Лазеры и Аппаратура ТМ

Лазерные системы для обработки материалов

Гибкость лазерных методов такова, что ни одно из стратегически важных технологических направлений в мире за последние 15-20 лет не обходилось без использования лазерных технологий обработки материалов в их самом современном виде. Они активно применяются в электронном машиностроении, автомобилестроении, атомной, космической, авиационной и судостроительной промышленности, медицине и практически во всех направлениях оборонного производства. Внедрение лазерных технологий обработки позволяет практически всегда повысить качество продукции, производительность, обеспечить экологическую чистоту производства, а по целому ряду направлений достичь технических и экономических результатов, которые нельзя реализовать другими техническими средствами.

По своим возможностям и областям применения лазерные технологические комплексы для обработки можно разбить на два типа. Первый тип – это ЛТК, в которых в основном используются энергетические возможности высокомощных лазеров. Средняя мощность лазеров в комплексах этого типа составляет единицы киловатт. Основная область применения – машиностроение, например, раскрой листового металла в заготовительных производствах, резка и сварка корпусных и каркасных деталей, изготовление обшивок, панелей и т.д.

В настоящее время наибольшее распространение в этом классе ЛТК получили комплексы на СО2-лазерах. Длина волны излучения СО2-лазеров составляет 10 мкм. Поэтому комплексы с этими лазерами можно использовать для резки и металлов, и неметаллов. Однако для резки металлов из-за высокого коэфицента отражения нужен достаточно большой уровень мощности (более 0,5-1,0 кВт).

Серийно производятся модели мощностью до 6 кВт, большинство поставляемых на российский рынок моделей имеют мощность до 4 кВт. Такая мощность позволяет резать стальные листы толщиной до 20-25 мм. Скорость реза низкоуглеродистой стали толщиной 2 мм достигает 20 м/мин.

Серийные модели на СО2-лазерах имеют координатные столы портального типа с летающей оптикой. Размеры рабочей зоны от 1,2x2,4 до 3x7,8 м, что позволяет обрабатывать стандартные листы.

Комплексы оснащены столами-спутниками для загрузки листов. Такие ЛТК имеют высокую степень автоматизации и управляются ЧПУ.

Среди комплексов этого класса на российском рынке спросом пользуются зарубежные ЛТК: Trumatic L3030/L4030/L6030 фирмы Trumpf, Platino 1530/2040 фирмы Prima Industrie, BYSPRINT фирмы Bystronics. Среди российских производителей лидером в производстве ЛТК на основе мощных СО2-лазеров является ЗАО «Лазерные комплексы» (г. Шатура) (см. рис. 1).

Для ЛТК первого типа кроме СО2-лазеров применяют также мощные твердотельные лазеры с длиной волны 1 мкм. Такие лазеры, в отличие от газовых, режут неметаллические материалы значительно хуже, однако имеют значительное преимущество при резке металлов, т.к. излучение с длиной волны 1 мкм отражается металлами меньше. Среди твердотельных лазеров в диапазоне мощностей более 1-2 кВт особый интерес представляют появившиеся в последние годы волоконные лазеры. Пионером и бесспорным мировым лидером в разработках и производстве волоконных лазеров является межнациональный концерн российского происхождения IPG Photonics Corporation, в состав которого входит НТО «ИРЭ-Полюс».

Преимущества волоконных лазеров – высокий КПД и долговечность. Уже сейчас освоены лазеры с выходной мощностью 10 кВт. Основной сдерживающий фактор внедрения этих комплексов – пока еще высокая цена. Первые экспериментальные ЛТК с волоконными лазерами в России мощностью 1 кВт начали появляться в 2005 г. Появления на рынке серийных отечественных моделей ЛТК с мощными волоконными лазерами следует ожидать в самое ближайшее время.

Второй тип – это комлексы, в которых кроме энергетических возможностей используются и другие свойства лазерного излучения и обрабатываемых материалов: спектральная селективность, уникальная возможность распределения энергии во времени и т.д. Средняя мощность лазеров в ЛТК этого типа, как правило, не превышает примерно 500 Вт. ЛТК второго типа следует разделить на системы с лазерами непрерывного или квазинепрерывного (пиковая мощность примерно до 1-2 кВт) режима работы, генерирующие излучение в инфракрасном (ИК) диапазоне спектра (1–10 мкм) и ЛТК с импульсными лазерами, генерирующими излучение в ультрафиолетовом, видимом и ближнем ИК диапазонах (0,2–1 мкм) Наибольшее распространение среди ЛТК с непрерывными (квазинепрерывными) лазерами получили комплексы на основе СО2-лазеров.

Эти комплексы используются в установках резки и маркировки дерева, оргстекла, пластмассы, кварца, системах термоскалывания и др. Применение для этих целей СО2-лазеров связано с тем, что эти материалы практически прозрачны для излучения 1 мкм, но хорошо поглощают излучение с длиной волны 10 мкм. На российском рынке это оборудование, как правило, представлено импортными моделями Тайваня, Китая, Австрии и др. Российские фирмы представлены на рынке несколькими моделями маркировщиков со сканерными системами (производства ООО «Лазерный центр», «Центр лазерных технологий»). ЛТК с непрерывными твердотельными лазерами с ламповой накачкой мощностью до 500 Вт используются для резки тонких металлов. В основном эти модели были выпущены в 80-е годы. Предложений ЛТК с волоконными непрерывными лазерами мощностью менее 500 Вт на российском рынке пока нет, хотя имеется ряд прикладных технологических задач, где комплексы с такими лазерами могли бы найти применение. Причина та же – высокая цена волоконных лазеров.

Область применения комплексов второго типа с импульсными лазерами, генерирующими излучение в ультрафиолетовом, видимом и ближнем ИК диапазонах (0,2–1 мкм), наиболее разнообразна: это маркировка и гравировка, сварка и наплавка, резка, прецизионная обработка особо твердых и труднообрабатываемых материалов, выполнение специальных операций (подгонка резисторов, прошивка отверстий, скрайбирование и т.д.).

Столь широкая область применения ЛТК с импульсными лазерами объясняется тем, что при импульсном режиме воздействия тепло не успевает уйти из зоны обработки.

Вся энергия идет на взаимодействие с материалом, и объект не нагревается. Варьируя длительность воздействия, энергию импульса и спектральный состав лазерного излучения, можно добиться расплава материала, изменения его структуры, испарения, разрыва межмолекулярных связей и т.д.

В таблице 1 приведены типовые параметры лазерного излучения, необходимые для выполнения различных технологических задач. Видно, что область варьирования параметров лазера очень широкая. Кроме того, для различных технологических задач необходимо использовать различные кинематические системы для позиционирования лазерного пятна на поверхности или в объеме обрабатываемой детали. Так, например, для сварки обычно достаточно точности позиционирования координатного стола 50-100 мкм, а для микрообработки и выполнения отдельных специальных задач точность позиционирования координатной системы должна составлять 1-3 мкм. Таким образом, необходимо использовать лазер, кинематическую систему (координатные столы, сканеры) и оптические и другие основные модули, обладающие вполне определенными параметрами, различными для каждой решаемой технологической задачи.

В настоящее время на отечественном рынке среди ЛТК второго типа с импульсными лазерами преобладают модели отечественных производителей. Как правило, по своим параметрам лучшие модели, выпускаемые российскими фирмами, не уступают западным аналогам при значительно более низких ценах. Общепризнанным лидером среди российских производителей является НПЦ «Лазеры и аппаратура ТМ». Эта фирма производит пять серий лазерных машин: МЛ1, МЛ2, МЛ3, МЛ4, МЛ5 – для всех перечисленных в таблице 1 применений.

Для сварки и резки практически у всех предлагаемых на российском рынке моделей используются Nd:YAG-лазеры с ламповой накачкой. Варианты исполнения – от малогабаритного ручного сварщика для сварки ювелирных изделий до компьютеризированной лазерной машины (см. рис. 2) с четырехкоординатным столом, лазером с широкими энергетическими возможностями, телевизионной системой наблю- дения, опциями, позволяющими перенастраивать комплекс как на сварку, так и на резку металлов, керамики и т.д. В ЛТК для маркировки в настоящее время используются три типа лазеров: отечественные Nd:YAG-лазеры с ламповой или диодной накачкой и волоконные лазеры производства НТО «ИРЭ-Полюс». Каждый их этих типов маркировщиков имеет свои преимущества и недостатки, поэтому они не заменяют, а дополняют друг друга. Повышение требований к надежности и качеству высокотехнологичной продукции, стремление к миниатюризации приборов при повышении управляемости и гибкости всех систем привели в последние годы к быстрому росту спроса на ЛТК для лазерной прецизионной микрообработки. Лазерные технологии микрообработки позволяют осуществлять микросварку и резку, сверление сверхмалых отверстий в матрицах и фильерах из сверхтвердых материалов, фрезерование и формообразование, размерную обработку, изготовление сверхплотных масок и трафаретов, осуществлять функциональную лазерную настройку и др.

Необходимость выделения ЛТК для микрообработки в отдельный класс систем связана с тем, что для решения большинства задач, которые стоят в настоящее время перед потребителями ЛТК, технических и точностных возможностей традиционных комплексов уже недостаточно. Необходимо создание комплексов с лазерами нового поколения, генерирующими световые импульсы повышенной яркости в ИК, видимом и УФ диапазонах спектра с короткими и сверхкороткими импульсами; разработка устройств внешней оптики оптических блоков, обеспечивающих формирование пятна лазерного излучения, визуальный и параметрический контроль процесса; освоение прецизионных кинематических систем (координатных столов и приводов, сканирующих систем, систем слежения). Еще одной важной задачей является разработка базовых технологий микрообработки. За рубежом в развитие ЛТК для лазерной микрообработки вкладываются значительные ресурсы. В России в начале 2000-х годов было начато производство машин МЛ1-1 и нового поколения систем для подгонки резисторов МЛ5, которые также можно отнести к этому классу ЛТК. Первые комплексы были созданы на основе Nd:YAG-лазеров с ламповой накачкой. В этом году начинается выпуск машин на основе нового поколения лазеров на парах меди, а также комплексов на твердотельных лазерах с диодной накачкой.

Как видно из приведенного краткого обзора, характерным признаком ЛТК является соединение точного машиностроения с самой современной лазерной и управляющей техникой. В современном лазерном технологическом комплексе (ЛТК) используются достижения многих направлений высокотехнологичного производства и в то же время развитие лазерных технологий обработки во многом определяет развитие практически всех отраслей современной промышленности. Поэтому степень развития и темпы роста лазерных технологий обработки в любой стране однозначно отражают мощь, статус и технологическое положение страны на мировом рынке и являются одним из ключевых показателей состояния ее экономики.

скачать в пдф