Учебное пособие Санкт-Петербург Издательство спбгпу 2003

Вид материала

Учебное пособие

Содержание 10.3. процессы лазерной технологии Раскрой и резка материалов. Маркирование, гравирование, нанесение и считывание кодированных информационных знаков. Динамическое балансирование. Выращивание трехмерных объектов.

Подобный материал:

• Учебное пособие Издательство спбгпу санкт-Петербург, 1380.47kb.
• Методические указания Санкт-Петербург Издательство спбгпу 2007, 1378.97kb.
• Министерство образования Российской Федерации Санкт-Петербургский государственный политехнический, 2776.63kb.
• Учебное пособие Санкт-Петербург 2011 удк 621. 38. 049. 77(075) Поляков, 643.33kb.
• Учебное пособие Санкт-Петербург Издательство спбгэту «лэти» 2004, 1302.72kb.
• Учебное пособие Санкт-Петербург 2009 удк 802., 485.15kb.
• Учебное пособие Санкт-Петербург Издательство спбгэту «лэти» 2006, 1935.03kb.
• Учебное пособие Санкт-Петербург Издательство спбгэту «лэти» 2006, 648.91kb.
• Новые поступления в библиотеку балтийского русского института, 158.89kb.
• Методические указания Санкт-Петербург Издательство спбгпу 2003, 1310.56kb.

10.3. ПРОЦЕССЫ ЛАЗЕРНОЙ ТЕХНОЛОГИИ

Первые лазеры появились в конце 1950-х гг., однако уже сегодня можно назвать более 350 случаев их применения почти во всех сферах деятельности человека. Среди них наиболее распространена лазерная технология обработки материалов. Наиболее эффективно технологическое применение лазерного излучения в микрообработке (изготовление микроотверстий, пазов, микрофрезерование и пр.); раскрое и резке материалов; упрочняющей поверхностной обработке (закалка, легирование, наплавка, напыление и др.); сварке; маркировании, гравировании, нанесении и считывании кодированных информационных знаков; динамическом балансировании; поверхностной очистке материалов; выращивании трехмерных объектов и т. д.

Микрообработка. Благодаря специфическим свойствам лазерного излучения электромагнитная энергия может быть значительно локализована, что позволяет контролированно удалять микроскопические объемы материала и таким образом выполнять прецизионную обработку. В настоящее время можно получить микроотверстия диаметром до нескольких микрометров в различных материалах. По такой технологии обрабатываются прецизионные отверстия приборных камней, диафрагм, топливных форсунок, разных фильтров, фильер для получения искусственного волокна и пр. Производительность изготовления таких отверстий в зависимости от толщины материала может достигать нескольких тысяч отверстий за секунду. С помощью сканирующего лазерного излучения с большой скоростью можно выполнять сложные профильные пазы в различных деталях микроэлектроники, осуществлять прецизионную подгонку резисторов и т. д.

Раскрой и резка материалов. Применение лазеров при раскрое и резке в настоящее время очень распространено, так как одновременно с высокой точностью и производительностью обработки обеспечивается значительная экономия материала за счет малой ширины реза и рациональной системы раскроя по сравнению с традиционными технологиями. При этом эффективность вырезания изделий сложного профиля при невысокой серийности значительно выше, чем при обычной вырубной штамповке листовых изделий. Для габаритных листовых заготовок сложного профиля со значительным количеством стандартных однотипных элементов (больших отверстий) обработка может выполняться на комбинированном оборудовании типа лазер—пресс, который позволяет с большой эффективностью использовать преимущества двух процессов: традиционного вырубного прессования типовых элементов и гибкого лазерного вырезания сложного профиля. Лазерный раскрой материалов широко применяется в современной автомобильной, аэрокосмической, судостроительной, электротехнической промышленности.

В настоящее время для промышленной резки используется несколько типов лазеров:

• YAG — твердотельные лазеры на основе алюмоиттриевого граната. Накачка активного элемента производится высоковольтными разрядными лампами, непрерывными или импульсными. Режим генерации соответственно может быть непрерывным и импульсным.
  
• YAG с диодной накачкой. Это новый современный вариант лазеров, в которых вместо высоковольтной газоразрядной лампы накачка производится мощными светоизлучающими диодами. Пока они довольно довольно дороги, но зато в системе отсутствуют высокие напряжения, ресурс диодных линеек существенно выше ресурса газоразрядной лампы и лазеры лучше управляются от электронных систем.
  
• СО₂-лазеры. Газовые лазеры на основе смеси газов СО₂–He–N₂. Возбуждение смеси выполняется разными видами электрического разряда в газах. В настоящее время самыми компактными и эффективными являются так называемые щелевые лазеры с накачкой высокочастотным разрядом.
  

YAG-лазеры пригодны только для резки металлов. Импульсные YAG-лазеры режут с высоким качеством не только сталь и титан, но и алюминиевые сплавы. Возможна резка сплавов на медной основе.

СО₂-лазеры пригодны для резки неметаллов (почти любых, не рекомендуется использовать лазерную резку только для ряда материалов со сложной структурой — ДСП, бакелитовые фанеры, граниты) и металлов. Однако для резки металлов нужен достаточно большой уровень мощности (от 500 Вт), а для резки цветных металлов — более 1000 Вт.

Вероятно, что в ближайшие годы лазерная резка будет вытеснять в судостроении (и в других отраслях промышленности) традиционные способы, и особенно там, где нужна точная резка “ в размер”. На толщинах 15–25 мм она станет доминирующей. Повышению точности будет способствовать использование тех же лазерных источников и для лазерной разметки и маркировки.

При оценке преимуществ нового процесса обработки материалов наряду с чисто экономическими показателями следует принимать во внимание высокие качественные характеристики лазерной резки. Отсутствие коробления и грата устраняет необходимость в дополнительных операциях механической обработки кромок и рихтовки заготовок после резки, а также возможность изготовления деталей на окончательный размер под сборку и приводит к резкому сокращению времени изготовления деталей. Это особенно ценно при необходимости срочной поставки изделий.

Сварка. Благодаря высокой концентрации энергии и возможности довольно гибкого управления ею в пространстве и времени лазерный луч стал универсальным термическим источником для выполнения неразъемных соединений из различных материалов. В настоящее время с его помощью можно соединить тонкий проводник диаметром в несколько микрометров с металлической микропленкой. Лазерным лучом можно сваривать и стальные детали толщиной более десятка сантиметров с довольно высоким качеством соединения, которого нельзя достичь другими методами сварки. Кроме соединений сталей разных типов лазерная технология оказалась очень эффективной при сваривании алюминия и алюминиевых, а также титановых сплавов. В результате качественной сварки металлических листов разной толщины создана новая технология штампования крупногабаритных деталей сложной пространственной формы и листовых заготовок разной толщины. Эта технология актуальна в автомобильной и аэрокосмической промышленности.

При сварке корпусов автомобилей использование лазерной сварки вместо традиционно применявшейся контактной сварки позволяет значительно повысить коррозионную стойкость кузовов. В частности, после перехода фирмы “Фольксваген” на лазерную сварку стойкость от сквозной коррозии кузовов возросла до 12 лет.

Наряду с технологиями лазерной сварки в автомобильной и судостроительной промышленностях все более широкое применение находят технологии лазерно-дуговой сварки, когда излучение СО₂ лазера комбинируется с воздействием сварочной электрической дуги. Обеспечивая качество сварных швов, практически не уступающее лазерной сварке, такая технология позволяет получить значительный выигрыш в производительности и экономической эффективности процесса.

Одним из новых способов использования прецизионной лазерной сварки является фиксация элементов магнитных цепей электротехнических изделий, которая приводит к совершенствованию технологии изготовления роторов электродвигателей, трансформаторов и т.п. Лазерная сварка открывает новые возможности для получения качественного термического соединения пластмасс, керамических и композиционных материалов.

Маркирование, гравирование, нанесение и считывание кодированных информационных знаков. Лазерная технология позволяет проводить маркирование на любых материалах бесконтактно и с очень большой скоростью при обеспечении чрезвычайно высокого качества. Маркировку можно осуществлять не только на поверхности, но и внутри материала, прозрачного для лазерного излучения. Например, идентификационный номер микроскопических размеров может быть нанесен внутри дорогостоящего бриллианта, без потери его товарного вида и с гарантией сохранения этого номера практически навсегда. Менее экзотической сферой применения такого процесса является маркирование деталей микроэлектроники, электротехники, приборов, разного типа инструментов и т. п. Выполнение художественных надписей, рисунков, различных гравировальных работ широко зарекомендовало себя в ювелирной промышленности. Нормальное функционирование современной торговой сети было бы просто невозможным без использования лазерного нанесения и особенно лазерного считывания кодированной информации на каждом изделии. Лазерная технология позволяет обеспечить также надежный оперативный контроль, регистрацию и управление перемещением товаропотоков не только в границах отдельной торговой единицы, но и системы, региона, страны и т.д.

Лазерная технология привела к революции в области нанесения, сохранения и считывания аудио- и видеоинформации. Лазерные компакт-диски могут содержать огромные объемы информации в виде кодированных двоичных знаков, нанесенных лазерным лучом на пластмассовый диск, и обеспечивают практически идеальное качество записи и воспроизведения этой информации.

Динамическое балансирование. Ряд современных очень ответственных прецизионных изделий имеет узлы, которые требуют специфической операции — динамического балансирования, т. е. полного удаления лишней массы с поверхности узла или детали, вращающейся с большой скоростью, для обеспечения стабильной работы изделия. К таким изделиям можно отнести судовые и авиационные гироскопы, скоростные электродвигатели и т. п.

При традиционных методах балансирования сначала определяется нахождение дисбаланса, а затем в состоянии покоя (узла, детали), проводится устранение дисбаланса, как правило, механической обработкой. Лазерная технология позволяет соединить в одном процессе операцию определения дисбаланса и его значения с операцией прецизионного удаления лишней дисбалансирующей массы. Благодаря этому достигается значительная экономия времени (1–2 ч), так как некоторые ответственные приборы для выхода на рабочий режим (несколько десятков тысяч оборотов в минуту) требуют до 1 ч и столько же для своей остановки. Применение лазерного динамического балансирования не только дает значительную экономию времени, но и обеспечивает большую точность удаления массы (до нескольких миллиграммов или даже десятых долей миллиграмма).

Созданные системы лазерного динамического балансирования позволят значительно повысить качество гироскопов, скоростных электродвигателей и т. п. и, следовательно, надежность и срок эксплуатации, а также намного уменьшить себестоимость их изготовления.

Выращивание трехмерных объектов. В классической технологии изготовления детали (изделия) в промышленности предусматривается удаление лишнего материала с заготовки для получения детали нужной формы, размеров и качества. Развитие лазерной техники позволило разработать принципиально новую технологию создания деталей сложной пространственной формы, при которой деталь выращивается из материала поэлементно, слой за слоем соответственно образу, формализованному в памяти компьютера. Материалом при реализации таких технологий могут быть: полимерные вещества; бумажные или картонные ленты, обработанные клеевым составом; металлическая лента с легкоплавким покрытием; металлический порошок или специальные композиции и пр.

В настоящее время процессы выращивания трехмерных объектов постепенно выходят из стадии экспериментальной проверки и внедряются в производство. Эта технология особенно актуальна для таких динамично развивающихся областей производства, как авиа- и автомобилестроение, электронное машиностроение, инструментальная промышленность, изготовление космической техники и т. п. Так, по сравнению с традиционными методами моделирования деталей и узлов новая технология “выращивания” объектов в американской компании General Motors позволяет сэкономить 60–80 % времени и средств. Например, при изготовлении модели корпуса коробки передач тепловоза затраты времени снижаются с шести месяцев до 400 часов (16,6 дня). Лазерная технология позволяет оперативно реализовать огромное разнообразие сложных пространственных деталей любого дизайна с минимальными затратами, воплотить самые необычные фантазии клиента.

Лазерные диоды используются в геодезических инструментах, лазерных строительных уровнях, прицелах для стрелкового оружия.

В печатных машинах используются СТР-технологии (компьютер—пластина или компьютер—пресс), решетка лазеров мощностью 1 Вт засвечивает термочувствительную печатную пластину, перенося на нее изображение, записанное в цифровом виде в компьютерном файле. Это существенно уменьшает трудо- и материалоемкость процесса печати, увеличивая производительность, но перевод на них обычной печатной машинки требует существенных капиталовложений.

Световодные лазеры с полупроводниковой накачкой обладают высокой когерентностью излучения и почти идеальными эксплуатационными характеристиками, конкурируя с газовыми и твердотельными лазерами. Этот тип лазеров решает задачу повышения частоты при одновременном расширении рабочей полосы в системах передачи информации.

Ключевой энергетический элемент световодного лазера — полупроводниковый диод, активная зона которого (p–n-переход) допускает повышение плотности мощности накачки на пять-шесть порядков больше, чем для других лазерных сред, использующих газ или кристалл. Вторым преимуществом является высокий КПД преобразования энергии накачки p–n перехода в лазерное излучение (50–70 %). Эти достоинства были использованы при создании высококачественных и надежных изделий — лазерных усилителей и генераторов, таких как “ЛАУТ-Н1”. Перечислим основные технические характеристики этой установки:

• зона обработки 400х400 мм;
  
• максимальные размеры обрабатываемой заготовки 0,7х1,2 м;
  
• позиционная точность 20 мкм;
  
• максимальная рабочая скорость 2,5 м/мин.
  

Лазерная хирургия — один из наиболее ярких примеров использования высоких технологий в медицинской практике. Лазерный луч как режущий инструмент используется:

• при стерилизации гнойных ран, профилактике возможного заражения послеоперационных ран;
  
• при коагуляции мелких сосудов в зоне разреза, позволяющей проводить рассечение кровенаполненных органов, уменьшить потерю крови;
  
• при уменьшении операционных и послеоперационных болей;
  
• при сокращении послеоперационного периода и сроков лечения;
  
• при дозировании воздействия, что упрощает технику хирургического вмешательства.
  

Кроме того, лазерные источники излучения позволили создать новые эффективные малоинвизивные технологии (термотерапия, каналирование и перфорация мягких и костных тканей, фотодинамическая терапия и т. д.), что нашло широкое применение в онкологии, отоларингологии, дерматологии, кардио- и нейрохирургии, косметологии и других отраслях медицины.