Лазерная обработка

Лазеры — источники мощного светового монохрома­тического излучения, появились в начале 60-х годов XX в. и сразу же стали находить применение в технологических процессах.

Основными элементами лазера являются рабочее те­ло и система возбуждения излучения. В зависимости от материала активного элемента лазеры подразделяются на твердотельные (обычно рабочее тело — монокристаллы рубина), газовые (работают на смеси углекислого газа с азотом), полупроводниковые и жидкостные. В тех­нологических процессах в основном используются наибо­лее мощные твердотельные и газовые лазеры.

Атомы или молекулы рабочего тела должны обяза­тельно иметь расщепленный верхний энергетический уро­вень. Это достигается введением примесей в основное ве­щество (атомов хрома в рубине, красителей в жидкости и т. п.). Когда под импульсным или непрерывным возбу­ждением (в твердотельных лазерах — излучением лампы «накачки») на верхнем возбужденном энергетическом уровне окажется больше атомов, чем на нижнем, атомы лавинообразно переместятся на промежуточный энерге­тический уровень, излучая кванты световой энергии. Из­лучаемые кванты абсолютно тождественны по частоте. Усиление лазерного излучения достигается благодаря концентрации излучаемой энергии со всего объема рабо­чего тела в узкий пучок.

Лазеры подразделяются по мощности излучения на две группы: маломощные (до 1 кВт) и мощные (свыше 1 кВт). К первой группе относятся в основном твердо­тельные лазеры, а также небольшие газовые лазеры, ко второй группе — в основном газовые лазеры.

Лазерный луч обеспечивает концентрацию энергии с плотностью до 10¹⁴ Вт/см² и может быть сфокусирован до пятна диаметром 1 мкм. Такая концентрация энергии позволяет достичь на поверхности материала темпера­туры в несколько тысяч градусов. В результате материал мгновенно расплавляется и частично испаряется, выпле­скиваясь из зоны действия лазерного луча.

Лазерный луч предоставляет технологам возмож­ность воздействия на материал без механических нагру­зок, что позволяет достичь высокой точности обработки. С помощью лазерного излучения можно изготовлять от­верстия диаметром 0,03 — 3 мм и глубиной в несколько миллиметров с производительностью до 60 отверстий в минуту. Отверстия изготовляются в твердых сплавах, керамике, часовых камнях, алмазах и т. п. Погрешность размеров отверстий небольших диаметров не превышает ± 0,01 мм.

Перемещая обрабатываемую деталь и используя мощные газовые лазеры непрерывного действия, можно вырезать контур детали в листе металла толщиной до 10 см.

Мощные газовые лазеры применяют для сварки и пайки листовых и проволочных разнородных металлов и сплавов; сварки деталей, значительно различающихся по толщине или диаметру, а также по температуре плав­ления. В настоящее время находят применение аппараты непрерывной лазерной сварки большой мощности. Пре­ломляя световой луч лазера с помощью оптических си­стем (линз), можно направлять его в труднодоступные для обработки места, концентрировать его и получать сварные соединения в виде микроточек.

Импульсная сварка с помощью твердотельных лазе­ров нашла широкое применение в радиоэлектронной промышленности при сварке элементов полупроводни­ковых приборов.

Лазерным лучом можно упрочнять поверхность ме­талла (по принципу термообработки). При этом стой­кость штамповой оснастки увеличивается в 2 — 5 раз.

Представляет интерес использование светогидравли-ческого удара, создаваемого в жидкости лазерным лучом, для очистки поверхности деталей, удаления облоя, штамповки, создания неразъемных соединений обжим­кой.

Главным недостатком лазера является довольно низ­кий КПД, который для твердотелых лазеров составляет примерно 2%.