Сверление отверстий в часовых камнях-с этого начиналась трудовая деятельность лазера. Речь идет о рубиновых камнях, которые используются в часах в качестве подшипников скольжения. При изготовлении таких подшипников требуется высверлить в рубине - материале весьма твердом и в то же время хрупком-отверстия диаметром всего 1-0,05 мм. Многие годы эта ювелирная операция выполнялась обычным механическим способом с использованием сверл, изготовленных из тонкой рояльной проволоки диаметром 40-50 мкм. Такое сверло делало до 30 тысяч оборотов в минуту и одновременно совершало при этом около ста возвратно-поступатель- ных перемещений. Для сверления одного камня требовалось до 10-15 мин.
Начиная с 1964 г. малопроизводительное механическое сверление часовых камней стало повсеместно заменяться лазерным сверлением. Конечно, термин «лазерное сверление» не надо понимать буквально; лазерный луч не сверлит отверстие-он его пробивает, вызывая интенсивное испарение материала. В настоящее время лазерное сверление часовых камней является обычным делом. Для этой цели применяются, в част-
29

ности, лазеры на стекле с неодимом. Отверстие в камне (при толщине заготовки 0,5-1 мм) пробивается серией из нескольких лазерных импульсов, имеющих энергию 0,5-1 Дж. Производительность работы лазерной установки в автоматическом режиме-камень в секунду. Это в тысячу раз выше производительности механического сверления!
Вскоре после своего появления на свет лазер получил следующее задание, с которым справился столь же успешно,-сверление (пробивание) отверстий в алмазных фильерах. Возможно, не все знают, что для получения очень тонкой проволоки из меди, бронзы, вольфрама используется технология протягивания металла сквозь отверстие соответствующего диаметра. Такие отверстия высверливают в материалах, обладающих особо высокой твердостью,-ведь в процессе протягивания проволоки диаметр отверстия должен сохраняться неизменным. Наиболее тверд, как известно, алмаз. Поэтому лучше всего протягивать тонкую проволоку сквозь отверстие в алмазе-сквозь так называемые алмазные фильеры. Лишь с помощью алмазных фильер удается получать сверхтонкую проволоку, имеющую диаметр всего 10 мкм. Но как просверлить тонкое отверстие в таком сверхтвердом материале, как алмаз? Механически это сделать очень трудно-для механического сверления одного отверстия в алмазной фильере требуется до десяти часов. Зато, как оказалось, совсем нетрудно пробить это отверстие серией из нескольких мощных лазерных импульсов. />Сегодня лазерное сверление широко применяется не только для особо твердых материалов, но и для материалов, отличающихся повышенной хрупкостью. Лазерное сверло оказалось не только мощным, но и весьма деликатным «инструментом». В качестве примера расскажем о проблеме сверления отверстий в подложках микросхем, изготавливаемых из глиноземной керамики. Керамика необычайно хрупка. По этой причине механическое сверление отверстий в подложке микросхемы производили, как правило, на «сыром» материале. Обжигали керамику уже после сверления. При этом происходила некоторая деформация изделия, искажалось взаимное расположение высверленных отверстий. Проблема была решена с появлением лазерных сверл. Используя их, можно работать с керамическими подложками, которые уже прошли об-
30

Так выглядит в разрезе отверстие в алмазной фильере. Лазерными импульсами пробивают черновой канал в алмазной заготовке. Затем, обрабатывая канал ультразвуком, шлифуя и полируя, придают ему необходимый профиль. Проволока, получаемая при протягивании через фильеру, имеет диаметр d
Эти аккуратные отверстия диаметром 0,3 мм пробиты в пластинке из глиноземной керамики толщиной 0,7 мм с помощью С02-лазера

жиг. С помощью лазеров пробивают в керамике очень тонкие отверстия-диаметром всего 10 мкм. Заметим, что механическим сверлением такие отверстия получить нельзя.
То, что сверление - призвание лазера, ни у кого не вызывало сомнений. Здесь у лазера фактически не оказалось достойных конкурентов, особенно когда речь шла о сверлении особо тонких и особо глубоких отверстий, когда отверстия надо сверлить в очень хрупких или очень твердых материалах. Прошло сравнительно немного времени и стало ясно, что лазерный

луч может успешно применяться не только для сверления, но и для многих других операций по обработке материалов. Так что сегодня мы можем говорить о возникновении и развитии новой технологии - лазерной.

Технические характеристики:
Максимальный размер заготовки, мм	600 х 650 (другие по согласованию)
Длина волны UV-лазера, нм
Частота импульсов, кГц
Мощность UV-лазера(Вт) при 60 кГц, не менее
Точность позиционирования по осям Х, Y, мкм
Мин. диаметр отверстия, мкм	от 50 (зависит от настроек станка)
Макс. отношение диаметр/глубина отверстия
Поле обработки (без движения осей станка), мм	Макс.: 40х40
Макс. компенсация изменения высоты поверхности заготовки, мм
Габариты и вес:
Размеры установки (Ш-Г-В)	1320 х 1286 х 2286 мм
Вес установки

Станок предназначен для применения в производстве высокоточных печатных плат (ПП), гибко-жёстких ПП, гибких ПП и гибких кабелей, ПП со встроенными компонентами.

Основной отличительной особенностью станка является использование в качестве излучателя УФ лазера с длинной волны 355 нм. Применение УФ лазера с длиной импульса ~ 35 нс позволяет производить обработку различных видов материалов, обеспечивая при этом высочайшее качество обработки (минимизация нагара, гибкое управление процессом, остановка точно на заданном слое меди при выполнении глухих отверстий). Кроме того, в отличие от технологии использующей ИК лазер, применение станка LaserFlex позволяет избавиться от подготовительных операций, необходимых для обработки меди на ИК лазере (например, оксидирование) и постобработки (удаление нагара).

Таким образом, универсальный станок LaserFlex является оптимальным средством для решения таких задач, как:

Удаление полимерных покрывных пленок
Сверление и резка фольгированных медью полимерных ламинатов
Обработка гибких и гибко-жестких ПП
Сверление и резка внутренних слоев и препрегов, например, FR4
Отделение или «высвобождение» проводников и структурирование полостей
Сверление микроотверстий в т.ч. глухих

Скорость, точность и качество обработки обеспечивают следующие узлы:

Стабильное гранитное основание, предназначенное для компенсации механических моментов при движении осей и для температурной стабилизации параметров движения
Высокодинамичные линейные двигатели (оси X, Y)
Встроенный индикатор мощности излучения лазера, позволяющий быстро и точно корректировать параметры источника излучения, опираясь на фактическое значение выходной мощности лазера. Позволяет максимально точно подобрать режим обработки и поддерживать его в любых условиях: при нормальной эксплуатации, в случае загрязнения оптической системы, между регламентными работами и даже в случае потери мощности источником излучения вследствие износа в ходе длительной эксплуатации.

Удобство в использовании и безопасность:

Управляемый при помощи сенсорного дисплея с дружелюбным интерфейсом специализированного программного обеспечения станок LaserFlex будет совмещать в себе простоту и удобство в использовании с

поистине впечатляющей производительностью. Простая и интуитивно-понятная управляющая оболочка избавляет от необходимости проводить длительное обучение операторов.

Станок оснащен всеми необходимыми средствами защиты, удовлетворяющими мировым стандартам. Это обеспечивает, при соблюдении техники безопасности, безопасную и безаварийную работу на станке.

Фиксация и базирование заготовки:

Для фиксации заготовки станок оснащен вакуумным столом, что позволяет избежать замятия, и волнистости при фиксации гибких и гибко-жестких заготовок.

Положения заготовки на столе определяется по меткам с использованием CCD-камеры.

Форматы данных:

В качестве входных используются данные в форматах: DXF, Gerber, Bitmap.

В качестве дополнительного оборудования могут быть приобретены:

Компрессор с системой фильтров для обеспечения сжатым воздухом требуемого качества
Источник бесперебойного питания

Станки серии Pico

Технические характеристики
Управляющий интрефейс
Длина волны лазера, нм
Мощность Лазера, Вт
Длительность импульса, пс
Система крепления заготовок	Вакуумный стол
Зона обработки, мм
Количество обрабатывающих станций
Повторяемость, мкм
Точность позиционирования, мкм
Габариты и вес:
Общий вес, кг
Габаритные размеры (ДШВ), мм	2100х1920х1720

Назначение и принцип действия

Лазерный обрабатывающий центр Picodrill – это высокопроизводительная и высокоточная установка для сверления, нарезки и структурирования различных материалов. Применение лазера пикосекундных импульсов высокой энергии делает возможным холодное прецизионное снятие материала. В качестве опции предлагается полностью автоматический режим обработки.

Возможные области применения при производстве ПП

Сверление микроотверстий в заготовках печатных плат, до 4000 в секунду
Микроструктурирование, прецизионная обработка деталей из стекла и керамики
Нарезка и сверление электронных компонентов, полупроводниковых подложек
Сверление микроотверстий

Качество обработки

Благодаря пикосекундному лазеру возможно холодное

удаление практически любого материала. Средняя мощность лазера 25 Вт и пиковая мощность импульса макс. до 70 МВт в импульсе, обеспечивают возможность удаления мельчайших объемов материала без каких-либо остаточных продуктов горения.

Автоматическое управление процессом

Установка оснащена сенсорами для компенсации толщины компонентов.
Автоматическая корректировка фокуса осуществляется за счет автоматической подстройки оси Z.
Устройства измерения энергии лазера обеспечивают обратную связь и автоматическую подстройку энергии лазера. Точность может быть значительно улучшена при
использовании системы сканирования по 3 осям.

Контроль при помощи CCD-камеры

Обе рабочие станции располагают CCD-камерами высокого разрешения с кольцевой светодиодной подсветкой. Это делает возможной автоматическую корректировку смещения, поворота, сжатия или растяжения заготовки.

Опции

Две или четыре сканирующие головки

Пикосекундный лазер различной мощности и длины волны (1064, 532, 355 нм)

Тенденции развития современной электроники ставят перед производством печатных плат (ПП) задачи нового уровня. Прогресс мобильных технологий и растущий спрос на такие как устройства смартфоны и ультрабуки на сегодняшний день требуют от ПП максимальной миниатюризации, увеличения плотности соединений и при этом высочайшего качества.

Стремительное развитие лазерной техники и технологии открывает для производства печатных плат дверь в завтрашний день, не оставляя без внимания сегодняшний. Лазерное оборудование применяется не только там, где заканчиваются возможности механической обработки (сверление микроотверстий от 50 мкм, обработка материалов тяжело поддающихся механической обработке, и т.п.), но и для выполнения доступных механике операций, с большей точностью и производительностью (сверление микроотверстий со скоростью до 1000 отв./сек, сверх точное сверление и фрезерование на заданную глубину). При этом возможность регулировать режим обработки, как за счет мощности излучения, так и за счет его временных и частотных характеристик позволяет добиться высочайшего качества обработки.

В состав бетонных смесей, используемых при строительстве, входят такие крупнозернистые материалы, как щебень и гравий. Кроме того, бетонные конструкции армируют. Поэтому инструмент при сверлении должен преодолевать металлические и каменные преграды. Качество отверстия, просверленного в бетоне, напрямую зависит от правильного выбора инструмента и способа сверления.

Сухой способ сверления бетона – это процесс формирования отверстия без применения воды или какой-либо другой охлаждающей жидкости. На сегодняшний день сложно себе представить более надежный, безопасный и точный метод, чем сверление бетонных поверхностей инструментами с алмазным напылением . Такое сверление выполняется специальными установками, которые в свою очередь требуют определенных навыков обращения с ними. Поэтому за помощью лучше обращаться к профессионалам, которые хорошо знают, как это сделать быстро и качественно.

Алмазный инструмент позволяет сверлить отверстий диаметром от 15 до 1000 мм и глубиной до 5 м

Перечень задач, решаемых с помощью сверления, очень широк.

В основном, алмазное сверление используют при создании отверстий в перекрытиях и стенах для:

труб отопления, газоснабжения, электроснабжения;
систем противопожарной безопасности;
вентиляционных систем и кондиционеров;
различных коммуникаций (интернет, телефон и пр.);
установки ограждений и перил на лестничных проемах;
монтажа химических анкеров;
монтажа оборудования для бассейнов.

С помощью технологии алмазного сверления можно также выполнять резку проемов в перекрытиях и стенах под вентиляционные короба, двери, окна и прочие нужды в том случае, когда нет возможности использовать для этого специальное оборудование для резки бетона.

Технология данного метода заключается в том, что по периметру будущего проема высверливаются отверстия диаметром 130-200 мм. Затем края проема выравниваются с помощью перфоратора или цементно-песчаной смеси. Несмотря на то, что этот способ требует больших затрат времени, результат практически ничем не отличается от резки. Называется такая технология строчным алмазным сверлением.

Сверление бетона без удара

Технология алмазного сверления основывается на уникальной особенности алмаза – его непревзойденной твердости. Режущая кромка сверлильного инструмента покрыта алмазосодержащим напылением, так называемой «матрицей». В процессе сверления алмазные сегменты инструмента производят в зоне реза безударное локальное разрушение. Одновременно с разрушением бетона происходит истирание и самой матрицы, но так как она многослойна, то на ее поверхность выступают новые алмазные зерна и рабочая кромка долгое время остается острой.

Алмазное сверление имеет одно очень важное преимущество – полное отсутствие жестких воздействий на бетонную поверхность и невыносимого шума . Такие положительные качества делают алмазную технологию незаменимой при проведении ремонтных работ в квартирах многоэтажных домов. Алмазное сверление позволяет избежать образования трещин на поверхностях стен, которые рано или поздно приводят к полной утрате их несущих способностей, снижению уровня тепло- и звукоизоляции, ухудшению прочностных характеристик.

Поскольку при монолитном строительстве невозможно заранее заложить все технологические отверстия под различные нужды, сверление алмазным инструментом становится единственным способом создания проемов при прокладке труб отопления, водоснабжения и прочих коммуникаций. Использование отбойного молотка для подобной работы является не только экономически невыгодным, но и крайне небезопасным , поскольку динамические нагрузки на армирующие пояса способны вызвать образование трещин в бетонных поверхностях.

Алмазный инструмент популярен благодаря такому его достоинству, как способность сверлить бетон с любой степенью армирования

Алмазное сверление может производиться двумя способами: с применением воды, уменьшающей нагрев инструмента, а также «всухую». Технологически сухое сверление намного проще и поэтому удобнее. Выполняют его с помощью специальных коронок, называемых «сухорезами» . В корпусе этих коронок имеются сквозные отверстия, обеспечивающие отвод тепла и уменьшающие риск деформации.

В отличие от инструмента для «мокрого сверления», алмазные сегменты которого крепятся к рабочей поверхности с помощью припоя, коронки для сухого сверления изготавливают исключительно с применением лазерной сварки.

Почему так важна лазерная сварка алмазных сегментов при сухом способе сверления? Ответ очень прост: температура в зоне сверления без использования охлаждающей жидкости очень быстро поднимается до 600 градусов.

Такая температура является точкой плавления обычного припоя, поэтому сегмент, припаянный с его помощью, напросто отлетает и остается в отверстии. Для продолжения работы сегмент необходимо достать из отверстия, поскольку просверлить его невозможно. Инструмент с сегментами, приваренными лазерной сваркой, способен выдерживать достаточно высокие температуры и не «засаливается» во время работы .

Идею сухого сверления отверстий в бетонных поверхностях одной из первых предложила компания Husqvarna. Ею был разработан для этого способа специальный переходник с возможностью подключения к пылесосу.

Пылесос вытягивает пыль, образовавшуюся в ходе сверления, и одновременно охлаждает коронку . Так как переходник подключается к основанию коронки, то пыль собирается непосредственно в зоне сверления и не распространяется по всему помещению.

Преимущества сухого сверления

Основное преимущество сухого алмазного сверления – возможность использования данного способа в тех случаях, когда применение водяного охлаждения недопустимо. Кроме того, установку для сухого сверления можно использовать в относительно небольших помещениях . Установка для мокрого способа занимает намного большую площадь, поскольку она оснащена, как правило, довольно внушительной емкостью для воды, используемой для охлаждения инструмента.

Сухой способ сверления отверстий в бетоне особенно актуален тогда, когда работы проводятся:

в непосредственной близости от электропроводки;
на объектах, где отсутствует водоснабжение;
в помещениях с чистовой отделкой;
с риском затопления водой нижних помещений.

К сожалению, сухой способ имеет немало недостатков. Главный из них – невозможность работы с максимальной производительностью и степенью нагрузки. Это связано с быстрым нагревом алмазных сегментов, что приводит к снижению ресурсоемкости инструмента и его быстрому выходу из строя. При сухом способе процесс сверления периодически прерывается для охлаждения инструмента воздушно-вихревыми потоками .

Сухое сверление имеет ограничения по диаметру и глубине отверстий

Таким образом, мокрое сверление является преимущественным способом, несмотря на то, что его применение влечет дополнительные усилия по организации работ, а именно, необходимо заботиться о подаче и отводе воды. Однако, при проведении работ достаточно большого объема, дополнительные усилия, связанные с подачей воды, будут не так обременительны по сравнению с издержками сухого способа. Иначе говоря, намного легче позаботиться о подаче и отводе воды, чем производить сверление с большими затратами усилий и времени .

Используемый инструмент для обработки

Для сухого сверления используют алмазные коронки, не нуждающиеся в дополнительном охлаждении. Они охлаждаются за счет воздушных потоков и качественной смазки. Коронка имеет вид пустотелого металлического цилиндра. На одном конце этого стакана располагается режущая кромка с алмазным напылением. Другая или тыльная сторона коронки предназначена для крепления в используемом оборудовании и имеет заглушку.

Коронка во время сверления производит круговые режущие движения. Эти движения происходят на большой скорости и под давлением, поэтому инструмент очень точно разрушает нужный участок бетонной поверхности. От силы давления напрямую зависит скорость сверления и изнашиваемость инструмента. Очень высокое давление приводит к быстрому разрушению инструмента, а очень низкое существенно снижает скорость сверлильных работ . Поэтому очень важен правильный расчет силы механического воздействия. При расчете этой силы необходимо учитывать общую площадь алмазных сегментов и тип обрабатываемого материала.

Существует огромное количество разновидностей алмазных коронок. В зависимости от размеров их делят на:

малогабаритные;
средние;
крупногабаритные;
сверхрупные.

К малогабаритным относят коронки диаметром 4-12 мм. Их, в основном, используют для сверления небольших отверстий под электропроводку. Средние насадки имеют диаметр 35-82 мм и используются для сверления отверстий под розетки, небольшие трубы и т. п.

Крупногабаритные коронки диаметром 150-400 мм применяют для сверления отверстий в капитальных железобетонных конструкциях, например, для ввода высоковольтных электрокабелей или канализации. Насадки с диаметрами 400-1400 мм находят применение при разработке довольно мощных объектов инфраструктуры. На самом деле и 1400 мм для коронок – не предел.

Под заказ можно сделать и более крупную насадку. Важным параметром является также длина сверлильного инструмента. Длина самых коротких насадок не превышает 15 см . Длина коронок среднего класса составляет 400-500 см.

В зависимости от формы режущей поверхности различают корончатые сверла по бетону следующих видов:

кольцевые . Имеют вид сплошной алмазной матрицы в форме кольца, прикрепленной к корпусу. Обычно такие сверла имеют небольшой диаметр, но бывают и исключения;
зубчатые являются самым распространенным видом корончатых сверл. ;
комбинированные . Такие коронки используются, в основном, для специальных видов работ по бетону.

Режущая часть зубчатых коронок состоит из отдельных алмазных элементов, которых может быть от 3 до 32

Материал, из которого изготавливаются сегменты и в котором закрепляются алмазы, называют связкой, а на языке профессионалов – матрицей. Она придает алмазному сегменту форму и прочность. Матрица во время практического применения должна изнашиваться таким образом, чтобы «рабочие» алмазы после затупления отламывались, а в качестве их «замены» на режущую поверхность выступали новые и острые алмазы.

В зависимости от расположения алмазов в матрице режущих сегментов коронки делятся на:

однослойные . Матрица в этом случае имеет всего один поверхностный слой алмазных резцов. Их плотность составляет не более 60 шт/карат. Однослойные алмазные насадки считаются самыми недолговечными. Их применяют, в основном, для сверления бетона без арматуры;
многослойные . Плотность микрорезцов в таких матрицах может составлять до 120 шт/карат. Многослойные коронки называют также самозатачивающимися. При износе поверхностного слоя алмазов обнажается следующий слой;
импрегнированные . Такие коронки также имеют матрицу с несколькими слоями алмазных зерен, но их плотность составляет около 40-60 шт/карат.

Несмотря на разнообразие типов алмазного инструмента, структура его конструкции идентична. Как правило, он состоит из несущего металлического корпуса и алмазосодержащего слоя, который непосредственно взаимодействует с материалом и является основой инструмента. Этот слой представляет собой связку из алмазов и металлического порошка.

Чем более точно подобран состав связки, тем эффективнее и качественнее будет работать алмазный инструмент в целом . Стандартной рецептуры изготовления связки не существует.

Каждый крупный производитель разрабатывает собственную формулу алмазоносного слоя для каждого инструмента и тем самым обеспечивает ему уникальность.

Наибольшей популярностью сейчас пользуются расходные материалы следующих производителей:

Bosh . Продукция, выпускаемая под этим брендом, обеспечивает высококачественное проведение строительных работ, поскольку отличается надежностью и продолжительным сроком эксплуатации;
Husqvarna . Этот производитель славится тем, что при изготовлении алмазного инструмента использует инновационные технологии;
Cedima является одним из ведущих производителей режущего инструмента для бетона;
Rothenberger . Данная компания занимается производством алмазного оборудования для сверления и комплектующих частей к нему;
Hilti специализируется на производстве оборудования очень высокого качества и постоянно совершенствует процесс своего производства;
Энкор – отечественная компания. Изначально она занималась продажей иностранного оборудования, но с 2007 года стала производить собственные инструменты.

Фирма Husqvarna является пионером в области алмазного сверления промышленного бетона

Вращение коронки происходит за счет силы оборудования для сверления. Коронку можно устанавливать как на обычной дрели, так и на специальной установке. Установка вращает инструмент с высокой скоростью, но при этом отсутствуют ударные воздействия. Насадка просто вращается и постепенно давит на бетонную поверхность. Таким образом, она миллиметр за миллиметром вгрызается в толщу бетона.

Поскольку коронка внутри пустотелая, то в бетон врезаются только ее стенки. Это существенно ускоряет и упрощает рабочий процесс . В поверхность стены коронка углубится до необходимого положения уже за несколько минут и тогда ее надо будет просто выдернуть вместе с вырезанным куском бетона.

Основные этапы техпроцесса

Алгоритм работы по сверлению бетонных конструкций выглядит следующим образом:

подбор коронки;
сборка сверлильной установки;
подготовка рабочей площадки;
разметка рабочей поверхности с точным указанием центра сверления;
монтаж установки на рабочей поверхности;
установка сверлильной коронки;
выполнение сверления;
завершение сверления;
проверка качества работы.

Установку необходимо собирать очень тщательно. Особенное внимание рекомендуется обращать на крепление сверлильного инструмента . Очень важно, чтобы во время сверления вокруг не было ничего лишнего, поэтому рабочую площадку необходимо очистить от мусора и прочих ненужных предметов. Разметку рабочей поверхности начинают с вычерчивания двух пересекающихся перпендикулярных линий. Затем от их центра строят окружность необходимого диаметра. Эта окружность и будет местом установки коронки.

Во время сверления также необходимо учитывать некоторые нюансы. Для начала коронку необходимо очень тщательно отрегулировать, поместив точно в нарисованную окружность. Сначала на протяжении 4-8 секунд производят пробное сверление. Таким образом, создается небольшой канал, который упрощает установку коронки и выполнение капитального сверления.

В конце рабочего процесса коронку вынимают и проверяют степень ее изношенности. Центральная часть вырезанного отверстия удаляется вместе с коронкой , но иногда бывает необходимо немножко поддеть ее ломом или перфоратором. Интересен также тот факт, что изношенную насадку можно отремонтировать в специальной мастерской. Качество выполненной работы напрямую зависит от качества используемого оборудования. Одними из лучших считаются бурильные установки от таких производителей, как Hilti, Husqvarna, Cedima, Tyrolit.

Ресурс алмазного инструмента зависит во многом от типа материала, в котором сверлится отверстие, от типа алмазного сегмента и от правильности использования бурильной установки. Как правило, коронки большого диаметра имеют и больший рабочий ресурс, что связано с большим количеством алмазных сегментов . Средний ресурс алмазных коронок диаметром 200 мм с хорошей насыщенностью режущих сегментов составляет при сверлении железобетона порядка 18-20 погонных метров.

Нежесткое крепление установки и нструмента приводят к отламыванию режущих сегментов инструмента

При этом основной расход алмазных сегментов приходится на преодоление арматуры. Такие факторы, как чрезмерно сильная или неравномерная подача коронки или ее биение при нежестком закреплении опорной стойки, могут очень сильно сократить ресурс насадки или даже вовсе вывести ее из строя.

Лазерное сверление бетона

Промышленное сверление отверстий лазером началось вскоре после его изобретения. Сообщение об использовании лазера для сверления небольших отверстий в алмазных зернах появилось еще в 1966 году. Достоинство лазерного сверления наиболее ярко проявляется при создании отверстий глубиной до 10 мм и диаметром в десятые-сотые доли миллиметр а. Именно в таком диапазоне размеров, а также при сверлении хрупких и твердых материалов преимущество лазерной технологии неоспоримо.

Сверлить отверстия лазером можно в любых материалах. Для этой цели используют, как правило, импульсные лазеры с энергией импульса 0,1-30 Дж. С помощью лазера можно сверлить глухие и сквозные отверстия с разными формами поперечного сечения . На качество и точность изготовления отверстия влияют такие временные параметры импульса излучения, как крутизна его переднего и заднего фронтов, а также его пространственные характеристики, обусловленные угловым распределением в пределах диаграммы направленности и распределением интенсивности излучения в плоскости лазерной апертуры.

На данный момент существуют специальные методы формирования вышеперечисленных параметров, которые позволяют создавать отверстия различной формы, например, треугольные и точно соответствующие заданным качественным характеристикам. На пространственную форму отверстий в их продольном сечении существенное влияние оказывает расположение фокальной плоскости объектива относительно поверхности мишени, а также параметры фокусирующей системы. Таким образом, можно создавать цилиндрические, конические и даже бочкообразные отверстия.

За последние двадцать лет произошел резкий скачок мощности излучения лазеров. Связано это с появлением и дальнейшим развитием компактных лазеров новой архитектуры (волоконных и диодных лазеров). Относительная дешевизна излучателей, мощность которых составляет более 1 кВт, обеспечила их коммерческую доступность для специалистов, занимающихся исследованиями в различных сферах. В результате этих исследований мощное лазерное излучение стали применять для резки и сверления таких твердых материалов, как бетон и природные камни.

Лазерные технологии, свободные от шума и вибраций, наиболее эффективно применяются в сейсмических районах при создании отверстий в уже существующих бетонных зданиях. Их там используют для укрепления аварийных домов с помощью стальной стяжки, а также при реставрации памятников архитектуры. В атомной отрасли мощное лазерное излучение широко используют для дезактивации бетонных ядерных сооружений, которые уже выведены из эксплуатации. Пользователей в этом случае привлекает низкое пылевыделение во время обработки бетонных конструкций. Важную роль играет также дистанционное управление процессом, т. е. удаленное расположение оборудования от объекта.

Для сверления отверстий в бетонных стенах и прочих поверхностях используют лазерную электродрель . Состоит она из электродвигателя, редуктора, шпиндель-вала, лазерного устройства, инструмента для сверления. Последний имеет вид шнека, который непосредственно связан с корпусом редуктора. На одном конце этого шнека закреплена высокотемпературная коронка, а другой его конец соединен со шпиндель-валом. Лазерное устройство располагается в верхней части корпуса редуктора.

Лазерный луч существенно увеличивает скорость сверления в твердых бетонных стенах и гранитных блоках

Меры безопасности

Во время сверления отверстий в бетонных конструкциях следует использовать индивидуальные средства защиты. К ним относятся очки, брезентовые рукавицы, респиратор. Оператор должен быть одет в рабочую одежду из плотной ткани и резиновую обувь. Во время работы надо следить, чтобы какие-либо элементы одежды не попали в движущиеся части сверлильного оборудования .

По статистике наибольшее количество травм получают рабочие на стройплощадках из-за неисправности электроинструмента или его неправильного использования. Поэтому электроинструмент должен быть исправен. Кроме того, перед каждым его применением необходимо проверять питающий кабель на наличие повреждений. Во время проведения работ кабель должен располагаться так, чтобы его нельзя было каким-либо образом повредить.

Сверлить бетон наиболее безопасно стоя на полу, но, к сожалению, так получается не всегда. Таким образом можно просверлить отверстие лишь на уровне человеческого роста. Если отверстие располагается выше, необходимо использовать дополнительное основание. Основным правилом при этом является надежность основания. Оно должно обеспечивать рабочему во время работы устойчивое ровное положение. Дополнительной мерой безопасности при проведении работ на высоте является удаление любых предметов из рабочей зоны, о которые можно пораниться при случайном падении.

При сверлении отверстий в бетонных стенах высока вероятность повреждения различных коммуникаций. Это может быть электропроводка, трубы центрального отопления и пр. Электрический провод под напряжением можно легко обнаружить с помощью детектора скрытой проводки.

При сверлении отверстий с помощью лазера следует избегать попадания различных частей тела в его зону действия, чтобы не получить ожоги. Нельзя смотреть на сам лазерный луч или его отражение, чтобы не повредить роговицу глаз. По этой же причине необходимо работать только в специальных защитных очках. При работе с лазерным оборудованием следует соблюдать те же правила безопасности, что и при использовании любого электрического инструмента.

Стоимость работ

На формирование цены услуг по сверлению бетона оказывают влияние такие факторы, как:

диаметр требуемого отверстия . С увеличением диаметра увеличивается и стоимость сверления;
материал поверхности , в которой будет производиться сверление. В железобетонных конструкциях сверление обходится дороже, чем в стенах из кирпича;
глубина сверления . Естественно, что чем больше длина будущего отверстия, тем дороже будет стоить само сверление.

На стоимость сверлильных работ могут оказывать влияние и дополнительные факторы. Например, сверление на высоте требует применения дополнительного оборудования. Сверление под углом невозможно выполнить без использования специального инструмента.

Стоимость работ может также увеличиться, если они будут проводиться на открытом воздухе и при неблагоприятных погодных условиях

Ориентировочная стоимость сверления отверстий алмазным инструментом:

Диаметр отверстия, мм	Стоимость 1 см сверления, руб
Диаметр отверстия, мм	Кирпич	Бетон	Железобетон
16 – 67	20	26	30
72 – 112	22	28	35
122 – 142	24	30	37
152 – 162	28	35	44
172 – 202	39	50	66
250	57	77	94
300	72	88	110
400	110	135	155
500	135	175	195
600	145	195	210

Выводы

Алмазные технологии сегодня являются, бесспорно, самым безопасным, быстрым и экономически выгодным вариантом сверления отверстий в самых твердых строительных материалах. Используя кольцевые сверла можно создавать отверстия точно соответствующие заданному диаметру. По форме отверстия также получаются идеальными и не требуют никакой дополнительной обработки, что существенно экономит время, а самое главное – средства заказчика услуги.

Такие достоинства алмазного сверления, как отсутствие шума и вибраций дают возможность производить работы не только на больших строительных объектах, но и в жилых помещениях, которые находятся как на стадии ремонта, так и в отделанном (чистовом) состоянии. Благодаря алмазному инструменту и профессиональному оборудованию, настенные и напольные покрытия при проведении работ в чистом помещении полностью сохраняют свой первозданный вид.

Практические нюансы сухого сверления бетона алмазной коронкой представлены в видео:

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное Государственное бюджетное образовательное учреждение Высшего образования

Владимирский государственный университет имени А.Г и Н.Г Столетовых

Кафедра ФиПМ

Реферат

на тему “Лазерное сверление отверстий”

Выполнил cтудент группы ЛТ - 115

Гордеева Екатерина

Владимир 2016

Введение

1. Лазерный луч в роле сверла

2. Лазерное сверление отверстий в металлах

3. Сверление не металлических материалов

4. Лазерное сверление отверстий в твердых поверхностях

5. Лазерное сверление отличающихся повышенной хрупкостью

Заключение

Список литературы

Введение

лазерный луч сверление отверстие

В настоящее время лазер успешно выполняет целый ряд технологических операций и, прежде всего таких, как резка, сварка, сверление отверстий, термическая обработка поверхности, скрайбирование, маркировка, гравировка и т. п., а в ряде случаев обеспечивает преимущества по сравнению с другими видами обработки. Так, сверление отверстий в материале может быть выполнено быстрее, а скрайбирование разнородных материалов является более совершенным. Кроме того, некоторые виды операций, которые раньше выполнить было невозможно из-за трудной доступности, выполняются с большим успехом. Например, сварка материалов и сверление отверстий могут выполняться через стекло в вакууме или атмосфере различных газов.

Слово «лазер» составлено из начальных букв в английском словосочетании Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, что в переводе на русский язык означает: усиление света посредством вынужденного испускания. Классически так сложилось, что при описании лазерных технологий обработки материалов основное внимание уделяется только непосредственно лазерам, принципам их работы и техническим параметрам. Однако, для того чтобы реализовать любой процесс лазерной размерной обработки материалов, кроме лазера необходимы ещё система фокусировки луча, устройство управления движением луча по поверхности обрабатываемого изделия или устройство перемещения изделия относительно луча, система поддува газов, оптические системы наведения и позиционирования, программное обеспечение управления процессами лазерной резки, гравировки и т.д. В большинстве случаев выбор параметров устройств и систем, обслуживающих непосредственно лазер является не менее важным, чем параметры самого лазера. Например, для маркировки подшипников диаметром менее 10 мм, или прецизионной точечной лазерной сварки время, затрачиваемое на позиционирование изделия и фокусировку, превышает время гравировки или сварки на один-два порядка (время нанесения маркировочной надписи на подшипник приблизительно 0,5 с). Поэтому без использования автоматических систем позиционирования и фокусировки использование лазерных комплексов во многих случаях становятся экономически нецелесообразными. Аналогия лазерных систем с автомобилями показывает, что лазер выполняет функции двигателя. Каким бы хорошим двигатель не был, но без колёс и всего остального автомобиль не поедет.

Ещё одним немаловажным фактором в выборе лазерных технологических систем является простота их обслуживания. Как показала практика, операторы имеют невысокую квалификацию обслуживания подобного оборудования. Одной из причин этого является то, что лазерные комплексы устанавливают в большинстве случаев на замену устаревшим технологическим процессам (ударная и химическая маркировки изделий, механическая гравировка, ручная сварка, ручная разметка и т.п.). Руководители предприятий, которые проводят модернизацию своего производства, как правило, из этических соображений, заменяя старое оборудование новым, оставляют старый (в прямом и переносном смыслах) обслуживающий персонал. Поэтому, для внедрения лазерных технологических систем в производство при данных начальных условиях его развития (в постсоветских республиках) необходимо предусматривать максимально возможный уровень автоматизации и простоты обучения. Не следует отбрасывать и тот факт, что зарплата неквалифицированного персонала ниже, чем подготовленного специалиста. Поэтому экономически выгодней покупать сложное оборудование с возможностью простоты в его обслуживании, чем приглашать высококвалифицированный персонал.

Таким образом, задачу использования лазерных технологий в современном производстве следует рассматривать не только с точки зрения технических параметров непосредственно лазера, но и с учётом характеристик оборудования, программного обеспечения которые позволяют использовать специфические свойства лазера для решения отдельно взятой технологической задачи.

Любая лазерная система, предназначенная для размерной обработки материалов, характеризуется следующими параметрами:

Скоростью обработки (реза, гравировки и т.п.);

Разрешающей способностью;

Точностью обработки;

Размером рабочего поля;

Диапазоном материалов обработки (чёрные металлы, цветные металлы, дерево, пластмасса и т.д.);

Диапазоном размеров и массы изделий, предназначенных для обработки;

Конфигурацией изделий (например, гравировка на плоской, цилиндрической, волнообразной поверхностях);

Необходимым временем изменения выполняемых задач (смена рисунка гравировки, конфигурации -- линии реза, изменение материала обработки и т.п.);

Временем установки и позиционирования изделия;

Параметрами условий окружающей среды (диапазон температур, влажность, запылённость) в ----которых может эксплуатироваться система;

Требованиями к квалификации обслуживающего персонала.

Исходя из этих параметров, выбирается тип лазера, устройство развертки луча, разрабатывается конструкция крепежа изделия, уровень автоматизации системы в целом, решается вопрос о необходимости написания специализированных программ для подготовки файлов рисунков, линий реза и т.д.

Основными техническими характеристиками, определяющей характер обработки, играют энергетические параметры лазера -- энергия, мощность, плотность энергии, длительность импульса, пространственная и временная структура излучения, пространственное распределение плотности мощности излучения в пятне фокусировки, условия фокусировки, физические свойства материала.

1. Лазерный луч в роли сверла

Начиная с 1964 г. малопроизводительное механическое сверление часовых камней стало повсеместно заменяться лазерным сверлением. Конечно, термин «лазерное сверление» не надо понимать буквально; лазерный луч не сверлит отверстие-он его пробивает, вызывая интенсивное испарение материала. В настоящее время лазерное сверление часовых камней является обычным делом. Для этой цели применяются, в частности, лазеры на стекле с неодимом. Отверстие в камне (при толщине заготовки 0,5-1 мм) пробивается серией из нескольких лазерных импульсов, имеющих энергию 0,5-1 Дж. Производительность работы лазерной установки в автоматическом режиме-камень в секунду. Это в тысячу раз выше производительности механического сверления!

Вскоре после своего появления на свет лазер получил следующее задание, с которым справился столь же успешно,-сверление (пробивание) отверстий в алмазных фильерах. Возможно, не все знают, что для получения очень тонкой проволоки из меди, бронзы, вольфрама используется технология протягивания металла сквозь отверстие соответствующего диаметра. Такие отверстия высверливают в материалах, обладающих особо высокой твердостью,-ведь в процессе протягивания проволоки диаметр отверстия должен сохраняться неизменным. Наиболее тверд, как известно, алмаз. Поэтому лучше всего протягивать тонкую проволоку сквозь отверстие в алмазе-сквозь так называемые алмазные фильеры. Лишь с помощью алмазных фильер удается получать сверхтонкую проволоку, имеющую диаметр всего 10 мкм. Но как просверлить тонкое отверстие в таком сверхтвердом материале, как алмаз? Механически это сделать очень трудно-для механического сверления одного отверстия в алмазной фильере требуется до десяти часов.

Эти аккуратные отверстия диаметром 0,3 мм пробиты в пластинке из глиноземной керамики толщиной 0,7 мм с помощью С02-лазера

С помощью лазеров пробивают в керамике очень тонкие отверстия-диаметром всего 10 мкм. Заметим, что механическим сверлением такие отверстия получить нельзя.

То, что сверление - призвание лазера, ни у кого не вызывало сомнений. Здесь у лазера фактически не оказалось достойных конкурентов, особенно когда речь шла о сверлении особо тонких и особо глубоких отверстий, когда отверстия надо сверлить в очень хрупких или очень твердых материалах. Прошло сравнительно немного времени и стало ясно, что лазерный луч может успешно применяться не только для сверления, но и для многих других операций по обработке материалов. Так что сегодня мы можем говорить о возникновении и развитии новой технологии - лазерной.

2. Лазерное сверление отверстий в металлах

Использование лазера в качестве сверлящего инструмента дает преимущества.

Отсутствует механический контакт между сверлящим инструментом и материалом, а также поломка и износ сверл.

Увеличивается точность размещения отверстия, так как оптика, используемая для фокусировки лазерного луча, используется также и для наводки его в необходимую точку. Отверстия могут быть ориентированы в любом направлении.

Достигается большее отношение глубины к диаметру сверления, чем это имеет место при других способах сверления.

При сверлении, так же как и при резании, свойства обрабатываемого материала существенно влияют на параметры лазера, необходимые для выполнения операции. Сверление осуществляют импульсными лазерами, работающими как в режиме свободной генерации с длительностью импульсов порядка 1 мкс, так и в режиме с модулированной добротностью с длительностью в несколько десятков наносекунд. В обоих случаях происходит тепловое воздействие на материал, его плавление и испарение. В глубину отверстие растет в основном за счёт испарения, а по диаметру за счет плавления стенок и вытекания жидкости при создаваемом избыточном давлении паров.

Как правило, глубокие отверстия желаемого диаметра получаются при использовании повторяющихся лазерных импульсов малой энергии. В этом случае образуются отверстия с меньшей конусностью и лучшего качества, нежели отверстия, полученные с более высокой энергией одиночного импульса. Исключение составляют материалы, содержащие элементы, способные создавать высокое давление паров. Так, латунь сваривать очень трудно лазерным импульсным излучением из-за высокого содержания цинка, однако при сверлении латунь имеет некоторые преимущества, так как атомы цинка значительно улучшают механизм испарения.

Поскольку многоимпульсный режим позволяет получать отверстия лучшего качества нужной геометрии и с небольшим отклонением от заданных размеров, то на практике этот режим получил распространение при сверлении отверстий тонких металлов и неметаллических материалов. Однако при сверлении отверстий в толстых материалах предпочтительными являются одиночные импульсы большой энергии. Диафрагмирование лазерного потока позволяет получить фигурные отверстия, однако этот способ чаще используется при обработке тонких пленок и неметаллических материалов. В том случае, когда лазерное сверление производится в тонких листах толщиной меньше 0,5 мм, имеет место некоторая унификация процесса, состоящая в том, что отверстия диаметром от 0,001 до 0,2 мм могут быть изготовлены во всех металлах при относительно низких мощностях.

Высверливание отверстий в металлах может быть использовано в ряде случаев. Так, с помощью импульсных лазеров может быть произведена динамическая балансировка деталей, вращающихся с высокой скоростью. Дисбаланс выбирается путем локального выплавления определенного объема материала. Лазер может быть использован также для подгонки электронных элементов либо локальным испарением материала, либо за счет общего разогрева. Высокая плотность мощности, малый размер пятна и малая длительность импульса делают лазер идеальным инструментом для этих целей.

Лазеры, применяемые для сверления отверстий в металле, должны обеспечить в фокусированном луче плотность мощности порядка 107 - 108 Вт/см2. Сверление отверстий металлическими сверлами диаметром меньше 0,25 мм является трудной практической задачей, в то время как лазерное сверление позволяет получать отверстия диаметром, соизмеримым с длиной волны излучения, с достаточно высокой точностью размещения. Специалистами фирмы «Дженерал Электрик» (США) подсчитано, что лазерное сверление отверстий по сравнению с электроннолучевой обработкой имеет высокую экономическую конкурентоспособность. В настоящее время для сверления отверстий используются в основном твердотельные лазеры. Они обеспечивают частоту следования импульсов до 1000 Гц и мощность в непрерывном режиме от 1 до 103 Вт, в импульсном -- до сотен киловатт, а в режиме с модуляцией добротности -- до нескольких мегаватт. Некоторые результаты обработки такими лазерами приведены в таблице

Таблиця 1.

	Толщина, мм	Диаметр отверстия, мм	Продолжительность сверления	Энергия лазера,
		входного	выходного
Нержавеющая сталь				10 импульсов
Никелевая сталь
Вольфрам

Молибден

3. Сверление не металлических материалов

Сверление отверстий является одним из первых направлений лазерной технологии. Вначале, прожигая отверстия в различных материалах, экспериментаторы с их помощью оценивали энергию излучения лазерных импульсов. В настоящее время процесс лазерного сверления становится самостоятельным направлением лазерной технологии. К материалам, подлежащим сверлению при помощи луча лазера, относятся такие неметаллы, как алмазы, рубиновые камни, ферриты, керамика и др., сверление отверстий в которых обычными методами представляет определенную трудность или является малоэффективным. При помощи лазерного луча можно сверлить отверстия разного диаметра. Для этой операции используют следующие два метода. При первом методе лазерный луч перемещается по заданному контуру, и форма отверстия определяется траекторией его относительного перемещения. Здесь имеет место процесс резки, при котором тепловой источник перемещается с определенной скоростью в заданном направлении: при этом, как правило, применяются лазеры непрерывного излучения, а также импульсные, работающие с повышенной частотой следования импульсов.

При втором методе, получившем название проекционного, обрабатываемое отверстие повторяет форму лазерного луча, которому с помощью оптической системы можно придать любое сечение. Проекционный метод сверления отверстий имеет некоторые преимущества по сравнению с первым. Так, если на пути луча поставить диафрагму (маску), то таким образом можно срезать периферийную его часть и получить относительно равномерное распределение интенсивности по сечению луча. Благодаря этому граница облучаемой зоны оказывается более резкой, конусность отверстия при этом уменьшается, а качество улучшается.

Существует ряд приемов позволяющих дополнительно выбрать из обрабатываемого отверстия часть расплавленного материала. Один из них -- создание избыточного давления сжатым воздухом или другими газами, которые подаются в зону сверления с помощью сопла, соосного с лазерным излучением. Этот способ использовался для сверления отверстий диаметром 0,05--0,5 мм в керамических пластинках толщиной до 2,5 мм при использовании СО2-лазера, работающего в непрерывном режиме.

Сверление отверстий в твердой керамике является непростой задачей: при обычном способе требуется наличие алмазного инструмента, а при других существующих методах трудности связаны с размером отверстия в диаметре, равным десятым долям миллиметра. Эти трудности особенно ощутимы, когда толщина обрабатываемой пластины больше, чем диаметр отверстия. Отношение глубины отверстия (толщины материала) к его диаметру является мерой качества получения тонких отверстий; оно составляет 2:1 при обычном сверлении и около 4:1 при ультразвуковом методе, используемом при сверлении керамики и других тугоплавких материалов.

Лазерный метод сверления данного класса материалов позволяет получить лучшее отношение при очень высокой точности размещения отверстий и относительно меньших временных затратах. Так, при лазерном сверлении высокоплотной поликристаллической глиноземной керамике использовался рубиновый лазер с энергией в импульсе 1,4 Дж, сфокусированной линзой с фокусным расстоянием 25 мм на поверхности диска и обеспечивающей плотность мощности около 4-106 Вт/см2. В среднем 40 импульсов при частоте следования 1 Гц понадобилось, чтобы просверлить керамический диск толщиной в 3,2 мм. Длительность лазерного импульса была 0,5 мс. Полученные отверстия имели конусность с диаметром на входе около 0,5 мм, а на выходе 0,1 мм. Видно, что отношение глубины к среднему диаметру отверстия составляет около 11:1, что значительно больше аналогичного отношения при других способах сверления отверстий. Для простых материалов это отношение при лазерном сверлении может составлять 50:1.

Для удаления продуктов сгорания и жидкой фазы из зоны сверления используется поддув воздухом или другими газами. Более эффективное выдувание продуктов происходит при сочетании поддува с передней стороны и разряжения с обратной стороны образца. Аналогичная схема использовалась для сверления отверстий в керамике толщиной до 5 мм. Однако эффективное удаление жидкой фазы в этом случае происходит только лишь после образования сквозного отверстия.

В табл. 7 приведены параметры отверстий в некоторых неметаллических материалах и режимы их обработки.

Таблиця 2.

Материал	Параметры отверстия	Режим обработки
	Диаметр, мм	Глубина, мм	Отно-шение глуби-ны к диаме-тру	Энергия, Дж	Длительность импульса	Плотность потока, Вт/см2	Количество импульсов на отверстие



Керамика

4. Лазерное сверление отверстий в твердых поверхностях

Лазерное сверление отверстий характеризуется такими физическими процессами как нагрев, испарение и плавлением материала. При этом предполагается что отверстие увеличивается в глубину в следствии испарения, а по диаметру - в результате плавления стенок и вытеснения жидкости избыточным давлением паров.

Для получения прецизионных отверстий с допуском порядка 2 мкм, используются лазеры с очень короткими импульсами в диапазоне нс и пс. Позволяющие контролировать диаметр отверстия на заданном уровне т.е. не приводящим к нагреву и плавлению стенок, отвечающих за рост диаметра отверстия, а приводящее к испарению материала из твердой фазы. Также использование лазеров с нс и пс диапазоном импульсов позволяет существенно уменьшить наличия затвердевшей жидкой фазына боковых поверхности отверстия.

В данный момент существует несколько методов реализации лазерного сверления отверстий: сверление одиночным импульсом используется одиночный импульс в результате которого просверливается отверстие. Достоинства этого метода быстрота. Недостатки высокая энергия импульса, низкая толщина и каноническая форма отверстия за счет уменьшении передачи тепловой энергии с увеличением глубины отверстия.

Ударном сверлении отверстие возникает под воздействием нескольких лазерных импульсов незначительной продолжительности и энергии.

Достоинства: возможность создавать более глубина отверстия (около 100 мм), получения отверстий малого диаметра. Недостаток этого метода более длительный процесс сверления.

Кольцевое сверление возникает под действием нескольких лазерных импульсов. Сначала лазер методом ударного сверления выполняет начальное отверстие. Затем он увеличивает начальное отверстие, несколько раз перемещаясь по увеличивающейся круговой траектории на заготовке. Большинство расплавленного материала вытесняется из отверстия в направлении вниз. Спиральное сверление в отличие от кольцевого сверления не предусматривает выполнения начального отверстия. Лазер уже с первых импульсов перемещается по круговой траектории по материалу. При таком движении большое количество материала выходит вверх. Перемещаясь как по винтовой лестнице, лазер углубляет отверстие. После того, как лазер пройдет сквозь материал, могут быть выполнены еще несколько кругов. Они предназначены для расширения нижней стороны отверстия и сглаживания краев. Спиральное сверление позволяет получать очень большие и глубокие отверстия высокого качества. Достоинства: получения больших и глубоких отверстий высокого качества.

Преимущества лазерного сверления: возможность получение малых отверстий (меньше 100 мкм),необходимость сверления отверстия под углом, сверления отверстия в очень твердых материалах, возможность получать отверстия не круглой формы, высокая производительность процесса, малое тепловое воздействие на материал (с уменьшением длительности импульса уменьшается нагрев материала),бесконтактный метод позволяющий сверлить хрупкие материалы(алмаз, фарфор, феррит, хрусталь сапфир, стекло),высокая автоматизация процесса, большой срок службы и стабильность процесса.

Данная работа посвящена поиску оптимальных режимов лазерного сверления отверстий на различных твердых поверхностях.

Для проведения экспериментов использовался инфракрасный импульсный Nd:YAG лазер с длиной волны 1064 нм. С максимальной мощность лазерного излучения 110 Вт, частотой следования импульсов 10 кГц и длительность импульса 84 нс, отверстия в данной работе получены методом ударного сверления. В процессе лазерного сверления мощность лазерного излучения варьировалась в пределах от 3,7 Вт до 61,4 Вт, диаметр лазерного пятна на поверхности образца изменялся в пределах от2 мм до 4 мм.

Лазерное сверления отверстий проводилось на следующих твердых поверхностях: пластмассе (желтая), углепластике, алюминии, толщиной 1,22,3 мм соответственно.

На качество лазерного сверления поверхности существенно влияют следующие параметры: средняя мощность лазерного излучения, диаметр лазерного пятна на поверхности образца, физические свойства материала (коэффициент поглощения лазерного излучения поверхностью, температура плавления) длина волны лазерного излучения, длительность импульса и метод лазерного сверления (одиночный импульс, ударном сверлении и т.д.).

В таблице 1 отображены режимы лазерного сверления на различных твердых поверхностях.

Режимы лазерного сверления отверстий на различных поверхностях

Таблиця3.

5. Лазерное сверление отличающихся повышенной хрупкостью

Лазерное сверление широко применяют для получения отверстий не только в твердых и сверхтвердых материалах, но и в материалах, отличающихся повышенной хрупкостью.

Для лазерного сверления отверстий в настоящее время исполк-зуют установку Квант-11, Созданную на основе импульсного лазера на АИГ-Nd. Лазерная сварка также основана на тешговом действии сфокусированного излучения импульсного лазера. Причем применяют как шовную, так и точечную сварку

Основными процессами при лазерном сверлении неметаллических материалов, так же как и при резке, являются разогрев, плавление и испарение из зоны лазерного облучения. Для того чтобы обеспечить данные процессы, необходимо иметь плотности мощности 106 - 107 Вт / см2, создаваемые оптической системой в фокальном пятне. При этом отверстие растет в глубину за счет испарения материалов; имеет место также оплавление стенок и выбрасывание жидкой фракции создаваемым избыточным давлением паров

Отечественная промышленность в настоящее время широко использует лазерное сверление отверстий в алмазах, обеспечивая высокую точность и контроль за формированием отверстий в процессе сверления.

Сверление отверстий металлическими сверлами диаметром меньше 0 25 мм является трудной практической задачей, в то время как лазерное сверление позволяет получать отверстия диаметром, соизмеримым с длиной волны излучения, с достаточно высокой точностью размещения.

Из экспериментов известно, что технические характеристики и особенности прецизионной лазерной резки тонких металлических пластин определяются в целом теми же условиями и факторами, что и технические характеристики процессов многоимпульсного лазерного сверления. Средняя ширина сквозного реза в тонких металлических пластинах обычно составляет 30 - 50 мкм на всей длине образца, стенки их практически параллельны, поверхность не содержит крупных дефектов и инородных включений. Одной из особенностей резки импульсным излучением является возможность так называемого эффекта канализации. Этот эффект выражается в увлечении качественного (дифракционного) пучка в сформированный предыдущими импульсами канал посредством переотражения от его стенки. Формирование нового канала начинается после смещения всего дифракционного пучка за контуры предыдущего. Этот процесс определяет предельную шероховатость стенки реза и может стабилизировать точность реза за счет компенсации нестабильности диаграммы направленности при многопроходной обработке. При этом шероховатость кромок реза обычно не превышала 4 - 5 мкм, что можно считать вполне удовлетворительным.

Лазеры выполняют и такую операцию, как черновое доведение отработанных фильер до следующего по стандрату большего диаметра. Если при механическом сверлении данная операция занимала около 20 ч, то при лазерном сверлении она требует вего лишь несколько десятков импульсов. Полный временной интервал составляет около 15 мин на черновую обработку одной фильеры.

Сверление отверстий является, пожалуй, одним из первых направлений лазерной технологии. В настоящее время процесс лазерного сверления становится самостоятельным направлением лазерной технологии и занимает в отечественной и зарубежной промышленности значительный удельный вес. К материалам, подлежащим сверлению при помощи луча лазера, относятся такие неметаллы, как алмазы, рубиновые камни, ферриты, керамика и др., сверление отверстий в которых обычными методами представляет определенную трудность или является малоэффективным.

Однако при сверлении отверстий в толстых материалах предпочтительными являются одиночные импульсы большой энергии. Диафрагмирование лазерного потока позволяет получить фигурные отверстия, однако этот способ чаще используется при обработке тонких пленок и неметаллических материалов. В том случае, когда лазерное сверление производится в тонких листах толщиной меньше 0 5 мм, имеет место некоторая унификация процесса, состоящая в том, что дырки диаметром от 0 001 до 0 2 мм могут быть изготовлены во всех металлах при относительно низких мощностях. При больших толщинах, согласно рис. 83, появляется нелинейность, вызванная эффектом экранировки.

Еще ранее в отмечалось, что применение гибких ПП повышает их надежность, уменьшает время сборки устройств на сотни часов и дает выигрыш в объеме и массе в 2 - 4 раза по сравнению с применением в МЭА жестких ПП. Сейчас ранее существовавший тормоз в развитии гибких ПП, а именно известный консерватизм конструкторов, привыкших работать с обычными ПП, можно считать пройденным этапом. При этом облегчается задача снижения механических напряжений между ПП и установленными на ней БИС в кристало держателе, а также появляется возможность получать лазерным сверлением сверхминиатюрные отверстия диаметром 125 мкм (вместо 800 мкм в обычных ПП) для межслойной коммутации с помощью сплошного заполнения их медью. Наконец, гибкая ПП из полиимида прозрачна, а это позволяет визуально проверить все паяные соединения в каждом слое при тщательно подобранном освещении.

Заключение

В заключение хотелось бы остановиться на некоторых общих вопросах внедрения лазерных технологий в современное производство.

Первым этапом создания лазерной технологической установки является разработка технического задания. Во многих случаях заказчики стараются перестраховываться и закладывать в него характеристики, намного превышающие реальные потребности производства. В результате стоимость оборудования увеличивается на 30-50%. Как ни парадоксально, но причиной этого является, как правило, именно относительная дороговизна лазерных систем. Многие руководители предприятий рассуждают следующим образом:

«…если я покупаю новое дорогое оборудование, то по характеристикам оно должно превышать, необходимы на данный момент нормы, «авось», когда-то мне это пригодится…». В результате потенциальные возможности оборудования никогда не используются, а время окупаемости его увеличивается.

Примером такого подхода может служить вариант перехода от механической маркировки деталей к лазерной. Основными критериями маркировки являются контрастность надписи и устойчивость к стиранию. Контрастность определяется соотношением ширины и глубины линии гравировки. Минимальная ширина линии при механической гравировке приблизительно 0,3 мм. Для получения контрастной надписи её глубина должна быть порядка 0,5 мм. Поэтому, во многих случаях, при составлении технического задания на лазерную установку, исходят из этих параметров. Но ширина линии при лазерной гравировке 0,01-0,03 мм, соответственно глубину надписи можно сделать 0,05 мм, т.е. на порядок меньше чем при механической. Поэтому соотношение между мощностью лазера и временем нанесения маркировочной надписи может быть оптимизировано относительно стоимости системы. В результате снижается цена лазерной установки, и как следствие, время её окупаемости.

Внедрение лазерных технологий во многих случаях позволяет решать «старые» задачи принципиально новыми методами. Классическим примером этого является нанесение защитных надписей, клейм и т.п. на продукцию для обеспечения защиты от подделок. Возможности лазерной техники позволяют идентифицировать защитную надпись по отдельно взятой линии в надписи. Возможность применения криптографических методов позволяет реализовывать «динамическую» защиту от подделок, т.е. при сохранении общего рисунка через определённое время меняются некоторые элементы, узнаваемые только экспертами или специальным оборудованием. Недосягаемым для механических методов подделок является возможность создания лазером небольшого бортика (3-10 мкм) из выбросов металла на края линии гравировки. Комплексное использование подобных методик минимизирует вероятность подделки и делает её экономически невыгодной.

Внедрение лазерных технологий на данном этапе технологического развития (переход от «дикого» капитализма к нормальному производству) это всего лишь один из вариантов начала становления того, что называют высокотехнологическим производством. Те небольшие предприятия, которые используют у себя несколько подобного рода лазерных систем, подтвердили закон диалектики перехода количества в качество. Новое оборудование требует принципиально новых методов его обслуживания, как правило, предполагающее повышенного внимания персонала и поддержания «чистоты» в помещении, где оно расположено. Т.е. происходит переход на качественно новый уровень культуры производства. При этом обычно, количество сотрудников уменьшается, и руководители предприятий начинают решать вопросы организации работы не «трудового коллектива», а оптимизации работы предприятия, в котором работники являются лишь неотъемлемой частью технологического процесса. Независимо от того будет ли в этом производстве в дальнейшем использоваться лазерная техника или нет, приобретенный опыт, и сформировавшаяся культура никуда не исчезнет. Это то, что сторонними наблюдателями принято называть технологической или научно-технической революцией, хотя на самом деле это нормальный эволюционный процесс. История развития многих крупных технологических фирм показывает, что в некоторый момент времени на начальных стадиях развития, у всех был подобный этап перехода. Может так получиться, что в настоящее время мы находимся на такой стадии технологического развития, когда относительно малые вложения в новые технологии сейчас приведут в дальнейшем к крупной отдаче. В синергетике, - науке о самоорганизующихся системах, подобная ситуация подчиняется закону «бабочки» (Р. Брэдбери «И грянул гром…»), описывающем процесс, когда малые изменения в прошлом или настоящем приводят к глобальным последствиям в будущем.

Список использованной литературы

1.Рыкалин Н.Н. Лазерная обработка материалов. М., Машиностроение, 1975, 296 с.

2. Григорьянц А.Г., Шиганов И.Н., Мисюров А.И. Технологические процессы лазерной обработки: Учеб. пособие для вузов / Под ред. А.Г. Григорьянца. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006. -664 c.

3. Крылов К.И., Прокопенко В.Т., Митрофанов А.С. Применение лазеров в машиностроении и приборостроении. - Л., Машиностроение. Ленингр. отделение, 1978, 336 с.

Размещено на Allbest.ru

...

Подобные документы

Сверление - процесс образования отверстий в сплошном материале режущим инструментом – сверлом. Общие сведения о кольцевом сверлении. Вырезание отверстий в листовом металле. Обработка хрупких материалов. Схема резания, обеспечивающая деление ширины.

дипломная работа , добавлен 27.10.2017

Сверление – метод получения отверстий резанием. Оборудование и инструменты. Обработка просверленных отверстий зенкером и разверткой. Технология формообразования поверхностей фрезерованием. Технологические требования к конструкциям обрабатываемых деталей.

реферат , добавлен 18.01.2009

Сверление сквозных и глухих отверстий. Брак при сверлении и мероприятия для его предупреждения. Точность обработки при сверлении. Выбор режущих элементов. Имитационное моделирование обработки детали. Расчет основных тепловых потоков и температур.

дипломная работа , добавлен 27.10.2017

История металлорежущих станков. Назначение сверления - операции для получения отверстий в различных материалах при их обработке, целью которой является изготовление отверстий под нарезание резьбы, зенкерование, развертывание. Основные виды протягивания.

презентация , добавлен 05.10.2016

Образование отверстий в сплошном металле сверлением, точность их обработки, набор инструмента; класс шероховатости поверхности. Режимы сверления, зенкерования, развертывания. Разработка схемы зажима детали; расчет погрешности базирования и усилия зажима.

лабораторная работа , добавлен 29.10.2014

Основные трудности обработки отверстий. Варианты наладок при операциях глубокого сверления. Функции смазочно-охлаждающей жидкости, способы ее подвода. Разновидности глубокого сверления. Формирование удовлетворительной стружки и ее вывод из отверстия.

методичка , добавлен 08.12.2013

Значение, задачи и структура ремонтной службы. Сущность и содержание системы планово-предупредительных ремонтов. Основные слесарные операции. Правка и гибка металлов. Сверление, зенкерование и развертывание отверстий. Чтение рабочих чертежей и эскизов.

отчет по практике , добавлен 09.04.2015

Разработка станка для сверления отверстий в корешковой части книжного блока печатной продукции. Анализ существующего оборудования для сверления отверстий, его недостатки. Разработка технологической схемы станка и конструкции сверлильной головки.

дипломная работа , добавлен 29.07.2010

Технологические основы процесса сверления отверстий. Типы станков и их основные узлы. Влияние материала и геометрических элементов сверла. Изменение геометрических параметров режущей части сверл. Основные режимы финишных операций изготовления сверл.

дипломная работа , добавлен 30.09.2011

Сверление как процесс образования отверстий в сплошном материале с помощью инструмента, называемого сверлом. Определение основных факторов, влияющих на точность технологического процесса, существующие движения: вращательное и поступательное направленное.

Одним из направлений развития авиадвигателестроения является увеличение температуры газов перед турбиной. При этом, однако, происходит рост термомеханической напряженности лопаток газовых турбин и, как следствие, дальнейшее усложнение их конструкции. От надежности этих элементов двигателя в наибольшей степени зависит надежность и ресурс газотурбинных двигателей, и, соответственно, безопасность полетов. Эту проблему можно решить только путем разработки и внедрения качественно новых технологий, в том числе прошивки охлаждающих отверстий в лопатках. При этом во избежание горячих точек на поверхности лопаток плотность отверстий должна быть до ~200 отверстий/см?. К тому же, сложная структура жаропрочного кристаллического Niсплава, подобного CMSX4, требует процесса сверления, не меняющего его матрицу.

Сверление отверстий, которые являются каналами охлаждения компонентов турбинных двигателей, – один из наиболее распространенных процессов лазерной обработки. Однако до сих пор нет лазерных систем, позволяющих эффективно сверлить в турбинных лопатках из жаропрочного Niсплава высокоаспектные микроотверстия Ж100500 мкм и глубиной t Ј 56 мм с малой величиной перегретой зоны (, где a » 1см 2 /с).
В случае обычного лазерного сверления (импульсы миллисекундного диапазона t имп ?0,5 мс, плотность мощности ~10 6 Вт/cм 2) на поверхности отверстия формируется переплавленный слой h (рис. 1 ) толщиной свыше 50 мкм, в котором изза быстрого затвердевания происходит формирование микротрещин, уменьшающих ресурс детали.

Эту проблему помогает решить использование коротких наносекундных импульсов с высокой плотностью мощности (10 8 10 9 Вт/cм 2) и более короткой длиной волны (выше порог поглощения излучения в плазме). Переплавленный слой значительно уменьшается, так как удаление материала происходит в основном в газообразной фазе . Для импульсов длительностью 10 8 сек пороговая плотность энергии для быстрого удаления материала составляет ~10 Дж/cм 2 при скорости абляции V сверл ? 1 мкм/импульс. Однако с увеличением толщины материала свыше 1 мм скорость абляции значительно падает (V сверл? 0,1 мкм/импульс) (рис. 2 ). Увеличение плотности энергии более чем на порядок лишь незначительно увеличивает скорость абляции.

Одним из механизмов, ограничивающих скорость абляции, является поглощение и рассеяние лазерного излучения в плазме, парах металла и капельках расплава. Другим ограничивающим фактором является более сильное ослабление лазерного излучения внутри глубокого канала одномерно расширяющейся плазмой в противоположность поверхностному двумерному случаю. В результате минимальная плотность энергии, необходимая для сверления образца толщиной ~0,4 мм, повышается до 30 Дж/cм 2 , а для образца толщиной ~0,9 мм до 100 Дж/cм 2 . Высокочастотному Nd:YAG лазеру (30 Вт, 10 кГц, 15 нс) требуется несколько секунд при плотности энергии ~500 Дж/cм 2 , чтобы просверлить отверстие Ж<30 мкм в 1,5 мм жаропрочном сплаве Inconel 718. При этом благодаря практически квазинепрерывной абляции наблюдается формирование значительного переплавленного слоя на боковых стенках отверстий и микротрещин, которые распространяются в основной материал, уменьшая ресурс детали. К тому же конусность отверстия может достигать значений 510 о (обычно конусность отверстия при сверлении Nd:YAG лазером оценивается как 0,02 t , где t толщина металла в мм).

Для сверления в турбинных лопатках глубоких отверстий Ж150350 мкм с той же эффективностью абляции требуются энергии в импульсе уже ~50100 мДж и, соответственно, кВтная средняя мощность лазера в TEM 00 моде. Другой подход – кольцевое сверление (trepanning drilling) – на порядок более длительный (по времени сравним с электроэрозионной прошивкой), хотя и требует менее мощного лазера.

Экспериментальная установка

Решение проблемы сверления глубоких микроотверстий представляется в использовании пачек относительно длинных (300500 нс) импульсов (длительность пачки несколько миллисекунд с интервалом между ними? 20мкс), с дополнительным профилированием их интенсивности в процессе сверления отверстия. Вопервых, относительно большая длительность импульсов позволяет обеспечить обработку материала при плотности энергии, более чем на порядок превосходящей плотность энергии для импульсов длительностью 1015 нс (при той же интенсивности), и, следовательно, сверление менее критично к толщине материала. Вовторых, имеется возможность повышения энергии импульса к концу пачки (профилирование) для увеличения эффективности удаления испаряемого материала. Втретьих, за счет использования пачек импульсов можно снизить среднюю мощность лазера до 1020 Вт, существенно уменьшив тем самым его стоимость.

Лазерная установка для сверления высокоаспектных микроотверстий включает в себя задающий генератор и двухпроходовый Nd:YAG усилитель (рис. 3 ). Задающий генератор – Nd:YAG лазер с непрерывной накачкой и акустооптическим затвором – генерирует 150 ё 550 нс импульсы с частотой повторения 3,5ё50 кГц со средней мощностью до 1 Вт. Двухпроходовый Nd:YAG усилитель вырезает из непрерывной последовательности импульсов и усиливает пачку импульсов длительностью 1 ё 6 мс (зависит от глубины отверстия). После усилителя энергия пачки импульсов достигает 1 Дж. Частота повторения пачек 10 Гц.

Фокусирующая линза f =150 мм обеспечивает на поверхности образца плотность мощности і10 8 Вт/cм 2 для диаметра пучка 100 мкм. Вспомогательные газы O 2 , N 2 или Ar (в зависимости от обрабатываемого материала) используются для выталкивания расплава из зоны обработки.

Результаты и обсуждения

Сверление микроотверстий (Ж100 мкм) проводилось на Ni сплаве IC10, Ni монокристалле DD6, конструкционной и нержавеющей сталях. На рис. 4 представлены результаты сверления микроотверстий в Ni сплаве IC10 (толщина 1,6 мм) с различными длительностями импульсов (энергия одиночного импульса E=18,5 мДж, частота повторения импульсов в пачке F=30 кГц, длительность пачки импульсов 0,9 мс, плотность энергии на образце 170 Дж/cм 2). Большая длительность импульсов дает лучшее качество отверстий. Для импульсов длительностью 550 нс толщина переплавленного слоя для большинства отверстий меньше чем 20 мкм, или даже 10 мкм (рис. 4 в ). Для более коротких импульсов существует больший разброс в толщине переплавленного слоя. Результат сверления сильно зависит от типа материала. Ni монокристалл DD6 показывает противоположный результат по сравнению с IC10: толщина переплавленного слоя отверстий, сделанных в DD6 с O 2 , намного тоньше, чем у отверстий, сделанных без газа.

Таблица 1

представляет результаты скорости сверления отверстий в материале IC10 импульсами с различной частотой повторения в пачке (энергия импульсов 18,5 мДж).

Как видно из таблицы 1, эффективность сверления возрастает с увеличением длительности импульса. При частоте повторения импульсов >30 кГц возрастает поглощение и рассеяние лазерного излучения в плазменном факеле, что снижает эффективность сверления. Как ожидалось, увеличение аспектного отношения приводит к резкому снижению скорости абляции, так как с увеличением глубины отверстия усиливается диссипация лазерного излучения. На большей глубине и при частоте повторения импульсов в пачке <30 кГц (граничная частота сильного поглощения излучения плазмой) плазма перестает подогревать расплав и большее его количество не удаляется, а застывает на боковых стенках отверстий.

Конусность отверстия также зависит от частоты повторения импульсов в пачке. Для частоты следования импульсов 50 кГц различие входных и выходных диаметров отверстий не более 10%, но при этом мы получаем снижение скорости абляции, а следовательно, и эффективности сверления.

иллюстрирует зависимость эффективности сверления микроотверстий от их глубины. Исследования проводились на образцах из конструкционной и нержавеющей стали толщиной до 5 мм. Скорость абляции, а следовательно, и эффективность сверления микроотверстий резко снижаются при увеличении толщины образца более 2 мм (рис. 5б ). В снижении скорости сверления с толщиной ключевую роль играет плазма и переотражение лазерного излучения от боковых стенок. Однако эффективность сверления и в этом случае более чем на два порядка превосходит эффективность сверления короткими 1015 нс импульсами той же интенсивности.

Улучшение геометрии микроотверстий

Дальнейшее повышение производительности сверления и улучшение формы отверстия (уменьшение воронки на входе, снижение конусности) возможно при программировании энергии в последовательных пачках импульсов (рис. 6 ) и преобразованиипространственного профиля пучка в зоне взаимодействия из гауссова в пучок с равномерным супергауссовым распределением или даже с интенсивностью излучения минимальной в центре пучка (рис. 7 ). Естественно, что при этом предпочтительно использовать лазеры с высоким качеством луча.

Пространственный профиль излучения в зоне обработки значительно влияет на скорость сверления и конусность микроотверстий, топологию поверхности материала около отверстия. При прямой фокусировке излучения(гауссов профиль) вокруг отверстия формируется значительный валик расплава и входная воронка, а типичные углы конусности для NiAl толщиной 2,5 мм составляют 0,3 о 0,5 о. При переносе изображения супергауссова пучка эти негативные эффекты резко снижаются (рис. 8 ), а конусность отверстия составляет?0,25 о.

Для образца из конструкционной стали толщиной 5 мм конусность оказалась 0,31 0 и 0,23 0 для прямой фокусировки и передачи изображения, соответственно. Фактически для частоты следования импульсов в пачке 30 кГц система передачи изображения уменьшает конусность отверстия в 1,52 раза (см. также таблицу 1 ). В тоже время пространственный профиль излучения практически не влиял на скорость сверления отверстия при толщинах образцов от 1 мм и выше. Заметное влияние наблюдалось лишь на малых толщинах 50 мкм и 100 мкм. В таблице 2 приведены данные по сверлению микроотверстий в фольге.

Таким образом, передача изображения на входную плоскость образца является эффективным способом для уменьшения конусности отверстий и минимизации входной воронки с валиком расплава.

Фокусирующая система
(«Световая» трубка)

Очень трудно сохранить небольшую конусность отверстия для большой толщины (56 мм) образца. Ограниченная фокальная длина фокусирующей линзы становится основной проблемой для достижения малой конусности. Возможным решением может быть использование фокусирующей системы, передающей заданный профиль лазерного луча с выходной апертуры усилителя с последующей фокусировкой на образец в виде длинной "световой" трубки, длина которой может быть гораздо больше, чем обычная конфокальная длина объектива. Для лазера с выходной апертурой ~ 45 мм разработана компактная афокальная система, которая создает "световую" трубку? 100 мкм и длиной? 3 мм, рис. 9 . Будущие эксперименты должны ответить за последствия такого подхода.