Существенное отличие ЛПМ от большинства других технологических лазеров заключается в том, что прецизионная микрообработка при сверлении и резке происходит преимущественно в испарительном режиме и без поддува газа в зону обработки [245]. Это позволя ет существенно уменьшить зону термического влияния. Поскольку плотность пиковой мощности излучения заметно превышает порог ис парения ( ^ 1 0 6 Вт/см2), то испарение имеет характер микровзрывов и сопровождается разлетом паров и перегретой жидкости [238, 246, 247]. Последнее существенным образом влияет на параметры резки — эффективность и скорость, а также на шероховатость края реза. При толщине материала, сопоставимой с шириной реза (10-20 мкм), раз летающиеся из зоны воздействия излучения пары и капли металлапрактически не встречают преград и полностью удаляются из этой зоны. Средняя мощность излучения, необходимая для резки таких тонких материалов, составляет около 1 Вт при плотности пиковой мощности ~ Ю9 Вт/см2. При резке «толстых» материалов (^ 50 мкм) разлет паров происходит в основном между стенками уже образовав шегося разреза, на которых они конденсируются. Кроме того, жидкий металл под давлением паров растекается из зоны воздействия. Этот эффект проявляется тем сильнее, чем больше толщина материала пре восходит диаметр пятна фокусировки. Эффективность удаления веще ства существенно зависит от мощности лазера, которая определяет начальную температуру и энергию разлетающихся частиц [236]. В ра боте [236] установлено, что при толщине материала больше 200 мкм и средней мощности излучения до 20 Вт полного удаления вещества за один проход не происходит. Также отмечено, что с увеличением мощности ширина реза увеличивается за счет того, что при этом в испарении уже участвуют и боковые «крылья» фокального пятна [246]. При большей мощности возможно разрезать материал и за один проход, но при этом шероховатость может быть слишком большой и не отличающейся от шероховатости при обработке твердотельным или СС>2-лазером [236, 242]. Поэтому для обеспечения высокого ка чества резки требуется неоднократное прохождение пучка. Многопро ходная резка, безусловно снижает скорость обработки, но она необхо дима для минимизации зоны термического влияния и шероховатости краев [245]. В работах [248, 249] проведены вычисления для алюминиевой и стальной мишеней в случае одноимпульсного воздействия при плот ности пиковой мощности излучения в пятне фокусировки 1010 Вт/см2 на А = 0,51 мкм. Средняя мощность излучения ЛПМ при этом состав ляла 45 Вт на ЧПИ 4,5 кГц, длительность импульсов — 70 не, диаметр пятна — 50 мкм. Расчетная максимальная температура поверхности при этих параметрах равна 12 0 0 0 ° С после 5 не облучения, затем, по истечении 30 не, падает до 6500 °С. К этому моменту удаляется слой стали толщиной 0,5 мкм при прогреве мишени на глубину до 2 мкм. После этого, через 3 мке, удаляется слой толщиной 1,1 мкм, а глубина зоны расплава составляет 8 мкм при температуре поверхности 3000°С. Данные расчеты показали, что через 8 не после начала облучения в течение следующих 4 не нагрев поверхности непосредственно лазер ным излучением снижается до уровня 5% в результате образования плазмы. В целом в течение одного импульса 15% лазерной энергии достигает дна мишени «напрямую», в 85% передается на поверхность плазменными электронами. Для каждого материала существует четкий порог по плотности пиковой мощности излучения, после достижения которого образуется поглощающая плазма. Для углеродистой стали этот порог составляет 1,5 • 109, а для алюминия — 2 • 109 Вт/см2. По скорости расширения па ров было установлено, что в конце импульса для алюминия плотность атомов пара в эрозионном факеле у поверхности материала достигает 3 • 1020 см- 3 , на глубине — 1021 см- 3 при длительности 40 не и ЧПИ несколько килогерц (энергия в импульсе 40 мДж, плотность пиковой мощности 1010 Вт/см2). Измерения показали, что при облучении уг леродистой мишени излучением ЛПМ малой мощности (7 Вт) при ЧПИ 8 кГц и плотностях пиковой мощности 1 0 9 - 1 0 п Вт/см2 за один импульс удаляется 101 3 -101 4 атомов. Скорость сверления отдельным лазерным импульсом зависит от его длительности и интенсивности. При этом выделяются четыре эта па сверления: только нагрев, нестационарное сверление, стационар ное сверление и ограниченное плазмой сверление. Поскольку интен сивность в начале импульса увеличивается, то скорость сверления растет до определенного предела. Эта предельная скорость во мно гом зависит и от состояния материала в зоне воздействия излуче ния (твердое, жидкое, газообразное, плазма). Затем устанавливается стационарный режим сверления, а в конце импульса скорость пада ет. Глубина высверленного отверстия в одноимпульсном режиме для различных материалов при одном и том же уровне плотности мощ ности различна. Например, за время одного импульса в алюминии высверливается отверстие глубиной до 8 мкм, а в керамике 31зЫ4 — не более 1 мкм. Поскольку энергия подводится к мишени и через поглощающую плазму, расположенную над ней, то при росте объема плазмы воз никают дополнительные потери энергии излучения. Плазма может вызвать сильное рассеяние света, нагрев мишени и образование ско лов на большей площади, чем это допустимо. Из-за создания этого дополнительного плазменного барьера скорость сверления постепенно понижается. Поступление энергии излучения ЛПМ на «дно» мишени не зависит в такой степени от плазменного барьера, как у других лазеров, поскольку плазма в видимом диапазоне имеет высокую про зрачность. Последнее обусловлено более короткими волнами излуче ния, вызывающими фотоионизацию. Уменьшить влияние плазмы мож но путем сокращения длительности импульса излучения и уменьшения размера фокального пятна, вызывающих более быструю релаксацию плазмы [250]. Для лазера с заданными параметрами средняя скорость сверления зависит от толщины листа, материала и его структуры, температуры его испарения и физических свойств: теплопроводности (к), тепло емкости (ср), плотности (р) и фазового состояния выбрасываемого вещества (плазма, пар, капли). Средняя скорость сверления матери ала, приходящаяся на 1 Вт средней мощности излучения, обратно пропорциональна величине (ксрр). Скорость сверления пропорциональ на средней мощности излучения и корню квадратному из времени сверления. Также следует подчеркнуть, что поскольку время выброса материала имеет конечное значение, то средняя скорость сверления гораздо ниже скорости сверления за время одного импульса. Удаление материала при сверлении отверстия представляет серьезную проблему, когда коэффициент формы высок. Максимальная глубина сверления ограничена значением 3-5 мм. Понятно, что должна быть некая критическая ЧПИ, при превы шении которой плазменный экран мишени из-за неполной релаксации плазмы в определенной степени становится ограничивающим фактором для средней скорости сверления. При ЧПИ в пределах от 100 Гц до 6,5 кГц эффективность сверления мало зависит от частоты. Однако и при ЧПИ 15-20 кГц ЛПМ работает достаточно эффективно. Поддув технологического газа в зону обработки в определенных случаях приводит к увеличению скорости сверления. На сверление фольги из меди, железа и титана в воздухе требуется на порядок меньше времени, чем на сверление в атмосфере аргона [241]. Кислород также увеличивает скорость сверления металлов [248]. На скорость обработки влияет и размер зерен материала: чем он меньше, тем меньшее количество импульсов излучения требуется для начала сверления [233]. Способность ЛПМ к выполнению прецизионной микрообработки во многом зависит от качества пучка и плотности мощности излучения. Высокое качество пучка (минимальная расходимость, высокая стабиль ность оси диаграммы направленности, четкая граница сфокусированно го пятна и, следовательно, равномерное распределение интенсивности в дальней зоне) определяет и высокое качество микрообработки. Выбор метода обработки, вообще говоря, зависит от толщины ма териала и от требуемого коэффициента формы. Высокий коэффици ент формы может быть получен при прямом сверлении. В металлах толщиной до 1 мм данным методом получаются отверстия диамет ром 20-25 мкм. При плотности мощности излучения 109 -101 0 Вт/см2 можно делать и меньшие отверстия, но эти отверстия на выходе сходятся на конус [248]. При прямом сверлении разброс по размеру отверстия составляет обычно 10% его диаметра. Сверление отверстий диаметром выше 5 0 - 1 0 0 мкм производится чаще всего методом кон турной резки. Этот метод позволяет получать глубокие отверстия, но, естественно, с малым коэффициентом формы. Шероховатость кром ки обработки определяется распределением интенсивности в пятне фокусировки, степенью стабильности оси диаграммы направленно сти и точностью перемещения луча сканирующим устройством. При многопроходном сканировании поверхность реза выравнивается и по лируется. Разумеется, если необходимо сделать большое количество микроотверстий за единицу времени, первый метод удобнее, но он требует более высоких мощностей. Если высокая точность необяза тельна, то для подачи излучения ЛПМ на заготовку можно исполь зовать оптические световоды [237]. Качество отверстия при волокон ном сверлении близко к качеству обычных механических методов обработки. |
