История и технологии лазерной резки

[Alex Reklab 122]

Предыстория

 

За 40 лет со времени изобретения технологии лазерной резки сфера ее применения, и создание различных видов лазеров достигли внушительных масштабов. Менее двух лет после появления первого лазера понадобилось специалистам американской фирмы «Спектра физикс», чтобы разработать и выпустить первые образцы коммерческих лазерных установок. За все это время создано такое количество типов лазеров, что их трудно перечислить. Среди них установки, поражающие не только своими возможностями, но и размерами. Это микроскопический, размером всего в несколько микрон, лазер, который считается самым миниатюрным в мире, и огромная 137 –ми метровая «Нова» - лазерная установка в американской Национальной лаборатории Ливермора, общая мощность которой составляет 1014 Вт. Она применяется при термоядерном синтезе для облучения смеси дейтерия и трития. Еще более мощный лазер, рассчитанный на 1012 Вт, находится в институте Макса Планка. Это йодный «Астерикс», через оптический резонатор которого пропускают излучение фотовспышек.

 

Но область применения лазеров и созданной на их основе техники намного шире, чем многообразие их схем и конструкций. Лазерная техника применяется в сотнях различных областей науки и промышленности, но самой востребованной сегодня является лазерная обработка всевозможных материалов. Эта технология использует, главным образом, тепловое воздействие излучения лазера.

 

Сфера использования лазерной техники значительно расширилась после создания в 70-х годах прошлого века лазеров с газообразной активной средой, работающих в непрерывном режиме, мощность которых составила более 1 кВт. С этого момента появилась возможность внедрения технологии обработки материалов лазером в таких отраслях промышленности, как микроэлектроника, металлургия, машиностроение и т.д. благодаря уникальной способности лазера обрабатывать различные по свойствам и строению материалы, при этом производительность обработки значительно увеличивается, по сравнению с другими методами. Такой результат получается за счет высоких показателей плотности мощного лазерного излучения, которая, как в непрерывном, так и в импульсном режиме существенно превосходит остальные источники энергии (до 109 и 1016 Вт/см2 соответственно). При этом обрабатываемые материалы получают качественно новые свойства.

 

Если рассматривать луч лазера, как источник энергии, то он, наряду с особенностями, присущими всем высококонцентрированным источникам, имеет и специфические преимущества, которые можно разделить на две крупные категории.

 

Локальность и высокая плотность подводимой энергии.

 

Благодаря этому можно производить обработку не всего объема, а лишь определенного участка материала. Поэтому нагревается только конкретный участок, а остальная часть сохраняет структуру и свойства неизменными, снижая риск коробления деталей. В этом заключаются технологические и экономические преимущества данного метода. Кроме того, за счет высокой плотности подводимой энергии, нагрев и охлаждение материала происходят очень быстро при кратковременном воздействии. Это дает возможность уникальным образом изменить свойства и структуру обрабатываемой поверхности.

 

Технологичность лазера.

 

Это качество открывает широкие возможности для автоматизации процесса обработки, регулирования ее параметров в большом диапазоне режимов, обработки материала без механического воздействия на него, проведения операций на открытом воздухе, исключения вредных отходов, транспортировки луча и т.д.

Таким образом, теперь доступны многие технологические процессы и возможность применения большого числа способов обработки материалов, нереальных при использовании других инструментов (наплавка, сварка, закалка, маркировка, резка и т.д.)

 

Создание высокотехнологичного, надежного, экономичного лазерного оборудования стало началом возникновения принципиально новой технологии – обработки материалов с помощью лазерного излучения.

 

В настоящее время во многих отраслях промышленности начинают внедряться новейшие разработки из области лазерных технологий, что способствует ускорению научно-технического прогресса и более интенсивному развитию промышленного производства. Уже проведено огромное количество исследований по применению лазерного излучения для обработки материалов, наработан практический опыт использования лазерной техники на различных производствах, определены главные направления научных разработок в этой сфере.

Рассмотрим особенности применение лазерной обработки материалов в конкретных технологических процессах.

 

Резка металлов.

 

Одним из наиболее востребованных в промышленности технологических процессов обработки является резка лазером по сложному контуру листов стали толщиной до 0,6 см. Этим способом вырезают такие сложные детали, как кронштейны, прокладки, панели, двери, приборные щитки, дисковые пилы, декоративные решетки. Возможность быстрой перенастройки лазерного оборудования позволила повысить эффективность освоения производства новых фигурных изделий. Как показала практика, в этом случае лазерная резка существенно экономичнее применения для этих же целей эрозионной проволоки и водяной струи. В последнее время все быстрее развивается обработка пространственных изделий с вовлечением в этот процесс роботов-манипуляторов. При проведении данных операций луч лазера в обрабатываемой зоне может передаваться по оптоэлектронному проводнику.

 

Фигурная обработка древесины.

 

Многие малые предприятия, производящие мебель, карнизы и наличники, кронштейны, сувенирную и художественную продукцию, изделия из ценных пород древесины, заинтересованы во внедрении этого процесса. Технология раскроя древесных материалов толщиной до 4 см основана на резке по сложному контуру со скоростью до 3 м/мин. Очень актуален этот метод при изготовлении художественного паркета с инкрустированной поверхностью.

 

Лазерная резка неметаллических труднообрабатываемых материалов.

 

Фторопласт (до 3 см), оргстекло (до 5 см), гетинакс, стеклотекстолит, поливинилхлорид (до 0,2 см), полиэтилен, асбоцемент, базальтовые ткани, кожа, материалы для бронежилетов, упаковочный картон, ситалл, керамика, текстиль и ковры легко режутся с помощью лазера. Эффективность этого процесса доказана на практике. Разработана и уже применяется экономичная технология термораскалывания и резки стекла, особенно этот способ ценен для резки по сложному контуру.

 

Маркировка.

 

Маркировка с использованием лазерной технологии находит широкое распространение при изготовлении размерных шкал для мерительного инструмента, производстве табличек и указателей, сувенирных значков, нанесении технологических пометок на инструмент, создании объемных изображений внутри стеклянных изделий. Себестоимость процесса маркировки мала, а производительность при этом достаточно высокая. Все чаще стал использоваться лазер для нанесения декоративной гравировки на панно, мебель, кожу, стекло и т.д.

 

Лазерная сварка.

 

Этим методом легко соединяются элементы из легированных и углеродистых сталей толщиной до 1 см. Особенно эффективна сварка лазером при формировании соединений изделий толщиной до 0,1 см – корпусов батарей аккумуляторов, приборов, сильфонов, переключателей, электроконтактов, трансформаторных сердечников, термопар, токовводов, золотых и платиновых ювелирных изделий и т.д.

 

Закалка лазером.

 

Воздействуя излучением лазера на поверхность сплавов, удается получить глубину упрочнения до 0, 15 см, ширина единичных полос при этом составляет от 0,2 до 1,5 см. Обрабатывая таким образом детали двигателей, направляющие станков, валы, кольца подшипников, запорную арматуру, барабаны, штамповую оснастку и режущий инструмент, т.е. детали, подвергающиеся интенсивному износу, добиваются увеличению их износостойкости от полутора до пятикратной величины.

 

Пробивка отверстий.

 

Размер отверстий, которые пробивает лазер в материале толщиной до 0,3 см, составляет 0,02-0,12 см. Лазерный метод пробивки отверстий, высота которых в 16 раз превышает их диаметр, оказывается экономичнее всех остальных методов. Данная технология используется при изготовлении игл, форсунок, фильтров, ювелирных изделий. При промышленной пробивке лазером отверстий в камнях для часовых механизмов и волочильных фильерах, производительность достигает 700 тысяч отверстий за рабочую смену.

 

Процессы микрообработки.

 

В настоящее время еще не до конца раскрыты все возможности использования лазерной обработки в микроэлектронике, но на практике уже широко применяются такие технологические процессы, как отжиг внедренных покрытий на поверхности транзисторов, диодов и других полупроводников, тонкопленочное напыление, подгонка номиналов пьезоэлементов и резисторов, выращивание кристаллов и зонная очистка.

 

Легирование и наплавка.

 

В результате лазерной обработки на поверхности сплавов удается получить слои, отличающиеся повышенной износостойкостью, устойчивостью к повышенным температурам и другими уникальными свойствами. Особенно востребована лазерная наплавка, позволяющая продлить эксплуатацию изношенных деталей машин и механизмов – клапанов, коленвалов, распредвалов, штампов, шестерен за счет повышения износостойкости поверхности. При этом детали практически не деформируются.

 

Лазерная стереолитография.

 

Эта технология заключается в изготовлении детали, спроектированной на компьютере с помощью пакета трехмерной графики, путем последовательного выращивания ее тончайших слоев. Поэтапно этот процесс выполняется следующим образом. Сначала создается трехмерный компьютерный образ изделия и разбивается на последовательность тонких поперечных слоев с заданным шагом. Затем эти поперечные сечения последовательно воспроизводятся из жидкой фотополимеризующейся композиции (ФПК). Полимеризация слоев происходит под воздействием сфокусированного лазерного излучения, движущегося по поверхности ФПК. Законченный макет изделия образуется из последовательно наложенных слоев, имеющих сложную конфигурацию. Размеры сфокусированного излучения составляют десятки микрон, а скорость движения лазера достигает 1 м/с. Т.е. данная компьютерная технология создания пространственных объектов является высокоточным сверхскоростным методом. Завершающим этапом этого технологического процесса является преобразование полученных полимерных образов в различные изделия. Этим этапом, логически завершающим процесс стереолитографии, может быть литье.

Перспективные технологии, использующие лазерное излучение. Одним из наиболее перспективных направлений в технологии лазерной резки являются комбинированные методы обработки. Это подразумевает совместное использование лазерного луча и других технологических процессов. Например, толщину сварки или закалки можно увеличить, если лазерный луч использовать совместно с плазменной струей, электрической дугой или газовой горелкой, отчего эффективность его воздействия увеличивается в несколько раз. Если до или после лазерной закалки сплавов применить пластическую деформацию, то их поверхность приобретет новые полезные свойства. Сейчас быстрыми темпами развиваются технологии совместного использования лазерной обработки и направленного деформирования тонкостенных листовых материалов для создания объемных конструкций. Если лазерное излучение применять в процессе механической обработки металлов и сплавов, то в разы можно улучшить качество обработки и поднять ее производительность.

В нашей стране и за рубежом уже изданы работы по скоростной обработке лазерным излучением поверхностей электротехнических сплавов и сталей, в результате чего изменяются их электромагнитные свойства. Очень перспективным является изучение процессов, основанных на возбуждении химических реакций на поверхности различных материалов. Например, большой интерес представляют реакции синтеза карбидов, нитридов, а также восстановления металлов. Достигнуты успехи в проведении реставрационных работ, в процессе которых с поверхности произведений искусства с помощью лазера были сняты окислы и загрязнения, а также очищено лаковое покрытие картин. Созданы проекты по применению лазерного излучения для разрезания льда по ходу следования ледоколов, разрушению горных пород, их бурению, и даже в хлебопекарной промышленности.

В итоге можно сказать, что изучение и применение на практике лазерной технологии обработки материалов обеспечивает условия для эффективного развития промышленности, при этом производство меняется коренным образом и выходит на более высокий интеллектуальный уровень, который характеризуется применением технологий будущего.

 

Реклаб 2005-2013