Волоконная оптика позволила освободить лазерный луч от тесной привязки к определенному типу лазера и создала предпосылки для их миниатюризации.

7.6. Применение в промышленной технологии

Благодаря высокой интенсивности, достигаемой в фокальном пятне лазерного пучка большой мощности, лазеры нашли многочисленные применения в технологии и при обработке материалов: сварке, резке, сверлении, поверхностной закалке и легировании. При воздействии лазерного излучения на материалы облучаемый участок сначала нагревается, затем плавится и испаряется. Дозируя тепловые нагрузки, можно обеспечить практически любой тепловой режим нагреваемого участка, который в результате и определяет вид технологической обработки.

Можно отметить следующие достоинства при использовании лазера

втехнологии:

-нагрев, производимый лазером, является локальным, что не приводит к деформации детали;

-возможность работы на недоступных для обычной технологии участков (внутри маленьких камер);

-высокая производительность;

-простота автоматизации процессов;

-возможность создания новых технологических процессов;

-отсутствие износа у лазерного инструмента.

7.6.1. Лазерная сварка

Для сварки требуется интенсивность луча 105–10 7 Вт/см2. Сварное соединение получается при нагревании и частичном расплавлении лазерным пучком участков в месте контакта свариваемых деталей. Под действием лазерного луча приток тепла к нагреваемому участку получается настолько большим, что механизм теплопроводности, конвекции не позволяет полностью нейтрализовать (отвести) это тепло. Происходит быстрое испарение металла, и давление его паров начинает уравновешивать давление жидкого металла. Обнажается дно полностью, куда проникает излучение, и процесс повторяется. Глубина проникновения зависит от мощности ла-

119

зера как p0,7. При использовании СО2-лазера мощностью 90 кВт толщина швов, свариваемых в стык, достигает 38 мм, при этом скорость сварки 30 м/мин. Для каждого материала и для каждого типа лазера существует, с точки зрения качества шва, оптимальная скорость сварки.

Особенности и преимущества лазерной сварки: практическое отсутствие усадки материалов, деформации деталей, возможность глубокого проплавления при высокой скорости сварки, высокие прочности и качество шва, возможность проводить сварку на больших расстояниях источника от детали в труднодоступных местах, отсутствие посторонних веществ в зоне сварки, возможность полной автоматизации, сварка материалов, не поддающихся сварке другими методами.

7.6.2. Лазерная резка

При интенсивности 105–10 7 Вт/см2 материал плавится и испаряется. На этом эффекте основан технологический процесс резки материалов. Лазерная резка позволяет обеспечивать большое отношение глубины разреза к его ширине. Для неметаллов это отношение достигает 100, для металлов – 20. При этом обеспечивается хорошее качество кромок и высокая скорость процесса. Так как время воздействия лазерного луча составляет 10–1–10 –3 с, то тепловому воздействию подвергается чрезвычайно тонкий слой кромки – 0,1 мм, поэтому закаленные материалы режутся без отжига краев с сохранением твердости. Лазерная обработка дает возможность точной резки по сложному профилю при полной автоматизации процесса. Скорость лазерной резки титановых листов в 30, а для остальных – в 10 раз больше механической.

7.6.3. Лазерное сверление

Импульсные лазеры используются в процессе сверления при интенсивностях излучения 107–10 8 Вт/см2 и времени воздействия 10–4 с аналогично резке – нагрев, расплавление и испарение с выбросом паров. Лазерному сверлению поддаются практически все материалы. При лазерном сверлении алмазов производительность увеличивается в 12–15 раз по сравнению с электрофизическим и в 200 раз – по сравнению с механическими методами сверления. Технологический процесс лазерного сверле-

120

ния может осуществляться в двух режимах: пробой за один импульс и сверление серией последовательных импульсов. Многоимпульсное сверление позволяет улучшить качество отверстия и достичь большого отношения глубины к диаметру ~50 для отверстий диаметром от 4 до 100 мкм. Лазерное сверление имеет преимущества перед механическим при обработке крупногабаритных деталей сложной формы под разными углами к поверхности, при сверлении глубоких отверстий малого диаметра в ма-

териалах с высокой твердостью.

7.6.4. Термообработка

Термообработка включает в себя такие процессы, как лазерная закалка и лазерное остекловывание – создание поверхностного слоя со структурой, отличной от структуры основного материала.

Лазерная закалка основана на сочетании процесса высокотемпературного лазерного нагрева металлической детали с последующим быстрым охлаждением ее благодаря отводу тепла в основной объем металла. Для лазерной закалки достаточно интенсивности лазерного излучения 10–3 –10 –4 Вт/см2 и времени воздействия 10–1 –10 –2 с. Толщина закаленного слоя может достигать 2–3 мм. Лазер дает возможность закаливать выборочно любые участки поверхности, при этом локальная закалка исключает всякую деформацию деталей после термообработки. Селективная закалка инструмента увеличивает его долговечность в 2–5 раз по сравнению с другими способами закалки.

Поверхностное легирование резко улучшает эксплуатационные свойства деталей, увеличивая твердость поверхностного слоя в несколько раз. Лазерным лучом расплавляется тонкий слой металла, на который в виде порошка наносится слой легирующей добавки, в который она диффундирует. Последующее быстрое остывание обеспечивает однородный по структуре слой основного материала.

Лазерное остекловывание – быстрый переплав тонкого поверхностного слоя с последующим быстрым охлаждением – создает однородный тонкий аморфный слой, который обладает повышенной твердостью, а также стойкостью к истиранию. Технологический процесс осуществляется быстрым сканированием лазерного луча с интенсивностью 105–10 7 Вт/см2

121