Лазерне свердління

Схематичне зображення процесу лазерного свердління

Ла́зерне свердлі́ння (англ. laser drilling) — лазерна технологія обробки матеріалів, при якій з використанням сфокусованого лазерного променя всередину заготовки локально передається така кількість енергії, що в результаті відбувається розплавлення і часткове випаровування матеріалу цієї заготовки[1]. Цим методом виконуються отвори діаметром 0,003…1 мм при відношенні глибини до діаметра від 0,5 до 10. Продуктивність прошивання малих отворів може досягати десятків і навіть тисяч на секунду. Особливо ефективним є оброблення мікро- та наноотворів у деталях із надтвердих матеріалів з низькою теплопровідністю[2]

Принцип лазерного свердління

Основними процесами при лазерному свердлінні матеріалів, так само як і при лазерному різанні, є розігрів, плавлення і випаровування із зони лазерного опромінення. Для того щоб забезпечити дані процеси, необхідно мати щільності потужності 106…109 Вт/см², які створюються оптичною системою у фокальній плямі. У процесі свердління при поглибленні отвору іонізована пара (плазма) витискається назовні за рахунок різниці тисків між зовнішнім середовищем і внутрішнім простором отвору.

Методи лазерного свердління

Одноімпульсне лазерне свердління

При цьому методі лазерне випромінювання включається лише на короткий час, і свердління наскрізного отвору в матеріалі виконується за один імпульс випромінювання.

Недоліками цього методу є мала максимальна товщина матеріалу для такого свердління (до 2 мм) і велика енергія, необхідна для лазерного імпульсу.

При застосуванні випромінювання твердотільного лазера з накачуванням лампою-спалахом відтворюваність параметрів свердління обмежується низькою стабільністю енергії імпульсів лазерного випромінювання.

Використання випромінювання волоконного лазера значно підвищує відтворюваність параметрів свердління.

Перкусійне (ударне) лазерне свердління

При цьому методі декілька імпульсів лазерного випромінювання почергово б'ють в одну і ту ж точку на поверхні заготовки, розплавляючи та випаровуючи деяку кількість її матеріалу. Після цього розплавлений матеріал витісняється з отвору під дією тиску парової фракції матеріалу. Це дозволяє виконувати суттєво глибші отвори (близько 30 мм), ніж при методі лазерного свердління одноімпульсним випромінюванням.

Перевагами даного методу є збільшена глибина свердління, можливість виконання отворів під кутом до поверхні, вища геометрична точність отворів (за конусністю) та можливість обробки навіть дуже твердих матеріалів.

Недоліком методу є збільшена тривалість технологічного процесу.

Трепануюче лазерне свердління

При цьому методі спочатку виконується наскрізний отвір, як і при перкусійному лазерному свердлінні. Потім отвір розширюється до необхідного діаметра шляхом відносного руху лазерного променя і заготовки.

До переваг цього методу належить зменшена товщина оплавленого шару на стінці отвору.

Його недолік полягає у можливості пошкоджень задньої стінки заготовки, так як під час відносного руху лазерний промінь проходить крізь отвір.

Спіральне лазерне свердління

За принципом дії цей метод є ідентичним до перкусійного лазерного свердління й відрізняється від нього лише додатковим рухом лазерного променя по спіралі.

Спіральне лазерне свердління підходить перш за все для виконання високоточних отворів (за діаметром і концентричністю) у заготовках товщиною до 2 мм. Крім цього, цей метод також дозволяє виконувати отвори з додатною та від'ємною конусністю.

Переваги та недоліки лазерного свердління

Переваги
  • безконтактність обробки без прикладання зусилля до самої заготовки;
  • можливість застосування лазерного свердління для виконання отворів у важкодоступних місцях (наприклад, в паливних форсунках), завдяки використанню дрібної оптики;
  • мінімальна теплове навантаження і відсутність потреби в охолоджувальній рідині;
  • добрі умов для автоматизації процесу;
  • технологічна гнучкість;
  • можливість виготовлення отворів мінімального діаметра (приблизно від 40 мкм), які практично не піддаються традиційному механічного свердлінню або зовсім не можуть бути виконані з його допомогою.
Недоліки
  • переважно вища порівняно з традиційними методами вартість свердління;
  • значні порівняно з традиційними методами енергозатрати, а значить низький ККД.

Використання

Лазерне свердління широко застосовують для отримання отворів не тільки в твердих і надтвердих матеріалах, але і в матеріалах, що відрізняються підвищеною крихкістю.

До матеріалів, що підлягають свердлінню з допомогою променя лазера, належать такі неметали, як алмази, рубінові камені, ферити, кераміка тощо, свердління отворів у яких звичайними методами становить певні труднощі чи є малоефективним.

Ця технологія забезпечує отримання отворів:

  • у крилах літаків для відсмоктування приграничного шару повітряного потоку при обтіканні;
  • в лопатках турбін для їх повітряного охолодження;
  • у форсунках для дизельних двигунів автомобілів;
  • у виробах з листового металу, що мають тонку геометрію.

Див. також

Примітки

  1. ↑ Ruby laser treatment. DermNet NZ. ww.dermnetnz.org. Архів оригіналу за 14 липня 2016. Процитовано 1 березня 2016.
  2. ↑ Dubey, Avanish (May 2008). Laser beam machining—A review. International Journal of Machine Tools and Manufacture. 48 (6): 609—628. doi:10.1016/j.ijmachtools.2007.10.017.

Джерела

  • Вакс Е. Д., Миленький М. Н., Саприкин Л. Г. Практика прецизионной лазерной обработки. — М.: Техносфера, 2013. — 696 с. — ISBN 978-5-94836-339-4
  • Рыкалин Н. Н. Лазерная обработка материалов. — М.: Машиностроение, 1975. — 296 с.
  • 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.
  • Крылов К. И., Прокопенко В. Т., Митрофанов А. С. Применение лазеров в машиностроении и приборостроении. — Л.: Машиностроение. Ленингр. отделение, 1978. — 336 с.