Промышленное применение лазеров

зависит 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.

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

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.