Промышленное применение лазеров

8.Высокая стоимость обработки. Она может оказаться наиб лее серьезным недостатком. Во многих случаях лазерная обработка является слишком дорогой, хотя и обеспечивает хорошее качество.

Кчислу условий, в которых может потребоваться лазерная об­ работка, относятся следующие:

1.Необходимость обеспечить малый размер зоны нагрева.

2.Требование отсутствия электрического заряда на обрабаты­ ваемом образце.

3.Сложность обработки выбранного материала (например, пробивка отверстий в керамике).

На раннем этапе развития лазерной техники лазеры были очень сложным инструментом. С их помощью можно было продемонстри­ ровать техническую осуществимость рассматриваемой операции, но они не годились для постоянного использования в условиях поточно­ го производства. Однако с течением времени в разработке и изготов­ лении лазеров был достигнут существенный прогресс. Срок службы серийно изготовляемых лазеров позволяет использовать их в услови­ ях заводских цехов, а стоимость их обслуживания не слишком высо­ ка. В настоящее время лазеры повседневно используются в ряде от­ раслей промышленности. Конечно, лазеры не занимают ведущего положения во всевозможных вариантах сварки, резки и подгоночных операций, которые используются в промышленности. Основные об­ ласти их применения, по-видимому, останутся связанными с обра­ боткой небольших образцов и теми случаями, когда применение обычных методов обработки затруднительно.

Чаще всего лазер используется не как самостоятельный инст­ румент, а в сочетании с другим оборудованием. В этих случаях для достижения желаемого результата от применения лазера необходимо обеспечить совместную работу всех элементов используемого обо­ рудования. Следует помнить о том, что лазер является всего лишь одним из элементов системы и сам по себе не в состоянии полностью выполнить требуемую операцию. В состав системы входят лазер, фокусирующая оптика, устройства контроля энергии, средства креп­

ления и передвижения образца, сам обрабатываемой образец и уст­ ройства, обеспечивающие безопасность эксплуатации. В ряде случа­ ев предусматриваются средства для наблюдения за воздействием пучка на образец, а иногда программно-управляемее устройства для автоматического перемещения образца. Все перечисленные элемен­ ты взаимосвязаны. Так, например, излучение лазера контролируется с помощью измерителя мощности, а результат измерения использу­ ется, в свою очередь, для изменения уровня выходного сигнала с та­ ким расчетом, чтобы получить желаемый эффект. Кроме того, пара­ метры отдельных элементов должны выбираться таким образом, чтобы максимально соответствовать выбранному лазеру. Например, характеристики пропускания и диаметр используемой оптики следу­ ет выбирать в соответствии с принятой моделью лазера. Для того чтобы прийти к успешному результату, потребитель должен тща­ тельно продумать конструкцию и отобрать все элементы системы.

Не следует забывать также о двух следующих обстоятельствах: 1. Не всегда существует возможность полностью защитить весь оптический путь. Эффективным средством повышения безопасности установок (в особенности работающих в ИК-области спектра) явля­ ются полые трубы с укрепленными на их концах призмами, которые

служат для изменения направления пучка.

2. Иногда для защиты линзы от воздействия удаляемого из об­ разца материала полезно расположить между образцом и линзой слой защитного материала, поскольку сменить слой прозрачного для лазерного излучения материала намного дешевле, чем заменить вы­ шедшую из строя линзу.

Разнообразные операции лазерной обработки могут произво­ диться как с металлическими, так и неметаллическими материалами, в том числе с керамикой, драгоценными камнями, стеклом, кремнием и органическими материалами. Многие из таких операций могут дать большой экономический эффект в повседневной промышленной практике. Для того чтобы достигнуть оптимальных результатов при­

менения лазеров, необходимо тщательно подбирать параметры лазе­ ра (длину волны излучения, мощность и длительность импульса).

Лазерные технологии позволяют осуществлять прецизионную резку тонколистовых металлов при размере рабочего поля 400x500 с точностью не хуже 20 мкм (координатный стол на гранитных на­ правляющих с воздушными опорами); прецизионную резку неметал­ лических материалов (координатный стол с полем 400х500 или ко­ ординатный стол 490x860); нанесение произвольных растровых или векторных изображений на металлические и неметаллические заго­ товки; лазерную закалку инструмента; различные специальные тех­ нологии.

В частности, с помощью лазерных технологий с высокой точ­ ностью осуществляется раскрой листовых материалов, изготавлива­ ются прокладки, разжимные кольца, клапанные пластины, плоские пружины и иные детали из самых разнообразных органических и неорганических листовых материалов.

Можно осуществлять гравировку металлических и неметалли­ ческих материалов, маркировать металлические изделия, наносить шкалы на измерительный инструмент, размечать поверхность изде­ лий перед обработкой. Линия образуется при помощи испарения по­ верхностного слоя металла, получается ровной, четкой, легко разли­ чимой. Так же можно перфорировать практически любые материалы; осуществлять упрочнение поверхностей и режущих кромок инстру­ мента и готовых деталей, в том числе и с помощью микролегирова­ ния. Таким же образом можно обрабатывать фрезы, шестеренки, ва­ лы, поверхности скольжения, режущие кромки инструментов, вы­ полненных из инструментальных сталей и сплавов.

4.2. П р и м е н е н и е л а з е р о в

В ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ

Проблемы современного машино- и приборостроения требуют создания и развития технологий, которые поднимут на качественно новый уровень процесс изготовления изделий. К таким технологиям следует отнести лазерную обработку, получившую в последние годы интенсивное развитие. Применение лазерного излучения для техно­ логических целей позволяет существенно повысить производитель­ ность труда, осуществить операции, не выполнимые или трудно вы­ полнимые традиционными методами, а также электрофизическими методами, улучшить качественные показатели обрабатываемых из­ делий, сократить отходы материала при обработке, улучшить усло­ вия труда, значительно повысить культуру производства.

Лазерные технологии широко используются во многих отрас­ лях промышленности и являются одним из наиболее перспективных способов обработки, позволяющим добиться уникального комплекса физико-механических и эксплуатационных свойств, чего нельзя дос­ тичь при обычном способе выплавки стали или известных способах термообработки.

Имеется множество книг по лазерам, где хорошо излагаются основы квантовой электроники, но небольшое их число посвящено использованию лазеров в промышленности. В данной главе показаны возможности использования лазерного излучения как в технологиче­ ских процессах, так и в других областях народного хозяйства.

Лазерное излучение можно рассматривать как новый вид уни­ версального технологического инструмента, который позволяет пу­ тем изменения лишь двух параметров (плотности мощности излуче­ ния и длительности его воздействия на материал) вызывать в по­ следнем различные технологические операции. На рис. 4.1 приведена классификация видов лазерной обработки материалов.

Прошивка отверстий

Рис. 4.1. Классификация видов лазерной обработки

4.2.1. Резка материалов

Лазеры можно использовать для резки или фасонной обработки разнообразных материалов. Под резкой в данном случае понимается испарение части материала вдоль выбранной линии с целью разделе­ ния этого материала на куски.

К наиболее характерным областям применения лазерной резки следует отнести раскрой металлического листового материала, мик­ рообработку (получение щелей, пазов), раскрой неметаллических материалов.

Лазерная резка материалов может быть выполнена. как им­ пульсным, так и непрерывным лазерным излучением. Причем им­ пульсное излучение целесообразно использовать в тех случаях, когда требуется прецизионная обработка пазов или резов малых размеров.

Непрерывное излучение, наоборот, дает возможность осущест­ вить высокопроизводительную резку, причем с малыми потерями материала при обработке, что выгодно отличает лазерную резку от традиционных методов раскроя, в том числе и от резки струй плаз­ мы. Поэтому в большинстве случаев резка осуществляется при по­ мощи мощных непрерывных С02-лазеров. Однако достигаемые при этом точность и качество резки могут быть ниже, чем при использо­ вании импульсного излучения.

Резка неметаллических материалов выполняется обычно до­ вольно легко. Для резки металлов требуются более высокие мощно­ сти из-за более высоких значений коэффициента отражения и коэф­ фициента теплопроводности. Для того чтобы обеспечить резку ме­ таллов с необходимой для практических применений скоростью, часто приходится прибегать к использованию газовой струи, способ­ ствующей прожиганию металла. Применение газолазерной резки с продувкой кислорода существенно расширяет возможности про­ мышленного использования лазеров.

Лазерный раскрой металлических материалов наиболее эффек­ тивен при необходимости получения заготовки со сложным профи­ лем в условиях мелкосерийного производства из материала толщи­

ной Д° Ю мм. Так, при использовании лазерной технологии эконо­ мится до 80 % времени по сравнению с ручным раскроем деталей кузовов автомобилей в опытном производстве. Большие перспективы использования лазерной технологии имеются в судостроении, где листвой материал толщиной до 5 мм составляет около 15 % общего объема стальных листов.

Резка неметаллических материалов

Для резки органических материалов за счет испарения наиболее перспективно использование непрерывных С02-лазеров. Практиче­ ски все органические материалы имеют высокий коэффициент по­ глощения на длине волны 10,6 мкм, но многие из них достаточно прозрачны для излучения лазера на рубине и АИГ с неодимом.

Во многих случаях для операции резки вполне достаточно не­ прерывного С02-лазера мощностью 100 Вт. Осуществлена лазерная резка самых разнообразных материалов, в том числе бумаги, резины, пластмасс, керамики; стекла, тканей и дерева. Так, например, была продемонстрирована возможность резки акрилового полотна толщи­ ной 1,6 мм при помощи С02-лазера со скоростью 25,6 м/мин, в ре­ зультате которой получен срез с гладкими, слегка оплавленными

Для того чтобы при лазерной резке горючих материалов полу­ чался гладкий необожженный край среза, может возникнуть необхо­ димость в обдувке края среза струей инертного газа.

Процесс лазерной резки представлен на рис. 4.2.

На рис. 4.3 приведены данные о резке различных пластиков с помощью С02-лазера мощностью 375 Вт. В ряде случаев скорость резки оказывается достаточно высокой для практического применения.

а

Рис. 4.2. Лазерная резка материала непрерывным лазером: а - лазерная головка в работе; б - схема лазерной режущей головки для обработки материалов: / - фокус луча;

2 - форсунка; 3 - плавающий стакан; 4 - линзы; 5 - микрометр; 6 - лазерный луч; 7- впуск газа; 8 - деталь; 9 - брусок

Рис. 4.3. Зависимость скорости резки различных пластиков при помощи С02-лазера мощностью 375 Вт от их толщины. (Данные фирмы Photora Sources, Inc.):

1 - целлюлоза; 2 - акриловая эпоксидная смола; 3 - пластик ABS; 4 - винил;

5 - поликарбонат;

6 - полиэтилен

К преимуществам резки, осуществляемой при помощи СО2-ла­ зера, относятся: отсутствие износа режущего инструмента, снижение потерь материала в процессе резки, а в ряде случаев также и улучше­ ние качества среза. В отдельных случаях экономические показатели лазерной резки тканей, ковровых изделий и бумаги могут сравни­ ваться с аналогичными показателями механической резки.

Лазерную резку можно также применять при производстве штанцевальных штампов. При помощи лазера можно прорезать в деревянной планке щели, в которых затем крепятся стальные вы­ сечки, используемые для отрезания или фальцовки заготовок для картонных коробок. Обычно основой штампа служит кленовый бру­ сок толщиной 19 мм. Применение лазерной резки позволяет полно­ стью автоматизировать процесс изготовления сложной системы ще­ лей для крепления стальных высечек. Получаемые с помощью лазера щели имеют лучшую прямолинейность и однородность по сравне­ нию со щелями, изготовленными с помощью механического лобзика. Описанный метод обеспечивает возможность создания новых авто­ матических устройств для изготовления картонных коробок, широко используемых в пищевой промышленности.