Технологические процессы лазерной резки
Успехи по созданию и применению лазерной резки на практике за период почти 40 лет поистине превзошли все ожидания. Уже в 1962 г., спустя лишь 1,5 года после создания первого лазера, фирма «Спектра физикс» (США) поставила на рынок первые коммерческие лазеры. Множество модификаций и типов конструкций лазеров трудно поддается учету и анализу. Самый миниатюрный лазер имеет длину несколько микрон, самая крупная по габаритам лазерная установка «Нова» в Национальной лаборатории Лоуренса Ливермора в США — 137 м и суммарную мощность 1014 Вт. Она используется для фокусировки излучения на смеси дейтерия и трития при термоядерном синтезе. Самый мощный лазер Европы «Астерикс» в институте Макса Планка имеет мощность 1012 Вт, работает на атомах йода с накачкой светом фотовспышек.
Области применения лазеров и лазерной техники еще более многочисленны, чем разнообразие их конструкций. Всего насчитывается несколько сотен областей использования лазеров на практике. Наиболее массовой областью использования лазерной техники является в настоящее время лазерная обработка материалов, в основе которой лежит в большинстве случаев тепловое воздействие лазерного излучения.
Создание в 70-х гг. газовых лазеров непрерывного действия повышенной мощности (свыше 1 кВт) открыло новые перспективы в применении лазерной техники. С их появлением область использования лазерного луча для обработки материалов расширилась от микроэлектроники и приборостроения до многих энерго- и материалоемких отраслей промышленности, таких как машиностроение, электротехническая промышленность, металлургия и т.д. Этому способствовали уникальные свойства лазерного излучения как инструмента при обработке материалов. Высокие плотности мощности лазерного излучения, существенно превосходящие другие источники энергии (до 108-109 Вт/см2 в непрерывном режиме и до 1016-1017 Вт/см2 в импульсном режиме), позволяют не только значительно увеличить производительность обработки, но и получать качественно новые результаты по свойствам обрабатываемых материалов. В этой связи лазерный луч как источник нагрева при термической обработке материалов имеет как общие особенности, свойственные всем другим высококонцентрированным источникам, так и свои специфические преимущества, среди которых можно выделить две большие группы.
1. Высокая концентрация подводимой энергии и локальность. Это позволяет произвести обработку только локального участка материала без нагрева остального объема и нарушения его структуры и свойств, что приводит к минимальному короблению деталей. В результате достигаются экономические и технологические преимущества. -Кроме того, высокая концентрация подводимой энергии позволяет провести нагрев и охлаждение обрабатываемого объема материала с большими скоростями при очень малом времени воздействия. В результате открывается возможность получения уникальной структуры и свойств обработанной поверхности.
2. Высокая технологичность лазерного луча, что подразумевает возможность регулирования параметров обработки в очень широком интервале режимов, легкость автоматизации процесса, возможность обработки на воздухе, исключение механического воздействия на обрабатываемый материал, отсутствие вредных отходов, возможность транспортировки излучения и др.
В результате удается реализовать такой широкий круг технологических процессов и методов обработки материалов (сварка, наплавка, маркировка, закалка, резка и др.), который недоступен другим видам инструмента.
Благодаря созданию надежного и достаточно экономичного лазерного оборудования в 70-80-х гг. возникла новая промышленная технология — лазерная технология обработки материалов.
Всемерное развитие лазерной техники и технологии является сейчас одним из приоритетных направлений ускорения научно-технического процесса, важным фактором интенсификации различных областей промышленности. До настоящего времени выполнен большой объем исследований по применению лазеров в обработке материалов, сформированы основные научные направления, получен большой материал по работе лазерной техники в промышленности.
Рассмотрим особенности конкретных технологических процессов лазерной обработки материалов.
Фигурная резка древесных материалов. Этот процесс широко используется на многих малых предприятиях при изготовлении наличников, карнизов, кронштейнов, мебели и кухонных изделий, шкатулок, сувениров и художественных изделий, эмблем и товарных знаков из драгоценных пород дерева. Раскрой материалов из доски, фанеры, древесно-стружечных плит толщиной до 40 мм осуществляется по сложному программируемому контуру при скорости реза до 3 м/мин. Особый интерес представляет при этом изготовление художественного инкрустированного паркета.
Резание металлов. Лазерная резка стальных листов толщиной до 6 мм по сложному контуру является наиболее распространенным технологическим процессом лазерной обработки в промышленности. Ее применяют для вырезки таких деталей, как прокладки, кронштейны, панели, приборные щитки, двери, декоративные решетки, дисковые пилы. Весьма эффективным оказалось применение лазерной резки фигурных изделий на стадии освоения новой продукции, так как из-за высокой гибкости лазерного оборудования значительно сокращаются сроки освоения изделий. В этих условиях лазерная резка экономичнее резки водяной струей и эрозионной проволокой. В настоящее время высокими темпами развивается резка пространственных изделий, в том числе с использованием роботов-манипуляторов, при этом лазерное излучение к зоне обработки может передаваться по гибкому оптоэлектронному лучепроводу.
Резка неметаллов и труднообрабатываемых материалов. Как показала практика, лазерное излучение может эффективно использоваться для раскроя неметаллических материалов: оргстекла толщиной до 50 мм, фторопласта до 30 мм, стеклотекстолита, гетинакса, полиэтилена, поливинилхлорида до 2 мм, асбоцемента, базальтовых тканей, тканей для бронежилетов, кожи, картона для упаковки, керамики, ситалла, ковров и текстиля. Разработаны экономичные методы резки и термораскалывания стекла, в том числе и по сложному контуру.
Сварка. Лазерной сваркой достаточно просто формируются соединения из углеродистых и легированных сталей толщиной обычно до 10 мм. Наиболее полно преимущества лазерной сварки реализуются при сварке тонких изделий (до 1 мм): электроконтактов, корпусов приборов, батарей аккумуляторов, сильфонов, переключателей, сердечников трансформаторов. Проводится высококачественная сварка ювелирных изделий из золота, платины -(цепочек, колец), а также сварка термопар, -токовводов и т.д.
Маркировка. Этот процесс получил распространение при нанесении размерных шкал на мерительный инструмент, изготовлении табличек и указателей, маркировке изделий (инструмента, подшипников) и товаров, изготовлении сувениров в виде значков или в виде объемных рисунков внутри стеклянных изделий. Процесс маркировки деталей приборов высокопроизводителен и отличается малой стоимостью. Все больше места в общем объеме процессов находит декоративная гравировка: нанесение художественных рисунков на панно, элементы мебели, стекло, кожу и т.д.
Пробивка отверстий. С помощью этого метода можно получать отверстия диаметром 0,2-1,2 мм при толщине материала до 3 мм. При соотношении высоты отверстий к их диаметру 16:1 лазерная пробивка превосходит по экономичности почти все другие методы. Объектами применения этой технологии являются: сита, ушки игл, форсунки, фильтры, ювелирные изделия (подвески, четки, камни). В промышленности с помощью лазеров осуществляется пробивка отверстий в часовых камнях и в волочильных фильерах, причем производительность достигает 700 тыс. отверстий в смену.
Лазерная закалка. Воздействие лазерного излучения на поверхность сплавов позволяет получить глубину упрочнения до 1,5 мм при ширине единичных полос 2-15 мм. Обработке обычно подвергаются детали, работающие в условиях интенсивного износа: направляющие станков, детали двигателей, кольца подшипников, валы, барабаны, запорная арматура, режущий инструмент, штамповая оснастка. Обычно достигается увеличение стойкости изделий в 1,5-5 раз.
Легирование и наплавка. С помощью этих процессов на поверхности сплавов получают слои с уникальными свойствами: высокой износостойкостью, теплостойкостью и т.д. Наибольшее распространение получает лазерная наплавка с целью восстановления изношенных деталей машин: распредвалов, коленвалов, клапанов, шестерен, штампов. Процесс отличается минимальными деформациями детали и повышенной износостойкостью поверхности.
Процессы микрообработки. Высокая степень автоматизации в последние годы позволила вновь на новой стадии использовать на практике такие процессы, как подгонка номиналов резисторов и пьезоэлементов, отжиг имплантированных покрытий на поверхности полупроводников, напыление тонких пленок, зонная очистка и выращивание кристаллов. Возможности многих процессов к настоящему моменту еще не до конца раскрыты.
Лазерная стереолитография. Суть этой технологии состоит в послойном изготовлении вещественных копий компьютерных образов деталей, формируемых с помощью пакетов трехмерной графики. Конкретно технология включает в себя следующие этапы: создание компьютерного образа детали при разбиении его на тонкие поперечные сечения, последовательное воспроизведение этих поперечных сечений при полимеризации поверхности жидкой фотополимеризующейся композиции сфокусированным лазерным излучением, перемещающимся по этой поверхности. Каждый полимеризующийся слой имеет свою сложную конфигурацию, макет изделия формируется при последовательном наложении слоев. Поскольку сфокусированное излучение имеет размеры в несколько десятков микрон и скорость его перемещения может достигать 1 м/с, то можно говорить о создании высокоточной сверхскоростной компьютерной технологии воспроизведения формы пространственных объектов. Для логического завершения этой проблемы необходима реализация последнего, очень важного этапа: превращения полимерных объектов в детали машин или другие изделия, отвечающие определенным требованиям, например, из различных сплавов. Таким процессом, завершающим цикл прототипирования, может быть процесс литья.
Разрабатываемые перспективные технологии. Среди разработок новых техпроцессов большое место занимают комбинированные методы обработки, где воздействие лазерного излучения совмещено с другими техпроцессами. Так, использование лазерного луча совместно с электрической дугой, плазменной струей или газовой горелкой позволяет в несколько раз повысить эффективность воздействия, то есть увеличить толщину сварки, резки или закалки. Применение лазерного излучения при механической обработке металлов и сплавов позволяет поднять производительность в несколько раз, улучшить качество обработки. Применение пластического деформирования сплавов перед или после лазерной закалки позволяет получить новые свойства поверхности. Интенсивно развиваются методы лазерной обработки тонкостенных листовых материалов для формирования объемных конструкций вследствие направленного деформирования. Известны работы в нашей стране и за рубежом по скоростной лазерной обработке поверхности электротехнических сталей и сплавов для изменения электромагнитных свойств. Большой интерес представляют процессы, основанные на инициировании химических реакций на поверхности материалов, в частности, реакций восстановления металлов, синтеза нитридов, карбидов и других соединений. С успехом проведены работы по очистке от загрязнений и окислов произведений искусства под воздействием лазерного излучения, а также по очистке поверхностей от лакокрасочных покрытий. Имеются проекты по использованию лазерного луча для разрушения горных пород при их бурении, для вскрытия льда на трассе ледокола и даже для выпечки хлеба.
Таким образом, теория и практика лазерной обработки материалов подтверждает огромные возможности лазерных технологических процессов, которые позволяют эффективно решать крупные производственные задачи. При этом применение лазерной техники выводит производство на новый высокоинтеллектуальный уровень, на уровень технологий будущего столетия.
