Лазерные технологии в машиностроении

 

Первоисточником генерации является процесс спонтанного  излучения, поэтому для обеспечения  преемственности поколений фотонов  необходимо существование положительной  обратной связи, за счёт которой излучённые фотоны вызывают последующие акты индуцированного  излучения. Для этого активная среда  лазера помещается в оптический резонатор. В простейшем случае он представляет собой два зеркала, одно из которых  полупрозрачное — через него луч  лазера частично выходит из резонатора. Отражаясь от зеркал, пучок излучения  многократно проходит по резонатору, вызывая в нём индуцированные переходы. Излучение может быть как  непрерывным, так и импульсным. При  этом, используя различные приборы (вращающиеся призмы, ячейки Керра  и др.) для быстрого выключения и  включения обратной связи и уменьшения тем самым периода импульсов, возможно создать условия для  генерации излучения очень большой  мощности (так называемые гигантские импульсы)[2]. Этот режим работы лазера называют режимом модулированной добротности.

 

Генерируемое  лазером излучение является монохроматическим (одной или дискретного набора длин волн), поскольку вероятность  излучения фотона определённой длины  волны больше, чем близко расположенной, связанной с уширением спектральной линии, а, соответственно, и вероятность  индуцированных переходов на этой частоте  тоже имеет максимум. Поэтому постепенно в процессе генерации фотоны данной длины волны будут доминировать над всеми остальными фотонами[4]. Кроме этого, из-за особого расположения зеркал в лазерном луче сохраняются лишь те фотоны, которые распространяются в направлении, параллельном оптической оси резонатора на небольшом расстоянии от неё, остальные фотоны быстро покидают объём резонатора. Таким образом луч лазера имеет очень малый угол расходимости[5]. Наконец, луч лазера имеет строго определённую поляризацию. Для этого в резонатор вводят различные поляроиды, например, ими могут служить плоские стеклянные пластинки, установленные под углом Брюстера к направлению распространения луча лазера[6].

3. Устройство лазерного  оборудования

 

Ла́зер обычно состоит из трёх основных элементов:

1. Источник энергии (механизм «накачки»)
2. Рабочее тело
3. Система зеркал («оптический резонатор»)

 

Источник  накачки подаёт энергию в систему. В его качестве могут выступать:

• электрический разрядник;
• импульсная лампа;
• дуговая лампа;
• другой лазер;
• химическая реакция;
• взрывчатое вещество.

 

Рабочее тело является основным определяющим фактором рабочей длины волны, а также  остальных свойств лазера. Существует большое количество различных рабочих  тел, на основе которых можно построить  лазер. Рабочее тело подвергается «накачке», чтобы получить эффект инверсии электронных  населённостей, что вызывает вынужденное  излучение фотонов и эффект оптического  усиления.

 

Тип используемого  устройства накачки напрямую зависит  от используемого рабочего тела, а  также определяет способ подвода  энергии к системе. Например, гелий-неоновые лазеры используют электрические разряды  в гелий-неоновой газовой смеси, а лазеры на основе алюмо-иттриевого граната с неодимовым легированием (Nd:YAG-лазеры) — сфокусированный свет ксеноновой импульсной лампы, эксимерные лазеры — энергию химических реакций.

 

В лазерах  используются следующие рабочие  тела:

Жидкость, например в лазерах на красителях. Состоят  из органического растворителя, например метанола, этанола или этиленгликоля, в которых растворены химические красители, например кумарин или  родамин. Конфигурация молекул красителя  определяет рабочую длину волны.

 

Газы, например, углекислый газ, аргон, криптон или  смеси, такие как в гелий-неоновых лазерах. Такие лазеры чаще всего  накачиваются электрическими разрядами. 

Твёрдые тела, такие как кристаллы и стекло. Сплошной материал обычно легируется (активируется) добавкой небольшого количества ионов хрома, неодима, эрбия или  титана. Типичные используемые кристаллы: алюмо-иттриевый гранат (YAG), литиево-иттриевый  фторид (YLF), сапфир (оксид алюминия) и силикатное стекло. Самые распространённые варианты: Nd:YAG, титан-сапфир, хром-сапфир (известный также как рубин), легированный хромом стронций-литий-алюминиевый  фторид (Cr:LiSAF), Er:YLF и Nd:glass (неодимовое стекло). Твердотельные лазеры обычно накачиваются импульсной лампой или другим лазером.

 

Полупроводники. Материал, в котором переход электронов между энергетическими уровнями может сопровождаться излучением. Полупроводниковые  лазеры очень компактны, накачиваются электрическим током, что позволяет  использовать их в бытовых устройствах, таких как проигрыватели компакт-дисков.

 

Оптический  резонатор, простейшей формой которого являются два параллельных зеркала, находится вокруг рабочего тела лазера. Вынужденное излучение рабочего тела отражается зеркалами обратно  и опять усиливается. Волна может  отражаться многократно до момента  выхода наружу. В более сложных  лазерах применяются четыре и  более зеркал, образующих резонатор. Качество изготовления и установки  этих зеркал является определяющим для  качества полученной лазерной системы.

 

Как правило  в твердотельных лазерах зеркала  формируются на полированных торцах активного элемента. В газовых  лазерах и лазерах на красителях - на торцах колбы с рабочим телом.

 

Для выхода излучения  одно из зеркал делается полупрозрачным.

 

Также, в лазерной системе могут монтироваться  дополнительные устройства для получения  различных эффектов, такие как  поворачивающиеся зеркала, модуляторы, фильтры и поглотители. Их применение позволяет менять параметры излучения  лазера, например, длину волны, длительность импульсов и т. д.

4. Лазерные технологии

 

Лазеры нашли  широкое применение, и в частности  используются в промышленности для  различных видов обработки материалов: металлов, бетона, стекла, тканей, кожи и т. п.

 

Лазерные  технологические процессы можно  условно разделить на два вида. Первый из них использует возможность  чрезвычайно тонкой фокусировки  лазерного луча и точного дозирования  энергии как в импульсном, так  и в непрерывном режиме. В таких  технологических процессах применяют  лазеры сравнительно невысокой средней  мощности: это газовые лазеры импульсно--периодического действия, лазеры на кристаллах иттрий-алюминиевого граната с примесью неодима. С  помощью последних были разработаны  технология сверления тонких отверстий

(диаметром  1 - 10 мкм и глубиной до 10 -100 мкм)  в рубиновых и алмазных камнях  для часовой промышленности и  технология изготовления фильеров  для протяжки тонкой проволоки.  Основная область применения  маломощных импульсных лазеров  связана с резкой и сваркой  миниатюрных деталей в микроэлектронике  и электровакуумной промышленности, с маркировкой миниатюрных деталей,  автоматическим выжиганием цифр, букв, изображений для нужд полиграфической  промышленности.

 

В последние  годы в одной из важнейших областей микроэлектроники - фотолитографии, без  применения которой практически  невозможно изготовление сверхминиатюрных печатных плат, интегральных схем и  других элементов микроэлектронной техники, обычные источники света  заменяются на лазерные. С помощью  лазера на

ХеСL (1=308 нм) удается  получить разрешение в фотолитографической  технике до 0,15 - 0,2 мкм.

 

Дальнейший  прогресс в субмикронной литографии связан с применением в качестве экспонирующего источника света  мягкого рентгеновского излучения  из плазмы, создаваемой лазерным лучом. В этом случае предел разрешения, определяемый длиной волны рентгеновского излучения (1= 0,01 - О,001 мкм), оказывается просто фантастическим.

 

Второй вид  лазерной технологии основан на применении лазеров с большой средней  мощностью: от 1кВт и выше. Мощные лазеры используют в таких энергоемких  технологических процессах, как  резка и сварка толстых стальных листов, поверхностная закалка, наплавление  и легирование крупногабаритных деталей, очистка зданий от поверхностей загрязнений, резка мрамора, гранита, раскрой тканей, кожи и других материалов. При лазерной сварке металлов достигается  высокое качество шва и не требуется  применение вакуумных камер, как  при электроннолучевой сварке, а  это очень важно в конвейерном  производстве.

 

Мощная лазерная технология нашла применение в машиностроении, автомобильной промышленности, промышленности строительных материалов. Она позволяет  не только повысить качество обработки  материалов, но и улучшить технико-экономические  показатели производственных процессов. Так, скорость лазерной сварки стальных листов толщиной 14 мКм достигает 100мч при расходе электроэнергии 10 кВт.ч.

1.  Лазерная резка

 

Технология  резки и раскроя материалов, использующая лазер высокой мощности и обычно применяемая на промышленных производственных линиях. Сфокусированный лазерный луч, обычно управляемый компьютером, обеспечивает высокую концентрацию энергии и  позволяет разрезать практически  любые материалы независимо от их теплофизических свойств. В процессе резки, под воздействием лазерного  луча материал разрезаемого участка  плавится, возгорается, испаряется или  выдувается струей газа. При этом можно  получить узкие резы с минимальной  зоной термического влияния. Лазерная резка отличается отсутствием механического  воздействия на обрабатываемый материал, возникают минимальные деформации, как временные в процессе резки, так и остаточные после полного  остывания. Вследствие этого лазерную резку, даже легкодеформируемых и нежестких  заготовок и деталей, можно осуществлять с высокой степенью точности. Благодаря  большой мощности лазерного излучения  обеспечивается высокая производительность процесса в сочетании с высоким  качеством поверхностей реза. Легкое и сравнительно простое управление лазерным излучением позволяет осуществлять лазерную резку по сложному контуру плоских и объемных деталей и заготовок с высокой степенью автоматизации процесса.

Для лазерной резки металлов применяют технологические  установки на основе твердотельных  и газовых CO2-лазеров, работающих как  в непрерывном, так и в импульсно-периодическом  режимах излучения. Промышленное применение газолазерной резки с каждым годом  увеличивается, но этот процесс не может  полностью заменить традиционные способы  разделения металлов. В сопоставлении  со многими из применяемых на производстве установок стоимость лазерного  оборудования для резки ещё достаточно высока, хотя в последнее время  наметилась тенденция к её снижению. В связи с этим процесс лазерной резки становится эффективным только при условии обоснованного и  разумного выбора области применения, когда использование традиционных способов трудоемко или вообще невозможно.

 

Лазерная  резка осуществляется путём сквозного  прожига листовых металлов лучом  лазера. Такая технология имеет ряд  очевидных преимуществ перед  многими другими способами раскроя:

• Отсутствие механического контакта позволяет обрабатывать хрупкие и деформирующиеся материалы;
• Обработке поддаются материалы из твердых сплавов;
• Возможна высокоскоростная резка тонколистовой стали;
• При выпуске небольших партий продукции целесообразнее провести лазерный раскрой материала, чем изготавливать для этого дорогостоящие пресс-формы или формы для литья.

Для автоматического  раскроя материала достаточно подготовить  файл рисунка в любой чертежной  программе и перенести файл на компьютер установки, которая выдержит погрешности в очень малых величинах.

 

Для лазерной резки подходит любая сталь любого состояния, алюминий и его сплавы и другие цветные металлы. Обычно применяют листы из таких металлов:

• Сталь от 0.2 мм до 25 мм
• Нержавеющая сталь от 0.2 мм до 30 мм
• Алюминиевые сплавы от 0.2 мм до 20 мм
• Латунь от 0.2 мм до 12 мм
• Медь от 0.2 мм до 15 мм

 

Для разных материалов применяют различные типы лазеров.

Лазер и его  оптика (включая фокусирующие линзы) нуждаются в охлаждении. В зависимости  от размеров и конфигурации установки, избыток тепла может быть отведен  теплоносителем или воздушным обдувом. Вода, часто применяемая в качестве теплоносителя обычно циркулирует  через теплообменник или холодильную  установку.

 

Эффективность промышленных лазеров может варьироваться  от 5% до 15%. Энергопотребление и эффективность  будут зависеть от выходной мощности лазера, его рабочих параметров и  того, насколько хорошо лазер подходит для конкретной работы. Величина необходимой  затрачиваемой мощности, необходимой  для резки, зависит от типа материала, его толщины, среды обработки, скорости обработки.

2.  Лазерная сварка

 

Лазерный  луч обеспечивает высокую концентрацию энергии (до 10^8 Вт/см2), благодаря возможности  его фокусировки в точку диаметром  в несколько микрометров. Такая  концентрация значительно выше чем, к примеру, у дуги. Сравнимой концентрацией  энергии обладает электронный луч (до 10^б Вт/см2). Однако электронно-лучевая  сварка осуществляется лишь в вакуумных  камерах - это необходимо для устойчивого  проведения процесса, лазерная же сварка не требует вакуума, что упрощает и убыстряет тех. процессы. Процесс  лазерной сварки осуществляется либо на воздухе, либо в среде защитных газов: Аr, Не, СО2 и др. Лазерный луч, так же как и электронный легко  отклоняется, транспортируется с помощью  оптической системы.