Chương CÁC DẠNG GIA CÔNG TINH TRÊN BỀ MẶT 9.1 Tôi bề mặt chi tiết laser Những laser khí công suất liên tục đến hàng chục kw cho phép gia công nhiệt bề mặt kim loại Ưu điểm: - Có ưu việt đặc biệt với số chi tiết có hình dạng không thích hợp với phương pháp gia công nhiệt truyền thống khác - Tôi bề mặt: đốt nóng làm nguội nhanh - Tách oxit bụi bề mặt chi tiết Việc tạo lớp cứng mỏng bề mặt chi tiết việc nung nóng làm nguội nhanh đóng vai trò quan trọng công nghệ chế tạo chi tiết: bề mặt bánh răng, rãnh then, khớp rãnh, … Quá trình xảy lớp kim loại Khi nung nóng đến nhiệt độ chuyển pha cấu trúc austenit dung dịch rắn cacbit thép, làm nguội tạo thành trạng thái bền peclit với pherit xemetit, dung dịch rắn cacbit bền sắt α gọi mactenxit Tốc độ nguội thép tùy thành phần thép từ 30÷40 0C/giây 250 0C, thường sử dụng chất lỏng làm nguội Khi laser: Phần lớn lượng bị hút vào kim loại để đốt nóng bề mặt, phần kim loại lại làm nguội Khi bề mặt bị đốt nóng nguội Trong khoảng thời gian đầu tiên, làm nguội gần bằng: T0 2τ với T0: nhiệt độ bề mặt τ: độ dài xung đốt laser Nhiệt độ phụ thuộc q laser bán kính a theo trục z vuông góc với bề mặt phẳng môi trường bán cực: Ttĩnh(z)= q k ( z2 + a − z ) -Ánh sáng bị hấp thụ mạnh kim loại bước sóng khả biến -Sự hấp thụ bề mặt lại tăng với tăng nhiệt độ bề mặt hình thành màng ô xýt Thép thường, xạ hấp thụ kw/cm2 đốt lớp chiều sâu 0,5mm đến nhiệt độ cao tới hạn, chuyển pha γ thành α ausetenit (T≤9370C) thời gian khoảng 0,05 giây Nếu nhiệt từ chùm tia bị truyền sang vùng khác dẫn nhiệt cao vật liệu lớp bề mặt nguội nhanh tạo nên bề mặt mactenxit Nhận xét: + Hiệu trình chịu ảnh hưởng lớn độ phản xạ bề mặt Bước sóng λ=0,6µm với thép nhiệt độ thường hệ số hấp thụ bề mặt nhỏ 10% song tăng nhanh với tăng nhiệt độ bề mặt + Khi có lớp màng mỏng graphit làm tăng hệ số hấp thụ tăng hiệu trình Quá trình gia công nhiệt loại thép tiến hành môi trường khác nhau: nước, khí… song tốt chất lỏng Các nghiên cứu thực nghiệm cho kết luận: -Quá trình chi tiết hấp thụ lượng nên không đốt nóng chi tiết trình nung xảy nhanh -Dễ dàng bề mặt Sự tập trung lượng vùng gia công kiểm soát điều khiển -Khả nhận giải vùng hẹp nhờ tiêu tụ, chắn dùng maska chùm tia -Trong trình không xảy trình hóa học độc hại tiếng ồn nhiệt độ cao vùng làm việc -Quá trình xảy nhanh nên oxi hóa bề mặt phản ứng hóa học khác nhỏ Các nghiên cứu thực nghiệm rằng: laser công suất bóc lớp oxit bề mặt để phục hồi lớp kim loại bề mặt bị khí tác dụng Ngoài laser thực trình chế tạo chi tiết có hình dạng yêu cầu từ hợp kim bột với nhiều ưu việt phương pháp đốt nóng khác Nhược điểm: Với chi tiết đủ lớn buộc phải điểm có điều khiển 9.2 Gia công tạo hình bề mặt Là phương pháp gia công mà hình dạng tiết diện chùm tia laser xác định mặt nạ, chiếu lên bề mặt gia công với tỷ lệ cần thiết để nhận hình ảnh lặp lại dạng mặt nạ Đây gọi phương pháp chiếu hình để tạo màng định hình công nghiệp điện tử lĩnh vực khác in chữ số lên bề mặt nhạy cảm với ứng suất học áp lực dễ bị phá hủy thay đổi cấu trúc Ví dụ: Vi mạch ,tấm mỏng gốm đơn tinh thể đầu từ vật liệu pherit Người ta dùng laser để đốt cháy lớp bề mặt tạo số qua mặt nạ mà không phá hủy Phổ hấp thụ gốm với bước sóng nhỏ 1,1µm với bước sóng dài trở nên suốt Ánh sáng nhìn thấy hấp thụ gốm độ sâu gần 0,1µm ,năng lượng bị hấp thụ vài pico giây chuyển thành nhiệt -Tia laser đốt nóng vật tạo giãn nở nhiệt ứng suất -Khi truyền nhiệt từ vùng chiếu sáng đến vùng lân cận cần phải giảm cực đại cách dùng laser xung - Nếu xung laser dài 1ms xảy truyền nhiệt thời gian - Hiệu ứng tác động tia laser phụ thuộc vào lượng Hình 9.5 (a): màng Fe2O3 1000A0 30×30mm2 (b): màng Cr 800A0 30×28mm2 9.3 Một số dạng ứng dụng gia công với laser Cắt ống thủy tinh thành mỏng Trong công nghệ chế tạo dụng cụ, ví du: ống điện tử chân không … cần phải cắt không khuyết tật ống thủy tinh Ví dụ ống Ф20 với chiều dày thành 0,75mm Cơ chế việc cắt phân bố có hướng ứng suất nhiệt đàn hồi xuất thủy tinh tác dụng gradien nhiệt lớn Ứng suất bên bề mặt trụ G tăng theo công thức: β ET G= 2( − P) Ở đây: β: Hệ số giãn nở nhiệt tuyến tính E: Modun đàn hồi P: Hệ số Poatxong T: Nhiệt độ vượt giới hạn cho phép (đối với mác thủy tinh cho) lần Nhận xét: Tùy theo mức độ tăng ứng suất, độ nhám bề mặt thay đổi từ cấp: 4÷13 Nhờ xạ laser cắt thủy tinh, gốm ống thạch anh Ngoài phương pháp cho phép cắt ống thủy tinh trình kéo ống liên tục với tốc độ cao Phương pháp laser tiếp xúc dụng cụ cắt thủy tinh nên không xuất thủy tinh dụng cụ ứng suất phụ Không có yếu tố va chạm học , khả điều chỉnh khống chế mức độ tác động lên thủy tinh độ ổn định trình cắt, ưu điểm phương pháp 9.3.2Bóc màng cách ly, cách điện từ dây dẫn Làm màng cách điện từ dây dẫn mỏng vấn đề công nghệ chế tạo điện tử, phương pháp cơ, hóa không đảm bảo độ tin cậy làm Công nghệ làm dây khỏi màng mỏng, dựa tính chất: nhờ laser CO2 có bước sóng 10,6µm bị hấp thụ tốt điện môi bị phản xạ mạnh từ kim loại, laser CO2 liên tục công suất 25w, dây dẫn đưa vào qua mặt phẳng tiêu tụ nhờ thấu kính gốm quang học ZnS xảy đốt cháy chất cách điện, lõi kim loại không bị phá hủy độ phản xạ cao Tốc độ dịch chuyển dây tùy thuộc vào đường kính nó, công suất laser, độ dày Đồ thị hình 9.6 mô tả phụ thuộc tốc độ tách lớp phủ cách điện, từ dây dẫn với đường kính công suất laser 16 19w 9.3.3 Cắt điện trở Bằng laser CO2 công suất không lớn người ta cắt tạo điện trở cách bóc lớp điện tử lõi gốm, lõi gốm vừa quay vừa chuyển động tịnh tiến theo đướng xoắn ốc Ưu việt phương pháp so với mài đá mài tròn là: - Giảm kích thước điện trở (với đá mài kích thước điện trở phải đủ lớn) - Có thể cắt nhanh sơ để tạo độ xác cho điện tử - Không có bụi việc cắt lớp điện tử gây nên không gây chập vòng điện trở - Tốc độ cao có suất cao gấp lần Ví dụ: Dùng laser đơn mốt liên tục với đường kính chùm 10mm, tiêu tụ thấu kính gốm quang học (ZnS) tiêu cự 50µm, đường kính vết hội tụ nửa chiều rộng phân bố Gauss gần 120µm, công suất 12w cắt điện trở Cr đường kính 7,5mm dài 19,5mm Khi nhận giá trị đầu 40, 10, 1Ω, lớp điện tử tạo khuếch tán Crom lớp bề mặt gốm, độ sâu khuếch tán 10÷20µm nồng độ hạt Crom thay đổi theo chiều sâu cực đại bề mặt, tạo điện tử 22,5; 5,1; 0,51 Ω/cm Các nghiên cứu sử dụng laser CO2 đê cắt màng kim loại cho phép giải thích khả khó khăn chế tạo điện trở Ví dụ: Khi cắt màng từ nhôm vàng bề rộng vết cắt thay đổi từ 200-600µm tùy thuộc vào vận tốc chuyển động laser Tốc độ cực đại đến 650cm/phút Còn tốc độ cực tiểu xuất vết nứt… vùng ảnh hưởng nhiệt 1,5÷2 rộng vết nứt Vậy cần chọn tốc độ thích hợp để giảm vùng ảnh hưởng nhiệt 9.3.4 Khắc vạch cắt bán dẫn Trong công nghệ sản xuất vi mạch dụng cụ bán dẫn, cần phải cắt vật liệu bán dẫn thành miếng nhỏ Khi dùng lưỡi cắt kim cương xuất hàng loạt vết nứt, độ vát sườn mép cắt tiết diện ngang vết cắt xảy mài mòn dụng cụ kim cương tạo nên phế phẩm lớn Việc dùng laser cho phép cắt nhỏ bán dẫn bố trí phần tử vi mạch gần hơn, trình cắt rãnh nhanh hơn, sâu tốt khí Quá trình cắt rãnh xảy tác động nhiệt tia laser tạo nên rãnh sâu ứng suất học Sơ đồ sử dụng laser YAK làm việc chế độ điều biến hệ số phẩm chất với công suất tia đủ để gia công chi tiết với tần số xung 5÷50kHz chiều dài xung gần 250ns, đủ để đốt cháy vật liệu gốm song không truyền nhiệt sang vùng không gia công Nhiệt độ vùng gia công đạt đến 18000C không phá vùng lân cận Tùy theo mức độ dịch chuyển tạo rãnh chữ V sâu 25µm rộng gần 50µm với độ sâu dáng lỗ không đồng Không xảy vết nứt đốt nóng kẹp bàn gia công nhờ bơm chân không Chiều sâu rãnh cắt quan trọng vi mạch với việc tách rời phần chúng Thực nghiệm thấy chiều sâu 20÷25% chiều dày nhận tách với chất lượng cao, độ sâu việc tách tốt song tốc độ gia công phải chậm lại Ví dụ: Triển vọng việc cắt laser YAK có công suất xạ lớn độ dài xung nhỏ cho phép cắt gốm dày 0,25µm Nhận xét: Khi gia công vật liệu có độ giãn nhiệt tương đối thấp không cần thiết phải sử dụng laser xung, ví dụ để cắt đá dùng laser CO2 liên tục cắt gốm, cutana, thủy tinh công nghiệp vi điện tử Việc tạo mối nối lớp mạch tích phân xảy số giai đoạn tác động số lượng xung định, trước tiên tạo lỗ nhôm: Do lớp SiO2 suốt nên xung bị hấp thụ bề mặt Si đốt cháy đưa Si nóng chảy lên bám vào Al tạo tiếp xúc điện trở tốt Số lượng xung xác định chất lượng lớp nối lớp Al mỏng cỡ µm với lớp n+Si Kết luận: - Ta xét số công nghệ sử dụng laser, triển vọng công nghệ laser với phát triển điện tử học lượng tử để tạo laser nâng cao chất lượng laser cũ lớn - Ưu điểm công nghệ laser: tăng suất lao động, nâng cao chất lượng chi tiết, giải phóng diện tích cường độ lao động song đất cần phải nghiên cứu mạnh