Міністерство освіти і науки України

Черкаський державний технологічний університет

Кафедра фізики

“Лазер. Використання лазера в технологіях обробки матеріалів”

Перевірив: Виконав:

Доцент кафедри студент групи У-22

Канашевич Г.В. Сіренко В.В.

Черкаси 2002

План

Вступ

Перші лазери з'явилися наприкінці 1950-х - початку 1960-х років, однак уже сьогодні можна назвати більш 350 різних їхніх застосувань майже у всіх сферах діяльності людини. Серед них найбільш поширена лазерна обробка матеріалів. Лазерна технологія виявилася досить динамічною і самостійною областю сучасного Машино- і приладобудування, що по обсязі капіталу виходить на бататоміліардні обороти. Найбільше ефективно технологічне застосування лазерного випромінювання в мікро обробці, розкрої і різанні матеріалів, з міцніючої поверхневої обробки, зварюванню, маркіруванні, гравіюванні, поверхневій очищенні матеріалів, вирощування трьох мірних об'єктів, формуванні виробів складної просторової форми з листового металу, спеціальних операціях лазерної обробки.

Лазерне устаткування.

Лазерні системи поділяються на три основні групи: твердотільні лазери, газові, серед яких особливе місце займає CO₂-лазер; і напівпровідникові лазери. Якийсь час назад з'явилися такі системи, лазери, що як перебудовуються, на барвниках, твердотільні лазери на активованих стеклах.

З всіх існуючих лазерів тривалої дії найбільш могутніми, просунутими в практичному відношенні і пристосованими для різання матеріалів, зварювання металів, термічного зміцнення поверхонь деталей і ряду інших операцій є електророзрядні СО₂-лазери. Великий інтерес до СО₂-лазерам розуміється також і тим, що в цього лазера ефективність перетворення електричної енергії в енергію лазерного випромінювання в сполученні з максимально досяжною потужністю енергії чи імпульсу значно перевершує аналогічні параметри інших типів лазерів.

За допомогою їхнього випромінювання роблять незвичайні хімічні реакції, розділяють ізотопи. Маються проекти передачі енергії за допомогою СО₂-лазерів із Землі в чи космос з космосу на Землю, обговорюються питання створення реактивного двигуна,

Формування виробострумовим електронним пучком чи поперечним розрядом. Працюють в імпульсному режимі в УФ - діапазоні довжин хвиль. Застосовуються для лазерного термоядерного синтезу.

Електророзрядні лазери низького тиску на благородних газах : He-Ne, He-Xe і ін. Це малопотужні системи відрізняються високої монохроматичністю і спрямованістю. Застосовуються в спектроскопії, стандартизації частоти і довжини випромінювання, у настроюванні оптичних систем.

Іонний аргоновий лазер - лазер безупинної дії, що генерує зелений промінь. Накачування здійснюється електричним розрядом. Потужність досягає декількох десятків Вт. Застосовується в медицині, спектроскопії, нелінійній оптиці

Хімічні лазери. Робітниче середовище - суміш газів. Основне джерело енергії - хімічна реакція між компонентами робочої суміші. Можливі варіанти лазерів імпульсної і безупинної дії. Вони мають широкий спектр генерації в ближньої ИК - області спектра. Мають велику потужність безупинного випромінювання і великою енергією в імпульсі. Такі лазери застосовуються в спектроскопії, лазерній хімії, системах контролю складу атмосфери.

Напівпровідникові лазери складають саму численну групу. Накачування здійснюється інжекцією через гетероперехід, а також електронним пучком. Гетеролазери мініатюрні, мають високий КПД. Можуть працювати як у імпульсному, так і в безупинному режимах. Незважаючи на низьку потужність вони знайшли своє застосування в промисловості. Вони застосовуються для спектроскопії, оптичної стандартизації частоти, оптико-волоконних ліній зв'язку, для контролю форми, інтерференційних смуг деформації, в оптико-електроніці, у робототехніці, у системах пожежонебезпечності. У побуті застосовуються в системах оптичної обробки інформації (у сканерах) у парі з нескладною системою багатогранних дзеркал, застосовуваних для відхилення променя у звуко- і відеосистемах, чи в охоронних системах. Останнім часом напівпровідникові лазери, завдяки своїм малим розмірам, застосовуються й у медицині. Лазери з електронним накачуванням перспективні в системах проекційного лазерного телебачення.

РУБІН. У лазерах цей кристал має високий поріг генерації й отже низький КПД, звичайно 0.5%. Його вихідна потужність також сильно залежить від робочої температури, що обмежує частоту повторення імпульсів величиною 10 Гц чи менш. У той же час цей матеріал термічно стійкий і не боїться перегріву. Однак його широке застосування обмежує досить висока вартість спеціально вирощеного кристала, особливо якщо потрібно стрижень великих розмірів. Тому рубінові лазери застосовуються коли необхідне випромінювання довжиною хвилі 694 нм чи не потрібно висока енергія на виході і КПД не грає істотної ролі. Наприклад, такі лазери стали широко використовуватися для спеціальної фотографії - голографії, після того, як удалося домогтися достатньої чутливості плівки на частоті 694 нм. Ці лазери більш зручні і для пробивання дуже точних отворів, тому що зі зменшенням довжини хвилі розміри крапки фокуса, що обмежується дифракцією, зменшуються. Не дуже давно деякі вчені пророкували, що рубіновий лазер незабаром відслужить свій термін. Однак у даний час напівпровідникові прилади на арсеніді галію (GaAs) можуть зварюватися з тугоплавкими металевими провідниками за допомогою імпульсного рубінового лазера. Процес триває 100 нс замість 5-30 хв, що вимагаються при звичайному зварюванні з наступним віджилок. Це важливе досягнення застосовується в електронних системах, використовуваних у супутниковому зв'язку, реактивних двигунах, геотермальних шпарах, атомних реакторах, приймачах радіолокаційних станцій і ракет, інтегральних мікрохвильових ланцюгах.

Обробка матеріалів

Мікрообробка. Застосування лазерів при мікро обробці звісно що з часу їх появлення. Завдяки специфічним властивостям лазерного випромінювання, характерної високої концентрацій, електромагнітна енергія може бути значно локалізована, що дозволяє контрольовано видаляти мікроскопічні обсяги матеріла і в такий спосіб виконувати прецизійну обробку. В даний час можна одержувати мікроотвори у різних матеріалах незалежно від їхніх властивостей.

Розкрій і різання матеріалів. Застосування лазера при розкрої і різанні зараз дуже поширено, тому що одночасно з високою точністю обробки забезпечується значна економія матеріалу за рахунок дуже малої ширини різа і раціональної системи розкрою в порівнянні з традиційними технологіями. При цьому ефективність вирізування виробів складного профілю при звичайної вирубною штампуванню листових виробів.

Лазерної розкрій матеріалів широко використовується в сучасної автомобільної, аерокосмічний, суднобудівної, електротехнічної промисловості, сільськогосподарському машинобудуванні, легкої промисловості. Останнім часом розвивається і досить специфічне застосування лазерного розкрою, наприклад, в енергетичній промисловості. Так, на атомних станціях при виконання монтажних і ремонтних робіт устаткування часто виникає потреба в дистанційній обробок (різанню) різних металевих виробів при високих рівнях радіації. Яскравим прикладом специфічних можливостей лазерного різання є розробка лазерного комплексу для проведення демонтажних робіт в об'єкті "Укриття" Чорнобильської атомної станції.

Зварювання. Завдяки високій концентрації енергії і можливості досить гнучкого керування нею в просторі і часі лазерний промінь став універсальним термічним джерелом для виконання нероз'ємних з'єднань з різних матеріалів. В даний час з його допомогою можна з'єднати тонкий провідник з металевою мікро плівкою. Лазерним променем можна зварювати і сталеві деталі товщиною більш десятка сантиметрів з досить високою якістю з'єднання, якого не можна досягти іншими методами зварювання. Крім з'єднань сталей різних типів, лазерна технологія виявилася дуже ефективної при зварюванні алюмінію й алюмінієвих, а також титанових сплавів. Завдяки можливості дуже якісного зварювання металевих аркушів різної товщини створена нова технологія штампування великогабаритних деталей складної просторової форми з різної товщини листових заготівель.

Маркірування, гравіювання, нанесення і зчитування інформаційних знаків. На відміну від традиційних методів лазерна технологія дозволяє проводити маркірування на будь-яких матеріалах безконтактна і з дуже великою швидкістю при забезпеченні надзвичайно високої якості. Його можна проводити не тільки на поверхні, але й усередині обсягу матеріалу, прозорого для лазерного променя.

Виконання художні написів, малюнків, різних гравірованих робіт добре зарекомендувало себе в ювелірній промисловості, при виготовленні сувенірних виробів з металу, дерева, скла, каменю...

Виявилося можливим виготовлення компакт-дисків двошаровим, причому верхній шар є прозорим для лазерного випромінювання. Таким чином, потрібна інформація спочатку наноситься сфальцьованим променем на перший шар, а потім при зсуві фокальної плями на поверхню другого шару запис інформації (чи її зчитування) може бути продовжена. У результаті її обсяг, записаний на такому диску, зростає вдвічі.

Динамічне балансування. Ряд сучасних дуже відповідальних прецизійних виробів має вузли, що вимагають специфічної операції - динамічного балансування, тобто точного видалення зайвої маси поверхні чи вузла деталі, що обертається з великою швидкістю, для забезпечення стабільної роботи виробу. До таких виробів можна віднести суднові й авіаційні гіроскопи, швидкісні електродвигуни і т.п..

Поверхневе очищення матеріалів. Вона посилено розвивається в останні роки. Якщо донедавна досить поширено було тільки лазерне видалення ізоляції з кінців проводів перед їхнім з'єднанням з відповідними електричними (електронними) елементами, то зараз з'являються усе більш незвичайні і навіть екзотичні застосування.

Видалення ізоляції - саме по собі дуже ефективний процес: швидкодіючий, легко контрольований, безконтактний (не викликає ушкодження провідника). Це дуже важливо для надтонких мікро провідників і різних деталей мікроелектроніки. Висока якість очистки головним чином досягається завдяки значної поглинаючою здатності різних органічних матеріалів (зокрема , полімерних ізолюючих покрить) в умовах їхнього опромінення інфрачервоним променем лазерів з довжиною хвилі λ=10,6 чи 1,06 км. Така технологія також використовується для очищення поверхонь відповідальних деталей від промислового бруду, різного роду поверхневих включень у матеріалі й ін. замість традиційних хімічних методів очищення.

Формування виробів складної просторової форми з листового металу. Завдяки можливості дуже точно контролювати подачу теплової енергії в зону лазерної дії і її переміщення по поверхні оброблюваного матеріалу з'явилася технологія програмованої зміни форми листового металу за рахунок термічних деформацій, генерованих лазерним променем. За новою технологією без використання традиційних дорогих деформуючих інструментів можна виготовити трубчасті деталі, хвилясті поверхні, згинати металевий матеріал відповідно до заданої програми. Ця технологія добре себе зарекомендувала у випадках, коли потрібно виготовити невелику партію складних деталей з металевого листа, а проектування і виготовлення складного деформуючого інструмента не окупається. Відомо експериментальне використання випромінювання могутнього СО2-лазера зміни просторової форми листа прокатної сталі товщиною 25 мм.

Спеціальні операції лазерної обробки. Специфічні особливості використання лазерного променя як універсального інструмента дають можливість постійно пропонувати вага нові і нові технологічні застосування лазерів. Значної ефект дає комбінування лазерної технології з іншими технологічними методами. Так, Використання лазерного локального нагрівання шаруючи матеріалу перед його видаленням механічним режущем інструментом значно полегшує процес механічної обробки надтвердих матеріалів, підвищує стійкість інструмента, що ріже.

Можливості технологічного застосування лазерного випромінювання далеко не вичерпані, про що свідчать результати численних новітніх публікацій. Подальший розвиток лазерної техніки і технології дозволяє виробнику одержати значні переваги в умовах складної конкуренції сучасної глобальної економіки.

Перспективи використання лазерних технологій у промисловості України.

Лазерні термічні технології впроваджуються в промисловість України, однак не досить інтенсивно Найбільш широке застосування в промисловості одержало лазерне різання листових матеріалів як металевих, так і неметалічних. Вона забезпечує швидкість різа понад 10 м/хв, товщину сталевого листа, що розрізається, до 15...20 мм, для тонкого (до 5 мм) листа відмінну чистоту різа, для аркушів великої товщини - задовільну. Застосування лазерного різа (далі ЛР) рекомендовано при чи виготовленні терміновому виконанні замовлення. Сучасні лазерні різательні машини оснащені комп'ютерною системою керування, що дозволяє швидко змінювати програму технологічного процесу вирізки окремих деталей. Ці властивості лазерного різательного устаткування як не можна краще відповідають умовам, яких знаходиться сучасна промисловість України (а саме, малосерийність, стислий строк з моменту висновок договору на постановку устаткування до самої постановки його замовнику).

З міцніюча поверхнева обробка дуже активне розвивається в Україні, а також у промислово розвитих країнах Заходу, хоча перші дослідження в цій області належать вітчизняним дослідникам, зокрема вченим НТУУ "КПИ". В останні роки велику зацікавленість до цієї технології виявляють розроблювачі турбореактивних двигунів, понад могутні енергетичні турбіни (для локального зміцнення робочих поверхонь лопаток турбін). Ці деталі працюють в екстремальних умовах, тому вимагають додаткової зміцнюючі обробки. Лазерна зміцнююча технологія - це багатофакторний процес, що залежить від більш ніж тридцяти різних факторів, що практично всі разом не можуть бути одночасно під контролем.

У дійсні час на ряді українських підприємств працює трохи лазерних різальних комплексів: на ОАО "Завод Більшовик" (Київ), ЮТЗ "Зоря" (Миколаїв), у концерні "Лан" (Олександрія, Кіровоградської обл.) і ін.

Зварені складові заготовок згодом в Україні набудуть широкого застосування в сільськогосподарському машинобудуванні, а також в інших галузях промисловості.

Лазерні термічні технології можна широко впроваджувати в промисловість України тільки при порівняно низькій ціні устаткування. Вартість закордонних технологічних лазерів і лазерних технологічних комплексів обчислюється сотнями тисяч доларів. Оцінка показала, що вітчизняне виробництво як технологічних лазерів і лазерних технологічних комплексів для різання, зварювання й інших ЛТТ буде в 2...3 рази дешевше закордонних. Спочатку 1990-х років в Україні був створений лазерна машина "Лазурит-2,5" на базі СО2-лазера потужністю 2,5 кВт, розроблені і промислово вироблялися холодильники для лазерів, лазерна оптика й ін. Але незважаючи на це, згадане лазерне обладнання, створене в Україні, до дійсного часу морально застаріло і вимагає модернізації. Відзначене відноситься і до технологічної апаратури на базі СО2-лазерів. Що стосується науково технологічного заділу для розробки могутніх твердотільних лазерів, то в нашій країні до дійсного часу він ще не створений.

Як показала практика наплавлення, легування, аморфізация і термообробка менш поширені, чим ЛР і ЛС.

Список літератури :

1) Промислове застосування лазерів. Під. ред. М.Кебнера, М.-1988.

2) Довідник по лазерах, пров. з англ. А.М.Прохорова. Том 1, М.-1978.

3) Фізична енциклопедія. Гол. ред. А.М.Прохоров. Том 2, М.-1990.

4) Звелто О., Принципи лазерів , перев.з англ., М.-1984.