CC BY
20Статья поступила в редакцию 01.06.13. Ред. рег. № 1653
The article has entered in publishing office 01.06.13. Ed. reg. No. 1653
УДК 62-9
ЛАЗЕРЫ НА ПАРАХ МЕДИ ДЛЯ ПРЕЦИЗИОННОЙ ОБРАБОТКИ ИЗДЕЛИЙ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ
1А.Г. Григорьянц, 2А.Л. Гусев, 3М.А. Казарян, 4Н.А. Лябин
1 МГТУ им. Н.Э. Баумана 105005, г. Москва, 2-я Бауманская ул., д. 5 Тел.: +7 (499) 263-63-91, факс: +7 (499) 267-48-44, e-mail: bauman@bmstu.ru
2 НТЦ «ТАТА»
607181, Нижегородская область, г. Саров, ул. Московская, д. 29, оф. 306 Тел: +7 (83130) 63107, факс: +7 (83130) 63107, e-mail: gusevl@hydrogen.ru
3 ФГБУН Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН 119991, ГСП-1 Москва, Ленинский проспект, д. 53, ФИАН Тел: +7(495)135-42-64, факс: +7 (495) 938-22-51, +7 (499) 135-78-80, e-mail: kazarmishik@yahoo.com
Заключение совета рецензентов 03.06.13 Заключение совета экспертов 05.06.13 Принято к публикации 06.06.13
В настоящее время автоматизированная лазерная технологическая установка АЛТУ «Каравелла-1» на базе активных элементов лазеров на парах меди, имея компьютерную базу данных технологических параметров микрообработки на основные электровакуумные материалы, используется преимущественно для нужд научно-производственного предприятия НПП «Исток» для изготовления прецизионных деталей в обеспечение научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ и серийных поставок СВЧ-техники. Программы на рабочие чертежи составляются в формате DXF в системе AutoCAD. При этом параметры режима обработки выбираются из условия обеспечения точности и качества изготавливаемой детали. Широкий ассортимент изготавливаемых микродеталей может быть использован и уже используется для решения актуальных задач биомедицины, альтернативной энергетики и экологии.
Ключевые слова: лазер, лазерная установка, лазерная обработка материалов, микрообработка, прецизионная обработка.
LASERS BASED ON COPPER VAPORS FOR PRECISION PROCESSING OF PARTS FOR ELECTRONIC EQUIPMENT
1A.G. Grigiryants, 2A.L. Gusev, 3M.A. Kazaryan, 4N.A. Lyabin
1 N.E. Bauman Moscow State Technical University 5, 2nd Bauman St., Moscow 105005,Russia Tel.: +7 (499) 263-63-91, fax: +7 (499) 267-48-44, e-mail: bauman@bmstu.ru
2 STC "TATA"
29-306 Moskovskaya St., Sarov, Nizhny Novgorod region, 607181, Russia Tel: +7 (83130) 63107, fax: +7 (83130) 63107, e-mail: gusevl@hydrogen.ru
3 P.N. Lebedev Physical Institute, RAS FIAN, 53 Leninsky Ave., GSP-1 Moscow, 119991, Russia Tel: +7(495)135-42-64, fax: +7 (495) 938-22-51, +7 (499) 135-78-80, e-mail: kazarmishik@yahoo.com
4 НПП "Исток", г. Фрязино, Московская область 141190, г. Фрязино, Московская область, ул. Вокзальная, 2а Тел: +7 (495) 465-86-66, факс: +7 (495) 465-86-86, e-mail: info@istokmw.ru
4
4
NPP "Istok"
2a Vokzalnaya St., Fryazino, Moscow region, 141190, Russia Tel.: +7 (495) 465-86-66, fax: +7 (495) 465-86-86, e-mail: info@istokmw.ru
Referred 03.06.13 Expertise 05.06.13 Accepted 06.06.13
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 07 (129) 2013
© Scientific Technical Centre «TATA», 2013
Nowadays automated laser technological installation ALTI "Karavella-1", based on active elements of lasers on copper vapors is used mainly for the purposes of scientific and production enterprise NPP "Istok" for fabrication of precision parts for R&D works and serial production of microwave instruments. The installation uses computer database of technological parameters of micro-processing for main electr-vacuum materials. Programs for working drawings are created in DXF format using AutoCAD software. In this case parameters of the processing regimes are selected based on precision and quality of the part fabricated. Wide range of fabricated micro-parts is used to solve urgent tasks of biomedicine, alternative energy and ecology.
Keywords: laser, laser installation, laser materials processing, micro-processing, precision processing.
Введение
Лазерная обработка материалов является одной из прогрессивных технологий, широко внедряемых в современной промышленности. Лазерное технологическое оборудование применяется для сварки, поверхностной обработки и легирования, резки и размерной обработки, раскроя материалов, маркировки и гравировки, прецизионной микросварки и микрообработки материалов.
Лазерное оборудование для прецизионной микрообработки материалов занимает особое место и является необходимым инструментом в технологии изготовления изделий электронной техники (ИЭТ). В качестве источника излучения в таких установках могут быть использованы импульсные лазеры ближнего инфракрасного, видимого и ультрафиолетового диапазонов, имеющие малый коэффициент отражения излучения для металлов -твердотельные, эксимерные, волоконные и на парах металлов, в частности, с уникальными характеристиками лазер на парах меди (ЛПМ) [1-4].
Достигаемые при освоении лазерных технологий увеличение производительности труда, экономия материалов и энергоресурсов, расширение круга конструкционных материалов, снижение
природоохранных расходов уменьшают
себестоимость изготавливаемой продукции при одновременном повышении ее качества и надежности и, следовательно, повышают ее конкурентоспособность. Внедрение лазерных установок обеспечивает гибкость производств, возможность выпуска широкой номенклатуры продукции единичными и малыми партиями, что повышает уже конкурентоспособность предприятия в целом. Поэтому в промышленно развитых странах освоение лазерных технологий имеет и государственную поддержку [5].
Преимущества ЛПМ перед другими импульсными лазерами
Применение ЛПМ для прецизионной микрообработки материалов предопределено уникальным сочетанием параметров его выходного излучения: видимый диапазон (Х=510,6 и 578,2 нм), высокая частота повторения импульсов (ЧПИ) ^=5-30 кГц) и средняя мощность излучения (Ризл=1-100 Вт), наносекундная длительность импульсов излучения (т=10-30 нс), низкая энергия в импульсе (^=0,1-1 мДж) и дифракционное качество пучка
излучения (0=(1-3)0дифр). С помощью нелинейных кристаллов (НК) типа ВВО, КЭР излучение ЛПМ достаточно эффективно, 10-20% преобразуется во вторую гармонику (255,3; 289,1; 271,1 нм), т.е. в УФ-область спектра [2, 6].
Таким сочетанием выходных параметров как у ЛПМ, на сегодняшний день, не обладает ни один из известных коммерческих импульсных лазеров и, естественно, ЛПМ имеет более широкие возможности для прецизионной обработки материалов [2, 4, 7]. При таких параметрах в пятне фокусировки излучения достигаются весьма высокие плотности пиковой мощности - 108-1014 Вт/см2. Поэтому процесс обработки идет преимущественно в испарительном режиме с удалением вещества малыми порциями, что приводит, в свою очередь, к высокому качеству резки и сверления отверстий. При этом практически не требуется поддува в зону обработки технологического газа, т.е. обработка эффективно идет в атмосфере воздуха.
Близкий по спектру, мощности и КПД распространенный твердотельный лазер (ТТЛ) на основе иттрий-алюминиевого граната с неодимом (УАв:№, Х=1,064 мкм) и удвоением частоты (Х=0,532 мкм) с ростом потребляемой мощности и частоты повторения импульсов (ЧПИ), имеет относительно большие расходимости пучка излучения из-за тепловых деформаций и более длинные импульсы излучения (>70-100 нс). И потому при высоких мощностях излучения (>10 Вт) и ЧПИ (>10 кГц) ТТЛ не может составить конкуренцию ЛПМ по качеству микрообработки. ТТЛ, в основном, применяются для маркировки и гравировки готовых изделий. В настоящее время на этапе быстрого развития находятся импульсные волоконные лазеры, например, иттербиевые (УЬ), с длинами волн излучения 1,06-1,07 мкм. Но из-за принципиальных ограничений, связанных с возникновением при малых диаметрах активного световолокна нелинейных эффектов, с этими лазерами не достигаются такие высокие плотности пиковой мощности, как с ЛПМ. Эксимерные лазеры типа АгБ, КгБ, ХеС1 имеют более короткие длины волн излучения (Х=193; 248; 308; 351 нм) и в этом их преимущество в технологии по микрообработке и фотолитографии. Но ЧПИ обычно составляет не более 1-2 кГц, что снижает производительность технологического процесса. Есть проблемы, связанные с «плохим» качеством выходного пучка излучения. В случае применения ЛПМ с НК
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 07 (129) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013
производительность обработки УФ-излучением возрастает более чем на порядок.
При обработке материалов с большой площадью и высокой плотностью топографии проблема производительности с ЛПМ решается путем увеличения ЧПИ при сохранении необходимого уровня импульсной энергии. Поэтому в технологических установках ЛПМ выполняется, в основном, по схеме: задающий генератор (ЗГ) -усилитель мощности (УМ), при котором достигаются повышенные уровни мощности в пучке дифракционного качества [2, 4].
Принцип действия и основные параметры АЛТУ «Каравелла-1»
Автоматизированная лазерная технологическая установка (АЛТУ) «Каравелла-1» разработана в НПП «Исток». АЛТУ «Каравелла-1» (рис. 1) является первой промышленной высокоэффективной и компактной автоматизированной технологической установкой на базе собственного отпаянного лазера на парах меди (ЛПМ) с длинами волн излучения 510,6 и 578,2 нм, частотой повторения импульсов 1314 кГц, длительностью импульсов 9-11 нс и средней мощностью в пучке дифракционного качества 1215 Вт для прецизионной микрообработки металлических материалов толщиной 0,05-0,6 мм и неметаллических толщиной до 1 мм [4, 7].
Большой вклад в разработку АЛТУ «Каравелла-1» и в технологию прецизионной микрообработки внесли следующие ведущие специалисты:
A.Д. Чурсин , В.И. Кондратов, В.И. Парамонов,
B.И. Клименко, Г.М. Парамонова, Р.В. Грицук, Г.М. Бахарева, Е.П. Лыжина, Г.А. Трубачева.
Рис. 1. АЛТУ «Каравелла-1» Fig.1. ALTI "Karavella-1"
Структурная схема АЛТУ «Каравелла-1» представлена следующим образом. В ЛПМ использованы два отпаянных активных элемента (АЭ) «Кулон ЬТ-10Си» со средней мощностью излучения 10 Вт [3, 4], работающие по схеме: задающий генератор (ЗГ) - пространственный фильтр-коллиматор (ПФК) - усилитель мощности (УМ). От известных отечественных и зарубежных аналогов АЭ серии «Кулон» (производства НПП «Исток») отличает высокая стабильность и воспроизводимость параметров выходного излучения и более высокая гарантированная наработка. АЭ установлены в водоохлаждаемые коаксиально расположенные теплосъемники. Накачка АЭ производится двухканальным высоковольтным (15-20 кВ) транзисторным источником питания, формирующим импульсы тока разряда амплитудой до 250 А при длительности ~100 нс с ЧПИ 12-16 кГц с точностью синхронизации каналов ЗГ и УМ в пределах 2 нс. Двухкоординатный горизонтальный стол ХУ с рабочим полем 150х150 мм, на котором устанавливается обрабатываемый материал, вертикальный стол Ъ с перемещением 60 мм, на котором закреплен фокусирующий ахроматический объектив, блок управления координатными столами и персональный компьютер составляют систему движения и управления (СДУ) технологической установки. Транзисторный источник питания разработан в соответствии с техническим заданием ЗАО «Чистые технологии», г. Ижевск (разработчики - О.В. Бахмурнов, Е.А. Михайлов), СДУ - в ООО «Прецизионная электромеханика», Москва, (А.П. Балковой, Г. А. Сливинская) [7].
Излучатель ЛПМ, содержащий два АЭ «Кулон ЬТ-10Си» в теплосъемниках в качестве ЗГ и УМ, неустойчивый резонатор (НР) телескопического типа в ЗГ, ПФК с механизмами юстировки зеркал и двухкоординатный стол ХУ установлены непосредственно на литые чугунные основания, которые в общем стальном каркасе подвешены через пружины к опорной конструкции.
На рис. 2 представлена схема оптической системы АЛТУ. Она предназначена для формирования мощного пучка излучения с дифракционным качеством, его транспортировки и фокусировки на обрабатываемый объект. Точность и качество обработки материалов на установке определяются не только точностью перемещения координатных столов ХУ и Ъ, но и уникальным сочетанием выходных характеристик излучения ЛПМ и высокой стабильностью оси диаграммы направленности луча.
Основные технические параметры АЛТУ «Каравелла-1» представлены в таблице 1.
88
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 07 (129) 2013
© Scientific Technical Centre «TATA», 2013
1SJAI
Таблица 1
Основные технические параметры АЛТУ «Каравелла-1»
Table 1
Main characteristics of ALTI "Karavella-1"
№ пп Наименование параметра Обозначение Значение
1. Длины волн излучения, нм X 510,6 и 578,2
2. Диаметр пучка излучения, мм Dn 14
3. Средняя мощность излучения, Вт P L изл 12...15
4. Частота повторения импульсов, кГц f 13...14
5. Длительность импульса излучения (по уровню 0,5), нс Т 10±1
6. Нестабильность средней мощности излучения в течение 8 часов, ДР изл < 5
7. Импульсная энергия, мДж W 0,1.1
8. Расходимость пучка излучения, мрад © 0,1.0,3
9. Фокусное расстояние объектива, мм F 50, 70, 100, 150, 200
10. Диаметр рабочего пятна излучения, мкм dn 10.40
11. Перемещение координатного стола в плоскости ХУ, мм «xXly 150x150
12. Перемещение координатного стола по вертикальной оси 7, мм «z 60
13. Максимальная скорость перемещения координатного стола, мм/с Vnep 20
14. Погрешность позиционирования по каждой оси при (20±1)°С, ^пер ± 2
15. Увеличение системы наблюдения, крат 300
16. Время готовности, мин, ^гот < 60
17. Время непрерывной работы, ч ^непр неограниченно
18. Потребляемая мощность от трехфазной сети, кВт, Р 1 потр < 5
19. Расход воды (система вода-вода), л/мин ^воды 20.25
20. Габаритные размеры и занимаемая площадь, мм и м2 LxBxH 3000x1700x1350;
21. Масса, кг M < 1150
22. Гарантированная наработка без замены активных элементов, ч trap > 1500
23. Среднее время восстановления установки при замене активного t-вост < 3
Основные технические параметры АЛТУ «Каравелла-1»
При такой совокупности параметров выходного излучения в пятне фокусировки достигаются уровни плотности пиковой мощности 108-1012 Вт/см2, при которых реализуется эффективная микрообработка практически любых материалов в обычных атмосферных условиях, т.е. без поддува технологического газа. При этом процесс обработки материала, как было указано выше, происходит преимущественно в испарительном режиме с удалением вещества малыми порциями, благодаря чему зона термического воздействия и шероховатость поверхности реза минимальны. АЛТУ с фокусирующим объективом с Г=50-200 мм представляет собой универсальный бесконтактный обрабатывающий инструмент диаметром 10-40 мкм. При этом эффективно обрабатываются как
тугоплавкие Мо, Та), так и теплопроводные (Си, Ag, А1, Аи) металлы и их сплавы, стали и другие металлы, полупроводники, диэлектрики, графиты, алмазы, сапфир, стекло, кварц.
Важным преимуществом «Каравеллы-1» является возможность оперативного управления количеством импульсов излучения (за счет «внутренних» свойств активной среды лазера - наличие в активной среде УМ зон поглощения и усиления) в пределах ЧПИ по любому наперед заданному закону от нуля до максимального значения и формирования поимпульсного и пакетного режимов модуляции выходного излучения. В установке предусмотрены режимы работы при энергиях импульса от 0,1 до 1 мДж и на отдельных длинах волн - 510,6 либо 578,2 нм. Все это позволяет оперативно проводить оптимизацию параметров технологической установки для достижения нужного качества и производительности обработки.
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 07 (129) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013
к ПК
© @ ®
кИП
Рис. 2. ЗГ и УМ - задающий генератор и усилитель мощности с АЭ «Кулон LT-1 ОСи»; 1 и 2 - зеркала телескопического HP с М=200; 3, 4, 8, 9 и 17 - плоские поворотные зеркала; 5 и 6 - сферические зеркала ПФК; 7 - диафрагма; 10 - электромеханический затвор; 11 - датчик мощности лазерного излучения; 12 - оптоэлектронный приемник; 13 - светоделительная пластина; 14 - ослабитель мощности излучения; 15 - согласующий объектив; 16 - видеокамера; 18 - фокусирующий ахроматический объектив; 19 - обрабатываемый объект; 20 - горизонтальный двухкоординатный стол
XY; 21 - вертикальный стол Z; 22 - ослабитель мощности излучения; 23 - спектральный фильтр Fig. 2. G and UM - master oscillator and power amplifier with active element "Kulon LT-10Cu»; 1 and 2 - mirror telescopic unstable resonator, 3, 4, 8, 9 and 17 - flat rotating mirrors, 5, and 6 - spherical mirrors PFC 7 - iris, 10 - electromechanical shutter, 11 - laser
power gauge, 12 - optoelectronic receiver, 13 - beamsplitter, 14 - output power attenuator, 15 - matching lens, 16 - camcorder, 18 - focusing achromatic lens, 19 - processed object; 20 - horizontal XY table XY; 21 - vertical table Z; 22 - output power attenuator,
23 - spectral filter
Результаты исследований по прецизионной обработке
На технологической установке «Каравелла-1» на первом этапе, были проведены экспериментальные исследования по прецизионной резке материалов из молибдена (Мо), меди (Си) и нержавеющей стали (12Х18Н10Т) толщиной 0,05-0,5 мм, широко используемых в электронной технике (ЭТ). При этом изменялись в определенных пределах следующие параметры обработки: фокусное расстояние ахроматического объектива - Б=50; 70, 100, 150 и 200 мм, средняя мощность излучения - Ризл=0,4-10 Вт, скорость резки - У=0,5-5 мм/с и число проходов - N=1-50. При этих режимах ширина реза находится в пределах Н=8-70 мкм, и его шероховатость на уровне 1...3 мкм. Для этих материалов при тех же значениях фокусного расстояния объектива и средней мощности излучения проведены исследования по прямой прошивке отверстий. Время выдержки сфокусированного пятна в «точке» составляло 1=0,1-1040 мс, что соответствует количеству импульсов излучения в пределах 1-14000. Диаметр прошиваемых отверстий находится в пределах d=5-45 мкм, шероховатость <1 мкм, отклонение от окружности <10%. Были проведены исследования и на отдельных длинах волн излучения - 510,6 и 578,2 нм. Наилучшее качество обработки достигается в режиме работы на зеленой линии -510,6 нм.
Отработан ряд режимов резки и сверления отверстий и для других материалов: алюминия (А1), никеля (N1), псевдосплавов (МД-50 и МД-80), Армко и титана (Т1) толщиной до 0,5 мм для искусственного поликристаллического алмаза и кремния (81) толщиной до 1,2 мм и других материалов.
На основе результатов экспериментальных исследований создана компьютерная база данных в виде электронных таблиц, позволяющая оперативно производить выбор оптимальных параметров обработки для изготовления конкретных деталей.
На рис. 3 представлены изображения фрагментов лазерного реза образцов из меди марки МВ в режиме работы на обеих длинах волн - 510,6 и 578,2 нм и на одной желтой линии - 578,2 нм (толщина 1=0,1 мм, Б=100 мм, увеличение х500); на рис. 4 - изображения отверстий на образцах из нержавеющей стали толщиной 50 мкм. (1 - dотв=3,18 мкм (х3000), 2 и 3 -dотв=15,5 мкм и 19 мкм, соответственно (х1000)); на рис. 5 - изображения микрошлифов лазерного реза; на рис. 6 - фрагмент перемычки пластины из никеля; на рис. 7 - фрагмент контура реза диска из кремния; на рис. 8 - изображение фрагмента контура реза пластины из искусственного поликристаллического алмаза.
Визуальный анализ микрошлифов лазерного реза медных и молибденовых пластин толщиной от 0,05 до 0,5 мм при увеличении микроскопа 500 крат показал, что зона термического воздействия очень мала и фазовый состав и структура материалов в зоне, отстающей от границы реза более чем 1.. .2 мкм, заметным изменениям не подвержены.
90
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 07 (129) 2013
© Scientific Technical Centre «TATA», 2013
1SJAI
S, "
Л=510,6 и 578,2 нм, Ризл=5,4 Вт, n=6, V=2 мм/с
Л=578,2 нм, Ризл=1,6 Вт, n=12, V=2 мм/с
Рис. 3. Изображения фрагментов лазерного реза образцов из меди на обеих длинах волн (слева) и на одной желтой линии (справа); толщина t=0,1 мм, F=100 мм, увеличение х500 Fig. 3. Images of copper samples fragments laser cutting at both wavelengths (left) and at yellow line (right); thickness t=0,1 mm, F = 100 mm, magnification x500)
dOTB=3,18 мкм Увеличение х3000
dora=15,5 мкм Увеличение х 1000
doT^^ мкм Увеличение х 1000
Рис. 4. Изображения отверстий в образцах из нержавеющей стали толщиной 50 мкм на просвет Fig. 4. Images of holes in a stainless steel sample at a thickness of 50 micron on clearance
Молибден толщиной 0,3 мм (x 250)
Медь толщиной 0,5 мм (x 250)
Рис. 5. Изображения микрошлифов лазерного реза Fig. 5. Images of microsections of laser cutting
Рис. 6. Изображение фрагмента перемычки пластины из никеля толщиной 0,5мм. Увеличение х150 Fig. 6. Image of nickel plate jumper fragment at 0.5 mm thickness. Magnification x150
Рис. 7. Изображение фрагмента контура реза диска из кремния (Si) толщиной 1 мм. Увеличение х150 Fig. 7. Image of silicon cutting disc contour fragment at 1 mm thickness. Magnification x150
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 07 (129) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013
Рис. 8. Изображение фрагмента контура реза пластины из искусственного поликристаллического алмаза толщиной 0,65 мм. Увеличение х150 Fig.8. Image of artificial polycrystalline diamond plates contour cut at 0.65 mm thickness. Magnification x150
Прецизионные детали для ЭВП СВЧ-техники
На АЛТУ «Каравелла-1» в автоматическом режиме, в соответствии с программами на рабочие чертежи, изготавливаются десятки типов прецизионных деталей (плоских и объемных) со сложной конфигурацией для ЭВП и других электронных приборов: диафрагм, теневых и управляющих сеток, фокусирующих электродов, разверток электродов и экранов, лепестков, чашек, замедляющих линий, корпусов, оправок и т.д. При этом применяются такие материалы как молибден, вольфрам, тантал, медь, алюминий, никель, нержавеющая сталь, псевдосплав МД, Армко, ковар, инвар, нитрид вольфрама, нитрид алюминия, керамика, кермет, припои и т.д. С «максимальной» производительностью вырезаются диски и окна и разрезаются на ЧИПы пластины из искусственного поликристаллического алмаза и кремния толщиной до 1 мм (рис. 9).
Молибден Вольфрам
J
ц ■1 — 1 Ii
-зГЛ
0,07 мм 0,1 мм 0,15 мм 0,2 мм
Сплав МД-50 Медь Кремний
-Г" -J ш Vш •J
0,6 мм 0,3 мм 0,3 мм 1,0 мм
Алюминий Поликр. алмаз Пирографит 12Х18Н10Т
* ш
ОД мм 0,3 мм 0,5 мм 0,1 мм
Рис. 9. Детали, изготовленные на АЛТУ «Каравелла-1» Fig. 9. Parts produced by ALTI "Karavella-1"
В первую очередь необходимо подчеркнуть, что лазерный способ обработки по сравнению с традиционными методами обработки позволяет на порядок и более сократить сроки изготовления многих деталей.
В качестве примера (рис. 10) показана длительность изготовления плоских сеток из молибдена МЧВП мощных клистронов по базовой технологии и технологии лазерной обработки. Следует отметить, что обработка лазерным лучом идет не только рабочих отверстий, но и наружного контура сеток, т.е. всей детали. Основные преимущества, которые были получены: высокая производительность, исключение многих операций, присущих механической обработке, отсутствие расслоения листового молибдена, высокая точность, малые шероховатость и зона термического воздействия (< 1.. .3 мкм).
№ п/п Базовая технология Технология лазерной резки
1. Токарная обр. Э/искровая обр. (ЭИО) Прогиб 0,15-0,3 Лазерная обработка всей сетки точность 3 мкм
2. Расточка отверстий D=3-5(+0,025) ^ - 2,5v
3. Технохимия (заусенцы) о. 180 К-фаск~0,03 0,32 ( УЗ-обработка (предварительная)
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 07 (129) 2013
© Scientific Technical Centre «TATA», 2013
№ п/п Базовая технология Технология лазерной резки
4. Рихтовка сеток Т=1100°С / / 0,01 Получение полированной поверхности 0,1 /
5. ЭХМО плоских поверх. 0,01 / / -
6. Финишная очистка Технохимия Финишная очистка от шлака, технохимия
Z Время изгот. (партия - 5 шт) ~ 1,5 мес. 2-4 дня
Рис. 10. Технология изготовления плоских сеток для мощных клистронов из молибдена толщиной 0,45 мм Fig. 10. Manufacturing technology of molybdenum klystron flat grids with 0.45 mm thickness
В таблице 2 приводятся размеры многолучевой плоской сетки из молибдена толщиной 0,45 мм (а) и миниатюрной сетки с 19 отверстиями 0,4 мм (б), изготовленных на АЛТУ «Каравелла-1». При обработке последних сеток на координатно-
расточном станке или в кондукторах имеет место разрушение перемычек (0,15-0,3 мм) между отверстиями, брак деталей составляет до 50%. Лазерная прошивка исключает этот дефект.
Таблица 2
Результаты измерений размеров сеток, изготовленных лазерной обработкой из молибдена
толщиной 0,45 мм
Table 2
Size measurement results of molybdenum grids created by laser processing at 0.45 mm thickness)
а. Сетка № 1
Размеры по чертежу Действительный размер Конусность отверстия Чистота обработки
32±0,028 31,997
16±0,028 16±0,01
72°±25' 72°±6'
36°±12' 36°±3' 2-3 мкм
18°±6' 18°±3' 7
0 8,5±0,028 0 8,5-0,001
0 18±0,028 0 18±0,002
б. Сетка № 2
Размеры по чертежу Действительный размер Конусность отверстия Чистота обработки
60°±14' 60°±7'
30°±14' 30°±8'
0 3,4±0,016 0 3,4±0,002 2-4 мкм
0 1,7±0,016 0 1,7±0,028
19 отверстий 0 0,6Н9+°,°25 0 0,6Н9+°,°15 X2/
Анализ результатов измерений, приведенных в данной таблице, показывает, что точность изготовления сеток на АЛТУ «Каравелла-1» очень высокая и полностью соответствует размерам, заданным по чертежу.
Металлографический анализ одной из таких сеток показал, что структура молибдена в узкой зоне резки перемычек не отличается от структуры основного металла, что говорит о минимальной дефектной зоне реза (рис. 11).
Рис.11. Изображение микрошлифа перемычки молибденовой сетки (х300) Fig. 11. Image of molybdenum grid jumper microsection (x300)
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 07 (129) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013
Весьма эффективным процесс оказался для изготовления сферических теневых и управляющих сеток для ЛБВ с низковольтным управлением. На рис. 12 представлены сетки с радиально-кольцевыми перемычками. Изготовление таких сеток методом
электроискровой обработки сопряжено с очень трудоемким процессом получения комплексного электрода. При этом через 8-10 операций идет утоньшение элементов электрода, его деформация и, соответственно, снижение точности детали.
Рис. 12. Сферические сетки с радиально-кольцевыми перемычками из молибдена толщиной 0,1 мм Fig. 12. Spherical grid with a molybdenum radial and ring jumpers with 0.1 mm thickness
В настоящее время технологический процесс лазерной резки внедрен также в производстве диафрагм из меди и псевдосплава МД-80 толщиной 0,3-0,6 мм для ЛБВ 2х-см и мм диапазонов. Этот процесс является самым современным и производительным, учитывая большое количество диафрагм на одно изделие (до 40 шт. диафрагм) и высокие требования к ним по точности.
Перспективной является возможность формирования «пеньковых» структур (методом лазерной фрезеровки) на катодах для многолучевых клистронов малой мощности. Применение в установке «Каравелла-1» более мощного ЛПМ (4060 Вт) и длиннофокусного объектива (250-500 мм) позволит решить проблему производительного изготовления полюсных наконечников (Ст. 10) толщиной 1-3 мм для многолучевых клистронов.
Также на АЛТУ «Каравелла-1» изготавливаются детали для электронных пушек циклотронных
защитных устройств и электростатических усилителей из листового молибдена толщиной 0,10,2 мм: планки, экраны, аноды, электроды и т.д. Общим требованием для этих деталей, прежде всего, является высокая точность изготовления с допусками до 10 мкм. Традиционная технология изготовления деталей помимо подготовительных операций по химической очистке и рихтовочному отжигу заготовок предполагает ряд достаточно трудоемких электроискровых, разметочных и слесарных операций. При этом требуется высокоточная специальная оснастка для выполнения большинства операций, ряд работ необходимо выполнять под микроскопом.
На рис. 13 показан анод из молибдена толщиной 0,2 мм, соосность щелевого отверстия (6х0,3 мм) которого не более 12 мкм.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 07 (129) 2013
© Scientific Technical Centre «TATA», 2013
Рис. 13. Анод из молибдена толщиной 0,2 мм Fig. 13. Molybdenum anode with 0.2 mm thickness
При лазерной обработке металлических материалов в зоне реза образуются шлаки из их окислов, на прилегающей боковой поверхности -грат в виде сконденсировавшихся мелких металлических капелек. Так как обработка материалов идет в испарительном режиме (Р>109 Вт/см2), количество образовавшихся шлаков и грата незначительно. Для их удаления изготовленные детали подвергаются ультразвуковой обработке и химической очистке. Ультразвуковая обработка производится в ванне типа УЗВ-1,3 л с деионизованной водой при рабочей частоте 35 кГц.
При этом практически все шлаки и грат удаляются. Для снятия оставшейся на поверхности лазерного реза тонкой окисной пленки (нагара) используются уже химические методы очистки с последующей ультразвуковой обработкой. Полностью отработаны режимы химической очистки для таких электровакуумных металлов как медь, молибден, вольфрам, титан, псевдосплавы МД-50 и МД-80, сплав МАГ и др. На рис. 14 и 15 показаны изображения фрагментов деталей из молибдена и меди после лазерной обработки, после ультразвуковой обработки и химической очистки.
После лазерной обработки
Г Ü
После УЗ-обработки
После химобработки
Л
Рис. 14. Изображения фрагментов сферической сетки из молибдена толщиной 0,07 мм Fig. 14. Images of molybdenum spherical grid fragments with 0.07 mm thickness
После УЗ-обработки
После химобработки
Рис. 15. Изображения фрагментов сетки из меди толщиной 0,3 мм Fig. 15. Images of copper grid fragments with 0.3 mm thickness
На рис. 16 представлены изображения фрагментов меандра из искусственного поликристаллического алмаза толщиной 0,2 мм. Точность изготовления меандра соответствует заданному чертежу.
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 07 (129) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013
х 100
Рис. 16. Изображения фрагментов меандра из искусственного поликристаллического алмаза толщиной 0,2 мм Fig. 16. Images of artificial polycrystalline diamond meander fragments with 0.2 mm thiickness
Так как теплопроводность поликристаллического алмаза высокая - 1600 Вт/см2, что в 4 раза больше чем у меди, то его обработка эффективно производится при высоких уровнях мощности излучения (10-15 Вт) и высоких скоростях (510 мм/сек).
На установке качественно обрабатываются и подложки из кремния и прозрачных сред. На рис. 17 представлены изображения фрагментов реза кремния толщиной 0,3 мм, на рис. 18 - изображения фрагментов реза кварца толщиной 0,4 мм на ЧИПы.
После лазерной обработки
После УЗ-обработки
u -J"> Y
После химобработки
Рис. 17. Изображения фрагментов реза пластины из кремния толщиной 0,3 мм (х 200) Fig. 17. Images of silicon plates cutting fragments with 0.3 mm thickness (x200)
После лазер
I обработки
После УЗ-обработки
После химочистки
Рис. 18. Изображения фрагментов реза пластины из кварца толщиной 0,4 мм (х200) Fig. 18. Images of quartz plates cutting fragments with 0.4 mm thickness (x200)
В зависимости от сложности, толщины и требований к качеству детали время изготовления может составить от единиц минут до нескольких часов. Скорость обработки при этом находится в диапазоне 0,5-10 мм/с.
Особенно важно использование лазерной технологии при отработке деталей и узлов для новых приборов, т.к. это не связано с созданием сложнейшей технологической оснастки,
необходимой при других способах изготовления.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 07 (129) 2013
© Scientific Technical Centre «TATA», 2013
Выигрыш во времени в этом случае является основным фактором в пользу лазерной обработки.
Следует также отметить, что к настоящему моменту на АЛТУ «Каравелла-1» отработаны режимы лазерной резки для изготовления более 50 типов прецизионных деталей для ЭВП.
Преимущества лазерной технологии изготовления прецизионных деталей на АЛТУ
«Каравелла-1» перед традиционными способами
Большой объем выполненных работ на АЛТУ «Каравелла-1» на базе импульсного лазера на парах меди в обеспечении НИОКР и серийном производстве ЭВП СВЧ-техники убедительно показал следующие преимущества лазерной технологии перед традиционными методами изготовления деталей (включая и ЭИО):
1. Высокая оперативность изготовления прецизионных деталей в обеспечение НИОКР.
2. Широкая номенклатура обрабатываемых конструкционных материалов.
3. Уменьшение количества операций и переходов.
4. Экономия материалов при изготовлении и раскрое заготовки из листа.
5. Высокая производительность изготовления деталей, особенно сложной конфигурации.
6. Бесконтактность обработки (без механического давления).
7. Возможность эффективной обработки в атмосфере воздуха.
8. Высокая точность изготовления деталей с допусками в пределах 4-20 мкм.
9. Малая шероховатость поверхности реза (^ 1...3 мкм).
10. Малая зона термического влияния (^ 1.. .3 мкм).
11. Отсутствие расслоения и микротрещин металла (молибдена).
12. Высокий процент выхода годных деталей.
13. Невысокая трудоемкость изготовления и универсальность технологической оснастки.
14. Наличие компьютерной базы данных на режимы лазерной обработки материалов.
15. Управление технологическим процессом от ЭВМ.
16. Существенное снижение влияния человеческого фактора на воспроизводимость технологического процесса.
Перспективы развития АЛТУ типа «Каравелла»
Анализ работ, проведенных на базе АЛТУ «Каравелла-1» в НПП «Исток», показывает, что для обеспечения потребностей по прецизионной лазерной обработке материалов для ИЭТ необходимо создание серии автоматизированных технологических установок с высокой эффективностью и надежностью: АЛТУ «Каравелла-1М» со средней мощностью излучения (Ризл) до
20 Вт; «Каравелла-2» с Ризл=5-8 Вт; «Каравелла-3» с Ризл=40-60 Вт и «Каравелла-4УФ» с Ризл=0,2-2 Вт (рис. 19).
Рис. 19. Перспективы развития АЛТУ типа «Каравелла»
Fig. 19. Prospects of developmient of "Karavella" type ALTI
АЛТУ «Каравелла-1 М» предназначена для производительной и качественной микрообработки материалов толщиной до 1 мм, «Каравелла-3» - до 23 мм. В этих установках ЛПМ двухканальный и работает по схеме ЗГ-УМ. АЛТУ «Каравелла-2» может производительно обрабатывать материалы толщиной до 0,3 мм, что достаточно для изготовления многих деталей ЭВП. В этой установке ЛПМ одноканальный и выгодно отличается по массогабаритным показателям и цене. АЛТУ «Каравелла-4УФ» отличается от других АЛТУ тем, что в ней устанавливается нелинейный кристалл, преобразующий видимое излучение ЛПМ (^=510,6 и 578,2 нм) в ультрафиолетовое излучение (^=255,3; 261,1 и 271,1 нм). Импульсное ультрафиолетовое излучение позволяет обрабатывать с высоким качеством и органические материалы.
Перспективные области применения
Электронная промышленность:
изготовление сеток, электродов и других деталей ЭВП, теплоотводов и элементов из искусственного алмаза, разделение подложек.
Приборостроение: изготовление диафрагм, матриц и элементов конструкций, маркировка инструмента.
Автомобильная промышленность:
изготовление форсунок двигателей, производство термонагруженных датчиков.
Химическая промышленность:
производство фильер, тоновая маркировка изделий.
Медицинская промышленность:
изготовление фильтров, катетеров, зондов, расширителей артерий.
Ювелирная промышленность: раскрой и обработка драгоценных материалов, изготовление сувениров и объемная маркировка.
АЛТУ «Каравелла-1» защищена 8-ю патентами и была удостоена в 2004 году двумя золотыми медалями: на IV Московском Международном
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 07 (129) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013
Салоне инноваций и инвестиций (25-28 февраля), 53-м Всемирном Салоне инноваций, научных исследований и новых технологий «Brussels-Eureka 2004» (16-21 ноября) и в 2006 году (24-27 апреля) -медалью на VII Международном Форуме «Высокие технологии XXI века». Установка отечественных и зарубежных аналогов не имеет.
Необходимо отметить, что работа проводилась при непосредственной поддержке руководителей ведущих научно-производственных подразделений НПП «Исток»: П.М. Мелешкевича,
Ю.А. Будзинского, М.А. Лопина, а также Б.Ф. Горбика, Е.Н. Покровского и Б.Я. Кистина.
Список литературы
1. Батенин В.М., Бойченко А.М., Бучанов В.В., Казарян М.А., Климовский И.И., Молодых Э.Д. Лазеры на самоограниченных переходах атомов металлов-2. Том. 1. -М.: Физматлит. 2009. 544 с.
2. Little C.E. Metal Vapour Lasers: Physics, Engineering and Applications. -Chichester (UK): John Wiley and Sons Ltd. 1999. 620 p.
3. Лазеры на парах металлов: разработка, производство и применение. / Н.А. Лябин,
A. Д. Чурсин, С.А. Угольников и др. // Квантовая электроника. 2001. Т. 31, № 3. С. 191-202.
4. Григорьянц А.Г., Казарян М.А., Лябин Н.А. Лазеры на парах меди. -М.: Физматлит. 2005. 312 с.
5. Российско-германский лазерный инновационно-технологический центр в Москве // Лазер-Информ: Информационный бюл. лазерной ассоциации. 2005. № 18 (321). С. 1-7.
6. Градобоев Ю.Г., Гуляев Ю.В., Казарян М.А., Кружалов С.В., Лябин Н.А., Мокрушин Ю.М., Шакин О.В.. Источник УФ излучения на базе лазера на парах меди с акустооптическим управлением спектральными и временными характеристиками излучения // Квантовая электроника. 2004. Т. 34, № 12. С. 1133-1137.
7. Лазеры на парах меди и их применение в технологии прецизионной обработки / Н.А. Лябин,
B.М. Жариков, В.И. Клименко и др. // Электронная техника, сер. СВЧ-техника. 2003. Вып. 2 (482).
C. 17-35.
98
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 07 (129) 2013
© Scientific Technical Centre «TATA», 2013
1SJAI
