CC BY
68
УДК 621.9.048.7: 621.373.826
О.А. Трофимова, Т.Н. Соколова, Г.В. Конюшков ФОРМИРОВАНИЕ ОТВЕРСТИЙ В ПИРОГРАФИТЕ ИЗЛУЧЕНИЕМ ЛАЗЕРА НА АЛЮМО-ИТТРИЕВОМ ГРАНАТЕ
Исследован процесс формообразования отверстий, полученных в образцах пирографита, в результате воздействия сфокусированного излучения твердотельного лазера с длиной волны Я=1,064 мкм и длительностью импульса т=410-3с, т=1,510-4с, т=1,210-7с. Плотность мощности излучения изменялась в диапазоне 106-107 Вт/см2.
O.A. Trofimova, T.N. Sokolova, G.V. Konyushkov FORMATION OF HOLES IN PYROGRAPHITE BY THE YAG LASER RADIATION
Process of formation of the holes in pyrographite samples is researched as a result of focused radiation of the solid-state laser influence with wavelength A=1,064^m and a pulse duration of radiation T=4103s, r=1,5-10~
4s, t=1,210-7s. The power density of radiation is changed in a range 106-107 W/ст2.
Пирографит применяется для изготовления различных изделий: узлов ЭВП, деталей устройств и конструкций летательных аппаратов, подверженных действию высокотемпературной эрозии, оснастки для работы с расплавами, изделий биомедицины и др.
Пирографит толщиной от 20 до 150 мкм - очень хрупкий материал, поэтому целесообразно производить обработку материала лазерным излучением.
Пирографит - уникальный по своим свойствам материал: он обладает высокой анизотропией (равной 100 (и более):1), хорошей электропроводностью, высокой механической прочностью, которая в отличие от металлов увеличивается с ростом температуры, простотой получения тонких слоев, форма которых полностью определяется формой подложки, на которую осаждается пирографит. Пирографит является интересной и практически важной разновидностью искусственного графита, получаемого из газообразного сырья. Он представляет собой продукт пиролиза углеводородов (метана, гептана), который осаждается на нагретых до 1000-2500°С поверхностях формы подложки. При температурах выше 2500°С механическая прочность пирографита выше, чем у всех других известных материалов.
Эти качества будут оказывать влияние на результаты лазерной обработки, поэтому представляет интерес исследование процесса формообразования и резки лазерным излучением.
Для выяснения вопроса о целесообразности применения лазера при решении той или иной технологической задачи необходимо знать основы процесса взаимодействия лазерного излучения с материалом, возможности использования существующих лазеров, определяемые как характеристиками излучения (длина волны, энергия и мощность излучения, длительность импульса излучения, частота и скважность следования
импульсов, интервал варьирования диаметра пучка излучения), так и характеристиками материала (отражательная способность и коэффициент поглощения на длине волны излучения лазера, теплопроводность, температуропроводность).
Основными параметрами лазерного излучения, определяющими процессы поглощения его веществом с последующим нагревом, плавлением и испарением, являются длина волны излучения X, плотность мощности падающего излучения q (энергия импульса излучения) и длительность импульса т [1].
Лазерное излучение, обрабатывающее конденсированное вещество, удобнее всего характеризовать в терминах поверхностной плотности мощности или интенсивности.
Такой подход позволяет ориентироваться в выборе типа лазера для реализации
конкретных технологических процессов (нагрев, плавление, испарение) применительно к материалам с известными оптическими и теплофизическими параметрами.
Плотность мощности или интенсивность лазерного излучения q эквивалентна мощности Р или энергии Е, излученной в единицу времени т, падающей на единичную площадь поверхности S, расположенную нормально к направлению распространения лазерного излучения:
_ E P _ 4P
q т-s s nd2 , ()
где d - диаметр круглого пятна сфокусированного излучения.
Характерным порядком величины q, требуемым для размерной обработки, является 106-107 Вт/см2. Эта величина определяет максимально допустимый диаметр пятна, зависящего от выбора фокусирующей системы, при определенном значении энергии Е, являющемся параметром используемого оборудования, что в свою очередь вызывает необходимость оптимизации соотношения между этими величинами.
Диаметр пятна, в свою очередь, предъявляет требования к оптической фокусирующей системе и диафрагмированию излучения. При выборе диафрагмы необходимо помнить, что требуется не просто минимизация диаметра пятна излучения, но оптимизация соотношения между энергией и диаметром пятна с целью сохранения плотности мощности излучения, необходимую для испарения пирографита.
Оценку требуемого значения энергии излучения можно определить из
предположения, что пирографит испаряется из объема V _ ^h, где h - толщина
материала, когда удельная поглощенная энергия достигнет теплоты испарения пирографита, считая, что при этом теплота испарения графита Q>1,2-105 Дж/г. Проведя оценку для толщины h=70 мкм, приняв плотность пирографита р=2,25 г/см3, радиус пятна сфокусированного излучения r=25 мкм, получаем значение Е=37 мДж. Полученное значение попадает в интервал возможностей имеющегося на предприятии технологического оборудования, используемого для прошивки отверстий и размерной обработки. Оценка Е энергии является заниженной, т.к. не учитываются потери на отражение и рассеяние и потери в оптической фокусирующей системе.
Лазерная обработка пирографита проводилась на разных технологических установках излучением твердотельного лазера с длиной волны X=1,064 мкм и
—3 —4 —7
длительностью импульса т=4-10 с и т=1,5-10 с, т=1,2-10 с. Плотность мощности падающего излучения изменялась в диапазоне 106-107 Вт/см2.
Параметры излучения измерялись измерителем ИМО-2Н, размеры отверстий и следов излучения измерялись на микроскопах NU(Carl Zeiss), Биолам-М и ММР-2Р.
С целью оптимизации процесса обработки при формировании отверстия были проведены эксперименты для различных т.
Были выявлены определенные закономерности для каждого режима обработки.
В диапазоне 10—4-10—3с вокруг основной зоны непосредственного воздействия лазерного излучения на пирографит наблюдались кольца на поверхности материала.
Для т=4-10- с наблюдаются два кольца вокруг отверстия (рис. 1), которые возникли, по нашему мнению, при распространении ударных волн в объеме материала, распространяющихся в плоскости пиролитических слоев. Ударное давление может достигать 10 ГПа [2], что вызывает разрушение внешней стороны образца. На обратной стороне образца при более высоких значениях q выступила сажа. В качестве критерия возможности образования ударной волны можно принять условие, что этот процесс происходит в пределах полусферы с радиусом, равным радиусу пятна воздействия [3], поскольку если волна не стала ударной в этой области, то начинается быстрое затухание ее амплитуды по закону точечного источника. Формальное выражение этого критерия имеет вид:
Е ^ ^ер
пт
(2)
а
где Е - поглощенная энергия лазерного импульса; т - длительность пичка излучения; п -количество пичков в импульсе; уе - продольная скорость звука в материале; р - плотность вещества материала; а - коэффициент поглощения.
По формуле (2) прогнозируется, что чем меньше длительность импульса, тем больше скорость затухания ударной волны.
Проведены замеры колец от виртуального центра зоны сфокусированного излучения (К0). Построены зависимости ^0/АЛ1 (А^1 - радиус ближнего кольца) и ^0/АК2 (АЯ2 - радиус дальнего кольца) от q, которые показаны на рис. 2.
1.4
;1.2
1,1
3,15; V 3,75; V 2
4,4; 1.31 5; 1.32
0,9; 1,2 3 1,78; 1.11 у
—* 74.
1,78; 1,1 7 3,15; 1,1 8 3,75; 1,1
4,4: 1,1 5; 1.11
0.5
1.5
2.5 3
Вт/см 7
Э.5
О
5.5
Рис. 2. Зависимости Я0/ЛЯі и Я0/ДЯ2 от д при т=410 3 с
Для т=1,5-10-4с наблюдается одно кольцо (рис. 3). Образование сажи на обратной стороне образца не наблюдалось.
Зависимость В0/АЯ1 от q показана на рис. 4.
Для т=0,15-10-3 с были проведены эксперименты с различной частотой повторения
импульсов излучения / j=1 Гц, ^=5 Гц, j=10 Гц. Анализ зависимости К0/АЯ1 (рис. 4) свидетельствует о наличии оптимума по плотности мощности падающего излучения при q=2•107 Вт/см2. Это говорит о наиболее близком расположении кольца дефектной зоны к краю отверстия.
При частоте повторения импульсов излучения У=1 Гц на внешней стороне образца наблюдается первое кольцо в виде устья отверстия, намечается формирование второго кольца, на обратной стороне наблюдается образование сажи.
При частоте повторения импульсов излучения ^=5 Гц на внешней стороне образца также наблюдается первое кольцо в виде устья отверстия, третье кольцо, на обратной стороне также заметно
1.8: 1.56
2: 1.36"— 2,22; 1,3‘
1.26
П.5 П.7 П.Э 1.1 1.3 1.5 1.7 1.9 ?.1 ?
о*107 ,Вт/:м2
Рис. 4. Зависимость Я0/А^1 от д при т=0,1510 3 с
При частоте повторения импульсов излучения £=10 Гц на внешней стороне образца наблюдается одно кольцо с четкими линиями, на обратной стороне также явно заметно одно кольцо.
При длительности импульса порядка 10-7с кольца вокруг зоны сфокусированного лазерного излучения не наблюдались.
Таким образом, можно провести оптимизацию процесса формообразования отверстий в пирографите (с целью прошивки отверстий или резки пирографита) по длительности импульса. Целесообразно проводить обработку на лазерной установке с длительностью импульса т<10- с для массивного пирографита, для тонкого пирографита обработка оптимальна при длительности импульса порядка 10-7с.
Для определения оптимизации по плотности мощности была найдена зависимость удельной массы (туд, г/Дж) от q, представленная на рис. 5.
Рис. 3. Воздействие на образец излучения с т=1,510-4 с (1 - AR1)
второе кольцо четкое, намечается образование сажи.
Существует максимум выноса массы пирографита в зависимости от плотности мощности. Наличие максимума позволяет оптимизировать параметры лазерного излучения и производить резку пирографита в оптимальном режиме.
Исходя из формулы (1) и рис. 5 видно, что для достижения максимума плотности мощности необходимо менять длительность импульса т, так как при увеличении энергии падающего излучения выше определенного уровня вынос удельной массы уменьшается из-за экранирования излучения плазменным облаком.
При действии мощного лазерного излучения испаряющееся вещество может начать интенсивно поглощать падающий поток энергии, поскольку вблизи поверхности образуется плазма, которая распространяется по нормали к поверхности в плоскости падения излучения. Это явление (волна поглощения) имеет пороговый характер по интенсивности лазерного облучения. Уровень энергетического порога зависит от длительности импульса, длины волны и давления. В частности, он снижается с ростом длины волны излучения [4]. Волна поглощения непрозрачна и препятствует проникновению энергии излучения к поверхности. Для случая падения, например, на корундовую керамику импульса излучения СО2-лазера при т=1 мс волна поглощения возникает при ^=107 Вт/см2, поскольку при больших интенсивностях начинает резко снижаться удельный вынос вещества [2].
1 о 1 .0 3
У
-
\
\
V
\
1 1 >9 0. 33
__
~ ■
5.5 Б В.5 7 7.5 0 0.5 9 9.5
ц*10в Вя/емг Рис. 5. Зависимость туд от д
С возникновением плазменного поглощения можно связать резкий спад коэффициента отражения в течение действия лазерного импульса, вследствие чего факел паров появляется с задержкой относительно начала импульса, причем время задержки уменьшается с ростом интенсивности импульсного лазерного облучения, а средняя энергия, поглощенная до появления факела, является постоянной величиной. Эти закономерности характерны для слабо отражающих излучение диэлектриков с лимитирующей стадией испарения поверхностного слоя.
Чтобы лазерная энергия проникала в плазму, оптическая частота должна быть больше плазменной частоты \р, которая определяется из [5]:
ур = 8,9-103 пет , (3)
где пе - плотность электронов в плазме.
При давлении газа, окружающего материал, в несколько десятков атмосфер и д~106-107 Вт/см2 над поверхностью материала развивается плазменное облако, движущееся
навстречу излучению со скоростью 2-5 м/с и почти полностью экранирующее поверхность. Степень экранирования значительно зависит от давления газа и несколько слабее от интенсивности облучения. Время существования плазменного облака, например, над керамикой типа 22ХС (ВК94) в атмосфере азота достигает 4 мс при длительности импульса лазерного излучения т=0,8 мс, причем температура плазменного сгустка возрастает после окончания импульса, что связывается с выделением энергии химической реакции горения части в плазме [6].
В случае пирографита мы наблюдаем аналогичную картину зависимости выноса массы от плотности мощности излучения (рис. 5). При оптимизации процессов лазерной резки пирографита необходимо учитывать пороговый характер зависимости выноса массы от плотности мощности падающего излучения.
Оптимизацию режимов целесообразно проводить с уменьшением длительности импульса. При фиксированных длительности импульса и параметрах оптической фокусирующей системы оптимизацию следует проводить по энергии импульса излучения.
На основе анализа расчетных данных и их экспериментальной проверке с учетом минимизации термоупругих напряжений в зоне обработки определены исходные режимы работы лазерных технологических установок (специально разработанных для лазерной резки хрупких материалов): Е=2 Дж, т=250 мкс, диафрагма Д=3 мм и Е=2 Дж, т=125 мкс.
При выборе режима лазерной размерной обработки пирографита необходимо учитывать его анизотропность. Так, теплопроводность к пирографита в направлении, перпендикулярном к облучаемой поверхности, более чем на два порядка меньше теплопроводности в направлении, параллельном поверхности. В таком же соотношении находятся значения температуропроводности (а^^0,0005 см2/с, ац ^0,05 см2/с) [7], что определяет разную глубину проникновения тепла в деталь I = л/ат (0,00035 и 0,0035 в перпендикулярном и параллельном направлениях поверхности соответственно) и время г 2
теплонасыщения ^ = -°- (1,2- 10 2с и 1,2- 10-4с соответственно).
Можно сделать вывод, что скорость нагрева анизотропного материала в целом меньше, чем изотропного, и лазерная обработка в первом случае потребует повышения энерговклада при обработке деталей равной толщины.
Различная глубина проникновения тепла вдоль поверхности и перпендикулярно ей должна учитываться при прогнозировании точностных характеристик размерной обработки.
Точность и воспроизводимость результатов лазерной обработки определяются, в основном, наличием жидкой фазы материала, образующей при застывании дефектный слой, в котором возможно зарождение трещин, проникающих при неблагоприятных условиях в массу основного материала и приводящих к охрупчиванию края отверстия.
В общем случае над поверхностью воздействия излучения всегда существует слой расплавленного материала с характерной толщиной А/
где ТУ и Тт - температуры испарения и плавления материала соответственно.
Необходимо учитывать, что согласно модели генерации волн напряжения [8] среднее давление Рср на поверхности мишени в месте воздействия лазерного импульса составляет:
где Ь - коэффициент, связанный со степенью ионизации и массой атома испаряемого вещества.
Таким образом, режимы с меньшей длительностью импульса при плотности мощности одного порядка обеспечивают большее давление на поверхности мишени, создавая
а
(4)
тем самым предпосылки для больших напряжений, которые могут превысить предел прочности материала. Это, кстати, находит экспериментальное подтверждение при обработке пирографита излучением импульсно-периодического СО2 лазера и лазера на парах меди [9] с длительностью лидирующего импульса 300 нс при плотности мощности излучения ^^108 Вт/см2 - в результате обработки наблюдается микроотслаивание уже в припороговом режиме. Эти данные подтверждают правильность нашего выбора диапазона плотностей мощности - 106-107 Вт/см2.
Учет дефектного слоя необходим для обеспечения высокого качества прошивки и резки, т.к. величина А/ будет определять возможные отклонения размеров отверстия от среднего.
При выбранных технологических параметрах излучения и толщине обрабатываемых деталей 70 мкм<Л<150 мкм материал можно считать тонким ( h << 2-Vа-т, в направлении, перпендикулярном поверхности), т.е. температуру считаем одинаковой по всей толщине и рассматриваем образование дефектного слоя вдоль поверхности детали.
А/max составляет, в соответствии с (4), 5 мкм, в этом случае относительная погрешность
Ad T
размеров диаметра----= 0,1 ln—- *0,0307. Для d=50 мкм эта величина составляет 1,5 мкм.
d Tm
Необходимо учитывать, что получение сложноконтурных деталей происходит путем обхода по контуру пятном излучения и погрешность будет возрастать из-за набега ошибки при многократных обходах. С целью сглаживания неровностей края вырезанного контура рекомендуется проводить обработку с переменной скоростью перемещения.
Начальная скорость перемещения и определяется соотношением радиуса пятна r и частоты повторения импульсов излучения f:
и = r •f .
Так, для r=25 мкм и f=5 Гц, v=125 мкм/с.
Второй проход по контуру можно провести с большей скоростью.
В результате проведенных исследований обнаружено образование колец дефектной зоны, которые могут привести к разрушению в зоне прошивки при эксплуатации изделий. Определен оптимальный диапазон плотности мощности лазерного излучения, при котором дефектная зона минимальна. В рамках этого диапазона определено направление минимизации дефектной зоны. Минимизацию дефектной зоны целесообразно проводить по длительности импульса. Обнаружен пороговый характер выноса массы в зависимости от плотности мощности излучения, позволяющий минимизировать энергозатраты.
Определены оптимальные технологические режимы резки пирографита с минимальными энергозатратами и дефектной зоны.
ЛИТЕРАТУРА
1. Соколова Т.Н. Лазерная размерная обработка материалов, применяемых в электронной технике. Ч. 1. Обработка керамики / Т.Н. Соколова, Л.А. Сурменко. М.: ЦНИИ «Электроника», 1986. 38 с.
2. Углов А.А. Теплофизические и гидродинамические явления в процессах лазерной обработки металлов / А. А. Углов // Физика и химия обработки материалов. 1974. № 5. С.7-13.
3. Янушкевич В.А. Критерий возможности образования ударных волн при воздействии лазерного излучения на поверхность поглощающих конденсированных сред / В. А. Янушкевич // Физика и химия обработки материалов. 1975. № 5. С. 9-11.
4. Stegman R.L. Experimental studies of laser supported adsoption waves with 5-ms pulses of 10,6 micron radiation / R.L. Stegman, J.T. Schriempf, L.R. Hottche // Journal Application Physics. 1973. Vol .44. P. 3674-3681.
5. Спитцер Л.Е. Физика полностью ионизированного газа / Л.Е. Спитцер. М.: Мир, 1965. 216 с.
6. Орехов М.В. О разрушении мишени в наклонном падении лазерного излучения на ее поверхность / М.В. Орехов, А. А. Углов, Т.Н. Соколова // Физика и химия обработки материалов. 1978. № 3. С. 159-162.
7. Теплопроводность твердых тел: справочник / А.С. Охотин, Р.П. Боровикова, Т.В. Нечаева, А.С. Пушкарский. М.: Энергоатомиздат, 1984. 320 с.
8. Расчеты на прочность, устойчивость и колебания в условиях высоких температур / Н.И. Безухов, В.Л. Божанов, И.И. Гольденблат и др. М.: Машиностроение, 1965. 204 с.
9. Доманов М. С. Применение лазера на парах меди для прецизионной обработки / Н.А. Лябин, А.Д. Чурсин, М.А. Казарян // Лазер-Информ. 2004. № 22 (301), ноябрь. С.6-10.
Трофимова Оксана Александровна -
аспирант кафедры «Электронное машиностроение»
Саратовского государственного технического университета
Соколова Татьяна Николаевна -
кандидат технических наук, доцент кафедры «Электронное машиностроение» Саратовского государственного технического университета
Конюшков Геннадий Владимирович -
доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Электронное машиностроение» Саратовского государственного технического университета
