Лазерное скрайбирование магнитов реле

Автор: Малащенко А. А., Лакиза Ю. В., Деркач Э. П., Аносов С. В.

Одним из направлений повышения эффективности разделения магнитных заготовок реле является замена сквозной, обычно, механической, электрохимической или электроэрозионной резки заготовки на ее скрайбирование (надрезание) с последующей ломкой заготовки по линиям скрайбирования. Высокопроизводительным инструментом для скрайбирования металлов может служить лазерный пучок, технические и технологические преимущества которого достаточно хорошо известны и эффективно реализуются в различных отраслях промышленности, например, при разделении диэлектриков и полупроводников.

В данной работе анализируется возможность применения лазеров для скрайбирования металлов, рассмотрена методика подбора для этой цели оптимальных параметров излучения, приведены результаты разработанного и внедренного авторами в производство реле нового способа лазерного разделения магнитных заготовок на магниты мерной длины.

Результату опробования лазерного скрайбирования для разделения заготовок из различных металлов и сплавов показали, что оптимальное отношение глубины надреза к толщине металлической пластины 20-40%, а для хрупких заготовок, например, магнитотвердых сплавов это соотношение может быть в несколько раз меньше. При этом оказывается, что наиболее легко и стабильно разламывание заготовок происходит если надрезы выполнены с обеих сторон пластины, а образование канавки вызвано только испарением металла, т.е. когда возникновение и движение жидкой фазы металла сведено к минимуму.

Максимально допустимая длительность лазерного импульса T_макс при которой не наблюдается оплавление боковых стенок и дна канавки может быть найдена из известного условия несущественности бокового теплоотвода:

T_макс?0,1r₀²?a (1)

где r₀ - радиус пятна облучения на поверхности металла; а - коэффициент температуропроводности материала заготовки.

Глубину скрайбирования h₁ за один импульс облучения в режиме оптимального квазистанионарного испарения можно рассчитать по формуле:

(2) Для сценки и выбора энергетических параметров пучка лазерного скрайбера можно воспользоваться уравнением, списызающим остановившуюся скорость фронта испарения

(3) где q - плотность падающего на металл потока излучения; Q - плотность вещества; L - удельная теплота испарения, а также управлением

(4) где - V_н - скорость распространения в материале волни нагрева.

В этом случае условием оптимального для скрайбирования' металлов квазиетационарного испарения является равенство уравнений (3) и (4),

т.е.

Откуда следует, что

т.е.

(5) p*Графическая взаимосвязь энергетических и временных параметров лазерного пучка, обеспечивающих оптимальное условие скрайбирования различных металлов, приведена на рис.1, где очевидно, что кривыми 1 и 3 ограничена практическая область требуемых для скрайбирования параметров лазерного излучения.

Зыбор на графике временного интервала 10^-8-10^-5 с обусловлен тем, чтo минимальная длительность импульса 10^-8 с ограничена техническими возможностями современных импульсных лазеров, а величина T_макс=10^-5 с оценена по формуле (1) (в расчете принято а=0,1 см²/с, r₀=5,10^-3 см).

Суммарную глубину надреза h при мн с г о импул ь сн с м облучении и перемещении заготовки относительно пучка лазера со скоростью V можно оценить по формуле

(6)

где F - частота повторения импульсов.

Используя энергетическо-временные характеристики лазеров импульсного действия и зависимости на рис.1, можно выбрать требуегые для скрайбирования металлов типы лазеров и их режуны работы. Так, например, для получения надрезов глубиной до 0,3-0,4 мм могут быть использованы отечественные лазеры ЛТИ-501, ЛТИ-701 и ЛТИ-502 при диаметре пятна облучения заготовки не более 10^-2 см. Лазеры ЛТИ-501 и ЛТИ-701 должны работать с частотой повторения импульсов F?5-10 кГц, а лазер ЛТИ-502 - с частотой F?15-20 кГц. Для скрайбирования металлов можно рекомендовать также и менее производительные лазеры типа ЛТИ-3, ЛТИ-5, ЛТИ-205, имеющие высокую импульсную мощность, но малую длительность (~10 нc) и частоту повторения (? 100 Гц) импульсов.

Приведенная методика выбора параметров режима лазерного скрайбирования металлов использовалась авторами для расчета параметров режима технологического процесса разделения заготовок из магнитотвердого сплава 25X15KA (система Xr-Co-Fe) в виде прутков сечением 3 х 3 и 5 х 9 мм, а также из сплава ЮНДК35Т5БА (система Al-Ni-Co-Ti-Cu-Fe) в виде пластин размером 30 х 30 х 1,4 мм.

Для исследования режимов скрайбирования и реализации новой технологии в производстве была разработана специальная установка ЯЛ2899.000, содержащая серийный лазер ЛТИ-502, систему формирования пучка C0K-I, предметный стол со специальными коссетами для укладки и перемещении магнитных заготовок со скоростью до 30 мм/с. Были определены следующие параметры лазерного пучка, обеспечивающие удовлетворительное качество разламывания заготовок и максимальную производительность скрайбирования (рис.2): F=4,5 кГц, что обуславливало длительность импульса T=100 нc; r_o= 40 мкм. Регулятор мощности излучения лазера устанавливался при этом в оптимальное положение, обеспечивающее при скорости скрайбирования V=10-11 мм/с, глубину надреза h ? 120-150 мкм без аморфизаиии приповерхностного слоя металла и без оплавления дна и кромок лунки.

В настоящее время технология лазерного скрайбирования магнитных заготовок внедрена в производство четырех типов реле. Для изготовления около 3 млн. магнитов в год используются 2 установки ЯЛ2.899.000, что позволило высовобсдить 30 электреэрозионных станков и высококвалифицированных операторов. Кроме того, ежегодно экономится около 20% дефицитного кобальтосодерхащего сплава и белее 100000 кВт.час Электроэнергии. Суммарный годовой экономический эффект от внедрения технологии лазерного скрайбирования магнитов реле составил на предприятии более 100,0 тыс.руб.

Рис 1. Зависимость плотности потока лазерного излучения от длительности имгульса: 1 - титан; 2 - сталь; 3 - медь

Рис.2 Зависимость суммарной глубины скрайбирования от скорости перемещения заготовки: 1 - расчет для а=0,2 см²/с, Т =10^-7 r_o =40 мкм, F =4,5 кГц; 2 - эксперимент для q =0,7 ? q_опт; 3 -эксперимент для q = q_опт