82. Основы лазерной технологии.

Лазер представляет собой источник монохроматического когерентного света с высокой направленностью светового луча и большой концентрацией энергии. Диаметр луча составляет 0,01 мм, температура – 6000-8000°С.

Лазерные технологии можно разделить на 2 вида: с использование маломощных лазеров и использование лазеров большой мощности.

В первом используется чрезвычайно тонкая фокусировка лазерного луча и точное дозирование энергии как в импульсном, так и в непрерывном режиме. Это небольшие газовые лазеры импульсно-периодического действия и твердотелые лазеры на кристаллах граната с примесью неодима.

Области применения: для выполнения тонких отверстий в рубиновых и алмазных камнях для часовой промышленности, для записи и воспроизведения информации, в медицинских обследованиях и лечении, для резки и сварки миниатюрных деталей в микроэлектронике и электровакуумной промышленности, для маркировки миниатюрных деталей, для автовыжигания цифр, букв, изображений для нужд полиграфической промышленности, для изготовления интегральных схем. Также применяются для измерений шероховатостей поверхностей и др.

Ко второй группе относятся мощные газовые лазеры.

Области применения: резка и сварка толстых стальных листов, поверхностная закалка, направление и легирование крупногабаритных деталей, очистка от поверхностных загрязнений, резка мрамора, гранита, раскрой тканей, кожи и др. При лазерной сварке металлов достигается высокое качество шва и не требуется применение вакуумных камер. Применяется в машиностроении, автомобильной промышленности, производстве строительных материалов. Лазерная сварка дает возможность избежать деформации свариваемых деталей. Производительность агрегатов лазерной сварки в 5-8 раз выше, чем у современных сварочных автоматов. Лазерные технологии также обеспечивают поверхностное упрочнение деталей, что позволяет увеличить срок службы изделий в 8-10 раз. Применение лазерной технологии дает большой эффект при изготовлении деталей с особо высокими требованиями к качеству и точности и при получении изделий с особыми характеристиками.

83.Применение лазерной технологии для обработки резины, сборки металлов и интенсификации химических реакций.

Основы технологии лазерной обработки

В настоящее время разработаны следующие технологические про­цессы с использованием мощных лазеров:

- лазерная поверхностная термоообработка;

- лазерная сварка;

- лазерная размерная обработка;

- измерительная лазерная технология;

-лазерная интенсификация химических реакций.

Технология лазерной термо­обработки

Лазерная термообработка включает в себя процессы лазерной за­калки поверхностного слоя материалов (термоупрочнение), лазерного отжига и отпуска, лазерного легирования, лазерной амортизации (остекловывания), лазерной наплавки.

Лазерная закалка - высокотемпературный лазерный нагрев поверх­ности изделия и после дующее быстрое охлаждение. Упрочнение проис­ходит при воздействии как импульсного, так и непрерывного лазер­ного излучения, при этом термообработка может осуществляться с оплавленном и без оплавления поверхностного слоя.

Лазерная термообработка отличается от обычной более высокой производительностью, сочетанием высоких скоростей нагрева и охлаж­дения. В этих условиях в обрабатываемых материалах образуются струк­туры с повышенной микротвердостью и износостойкостью поверхности, Глубина термообработанного слоя может доходить до I мм. Увеличе­ние глубины воздействия достигается увеличением энергии и длитель­ности импульсаЛазерный отжиг имеет место, если толщина обрабатываемого изделия сравнима с размерами зоны теплового влияния. Лазерный отжиг ши­роко используется в микроэлектронике для отжига дефектов в полупро­водниках, лазерным лучом можно отжигать мелкие металлические детали.

Лазерный отпуск применяется при необходимости локального уве­личения пластичности или ударной вязкости, например, в местах крепления различных деталей. Лазерный отпуск проводится только в режи­ме без оплавления поверхности. Сталь после лазерного отпуска имеет большую прочность, твердость, ударную вязкость, чем после традицион­ной технологии отпуска.

Лазерное легирование относится к процессам создания на поверх­ности обрабатываемого материала покрытий с высокими эксплуатацион­ными характеристиками.

Лазерное легирование металлами (хромом, никелем, молибденом, вольфрамом и др.) позволяет заменить дорогостоящие детали, цели­ком изготовленные из легированных сталей на детали из дешевых уг­леродистых сталей с поверхностным легированным слоем. При этом на поверхность детали наносят легирующие добавки в виде порошка и связую­щей основы. Этот слой расплавляют лазерным лучом, при этом легирующие добавки за счет диффузии насыщают поверхностный слой обра­батываемой детали. Последующее быстрое остывание обеспечивает од­нородный по структуре слой основного материала с легирующими ком­понентами.

Технология лазерной амортизации (остекловывааил) является одним аз направлений модификации поверхностей обрабатываемых изделий. Создание аморфных слоев является весьма перспективным, так как такие слои обладают высокой твердостью, коррозионной стойкостью, износостойкостью. Обычно аморфизации подвергаются сплавы металлов. Наиболее перспективна лазерная аморфизация углеродистых сталей и чугунов с одновременным легированием поверхности. Легирующие до­бавки (бор, кремний) препятствуют кристаллизации поверхностного слоя, способствуют его аморфизации.

Лазерная наплавка используется с целью восстановления изношен­ных деталей. Обычно в процессе эксплуатации детали износу подвер­гается поверхностный слой детали толщиной не более одного милли­метра. Если восстановить этот слой, то деталь будет опять пригод­на для использования.

При этом по сравнению о традиционными технологиями наплавления (электросваркой. газовой сваркой и т.д.) лазерное наплавление имеет более высокую производительность, лучшее качество, наплавление происходит без нагрева основной массы детали, деталь не деформируется, не требует последующей механической обработки.

Технология лазерной сварки

Лазерная сварка в настоящее время является наиболее перспектив­ной для промышленного использования технологией в связи с разработ­кой мощных лазеров с непрерывным и импульсно-периодическим действием. Сварное соединение получается при нагревании и расплавлении лазерным лучом участков в месте контакта свариваемых деталей. Ког­да лазерный луч смещается, смещается и зона расплавленного мате­риала, затем идет остывание и таким образом образуется сварной шов. По форме он получается узким и глубоким и принципиально отличается от сварных швов, полученных при использовании традиционной техно­логии сварки. Глубина проплавления зависит от мощности лазера, а поперечное сечение лазерного шва похоже на лезвие кинжала, поэто­му глубокое лазерное проплавление иногда называют кинжальным.

Лазерная сварка о глубоким проплавлонием позволяет сваривать толстые слои материалов с большой скоростью при минимальном тепло­вом воздействии на материал, прилегающий к зоне расплава, что улуч­шает свойства сварного шва и качество сварного соединения,

По методу воздействия лазерная сварка подразделяется на импуль­сную и непрерывную.

С помощью импульсного лазерного излучения можно осуществить точечную сварку соединений различной конфигурации. Импульсная ла­зерная сварка обеспечивает соединение материалов толщиной до 2 мм и используется для сварки в труднодоступных места, для сварки лег­кодеформируемых деталей.

Основными технологическими параметрами лазерной, импульсной сварки являются: энергия лазерного излучения, длительность импуль­са, форма импульса. Для каждого из свариваемых материалов сущест­вует свой оптимальный режим сварки.

Непрерывная лазерная сварка используется в промышленности для сваривания материалов средней и большой толщины. С целью предотв­ращения окисления материалов в зону расплавления подают гелий или аргон.

Технология лазерной резки

Под технологией лазерной резки понимаются технологические про­цессы лазерной размерной обработки, включающие в себя процессы соб­ственно лазерной резки или лазерного разделения материалов, лазер­ной прошивки

(сверления) отверстий, лазерного фрезерования пазов и т.д.

Во всех случаях процессы происходят либо при перемещении дета­ли относительно лазерного луча, либо лазерного луча по поверхности материала. При этом лазер действует как тепловой источник, нагре­вая материал до температур, обеспечивающих плавление материала и перевод его в пар. Возможно удаление расплавленного материала га­зовой струёй. Сфокусированное лазерное излучение дает высокую концентрацию энергии, что позволяет резать практически любые материалы вне за­висимости от их теплофизичоских свойств, включая материала, не поддающиеся резке другими способами.

Лазерная резка используется для резания сталей и других спла­вов, керамики, стекла, пластмасс, древесины, полупроводников, текс­тильных тканей, при этом толщина реза может достигать 50 мм.

Резать материал можно как импульсным, так и непрерывным излу­чением, при этом импульсная размерная обработка более точна и обес­печивает более высокое качество реза при минимальных потерях ма­териала. Воздействие лазерного луча длится от десятой до десятич­ной доли секунды. С помощью импульсной размерной обработки полу­чают сквозные и глухие отверстия, пазы и щели.

Резка материалов непрерывным излучением является более произ­водительным процессом, но качество реза хуже, а потери материала выше, чем при импульсной лазерной резке.

Энергетические режимы резки зависят от теплофизических парамет­ров материала и определяются мощностью и интенсивностью лазерного излучения, а также скоростью резки. В общем случае оптимальные ус­ловия обработки зависят от того, что предпочтительнее - наивысшая производительность резки при низком качестве реза или наоборот, наивысшее качество реза при невысокой производительности.

Лазер, как тепловой источник обеспечивает следующие преимущест­ва лазерной резки по сравнению с традиционными технологиями:

- высокая производительность (скорость реза титановых листов в 30 раз, стальных - в 10 раз больше, чем при механической резке);

- высокое качество поверхности реза;

- малая зона теплового влияния;

- возможность вырезать сложные контуры;

- автоматизируемость процесса резания.

Технология лазерной размерной обработки позволяет прошивать (сверлить) отверстия любой формы и большой глубины в материалах любой твердости, получать отверстия от 4 микрон до нескользких мил­лиметров. Использование лазерного луча для сверления отверстий в часовых камнях и алмазных фильерах позволяет повысить производи­тельность труда в 12-16 раз по сравнению с электрофизическими и в 200 раз до сравнению с механическими методами сверления. Лазерное сверление имеет преимущество перед механическим при обработке крупногабаритных деталей сложной формы, особенно под раз­ными углами к поверхности, а также при сверлении глубоких отверс­тий малого диаметра.

Лазерная интенсификация химических реакций

Использование лазеров в химической технологии весьма перспек­тивно.

Если лазер рассматривать в качестве мощного источника светово­го излучения, то лазерную интенсификацию химических реакций можно рассматривать как разновидность фотохимических процессов. Фотохимические процессы - это химические реакции, протекающие под действием светового излучения или вызываемые им. Механизм фотохимических процессов основан на активации молекул, реагирующих веществ при поглощении света. В зависимости от роли и характера влияния светового луча фото­химические процессы разделяют на три группы. К первой группе относят реакции, которые могут самопроизвольно протекать после поглощения реагентами светового импульса. Для этих процессов свет играет роль возбудителя и инициатора. При обычных условиях эти процессы протекают крайне медленно, но световое облу­чение их значительно интенсифицирует. Ко второй группе фотохимических процессов относят процессы, для проведения которых необходим непрерывный подвод световой энергии к реагентам. К третьей группе относятся химические процессы, в которых световой импульс, воздействуя на катализатор, активизирует его и способствует интенсификации химической реакции.

Использование лазерного излучения в химической технологии перс­пективно для получения новых продуктов, осуществления новых химических реакций, интенсификации существующих химико-технологических процессов