18.4. Лазерная обработка

Лазерная обработка основана на применении мощного светового потока, вызывающего плавление или испарение обрабатываемого материала. Лазерное излучение фокусируется в определенный участок обрабатываемой детали. Размерная обработка материалов осуществляется обычно при плотности потока не менее 107…108 Вт/см?. Чтобы понять, насколько велика приведенная величина, отметим, что фокусировка солнечного излучения позволяет получить плотность потока не более 5•103 Вт/см?. Но даже с помощью такого потока лучистой энергии можно плавить практически любые металлы.

Источником светового излучения является лазер – оптический квантовый генератор. Работа лазера основана на принципе стимулированного генерирования светового излучения. Атом вещества, имея определенный запас энергии, находится в устойчивом энергетическом состоянии и располагается на определенном энергетическом уровне. Для того чтобы атом вывести из этого состояния его необходимо возбудить. Возбуждение (накачка) активного вещества (активной среды) осуществляется световой импульсной лампой. Длительность светового импульса (вспышки) около 0,01 с.

Световой импульс облучает активную среду. Возбужденный при этом атом излучает сразу два фотона. Фотоны возбуждают атомы активной среды, т.е. переводят электроны на более высокий энергетический уровень. При взаимодействии фотонов с возбужденными атомами возникают лавинообразные потоки фотонов в различных направлениях. Наличие торцевых строго параллельных зеркальных поверхностей приводит к тому, что спустя примерно 0,5мс при многократном отражении от зеркал более половины атомов переходит в возбужденное состояние. Вследствие этого система становится неустойчивой, в активной среде индуцируется световой поток.

Накопленная в активной среде энергия одновременно высвобождается, а выходящий поток фотонов достигает значительной интенсивности.

Световой поток, испускаемый активной средой, фокусируется оптической системой и направляется на обрабатываемый материал.

Основными элементами лазера (рис.88) является активная среда (активный элемент), устройство для накачки активной среды, зеркала оптического резонатора, элемент вывода энергии из резонатора, а так же фокусирующая оптическая система, система управления и др. Несмотря на простоту принципиальной схемы, лазеры отличаются большим разнообразием. В основном разнообразие лазеров объясняется применением в них разных видов активных сред (диэлектрические кристаллы, специальные стекла, полупроводники, газовые смеси и др.), разных способов накачки и режимов работы.

Энергия светового импульса обычна невелика и составляет от 20 до 100 Дж. Выделяется эта энергия в миллиардные доли секунды и сосредотачивается в луче диаметром около 0,01 мм. Сфокусированное лазерное излучение, попадая на непрозрачные материалы (металлы и их сплавы), вызывает их локальный нагрев до 6000…8000?С, плавление или интенсивное испарение. Для осуществления размерной обработки наиболее часто используют импульсы с длительностью 0,5…1,5 мс.

Процессы, в которых плотность потока импульса лазерного излучения такова, что за время его действия вещество существенно не плавится, относятся к лазерной термообработке.

Лазерная обработка отличается рядом особенностей: возможностью проведения обработки в местах, недоступных для другого обрабатывающего инструмента; способностью луча проникать через любую прозрачную среду, не нарушая ее и значительно не снижая свою интенсивность; отсутствием механического контакта между заготовкой и инструментом-лучом, что облегчает крепление заготовки и устраняет возможность появления нежелательных деформаций; возможностью проведения обработки при атмосферном давлении и сравнительной несложностью оборудования для реализации процесса обработки. К недостаткам этой технологии следует отнести возможность обработки материалов на ограниченной глубине, а также сравнительно низкий коэффициент полезного действия лазеров и достаточно высокая стоимость лазерных установок и комплексов.

В настоящее время лазерную технологию применяют для различных операций микрообработки, раскроя и резки материалов, упрочняющей поверхностной обработки, лазерной сварки и наплавки и для других целей.

Все производственные процессы с использованием лазеров реализуются с помощью технологических лазерных установок. При этом независимо от назначения и типа применяемых лазеров установки имеют общую структурную схему (рис.89).

Лазер обеспечивает энергетические и временные параметры воздействия, оптическая система формирует пространственные характеристики светового пучка как инструмента обработки. Точность, производительность и удобство обработки определяются характеристиками системы управления и координатным столом при перемещении детали или лазерного луча.

Микрообработка. Благодаря специфическим свойствам лазерного излучения, характеризующегося высокой концентрацией, электромагнитная энергия может быть значительно локализована с помощью фокусирующего объектива, что позволяет контролировано удалять микроскопические объемы материала и таким образом выполнять очень точную (прецизионную) обработку. Этот метод используют, например, для получения отверстий в алмазных фильерах для волочения тонкой проволоки, в часовых рубиновых камнях, в электронной промышленности при производстве полупроводниковых приборов и интегральных схем, для резки и раскалывания стекла, для обработки камней в ювелирной промышленности.

Раскрой и резка материалов. Применение лазеров для раскроя и резки материалов в настоящее время достаточно распространено, так как одновременно с высокой точностью и производительностью обработки обеспечивается значительная экономия материала.

Скорость резки, толщина разрезаемого материала, ширина прорезей и зоны термического воздействия изменяются в зависимости от мощности лазерного пучка, степени фокусировки пучка и теплофизических свойств материала. Средняя скорость резки металлов составляет 1…8 м/мин. Максимальная скорость резки до 25 м/мин при средней толщине металла 0,5…3,0 мм. Средняя толщина реза составляет 0,1…0,5 мм, максимальные значения ширины реза достигают 1,0…1,5 мм.

Для увеличения эффективности воздействия лазерного излучения резку осуществляют в присутствии активного (кислород) или инертного (азот, аргон) газа, подаваемого через сопло к месту резки (рис.90).

Данный способ резки материалов известен под названием газолазерной резки. Газовый поток уносит продукты разрушения, обеспечивая приток кислорода непосредственно к месту горения, а также препятствует чрезмерному нагреву материала детали. В случае использования кислорода или воздуха при резке металлов в результате реакции горения металла в кислороде выделяется большое количество тепла (т.е. имеет место экзотермическая реакция). Это тепло совместно с лазерным излучением идет на разрушение металла в зоне обработки.

Для невоспламеняющихся материалов газовая струя выполняет в основном функции по очистке зоны резания, а также выполняет роль защиты поверхности оптических элементов от попадания на них продуктов выброса из зоны реза. При резке легко возгорающихся материалов для обдува используют инертные газы (аргон, азот). В этом случае получается гладкий, необожженный край среза.

Лазерная резка материалов широко используется в современной автомобильной, аэрокосмической, судостроительной промышленности, в сельхозмашиностроении, а также для раскроя тканей, резки бумаги, картона и других целей.

Упрочняющая поверхностная обработка. В настоящее время лазерное излучение используется для направленного изменения свойств поверхности различных деталей машин. При этом на поверхности обрабатываемого материала можно сконцентрировать энергию достаточно большой плотности мощности (до 1017 Вт/см2). Причем эту энергию можно передавать материалу бесконтактно, быстро и строго дозировано. Локальность тепловых процессов, происходящих на поверхностном слое при таких условиях облучения, обеспечивает высокие (до 106…108?С/с) скорости нагрева и охлаждения, недосягаемые при использовании традиционных методов термической обработки.

В результате такой обработки тонкий поверхностный слой обрабатываемого материала нагревается до температур фазовых превращений, после чего охлаждается со сверхвысокими скоростями за счет быстрого отвода тепла в основную массу металла. В этих условиях стальная поверхность детали подвергается «автозакалке». Этот довольно простой способ позволяет повысить микротвердость поверхности материала и износостойкость изделий в 2…5 раз без термического деформирования деталей, типичного для традиционных методов термообработки.

Лазерное термоупрочнение применяется при локальном упрочнении лезвий режущего инструмента (резцов, фрез, сверл, протяжек, ножей, вырубных штампов и др.), многих деталей машин (коленчатых и распределительных валов, зубчатых колес, рабочих поверхностей клапанов двигателей внутреннего сгорания и др.).

Для повышения твердости и износостойкости поверхности применяют также лазерное легирование. С этой целью легирующие присадки в виде порошка, например, из карбидов тугоплавких металлов предварительно наносят на обрабатываемую поверхность. При облучении лазером происходит плавление и взаимное перемешивание порошка и материала детали в пределах тонкого поверхностного слоя от 0,1 до 3 мм. Процессы лазерного локального легирования позволяют создать на рабочей поверхности детали, изготовленной из обычной конструкционной стали, слой сверхпрочного материала, который позволяет существенно улучшить эксплуатационные показатели отдельных деталей и механизма в целом.

Эти технологии особенно актуальны для тех областей техники, где необходимо сочетание легкости и компактности конструкции с ее высокой прочностью и износостойкостью при экстремальных условиях эксплуатации. Так, например, поверхностное легирование алюминиевых или титановых сплавов железом, кремнием, медью и другими металлами дает возможность значительно повысить термостойкость изделий, изготовленных из таких сплавов.

Акулич Н.В. Процессы производства черных и цветных металлов и их сплавов, Гомель 2008