Промышленное применение лазеров

Лазерное излучение помимо рассмотренных выше механизмов инициирует целый ряд других эффектов в материале: диффузию элементов, фотохимические реакции и т.п. Таким образом, лазерное излучение можно рассматривать как новый вид универсального тех­ нологического инструмента, который позволяет путем изменения лишь двух технологических параметров (плотности мощности излу­ чения и длительности его воздействия на материал) проводить раз­ личные технологические операции в металлообработке.

Контрольные вопросы

1. Назовите стадии взаимодействия лазерного излучения

свеществом и укажите их энергетические характеристики.

2.От чего зависит эффективность полезного использования энергии лазерного луча?

3.Как влияет длина волны излучения на процесс поглощения?

4.Как зависят отражательная и поглощательная способно­ сти от вида обрабатываемого материала и почему?

5.Влияет ли степень шероховатости поверхности на погло­ щение излучения?

6.Перечислите способы повышения поглощающей способности материала при лазерном облучении.

7.Опишите процесс образования ванны расплава при плавлении материала.

8.Что такое эрозия материала?

9.Перечислите фазы удаления материала под воздействием лазерного излучения.

10.Назовите условия получения высокотемпературной тазмы.

11.Что такое оптический разряд в парах?

4.ПРИМЕНЕНИЕ ПРИБОРОВ

ИУСТРОЙСТВ КВАНТОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

Главная черта современного этапа научно-технического про­ гресса - применение в народном хозяйстве принципиально новых технологий, основанных на самых последних научных достижениях. Возникновение и развитие новых отраслей техники, таких как ин­ форматика, аэрокосмическая техника, ядерная энергетика, современ­ ная биомедицина, а также дальнейшее развитие традиционных от­ раслей машиностроения часто просто невозможны без применения принципиально новых технологий обработки материалов и изготов­ ления изделий. Основные требования к новым технологиям в настоя­ щее время заключаются, прежде всего, в их экологической чистоте, энергетической и ресурсной экономичности, полной автоматизации при сохранении традиционных требований высокой производитель­ ности и максимального экономического эффекта.

Лазерная технология, несомненно, относится к разряду новых технологий, что видно как из фактов расширяющихся применений, так и из ее очевидных преимуществ. Основным преимуществом этой технологии являются экологическая чистота, возможность осуществ­ ления процессов, не доступных большинству других технологий, возможность полной автоматизации и высокая производительность процессов.

Лазерная обработка материалов имеет ряд существенных пре­ имуществ, о которых речь пойдет позднее.

Для определения параметров и режимов лазерного излучения, необходимых для того или иного процесса обработки, следует рас­ смотреть особенности взаимодействия мощного лазерного излучения с обрабатываемыми материалами.

4.1. ВОЗМОЖНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ЛАЗЕРОВ ДЛЯ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ

Дод обработкой материалов подразумеваются различные промышленные операции, в ходе которых лазер используется для плав­ ления или удаления части материала обрабатываемого образца. К числу возможных применений относятся сварка, пробивка отвер­ стий, резка и термообработка материалов, а также подгонка парамет­ ров электронных компонентов.

Для перечисленных применений наиболее важны степень кол­ лимации лазерного пучка и его когерентность. Именно эти свойства позволяют сконцентрировать энергию лазерного источника при по­ мощи линзы и получить чрезвычайно высокие значения плотности мощности в фокальном пятне.

Если мощный пучок излучения воздействует на поверхность об­ разца, то он может' вызвать плавление или испарение материала. Бла­ годаря этому лазер может оказаться очень удобным средством для об­ работки материалов. В настоящее время лазерные методы использу­ ются лишь для специальных видов обработки и не в состоянии полностью заменить обычные методы. Стоимость лазеров пока еще достаточно высока, что требует тщательного выбора области их при­ менения. Если обычные методы обработки экономичны и гаран­ тируют получение хороших результатов, то лазерные методы часто оказываются неконкурентоспособными. Применение лазеров наиболее перспективно в тех случаях, когда использование обычных методов сопряжено с трудностями. Однако постоянное совершенствование ла­ зерной техники ведет к тому, что лазеры становятся конкурентоспо­ собными во многих областях широко распространенных применений.

Развитие лазерной техники позволит создать более удобные и экономичные лазеры. На первых этапах исследований использова­ лись лазеры на рубине и стекле с неодимом. В ряде случаев их приме­

нение оказывалось перспективным, но затраты оставались слишком высокими. Сложившаяся ситуация изменилась с появлением импульс­ ных ССЬ-лазеров, работающих в режиме повторяющихся импульсов, мощных лазеров непрерывного действия на СО2 и АИГ с неодимом, а также лазеров с модуляцией добротности на АИГ с неодимом, рабо­ тающих в режиме повторяющихся импульсов. Перечисленные лазеры открывают возможность создания экономичных методов обработки. В настоящее время для обработки большинства материалов использу­ ются ССЬ-лазеры или лазеры на АИГ с неодимом.

Лишь немногие из современных лазеров пригодны для обра­ ботки материалов. Импульсные лазеры позволяют получать в корот­ ком импульсе значительно большие плотности мощности. Так, на­ пример, небольшие рубиновые лазеры создают на мишени плотность мощности 109 Вт/см2 в импульсе длительностью 1 мс. Ни один дру­ гой источник (за исключением электронного пучка) не в состоянии обеспечить получение столь высокой плотности мощности.

Лазеры на рубине и неодимовом стекле, по-видимому, наиболее удобны в тех случаях, когда требуется получить мощные одиночные импульсы (например, для точечной сварки или пробивки больших от­ верстий). Но наиболее гибкими и экономичными являются лазеры на СО2 и АИГ с неодимом, работающие в различных режимах. Лазеры на СО2 и АИГ с неодимом имеют надежную конструкцию и обладают сроком службы, достаточным для их промышленного применения.

Приведенные в табл. 4.1 результаты характеризуют уровень промышленных лазеров, а не максимально достигнутый уровень. ССЬ-лазеры и лазеры на АИГ с неодимом находят применение почти во всех областях промышленности. Механизмы взаимодействия и способы применения должны изменяться в соответствии с требуемой операцией. Так, выбор режима работы с максимальной пиковой мощностью может повлиять на частоту повторения и длительность импульса.

а длительность находится в пределах КНТОО мкс. Частота повторе­ ния импульсов может достигать 100 Гц при средней мощности лазе­ ра 100 Вт. Пиковые мощности, развиваемые в режиме повторяющих­ ся импульсов, обеспечивают разрушение металлической поверхности в одиночном импульсе, несмотря на большую долю отраженной энергии. Как только началось испарение поверхности, дальнейшее поглощение энергии происходит уже эффективно.

ССЬ-лазер, работающий в таком режиме, может оказаться более эффективным при обработке материалов по сравнению с С02-лазе- рами, имеющими такую же среднюю мощность, но работающими в непрерывном режиме. С02-лазеры, работающие в режиме повто­ ряющихся импульсов, могут оказаться экономичными в эксплуа­ тации. Согласно оценкам стоимость газовой смеси, электроэнергии и текущего обслуживания в расчете на 1 ч работы составляет 1 долл, (это значение может оказаться еще меньше, если осуществить реге­ нерацию гелия из газовой смеси). В течение часа можно обработать несколько сотен деталей, и в результате стоимость обработки одной детали составит долю цента.

Непрерывные С02-лазеры мощностью несколько сотен ватт можно использовать для обработки металлов и сварки тонких метал­ лических листов. Современные С02-лазеры из орудия для лабора­ торных исследований превратились в надежные инструменты, при­ годные для промышленных применений. В настоящее время созданы С02-лазеры с выходной мощностью, достигающей многих киловатт. Уровень мощности имеющихся в продаже лазеров составляет около 1000 Вт. Лазеры большей мощности изготовляются по специальным заказам и стоят значительно дороже.

В табл. 4.1 приведены ТЕА-лазеры на С02 с длительностью им­ пульса 10 мкс. Рабочая смесь таких лазеров содержит относительно

в ряде случаев для пробивки отверстий. В более обычном режиме

работы при длительности импульсов - 100 нс и очень высоких пико­ вых мощностях не рекомендуется использовать ТЕА-лазеры для об­ работки материалов из-за возникновения волн поглощения, которые могут экранировать мишень от падающего на нее излучения.

Длина волны излучения СОг-лазера не является препятствием для его использования. Существующие материалы для ИК-оптики позволяют легко использовать излучение с длиной волны 10,6 мкм. Иногда утверждают, что ССЬ-лазер менее удобен, чем лазер на АИГ с неодимом, поскольку пучок такого лазера невозможно сфокусиро­ вать в небольшое пятно. Обычно это не играет большой роли, по­ скольку из-за конечной теплопроводности обрабатываемого образца излучение распространяется на больший участок по сравнению с тем, на который оно падает. Нередко ширина разреза или сварного шва, получаемая с помощью С02-лазеров, оказывается сравнимой с шириной разреза, получаемой с помощью лазеров с более короткой длиной волны излучения, хотя в тех случаях, когда необходимо по­ лучить фокальное пятно очень малого диаметра, более пригоден ла­ зер на АИГ с неодимом.

В настоящее время созданы лазеры на АИГ с неодимом, рабо­ тающие в режиме модуляции добротности с непрерывной накачкой и повторяющимися импульсами и в режиме непрерывной генерации при мощностях ~ 1000 Вт. Мощные непрерывные лазеры удобны для плавки и испарения металлов, поскольку на длине волны неодимово­ го лазера (Х=1,06 мкм) коэффициенты отражения металлических по­ верхностей не слишком высоки. Однако при больших уровнях мощ­ ности срок службы криптоновых ламп, необходимых для накачки мощных лазеров, невелик, и поэтому стоимость эксплуатации лазе­ ров на АИГ с неодимом при мощности несколько сотен ватт оказы­ вается высокой. При меньших мощностях (по-видимому, начиная с 10 Вт) непрерывные лазеры на АИГ с неодимом могут быть очень экономичными.

В лазерах на АИГ с неодимом, работающих в режиме модуля­ ции добротности с повторяющимися импульсами, источник накачки

включен постоянно, а оптический канал между активным элементом -лазера и зеркалом периодически открывается при помощи акустооптического переключателя. Если необходимо получить лазерный им­ пульс, то с помощью дифракции светового пучка на акустических волнах в преобразователе вызывают отклонение пучка с таким рас­ четом, чтобы он достиг зеркала и возникло лазерное излучение. Дли­ тельность импульса в режиме модуляции добротности составляет несколько сотен наносекунд, а частота повторения таких импульсов достигает нескольких килогерц. Пиковая мощность импульса может достигать нескольких десятков киловатт. Работа лазера на АИГ с не­ одимом в указанном режиме может быть экономичной. В том случае, когда требования к выходной мощности не слишком высоки, стои­ мость эксплуатации такого лазера может быть менее 0,5 долл, в 1 ч.

Лазеры на рубине и неодимовом стекле используются в тех об­ ластях промышленности, где частота повторения импульсов не имеет большого значения. Они пригодны для таких операций, как точечная сварка, но из-за слишком низкой частоты повторения импульсов час­ то не подходят для шовной сварки. В данном случае речь идет лишь о режиме свободной генерации, когда длительность импульса близка к 1 мс. Лазеры, работающие в режиме модуляции добротности, обычно непригодны для этих целей вследствие экранировки поверхности об­ разца испарившимся материалом. Возможности применения лазеров на рубине и неодимовом стекле, работающих в режиме модуляции добротности, для промышленной обработки материалов открывают­ ся не так уж часто.

Обычно плотность мощности в несфокусированном лазерном пучке оказывается недостаточной для нагрева поверхности материала до точки плавления. Кроме того, диаметр такого несфокусированного пучка, типичное значение которого составляет несколько миллимет­ ров, слишком велик для тех случаев, когда размер зоны, подвергаю­ щейся обработке, должен быть малым. Поэтому в большинстве случа­ ев применения лазеров для обработки материалов выходящий из лазе­ ра пучок необходимо фокусировать или концентрировать.

Применение лазеров для обработки материалов имеет целый ряд преимуществ по сравнению с обычными методами обработки:

1.Лазерные методы обработки не требуют вакуума. В боль­ шинстве случаев обработка может проводиться в любой атмосфере, хотя для некоторых химически активных металлов может потребо­ ваться защитная среда.

2.Легкость автоматизации процессов, отсутствие вредных от­ ходов при обработке определяет высокую технологичность лазерно­ го луча.

3.Отсутствует контакт обрабатываемого образца с какими бы то ни было материалами, в связи с чем снижается опасность загрязнения.

4.Размер подвергающейся нагреву зоны, которая окружает об­ рабатываемый участок, достаточно мал. Высокая концентрация под­ водимой энергии и локальность позволяют производить обработку только поверхности участка материала без нагрева остального объе­ ма и нарушения структуры и свойств, что приводит к минимальному короблению деталей. Кроме того, высокая концентрация подводимой энергии позволяет провести нагрев и охлаждение обрабатываемого объема материала с большими скоростями при очень малом времени воздействия.

5.Возможность транспортировать излучение на значительные расстояния и подводить его с помощью специальных оптических

систем в труднодоступные места позволяет производить обработку в тех случаях, когда другие методы применить невозможно. Лазер­ ным пучком можно обрабатывать труднодоступные участки и даже заключенные в оболочку материалы.

6. Лазеры обладают преимуществом при обработке материалов, которые считаются «трудными» с точки зрения обычных методов. С помощью лазеров хорошо обрабатываются твердые, хрупкие и тугоплавкие материалы. В ряде случаев они обеспечивают сварку таких металлов, которые не поддаются сварке обычными методами.

7.Отсутствие приложения механических усилий на обрабаты­ ваемый образец дает возможность обрабатывать хрупкие и ажурные конструкции.

8.Возможность регулирования параметров лазерной обработки

вшироком интервале режимов позволяет разработать ряд методов по­ верхностной обработки, регулировать структуру поверхностного слоя.

9.Лазером можно пробивать отверстия малого диаметра.

10.Высокая производительность процессов. Процесс обработки протекает очень быстро на протяжении - 1 мс.

11.Для лазерной сварки не нужны электроды.

12.Лазерная сварка обеспечивает получение чрезвычайно ма­ лых сварных соединений на хрупких материалах.

13.Экологическая чистота технологии.

14.Быстрая окупаемость капитальных затрат на оборудование (0,5-1 год).

Однако лазерным методам обработки присущи следующие не­ достатки:

1.Ограниченная глубина пробиваемых лазером отверстий, кото­ рая, правда, может быть увеличена за счет повторного воздействия.

2.Переконденсация испаренного материала на стенках и краях отверстия, которая приводит к образованию выступающей закраины вокруг входа отверстия.

3.Стенки отверстия обычно очень неровны.

4.Поперечное сечение пробитого лазером отверстия не являет­ ся идеально круглым, а само отверстие сужается к выходному концу.

5.Методы контроля размеров и допусков пробиваемых лазером отверстий далеки от совершенства.

6.Для того чтобы предотвратить испарение поверхности при лазерной сварке, необходим строгий контроль параметров лазерного импульса.

7.Размер свариваемых образцов и глубина сварного шва отно­ сительно невелики (за исключением лазеров мощностью несколько киловатт).