Промышленное применение лазеров
..pdfзависит от толщины элемента и времени охлаждения, которое необ ходимо для предупреждения возможности растекания модели. Луч лазера нагревает непосредственно поверхность модели, а ее внутрен ние части расплавляются за счет теплопроводности. Из-за низкой теплопроводности материала модели с увеличением ее толщины уве личивается время сварки, что накладывает шраничения на величину энергии луча лазера. Так, средние по величине энергии лучи вызы вают пузырение поверхности при сварке, которое после охлаждения модели проявляется в виде мелких раковин; более высокие по вели чине энергии лучи вызывают испарение материала модели, приво дящее к полостям или раковинам в области шва; при еще больших энергиях луча происходит возгорание и горение материала модели.
Основные требования к сварке моделей с помощью лазера сво дятся к следующему: автоматизации процесса сварки, для чего цен трирующие приспособления должны быть перемещаемыми в гори зонтальной плоскости; обеспечению взаимного вертикального пере мещения приспособлений и луча лазера. Одним из решений этой задачи может быть использование вращающихся столов, которые могут вращаться вокруг вертикальной и горизонтальной осей, луч лазера при этом перемещается по поверхности модели рукой робота. Для управления вращением приспособлений, а также движением ла зера может использоваться микрокомпьютер.
Для обеспечения работы сварочной системы необходимо, что бы части модели прилегали друг к другу с минимальным зазором или вообще без него, кроме того, стыкуемые части должны отвечать по точности. Для исключения влияния этих факторов были проведены работы с изготовлением на соединяемых поверхностях дополнитель ных кромок.
Использование лазера для сварки требует дополнительных меро приятий по охране труда, т.к, лазер даже со средней мощностью может создавать вредную для здоровья концентрацию энергии. Преимущест вом ССЬ-лазера является то, что обычные стекла и пластмассы непро зрачны для волн его длин, и поэтому обычные защитные очки предо храняют глаза от его воздействия. Энергии луча, используемой для
расплавления материала модели, недостаточно для нанесения повреж дений кожному покрову, но непосредственно у источника она доста точна для ожога; проникающей способностью луч лазера не обладает.
Использование автоматической лазерной сварки моделей сни жает стоимость и длительность выполнения этой операции.
4.3. Ра зр а б о тк и И н с ти ту т а про блем л а з е р н ы х
и и н ф о рм а ц и о н н ы х тех н о л о ги й (ИПЛИТ РАН)
Решением Президиума АН СССР в 1979 г. был учрежден Науч но-исследовательский центр по технологическим лазерам (НИЦТЛ РАН). Идея создания Центра принадлежит академику Е.П. Велихову.
Основными задачами НИЦТЛ, согласно его уставу, являлись:
1.Развитие лазерной физики применительно к созданию мощ ных газовых лазеров для технологических целей.
2.Разработка и создание головных образцов технологических лазеров с различными активными средами и различными способами их возбуждения.
3.Исследования эффективных областей применения лазерной технологии.
4.Оказание научно-технической и методической помощи при внедрении лазерной техники в народное хозяйство.
5.Организация и проведение совместно с Минвузом учебно методической работы по подготовке специалистов для использова ния лазерных технологических установок в промышленности.
6.Координация исследований по лазерной технике и техноло гии гражданского назначения в научных учреждениях СССР с целью повышения эффективности этих работ.
7.Проведение патентно-лицензионных исследований, а также издание информационных материалов по технологическим лазерам
иих применениям.
8. Осуществление |
международного |
научно-технического со |
|
трудничества в области |
исследований, |
разработок и изготовления |
|
технологических лазеров. |
|
|
|
9. Организация кооперативных |
связей с промышленностью, |
||
а также передача в промышленность |
разработок технологических |
||
лазеров для их серийного производства. |
|
|
Центр являлся головной организацией МНТК «Технологиче ские лазеры», до 1991 г. серийно выпускавшей промышленное ла зерное технологическое оборудование для обработки материалов. В 1998 г. Центр был переименован в Институт проблем лазерных и информационных технологий (ИПЛИТ РАН).
ИПЛИТ РАН разрабатывает фундаментальные и прикладные проблемы создания лазерных и информационных технологий. Он является одним из ведущих отечественных институтов по разработке мощных технологических С 02-лазеров, а также технологий и обору дования на их основе.
Концепция научной стратегии ИПЛИТ РАН в области техноло гий лазерной обработки материалов ориентирована на востребован ность его разработок со стороны промышленных предприятий непо средственно, прикладных НИИ и КБ. Разработанные институтом вместе с созданной им кооперацией научных и производственных организаций лазерные технологии и оборудование (индустриальные лазеры, комплексы для лазерной обработки материалов) поставляют ся на предприятия России и зарубежных стран.
Основные направления деятельности и наиболее важные ре зультаты исследований института:
1.Лазерно-информационные технологии
-формирование субмикроструктур, создание базовых элемен тов оптоэлектроники и оптических информационных систем;
-методы и интеллектуальные лазерные системы синтеза трех мерных объектов сложной топологии по компьютерным моделям
итомографическим данным, включая системы лазерной стереолито графии;
-методы и системы адаптивной оптики для обработки инфор мации и управления технологическими процессаАми обработки мате риалов;
-метод локальной модификации нанопористых и полимерных материалов, основанный на сверхкритической импрегнации.
Проведен цикл фундаментальных исследований и разработок лазерно-информационных технологий формирования субмикронных структур, создания новых элементов оптоэлектроники и базовых элементов для оптических информационных систем
Разработаны тонкопленочные лазеры с распределенной обрат ной связью. Изготовлен брэгговский резонатор с решеткой первого порядка на гетероструктурах InP/InGaAs и GaAs/GaAlAs. Собран и тестирован одночастотный лазер, излучающий в диапазоне 1,5 мкм (ИПЛИТ РАН).
Разработана концепция лазерно-информационных технологий дистанционного создания трехмерных объектов и биомоделирования.
В настоящее время в институте ведется разработка технологий фемтосекундной наностереолитографии, которая, по оценкам, позво лит изготавливать трехмерные объекты с разрешением в несколько десятков нм.
Недавно была создана установка и разработана технология вы ращивания трехмерных объектов непосредственно из рабочего мате риала (металл, керамика, биосовместимые композиции) путем по слойного спекания порошков.
Разработаны принципы адаптивной коррекции излучения высо комощных промышленных лазеров и лазеров, применяемых в фун даментальных исследованиях.
Разработан новый подход к локальной модификации нанопори стых и полимерных материалов, основанный на сверхкритической импрегнации органических соединений и нелинейном УФ фотолизе импрегрированных соединений. Разработан и создан оптоволокон ный метод денситометрфазового контроля фазового поведения мно гокомпонентных сверхкритических сред.
В интересах разработки оптимальных методов управления про цессами в твердом теле с помощью внешних потоков энергии, вклю чая лазерное излучение, а также для прогнозирования поведения ма териалов, эксплуатируемых в экстремальных условиях, выполнено исследование процессов пространственной и временной самооргани зации нанокластеров и нанодефектов и локализованных структур
вконденсированных средах.
2.Применение лазеров в биомедицине
-лазерно-информационные технологии дистанционного био моделирования трехмерных объектов;
-лазерные системы для трансмиокардиальной реваскуляриза ции миокарда;
-гипертермия хрящевых тканей;
-реконструктивная биотехнология для онкологии;
-лазерные, оптоакустические и оптические приборы медицин ской диагностики;
-синтез новых минерал-полимерных композитов для имплан тологии и тканевой инженерии;
-оптико-информационные методы исследования биообъектов. Проведен широкий цикл исследований и разработок нового по
коления интеллектуальных лазерных медицинских систем и техноло гий для наиболее социально значимых разделов медицины (кардио- и нейрохирургия, онкология).
Разработана и реализована уникальная технология создания ко пий фрагментов человеческого скелета, индивидуальных моделей имплантов и оснастки для их изготовления методом компьютерной
лазерной стереолитографии по входным данным, |
полученным |
с рентгеновских иЯМР томографов, передаваемых |
из различных |
клиник по сетям Интернет.
Разработана уникальная технология, позволяющая исследовать сетчатку глаза методом активной коррекции аберраций глаза. Эта технология дает возможность добиться практически полного устра нения искажений и получать изображения сетчатки с угловым разме
ром до 15+20° и пространственным разрешением 3+4 микрона. Изо бражения регистрируются цифровой фундус-камерой сверхвысокого разрешения. Полученные данные могут быть использованы для на значения и планирования операций лазерной коррекции зрения, точ ного подбора контактных линз, изучения патологий.
Разработаны новые методы модификации пористых материалов с применением сверхкритических сред и формирования и очистки пористых минерал-полимерных композитов с целью создания мате риалов для направленной регенерации костных тканей и имплантан тов нового поколения.
Разработаны методики построения по результатам томографи ческих исследований компьютерных биомоделей в STF формате для различных областей медицины, и создана минерал-полимерная ком позиция для изготовления методом лазерной стереолитографии биосовместимых и биоактивных имплантантов со структурой, подобной структуре костной ткани.
3. Создание технологических лазеров лазерно-компьютерных систем
Для создания мультикиловаттных технологических лазеров с высоким качеством излучения в институте были выполнены фун даментальные исследования неустойчивостей и самоорганизации токовых структур в газовом разряде; исследована роль нелинейных фазовых неоднородностей активной среды; созданы новые высоко эффективные оптические компоненты и системы (преобразователи поляризации, дифракционные зеркала, оптические резонаторы новых схем), разработаны принципы адаптивной коррекции излучения вы сокомощных лазеров.
На сегодняшний день выпущено более 150 лазеров и лазерных тех нологических комплексов, работающих как в России, так и за рубежом.
4.Технологии обработки материалов
-разработка и производство технологических С02-лазеров мощностью 0,5+15 кВт с высоким оптическим качеством излучения;
-технологии лазерной обработки материалов и компьютери зированные лазерные технологические комплексы с системами адап тивного управления для резки, сварки, поверхностной модификации;
-создание и выпуск лазерных оптоэлектронных систем нераз рушающей диагностики подповерхностных структур материалов.
4.3.1. Лазерная модификация поверхности материалов
В результате исследований, проведенных в ИПЛИТ РАН, выяв лены закономерности структурных преобразований в зоне термиче ского влияния различных сталей и сплавов (железо-углеродистых, легированных, а также сплавов алюминия и титана) для каждого ви да обработки поверхности и построена физико-математическая мо дель процесса лазерного термоупрочнения сталей.
Проведена отработка ряда технологических процессов лазерно го упрочнения изделий машиностроения: направляющих обрабаты вающих центров, длинномерных изделий, деталей двигателей внут реннего сгорания. Процессы приняты к внедрению на ПО «Барнаултрансмаш», на Самарском клапанном заводе, Челябинском моторном заводе, на ПО «Коломенский завод». Разработан оригинальный ма нипулятор для лазерной обработкилазерный обрабатывающий центр (ЛОЦ), а также лазерный технологический комплекс для тер моупрочнения колец подшипников турбобуров.
ИПЛИТ РАН, МГТУ им. Н.Э. Баумана и ЦУНИИ КМ «Проме тей» выполнили большой цикл совместных исследований по легиро ванию и наплавке поверхностей сплавов. Разработан ряд технологиче ских процессов по восстановлению деталей судового машинострое ния, восстановления и упрочнения деталей трансмиссий ходовой части бронетехники. Проведены исследования процессов создания композитных металлокерамических материалов. Созданы новые ком позитные высокопрочные толстолистовые материалы с гетерогенным поверхностным слоем толщиной до KR20 мм с повышенной противо ударной стойкостью.
В качестве примера номенклатуры деталей, подлежащих лазер ному упрочнению и наплавки в условиях судоремонта, можно ука зать следующие: головка поршней главных судовых дизелей типа «МАН», «Зульцер», вал ротора газотурбинного нагнетателя, вал вер тикальной передачи двигателя Д100, распределительные валы вспо могательных две.
Проведенные исследования по лазерной наплавке и легирова нию, в том числе закалке из расплава, открывают большие возмож ности для получения положительных структурных изменений в зоне обработки для сталей 20,45,40Х, 38ХМН, 40ХН2МА, 20X13, 40X13, Х18Н10Т, У10, 9ХНФ идр., бронз БрФЖНМуЭ-4-4-1, БрАМу 9-2, БрОЦЮ-2, алюминиевого сплава В-85, а-титановых сплавов и дру гих материалов.
Проведены исследования и разработаны процессы лазерного поверхностного легирования сталей и сплавов, в том числе лазерного борирования и азотирования. Глубина зоны легирования достигает 2-КЗ мм, а твердость 12000-^-20000 МПа. Испытания показали, что ла зерное легирование обеспечивает повышение стойкости сталей к гидроабразивному изнашиванию в 2,8-КЗ ,0 раза, к ударно-абразив ному изнашиванию в 1,5-И,8 раза.
Врамках международной программы «ЭВРИКА» по проекту «Гефест» совместно с институтами Польши и Украины разработаны основы технологии восстановления и увеличения ресурсных харак теристик штампового и металлообрабатывающего инструмента с ис пользованием мощных (до 5 кВт) технологических ССЬ-лазеров.
Впроекте участвовали: Институт обработки металлов, г. Познань (Польша); Технический университет, г. Ченстохов (Польша); ИПЛИТ РАН (Россия); МГТУ им. Н.Э. Баумана (Россия); ИЭС им. Е.О. Патона (Украина); Металлургический комбинат, г. Скочов (Польша). Получены результаты по разработке технологии лазерной модификации поверхно сти (закалка, легирование) штампового инструмента для производства деталей в автомобильной промышленности.
Выбраны и разработаны методики лазерной обработки поверхно стей с использованием мощного технологического СС^-лазера МТЛ-2,5
с уровнем средней мощности излучения до 3,0 кВт и специализирован ного пятикоординатного манипулятора типа ВИСП125-А.
Проведенные исследования показали, что лазерную наплавку из ношенных деталей можно заменить на лазерное легирование тугоплав кими и высокотвердыми компонентами типа мелкодисперсного бора.
Лазерная закалка образцов штампового инструмента показала высокую технологичность процесса. Получена твердость закаленно го слоя (по глубине не менее 0,5 мм) до 60 HRC, что является необ ходимым для эффективной работы штампов. Такая твердость полу чена как в процессе только лазерной закалки, так и в процессе лазер ной закалки после предварительной термообработки деталей.
Учитывая температурный режим и характер ударных нагрузок в условиях работы штампового инструмента, рекомендуется применять предварительную закалку деталей при /зак = 1040 °С с последующим от пуском при = 650°С в совокупности с лазерной обработкой при мощ ности излучения примерно 2 кВт и скорости обработки 1,6 м/мин.
Испытания обработанных на стендах образцов в Институте об работки металлов (Польша) дали положительные результаты.
На основе полученных данных заложены основы разработки конкретных технологий лазерного упрочнения и легирования штам пового инструмента для автомобильной промышленности.
4.3.2. Перспективные процессы лазерной сварки
ИПЛИТ РАН разрабатывает технологию и оборудование для лазерной сварки (ЛС) перспективных материалов и изделий, прежде всего листов из алюминиевых сплавов и стальных труб.
Технология лазерной сварки основана на применении излуче ния мощных СОг-лазеров (единицы и десятки кВт), разработанных и выпускаемых в ИПЛИТ РАН.
Отличительной особенностью сварки мощными лазерами являет ся получение так называемого «кинжального» проплавления, характе ризующегося значительной глубиной при малой ширине шва. В голов
ной части формирующегося шва поддерживается парогазовой канал, обладающий динамической стабильностью, что обеспечивает проник новение лазерного луча в глубь материала. На передней стенке канала происходит плавление, жидкий расплав по стенкам канала переносится
вхвостовую часть ванны расплава и затвердевает, формируя шов.
ВИПЛИТ РАН освоена технология лазерной сварки шестерен коробки передач автомобилей, нержавеющих труб, гидротолкателей топливной аппаратуры, карданных валов, корпусов аэрозольных бал лончиков, корпусов топливных фильтров. Ведутся работы по техноло гии лазерной сварки газо- и нефтепроводных труб, деталей из алюми ниевых сплавов для авиастроения, корпусных деталей из титановых и высокопрочных сталей для оборонной промышленности. Приведем основные параметры процесса сварки для нескольких примеров:
1.Высокоскоростная лазерная сварка толстостенных труб из нержавеющей стали. Диаметр труб до 40 мм, толщина стенок до 5 мм, скорость сварки до 15 м/мин. Лазер ТЛ-5М (трубные заводы в Моск ве и в Днепропетровске).
2.Лазерная сварка несущих алмазный абразив зубьев пил для распиловки камня. Толщина пилы 3^-10 мм. Лазер ТЛ-5М (5 кВт).
3.Высокоскоростная лазерная сварка консервных банок. Тол щина стенок 0,15-Ю,25 мм. Скорость сварки до 30 м/мин. Лазер ТЛ-5М (5 кВт).
4.Лазерная сварка магистральных газо- и нефтепроводов. Толщи на стенок 10-45 мм. Скорость сварки 3 м/мин. Лазер ТЛ-10 (10 кВт).
При разработке технологий лазерной сварки труб ИПЛИТ РАН сотрудничает с ИЭС им. Е.О. Патона в части исследований работо способности сварных соединений.
В институте ведутся также теоретические работы по выявлению механизмов гидродинамических неустойчивостей расплава при глу боком проникновении интенсивного лазерного пучка в металл в про цессе лазерной сварки.