СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ РЕЛЬЕФА НА ПОВЕРХНОСТИ ИЗДЕЛИЙ Российский патент 2006 года по МПК B23K26/36 B23K15/08 B23K10/00 

Предлагаемое техническое решение относится к обработке деталей концентрированным потоком энергии, в частности лазерным лучом, и может быть использовано в любой области техники, применяющей изделия с микрорельефом на поверхности, в частности в производстве изделий электронной техники.

Известны различные способы формирования на поверхности различных изделий элементов и отверстий с помощью лазерного излучения, в частности [1]. Сущность известного способа заключается в том, что пространство между элементами поверхности заданной конфигурации условно разделяют на две зоны - поверхностную и глубинную. Затем сфокусированный лазерный луч направляют на обрабатываемую поверхность изделия и осуществляют сканирование по обрабатываемой поверхности для получения заданного контура. Для удаления из поверхностной зоны пространства между выпуклыми элементами всего материала сканирование повторяют несколько раз.

Известен также способ формирования рельефа на поверхности изделия, включающий облучение поверхности изделия лазерным излучением и нагрев до расплавления материала изделия [2]. В известном способе лазерное излучение направляют на ту поверхность изделия, на которой формируют требуемый профиль элемента рисунка. Обработку поверхности изделия проводят путем перемещения сконцентрированного потока лазерного излучения, формируя в заданном месте изделия зоны расплава заданных размеров и конфигурации.

При формировании рельефа известными способами [1] и [2] требуется повторение процедуры перемещения сконцентрированного потока лазерного излучения по обрабатываемой поверхности, что ограничивает их производительность. Кроме того, известные способы могут быть использованы только для получения заданной конфигурации углублений на поверхности изделий и неприемлемы для формирования выступающих частей рельефа.

Задачей создания предлагаемого способа формирования рельефа на поверхности изделий является расширение его технологических возможностей при одновременном повышении производительности.

Поставленная задача решается за счет того, что в способе формирования рельефа на поверхности изделия, включающем облучение поверхности изделия лазерным излучением и нагрев до расплавления материала изделия, со стороны формируемого рельефа устанавливают подложку на расстоянии L≤10 h от поверхности изделия, где h - толщина обрабатываемого изделия, облучение осуществляют со стороны, противоположной той, на которой формируют рельеф, а в процессе нагрева обрабатываемого изделия проплавляют его на всю толщину и перемещают расплавленный материал в сторону подложки.

Подложка может быть выполнена из порошкового материала.

После окончания процесса формирования рельефа подложка может быть удалена.

При облучении обрабатываемого изделия лазерным излучением над поверхностью изделия со стороны облучения образуется плазма в смеси паров обрабатываемого материала и окружающего газа (в частности, воздуха), которая оказывает внешнее давление на образующийся в зоне обработки расплавленный материал. При условии, что обрабатываемое изделие проплавляют на всю его толщину, расплавленный материал под действием этого давления перемещается наружу по отношению к поверхности, противоположной той, на которую направляют лазерное излучение, а по окончании воздействия лазерного излучение расплавленный материал втягивается силами поверхностного натяжения обратно в зону обработки. Однако, если со стороны, противоположной той, на которую направлено лазерное излучение, на расстоянии L≤10 h по отношению к обрабатываемому материалу установить подложку и нагреть обрабатываемый материал концентрированным потоком энергии до перемещения всего объема расплавленного материала в сторону подложки, процесс затвердевания перемещенного наружу материала за счет передачи тепла подложке происходит быстрее, чем процесс втягивания его в зону обработки силами поверхностного натяжения. Таким образом, материал затвердевает в форме выступов, образующих рельеф.

Экспериментально установлено, что при L>10 h процесс передачи тепла подложке малоэффективен и получить требуемый эффект не удается даже при значительном увеличении энергии импульса.

Параметры рельефа, полученного предлагаемым способом, зависят от параметров излучения. В частности, площадь поперечного сечения выступающих частей определяется фокусировкой, а высота - энергией и длительностью импульса лазерного излучения.

В зависимости от необходимости решения конкретной технической задачи расстояние между обрабатываемым материалом и подложкой может быть выбрано таким образом, что либо будет обеспечиваться прилипание элементов сформированного рельефа к подложке (т.е. фактически сварка рельефа и подложки с образованием, например, объемной решетки), либо после окончания процесса подложка может быть удалена.

Применение подложки из порошкового материала при проведении процесса формирования рельефа позволяет в еще большей степени расширить технологические возможности предлагаемого способа. Это объясняется тем, что элементы формируемого рельефа затвердевают, проникая в порошковый материал и взаимодействуя с ним. Порошковый материал сорбируется поверхностью расплава, придавая полученному рельефу физико-химические свойства, обусловленные составом порошкового материала.

Формирование одного элемента рельефа может быть осуществлено в течение одного импульса, т.е. в целом производительность предлагаемого способа определяется частотой следования импульсов лазерного излучения. Реализация предлагаемого способа путем подачи двух импульсов, аналогично реализации известного способа [2], возможна, но не обязательна. Т.е. производительность предлагаемого способа по сравнению с известным [2] выше и определяется частотой следования импульсов лазерного излучения.

В случае применения предлагаемого способа в условиях серийного производства процесс может быть автоматизирован и регулироваться с помощью ЭВМ.

Предлагаемый способ был опробован при формировании рельефа на пластине из нержавеющей стали марки 12Х18Н10Т длиной 30 мм, шириной 30 мм, толщиной 0,3 мм. Формирование рельефа осуществлялось импульсным излучением AIG-лазера. Длительность импульса составляла 5÷10 мс, энергия импульса 5-9 Дж. Излучение фокусировалось на поверхности обрабатываемого материала с помощью фокусирующей системы с фокусным расстоянием 50 мм. Была использована подложка также из стали 12Х18Н10Т. Расстояние между пластиной и подложкой изменялось в диапазоне от 0,3 до 3 мм. Во всем указанном диапазоне расстояний был получен рельеф в форме иголок. При увеличении указанного расстояния L свыше величины, равной 10 h, не удавалось получить рельеф даже при значительном увеличении энергии и длительности импульса.

Кроме того, предлагаемый способ был опробован с использованием того же оборудования, материалов и размеров изделия, из материала которого формировался рельеф, и подложки из порошкового материала, состоящего из смеси хрома с кобальтом. Изделие, из материала которого формировался рельеф, размещалось на поверхности порошкового материала. Процесс проводился при тех же режимах. После удаления подложки из порошкового материала также был получен рельеф в форме иголок, сформированных из материала пластины, легированных хромом и кобальтом.

Предлагаемый способ может быть использован для получения изделий различного назначения, например:

а) автоэмиссионные катоды с заданными свойствами, обусловленными использованием различных порошковых материалов;

б) фильтры с катализаторами;

в) фильтры сложных конфигураций;

г) любые решетчатые структуры, в частности многослойные решетчатые

структуры из различных материалов.

Источники информации

1. Патент Российской Федерации №2080971, заявл. 01.06.1994, опубл. 10.06.1997, МПК 6 В 23 К 26/00. «Способ лазерного гравирования»

2. Заявка на изобретение №2003101785, заявл. 22.01.2003, опубл. 27.07.2004, МПК 7 В 23 К 26/18. «Способ формирования микрорельефа поверхности изделий и устройство для его осуществления» - прототип.

Изобретение относится к обработке деталей концентрированным потоком энергии, в частности к способу формирования рельефа на поверхности изделий лазерным лучом, и может быть использовано в любой области техники, применяющей изделия с микрорельефом на поверхности. Подложку устанавливают со стороны формируемого рельефа на расстоянии L≤10 h, где L - расстояние между подложкой и обрабатываемым материалом; h - толщина обрабатываемого материала. После установки подложки осуществляют нагрев обрабатываемого материала лазерным излучением со стороны, противоположной той, на которой формируют рельеф. Нагрев осуществляют до перемещения расплавленного материала в сторону подложки. Подложка может быть выполнена из порошкового материала. После окончания процесса формирования рельефа подложка может быть удалена. Технический результат заключается в расширении технологических возможностей и обеспечении высокой производительности. 2 з.п. ф-лы.

1. Способ формирования рельефа на поверхности изделия, включающий облучение поверхности изделия лазерным излучением и нагрев до расплавления материала изделия, отличающийся тем, что со стороны формируемого рельефа устанавливают подложку на расстоянии L≤10h от поверхности изделия, где h - толщина обрабатываемого изделия, облучение осуществляют со стороны противоположной той, на которой формируют рельеф, а в процессе нагрева обрабатываемого изделия проплавляют его на всю толщину и перемещают расплавленный материал в сторону подложки.2. Способ по п.1,отличающийся тем, что подложка выполнена из порошкового материала.3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что после окончания процесса формирования рельефа подложку удаляют.