рода деталей.
Углеродные композитные материалы относятся к наиболее перспек-
тивным в авиакосмической промышленности, автомобилестроении и
нефтехимии. Их обработка механическими методами весьма затрудни-
тельна, что и вызвало повышенный интерес к их лазерному резанию.
54 Раздел 1. История развития лазерной прецизионной размерной
обработки и современные области ее применения
Рис. 1.11. Миниатюрные пазы, изготовленные в многослойной
плате
Использование для резания углеродных композитных материалов тол-
щиной 1,5—3 мм непрерывных СО2-лазеров мощностью до 2 кВт и им-
пульсного СО2-лазера, работающего на частоте следования импульсов
500 Гц с длительностью импульса 20 мкс и энергией импульса 1 Дж,
привело к неприемлемым по точности результатам. Они таковы: шири-
на реза — 0,4—1 мм, глубина зоны термического влияния на входе реза
— 1,8—4,55 мм, а в поперечном сечении реза — 2—4 мм. В этой зоне
происходит выгорание матрицы и образуются трещины и поры. Боко-
вая поверхность реза покрыта слоем пироуглерода [19].
При использовании СО2-лазера, работающего в импульсном режиме
с частотой следования импульсов 10 Гц, глубина зоны термического вли-
яния оказалась равной нулю. Но и это не привело к удовлетворительному
результату в целом, поскольку ширина реза стала равной 1,6 мм.
Одной из основной причин недопустимых как ширины реза, так
и глубины зоны термического влияния является то, что при воздейст-
вии на материалы излучения с длиной волны л = 10,6 мкм при
плотности мощности, превышающей 106 Вт/см2, вблизи поверхности
детали образуется плазма. Она вызывает рефракцию излучения, его
поглощение и последующую передачу энергии в окружающую среду
и в зону расширения, образующуюся на поверхности обрабатываемо-
го материала [19].
При использовании выпускаемого фирмой Lumera пикосекундного
лазера модели Hyper Rapid 50, работающего в режиме УФ-излучения
с мощностью до 20 Вт на частоте импульсов 200—2000 кГц, скорость
абляции при длительности импульсов 15 псек достигает 60 мм3/мин.
Такая производительность была получена при резании углеродного
композитного материала толщиной 1 мм [20].
Сколь высокое качество реза реализуется при укорочении длитель-
ности импульса до 15 псек, видно на рис. 1.12. Нити волокон четко
различимы в правой части боковой поверхности реза, на которой отсут-
ствует углерод. Минимальная величина неровностей, характеризующая
чистоту поверхности, равна 200 нм. Поскольку расходимость излучения
этого лазера близка к одномодовой, то ширина реза даже при использо-
вании фокусирующего объектива с f = 200 мм не превысит 200 мкм.
По заявлению компании Trumpf, пикосекундные дисковые лазеры се-
рии обеспечивают высококачественное и с достаточно высокой скорос-
тью резание деталей из нержавеющей стали, титана, кремния и других
полупроводниковых материалов. Высокое качество характеризуется
малой глубиной зоны термического влияния, образующейся на боковой
поверхности реза, ее высокой чистотой и отсутствием грата на выходе
реза.
Качество боковой поверхности реза, сравниваемое с тем, которое
получается шлифованием, отчетливо различимо на фотографии отвер-
стия, вырезанного лазером TruMicro 5050 в титане, рис. 1.13 [7].
Рис. 1.12. Боковая поверхность реза композитного материала
(см. цв. вклейку)
Рис. 1.13. Отверстие, вырезанное в титане
Импульсным пикосекундным лазером с мощностью излучения 45 Вт
и длиной волны 1030 нм, производимым фирмой Jenoptik, вырезаются
пазы шириной 0,6 мм в кремнии толщиной 0,725 мм. Скорость изготов-
ления таких пазов равна 0,3 мм3/сек. По мнению специалистов Jenoptik,
такое качество боковой поверхности не может быть обеспечено резанием
с использованием других лазеров [12].
Потребность в резании деталей, изготавливаемых из стальной, латун#
ной, бронзовой и медной ленты толщиной примерно от 0,025 мм и до
0,1 мм, возникла в начале 2000-х. Ниже приведены несколько актуаль-
ных для настоящего времени примеров данного вида резания, произво-
димого с применением пикосекундного лазера.
В медной фольге толщиной 100 мкм лазером вырезаются пазы ши-
риной 100 мкм и длиной 200 мкм. Минимальная ширина перемычки
между пазами равна 50 мкм. Получена она при использовании для ре-
зания пикосекундных импульсов, минимизирующих глубину проник-
новения зоны теплового влияния [21]. В ином случае вряд ли бы уда-
лось предотвратить тепловое разрушение материала столь узких
перемычек.
В фольге из латуни толщиной 25 мкм импульсами пикосекундной
длительности вырезаются 26000 различных контуров. Время вырезки
контура с общей длиной 175 м не превышает 60 мин. То есть скорость
резания вплотную подошла к 3 м/мин [21]. Надо понимать, что меха-
ническое резание фольги такой толщины если и возможно, то на гораз-
до меньшей скорости, да и сопровождается оно значительными труд-
ностями, а именно необходимостью разработки подходящего для него
режущего инструмента и конструкции специального станка, оснащен-
ного соответствующими приспособлениями для крепления ленты.
В последние 4—5 лет использование пикосекундных лазеров возросло
в связи с необходимостью обработки деталей точной механики, элек-
тронных приборов, принтеров и деталей, изготовленных из полимер-
ных материалов, особо чувствительных к температуре.
Уникальный пример обработки высокоточного со сложным профи-
лем микроскопических размеров зубчатого колеса из керамики с исполь-
зованием лазера модели Hyper Rapid 50, генерирующего импульсы дли-
тельностью 11 псек, показан на рис. 1.14 [23]. Иными способами
изготовить такое изделие со столь высоким качеством вряд ли возможно.
Использование этой модели лазера открывает новые перспективные
возможности в разных областях техники. Например, на лопастях турбины
со скоростью до 100 мм/сек скрайбируются дорожки с треугольным по-
перечным профилем и шириной между их вершинами, равной порядка
25 мкм [24].
Нанесение дорожек, показанных на рис. 1.15, снижает фрикционные
потери до 8 %, повышая тем самым эффективность турбины, и уменьша-
ет загрязнение лопаток, понижая тем затраты на обслуживание.
58 Раздел 1. История развития лазерной прецизионной размерной
обработки и современные области ее применения
Рис. 1.14. Миниатюрное зубчатое колесо из керамики
Рис. 1.15. Дорожки на лопасти турбины
Существует широкая номенклатура миниатюрных и высокоточных
деталей, которые по различным причинам необходимо изготавливать из
термически неустойчивых полимерных материалов. Миниатюрность и вы-
сокая точность такого рода изделий делают, пожалуй, безальтернатив-
ной их лазерную обработку. В свою очередь термическая неустойчи-
вость полимеров диктует необходимость использования лазеров,
генерирующих пикосекундные импульсы и минимизирующих глубину
зоны теплового нагрева.
В качестве примера, иллюстрирующего сказанное, на рис. 1.16 пока-
зана решетка, вырезанная в полимере толщиной ~200 мкм с использова-
нием твердотельного лазера с диодной накачкой, генерирующего импуль-
сы пикосекундной длительности на длине волны излучения 355 нм.
Резы шириной порядка 80 мкм отличает минимальная глубина
зоны термического влияния, образованной на его боковой поверхно-
сти, и четкие его края, на которых отсутствуют какие-либо поврежде-
ния. Обращает на себя внимание и то, что ширина перегородок меж-
ду пазами меньше 40 мкм. То, что они остались неразрушенными,
стало возможным благодаря минимальной глубине зоны термического
влияния.
Рис. 1.16. Решетка, вырезанная в полимере
На рис. 1.17 показана микроскопическая тефлоновая деталь, являю-
щаяся несущим элементом фильтра для агрессивных жидкостей. Ее на-
значение и предопределило, что она может быть изготовлена только из
тефлона [26].
Деталь выфрезерована из тефлонового блока пикосекундным лазером
с частотой повторения импульсов 50 кГц, при этом скорость удаления
материала составила около 0,2 мм3/сек.
Одним из наиболее востребованных применений лазеров в меди-
цине и кардиохирургии последних лет стало изготовление коронар-
ных и сосудистых микроимплантов (стенты, stents) из специальных
полимеров или металлических некорродирующих материалов, в т.ч. и
из нитинолового сплава (интерметаллоидный NiTi-сплав с «памятью»
формы). Микростенты вводятся безоперационным путем в зауженные
кровеносные сосуды для их расширения и укрепления и должны
обеспечивать долговременную биосовместимость с тканями и механи-
ческую адаптируемость к форме и просвету сосудов. При изготовле-
нии к ним предъявляются очень жесткие требования по качеству, ми-
60 Раздел 1. История развития лазерной прецизионной размерной
обработки и современные области ее применения
Рис. 1.17. Несущий элемент фильтра агрессивных жидкостей
нимизации зоны термического влияния и отсутствию любого грата на
внешней, боковой или внутренней поверхности.
На рис. 1.18 показан сильно увеличенный фрагмент коронарного
стента, вырезанный пикосекундным лазером из трубчатой NiTi-заго-
товки с толщиной стенки 500 мкм [27].
Специфичность применения обусловила разнообразие конструкций
стентов и необычность применяемых для их изготовления материалов.
Для изготовления биоактивных стентов, стентов с «памятью формы» и
специальных биоабсорбируемых (саморассасываемых) стентов и им-
плантов широко применяются PU-полимеры и PLGA-полимеры на
основе полигликолиевых кислот. Характерной особенностью большин-
ства таких материалов является сравнительно низкая температура плав-
ления (170—230°С). Учитывая это, а также сложный профиль и миниа-
тюрность имплантов, становится понятным, что для их изготовления
подходит только фемтосекундный лазер.
На рис. 1.19 показан сложный профиль электронного эмиттера, из-
готовленного из тантала толщиной ~100 мкм. Отчетливо различимы от-
личное качество боковой поверхности реза и точность ее профиля.
Рис. 1.18. Чистая поверхность реза медицинского стента-импланта
из NiTi-сплава с «памятью» [27]
На рис. 1.20 показаны два фрагмента стента, вырезанного с пре-
цизионной точностью импульсами излучения фемтосекундной дли-
тельности в полимерном материале с высокой чувствительностью
к температуре [28]. Толщина и ширина оставшихся после вы-
резки перемычек, образующих каркас детали, равны примерно
100 мкм.
Почти в каждой отрасли медицины совершенствование различных
имплантируемых элементов включает работы с биологически абсор-
бируемыми материалами. Наиболее перспективным считается поли-
мер, изготавливаемый на основе полигликолиевых кислот (PLGA),
температура плавления которого находится в пределах 170—230 °С.
Учитывая столь низкую температуру плавления, сложный профиль и
миниатюрность имплантатов, становится понятным, что для их изго-
товления подходит только фемтосекундный лазер.
На рис. 1.21 показан полимерный биоабсорбируемый имплантат,
изготовленный из PLGA-трубки с толщиной стенки 250 мкм. Длитель-
ность обрабатывающих импульсов — около 800 фс [27].
Рис. 1.19. Фрагмент эмиттера электронов
На этой фотографии видно, что на боковой поверхности филигран-
ного реза полностью отсутствует зона теплового влияния. Ее также ха-
рактеризует высокая чистота.
1.3. Использование лазерного резания на современном этапе 63
Рис. 1.20. Высокое качество изготовления особо тонких полимер-
ных стентов фемтосекундным лазером [28]
Рис. 1.21. Биологически абсорбируемый полимерный имплант (см.
цв. вклейку)
На рис. 1.22 показана объемная конфигурация полостей, изготов-
ленных импульсами фемтосекундной длительности в плавленом кварце.
Для ее изготовления излучение фокусировалось внутрь прозрачного
кварцевого блока. В области фокальной плоскости развивается много-
фотонное поглощение, вызывающее локальное образование плазмы.
Под ее воздействием образуется кристаллическая дестабилизация, при-
водящая к перестройке материала. При перемещении фокуса по трем
координатам происходит последовательное образование соединенных
между собой зон с перестроенным состоянием материала.
Важность изготовления кварцевых блоков с модифицированной в
микроканалах структурой определяется возможностью создания лабора-
торных образцов микросхем и оптических волноводов с повышенной
миниатюризацией, а также многих иных оптических устройств [28].
Представленные выше изделия относятся к разряду уникальных, ко-
торые возможно изготовить только с использованием фемтосекундных
импульсов. В добавлении к ним в разделе 4 рассматриваются еще не-
сколько уникальных операций резания, а также и операция фрезерова-
ния, которые стали реализуемыми также с помощью фемтосекундных
импульсов.
Несмотря на то, что число приведенных выше примеров пока не
столь велико, уже имеющиеся с очевидностью указывают на ближай-
шее по времени расширение использования обработки с применением
импульсов пико- и фемтосекундной длительности.
64 Раздел 1. История развития лазерной прецизионной размерной
обработки и современные области ее применения
Рис. 1.22. Полости в плавленом кварце. В правой части рисунка де-
монстрируется последовательность изготовления полостей
1.3.3. Лазерные технологии, применяемые
в микроэлектронике
В подразделе 1.3.2 отмечено, что движущей тенденцией в микроэлек-
тронике было и остается желание создавать во все большем количестве
все более сложные и более функциональные изделия на все меньшем
пространстве подложки, платы или корпуса. Достигалось это за счет:
максимальной (для каждого времени) миниатюризации компонентов и
укорачивания межсоединений; повышения предельных рабочих частот
и распараллеливания вычислительных или обрабатывающих мощностей
в одном приборе; перехода от плоских к «трехмерным» структурам
и т.д. Примером, наглядно демонстрирующим сказанное, является то,
что в настоящее время топологические размеры серийно производимых
структур вплотную приблизились к 15—20 нм (для цифровой электро-
ники), а для многих решений аналоговой и СВЧ-электроники давно
перевалили границу в 1 мкм. Понятно, что для всего многообразия со-
временных изделий микроэлектроники одновременно с их миниатюри-
зацией необходимо повышение точности, надежности и увеличения их
«выхода годных». Все сказанное еще раз подтверждает выделенную
выше в подразделе 1.3.2 необходимость создания нового и гибкого ла-
зерного инструментария для микрорезания и соответствующих ему тех-
нологий. Без этого невозможно быстрое технологическое развитие мно-
гих направлений хай-тек-отраслей.
Одним из важнейших применений лазерной обработки в микроэ-
лектронике в настоящее время является использование лазерного мик-
рорезания в технологических процессах изготовления:
— подложек из кремния и арсенида галлия с нанесенным на них по-
крытием толщиной 90 мкм;
— сапфировых подложек толщиной 90 мкм, используемых в мощ-
ных светодиодах, изготавливаемых миллионами штук;
— подложек из нитрида алюминия, используемых в качестве радиа-
торов, и подложек из нитрида галлия, используемых в лазерных
диодах.
Более подробно об особенностях указанных подложек рассказано в
разделе 8.6.
В ближайшей перспективе можно ожидать дальнейшего увеличения
плотности рамещения электронных схем, что потребует дальнейшего
уменьшения ширины линии разделения. Исходя из этого, ряд ведущих
фирм—производителей чипов, в особенности японских, несколько лет
назад стали усиленно развивать технологию разделения подложек из раз-
личных материалов толщиной до 0,5 мм, получившую название
STEALTH DICING. Суть ее заключается в том, что импульсы излучения
короткой длительности с длиной волны л = 1,06—1,07 мкм фокусируется
внутрь подложки. В результате внутри материала относительно фокаль-
ной плоскости образуется зона разрушенного материала. Ее наличие по-
зволяет провести разделение подложки от действия незначительной ме-
ханической нагрузкой. При этом ширина линии раздела не превышает
10 мкм, что позволяет отнести данный метод к прецизионной лазерной
обработке [30]. Подробное объяснение механизма внутреннего разруше-
ния материала и примеры использования технологии STEALTH DICING
приведены в части 7.