автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.07, диссертация на тему:Исследование физических процессов взаимодействия излучения лазера на парах меди с материалами электронной техники и разработка технологии их прецизионной обработки

г J '■■>

г 4-."' С.

Государственное научно-производственное предприятие "ИСТОК"

На правах рукописи

Жариков Валерий Михайлович

Исследование физических процессов взаимодействия излучения лазера на парах меди с материалами электронной техники и разработка технологии их прецизионной обработки

Специальность 05.03.07 Оборудование и технология

лазерной обработки.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель к.т.н. Зубов В.В.

Научный консультант д.т.н., профессор Григорьянц А.Г.

г.Фрязино

1999г.

Оглавление стр.

Введение...................................................................................................................з

Глава 1. Сравнительный обзор традиционных методов обработки тонколистовых материалов.................................................................................6

1.1. Электроискровая обработка..........................................................................6

1.2. Сравнение различных лазеров применяемых в микрообработке...................8

Выводы..................................................................................................................10

Глава 2. Параметры импульсов излучения и использованные

режимы работы лазера на парах меди............................................................... 11

2.1. Описание импульса излучения.......................................................................11

2.2. Экспериментальное исследование параметров импульса

воздействия.........................................................................................................12

2.3. Математическая модель импульса воздействия........................................18

Результаты и выводы..........................................................................................26

Глава 3. Взаимодействие излучения ЛПМ с материалом мишени.............27

3.1. Взаимодействие излучения ЛПМ с поверхностью......................................27

3.2. Отражение излучения лазера на парах меди при больших

значениях интенсивности....................................................................................28

3.3. Эрозионный факел и его энергия..................................................................30

3.4. Пробой газов и паров сфокусированным излучением ЛПМ.........................33

3.5. Взаимодействие излучение ЛПМ - факел.....................................................34

3.6. Баланс энергии импульса излучения лазера на парах меди при воздействии на

металлическую мишень.......................................................................................39

Результаты и выводы..........................................................................................43

Глава 4. Технологические параметры обработки

излучением ЛПМ..................................................................................................45

4.1. Влияние различных факторов на параметры обработки...........................45

4.2. Особенности обработки материалов излучением лазера на

парах меди............................................................................................................63

4.3. Исследование факторов, влияющих на точность и

воспроизводимость изготовления деталей ИЭТ с помощью ЛПМ...................71

Результаты и выводы..........................................................................................78

Глава 5. Примеры применения излучения ЛПМ..............................................79

5.1. Макет автоматизированной лазерной технологической

установки "Каравелла"......................................................................................79

5.2. Макет АЛТУ "Каравелла-К".........................................................................83

5.3. Макет АЛТУ "Кинескоп".............................................................................87

5.4. Особенности эксплуатации АЛТУ на базе лазера на парах меди..............88

5.5. Основные направления технологического применения ЛПМ......................90

5.6. Образцы деталей...........................................................................................92

Выводы и результаты.......................................................................................102

Общие выводы.....................................................................................................103

Литература...........................................................................................................105

Введение

Создание мощных источников оптического излучения - лазеров -существенным образом изменило представление о возможностях его использования. Замечательные свойства лазерного излучения способствовали появлению новых областей фундаментальной и прикладной оптики, коренному изменению некоторых направлений науки и техники, внедрению в практику широкого круга новых технологий. Произошли значительные изменения в различных сферах человеческой деятельности. Лазеры устойчиво обосновались в науке, промышленности, медицине, сельском хозяйстве и т.д.. Некоторые производства уже немыслимы без их использования. Освоены новые лазерные методы обработки материалов : резка, прошивка отверстий, скрайбирование, сварка, наплавка, легирование, термоупрочнение, отжиг, травление и осаждение, модификация поверхности, пайка, напыление. В основном эти технологические процессы основаны на тепловом действии лазерного излучения [1-12]. В последнее время появляется большое количество публикаций, в которых постепенно осознаются возможности использования сильно неравновесного лазерного излучения для специфического избирательного воздействия на определенные процессы протекающие в твердом теле, на структуру материалов, на рост и разрушение кристаллов [13-17]. Лазерное излучение обладает сложной пространственной, временной и спектральной структурой. Специально подбирая необходимую структуру лазерного сигнала можно последовательно включать те или иные механизмы воздействия на материал, что позволит значительно повысить избирательность и эффективность процессов. В дальнейшем, можно будет наблюдать переход от простых задач обработки, не требующих высокоточного луча, к более сложным применениям, где качество луча имеет существенное значение (каустика, распределение интенсивности в пространстве и во времени и т.д.). В целом, по совокупности параметров обработки, лазерные методы могут конкурировать с различными стандартными технологиями

И.

Развитие электронной техники постоянно ставит задачи поиска новых методов обработки материалов. Одним из перспективных направлений исследований является изучение обработки лазерным излучением. К началу предлагаемой на рассмотрение работы (1984г.) вне сферы лазерной прецизионной обработки оставался целый ряд пластичных металлов и сплавов с высокой теплопроводностью (Си, А1, N1 и др.), тугоплавких металлов (Мо, Та, Ъх и др.),

полупроводниковых материалов (81, ваАз, ве). Для выяснения возможности ликвидации этого технологического пробела была предпринята попытка привлечения излучения лазера на парах меди (ЛПМ) [18].

Лазеры на парах меди исторически появились на десятилетие позже основных типов лазеров. Причиной этого явились технически труднореализуемые условия генерации. Следствием - значительное отставание в поиске конкурентных областей применения. Прогресс в разработке и производстве ЛПМ, наблюдаемый в последние два десятка лет, в основном связан с применением ЛПМ в качестве эффективного средства для накачки лазеров на красителях. Применение последних для селекции изотопов [19] и определило бурное развитие всех составляющих их устройств.

Разработка и создание надежных, долговечных и высокоэффективных лазеров на парах меди подвигло исследователей к применению их в качестве основного инструмента в технологическом процессе обработки материалов [20]. ЛПМ были применены для задач обработки тонких пленок : ретуширования и изготовления фотошаблонов [21,22]. Исследования по технологическому применению излучения ЛПМ для прецизионной обработки тонколистовых материалов не проводились.

Традиционно прецизионную технологию тонколистовых материалов составляли методы электроискровой обработки, химическое травление, механическая обработка. Необходимыми условиями прецизионной обработки являются наличие оборудования с высокой степенью точности, с надежным и устойчивым инструментом и контролем протекания процесса. Для такой обработки характерны стабильность, избирательность и минимальные побочные эффекты. Она построена на локальном удалении материала через хорошо согласованное энергетическое воздействие.

Возможностям применения лазера на парах меди для прецизионной обработки и выработке требований к параметрам излучения для реализации такой обработки, а так же рассмотрению различных факторов влияющих на параметры процесса удаления материала при воздействии импульсов излучения лазера на парах меди и посвящена данная работа.

На защиту выносятся следующие научные положения :

• Эрозионный факел от воздействия на металлическую мишень (Мо,Си) излучения ЛПМ с плотностью мощности в диапазоне 109...10п Вт/см2, практически (в пределах ошибки эксперимента в 2%), прозрачен для этого ■излучения.

• Основным каналом диссипации энергии импульса излучения ЛПМ при

Р 2

воздействии на металлическую мишень с интенсивностью выше 10 Вт/см является унос энергии паром. Доля этого канала может превышать 50%, а в пересчете на один удаленный атом составляет ЮэВ.

• Специфика многоимпульсной многопроходной резки трудоемких деталей излучением лазера на парах меди с нестабильным резонатором позволяет компенсировать уход оси диаграммы направленности в пределах ± 0()ф при последующих проходах, (©¿¡¿-дифракционная расходимость излучения ЛПМ).

Результаты работы были использованы при создании двух макетов автоматизированной лазерной технологической установки "Каравелла" на базе лазера на парах меди с излучателем типа "Карелия" и одного макета АЛТУ "Кинескоп" на базе лазера на парах меди типа "Кулон".

Процессы лазерной прецизионной резки и сверления тонколистовых материалов на опытном макете АЛТУ "Каравелла" используются в условиях экспериментального производства при изготовлении ответственных деталей и узлов из Мо, Си , керметов и др., для приборов, выпускаемых подразделениями предприятия.

Основные материалы и результаты опубликованы в 10 печатных работах, в том числе одном авторском свидетельстве. Материалы работы составили также содержание соответствующих глав шести научно-технических отчетов по НИР и ОКР.

Результаты работы докладывались на :

• конкурсах молодых специалистов и технологов НПО"Исток" в 1982 и 1986гг.

• П отраслевой научно-технической конференции "Источники питания и применения газовых лазеров" в октябре 1986г.

• IV national conference and technical exhibition with international participation "Laser and their applications", oktober 23-26, 1990, Plovdiv, Bulgaria.

• Отраслевом научно-техническом семинаре "Лазерная техника и технология", 23-26 апреля 1991г., г.Брянск.

• Симпозиуме "Лазеры на парах металлов и их применение", 22-25 сентября 1996г.,г.Новороссийск, Абрау-Дюрсо.

• VIII Международной конференции "Лазеры в науке, технике и медицине", 9-12 сентября 1997г., г.Пушкинские горы.

• International conference on LASERS '98, december 7-11,1998, Tucson, Arizona.

• Научно-техническом семинаре ЛАС "Лазерные технологии и технологическое оборудование", 1 апреля 1999 года.

Глава 1.

Сравнительный обзор традиционных методов обработки тонколистовых материалов

В области микрообработки тонколистовых материалов кроме механических методов (сверление, штамповка, фрезерование) применяются: электроискровая обработка (ЭИО), электрохимтравдение, лазерная обработка. Каждый метод имеет свои недостатки и преимущества:

• механическая обработка - самая массовая, наиболее отработанная технология - дает лучшую форму отверстия, хорошую точность и воспроизводимость размеров деталей, но часто требует дорогостоящей трудоемкой оснастки (например, штампа), что делает изготовление одиночных и мелкосерийных деталей и узлов этим методом не эффективным; предъявляет дополнительные требования к материалам (расслоение и т.д.) и имеет существенные ограничения по минимизации размеров в массовом производстве.

• электрохимтравление - массовая технология, но имеет ограничения 1 но толщине обрабатываемого материала (до 0,1мм) и

минимальному размеру элемента, сравнимого с толщиной; экологически "грязный" метод; требует значительной длительности подготовительных операций.

• электроискровая обработка - возможность обрабатывания пакета деталей, лучшая по качеству внутренняя поверхность отверстия и реза, но малая скорость процесса и значительная дефектная зона; сравнительно большой подготовительный период.

• лазерная обработка - большая скорость процесса, оперативность, универсальность, малый размер отверстия и реза, но не идеальная форма и значительная шероховатость поверхности.

Из перечисленных способов наиболее конкурентными при изготовлении мелкосерийных партий деталей являются лазерная и электроискровая обработка.

1.1. Электроискровая обработка

Технология электроэрозионной обработки [23] разбита на два основных направления:

• прошивание профильным электродом;

• вырезание проволочным электродом.

У каждого направления есть свои достоинства и недостатки. Установки, использующие первый метод, гораздо проще и дешевле вырезных, так как не требуют точных механизмов перемещения типа заготовка-инструмент. Его преимущества нагляднее проявляются при обработке материалов меньших толщин и в случае когда периметр изготовляемых полостей превышает 20. . . 25мм. Это

связано с тем, что при вырезных работах с малой по высоте заготовкой (при малой площади обработки) невозможно эффективно использовать всю мощность генератора импульсов. В то же время, вырезной метод более универсален и не требует специальных трудоемких, но быстроизнашиваемых электродов. Оба метода отличает обработка в два этапа: черновой и чистовой. Это связано со значительной дефектной зоной с измененными характеристиками при более грубой, но более эффективной черновой обработке. В случае чистовой обработки размер этой зоны уменьшается, но не исчезает. Точность обработки определяется погрешностями механизма перемещения и качеством используемой проволоки в одном случае и качеством применяемого электрода в другом, а так же параметрами импульсов разряда в обоих методах. Обработка производится в жидкой диэлектрической среде: дистиллированной воде, керосине, трансформаторном масле и др., что не всегда приемлемо для обрабатываемого материала. Воспроизводимость результатов обработки зависит от состояния диэлектрика и износа электрода. Ширина реза определяется диаметром проволоки, состоянием эрозионного промежутка, параметрами импульса разряда и характером материалов электродов.

В целом, электроэрозионная обработка характеризуется высокой точностью и малой шероховатостью кромки реза. На сегодняшний день промышленно выпускается ультрапрецизионный станок мирового лидера фирмы БосНск [24,25] с минимальной шириной реза 38мкм при диаметре используемой проволоки в ЗОмкм. Известны работы сотрудников НПО "Исток" [26] по резке сверхузких пазов 15мкм молибденовой проволокой при следующем режиме обработки - напряжение импульсов ЗОВ, длительность 0,4мкс и частота следования 750кГц, толщина образцов 0,2. . 0,5мм и скоростью до 1,5мм/мин. Ширина паза в этом случае достигала 17...29мкм в зависимости от толщины образца и скорости его перемещения. Получение таких пазов сопровождается значительными трудностями: приходится уменьшать амплитуду импульса тока из-за значительного сопротивления разрядной цепи; уменьшать скорость обработки из-за плохой удаляемости продуктов эрозии из разрядного промежутка и т.д.. В основном, отработана только технология получения прямолинейных пазов-хорд.

По шероховатости стенки реза метод обработки излучением лазера на парах меди не может являться конкурентом электроэрозионной обработке, т.к., по определению, искровой разряд происходит на наиболее выступающих остриях. Т.е. в процессе чистовой электроискровой обработки производится как бы полировка поверхности. В то же время по скорости обработки тонколистовых материалов, по более широкому кругу этих материалов, по минимальному размеру ширины реза наш метод превосходит метод ЭИО. К преимуществам лазера на парах меди необходимо отнести "сухую" обработку на воздухе, малый размер дефектной зоны, возможность обработки композиционных материалов, отсутствие напыления материала электрода на обрабатываемую деталь, отсутствие износа инструмента. При экспериментальном сравнении различных способов обработки пиролитического графита [27] был сделан вывод, что электроискровая обработка по производительности, трудоемкости и качеству получаемых из пиролитического изотропного графита изделий, в целом, уступает лазерной обработке излучением лазера на парах меди.

1.2. Сравнение различных лазеров применяемых в микрообработке

Эффективность лазерной обработки связана, в первую очередь, с поглощением излучения и требует применения излучения с малым отражением от обрабатываемых материалов. Значения коэффициента отражения для некоторых материалов в различных участках спектра приведены в таблице 1. Данные взяты из [28, 29].

Л

Таблица 1.

Материал \ Длина волны,мкм

0,248 0,51 0,578 0,694 1,06 10,6

серебро 0,28 0,98 0,98 0,98 0,99 0,99

медь 0,39 0,44 0,7 0,93 0,97 0,99

золото 0,3 0,47 0,63 0,94 0,97 0,99

платина 0,42 0,6 0,62 0,75 0,8 0,97

железо 0,35 0,55 0,55 0,58 0,64 0,93

молибден 0,4 0,46 0,47 0,5 0,58 0,92

вольфрам 0,16 0,51 0,52 0,53 0,58 0,94

тантал 0,14 0,38 0,42 0,56 0,79 0,92

кремний 0,74 0,37 0,37 0,34

графит 0,22 0,22 0,23 0,27 0,58

алюминий 0,92 0,91 0,91 0,9 0,94 0,99

Как видно из таб�