07.01.2007
Под воздействием импульсов
Когда речь заходит о лазерных технологиях, в подавляющем большинстве случаев в первую очередь вспоминают о применении высокомощных лазеров в машиностроении, автомобилестроении для раскроя металлов, сварки и т. п. Для таких целей используются мощные СО2-лазеры непрерывного режима. В последние годы с ними успешно конкурируют волоконные лазеры. Однако возможности лазерных технологий этим не ограничены — существует и другое важное направление — системы с импульсными лазерами.
Системы с импульсными лазерами активно применяются в электронном машиностроении, автомобилестроении, атомной, космической, авиационной и судостроительной промышленности, медицине и практически во всех направлениях оборонного производства. В этих системах используются как энергетические возможности, так и другие свойства лазерного излучения и обрабатываемого материала — спектральная селективность, возможность распределять энергию во времени и т. д. Средняя мощность лазеров в лазерных технологических комплексах (ЛТК) этого типа, как правило, не превышает 500 Вт, в то время как пиковая мощность может составлять от единицы киловатт до десятков и более мегаватт.
При этом лазерное излучение может генерироваться в ультрафиолетовом, видимом и ближнем инфракрасном (ИК) диапазоне спектра (0,2–1 мкм).
Каждой операции — свой лазер
Область применения комплексов с импульсными лазерами наиболее разнообразна: это маркировка и гравировка, сварка и наплавка, резка, прецизионная обработка особотвердых и труднообрабатываемых материалов, выполнение специализированных операций — подгонка резисторов, прошивка отверстий, скрайбирование и т. д. (см. табл.). 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, а не нагрев объекта. Варьируя длительность воздействия, энергию импульса и спектральный состав лазерного излучения можно добиться расплава материала, изменения его структуры, испарения, разрыва межмолекулярных связей и т. д.
Из таблицы видно, что область варьирования параметров лазеров 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 специализированных задач точность позиционирования координатной системы должна составлять 1–3 мкм. Таким образом, для каждой решаемой технологической задачи необходимо использовать лазер, кинематическую систему (координатные столы, сканеры) и оптические и другие основные модули, обладающие вполне определенными параметрами, различными для различных задач.
В настоящее время на отечественном рынке среди ЛТК с импульсными лазерами представлена как продукция отечественных производителей, так и зарубежных компаний. При этом преобладают модели отечественных производителей, поскольку, по оценкам, лучшие из них имеют достаточно высокий технический уровень, но при этом значительно дешевле западных аналогов.
Типовые параметры лазерного излучения, необходимые для выполнения различных технологических задач.
| Параметры |
Сварка |
Резка, Гравировка |
Маркировка |
Микрообработка |
| Длина волны излучения, мкм |
1 |
1 |
1 |
0,2 – 1 |
| Средняя мощность, Вт |
10 – 500 |
100 – 500 |
до 50 |
до 50 |
| Энергия импульса, Дж |
до 100 |
до 2 |
до 0,01 |
до 0,2 |
| Длительность импульса, сек. |
10 – 2 |
10 – 3 |
10 – 8 |
10 – 2 / 10 - 15 |
| Частота повторения импульсов, Гц |
1 – 50 |
50 – 1000 |
1000 – 50000 |
102 / 108 |
| Диаметр пятна, мм |
0,3 – 2 |
0,1 – 0,4 |
0,05 – 0,1 |
0,01 – 0,05 |
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 с четырехкоординатным столом, лазером с широкими энергетическими возможностями, телевизионной системой наблюдения, опциями, позволяющими перенастраи-вать комплекс как на сварку, так и на резку металлов, керамики и т. д. В ЛТК для маркировки в настоящее время используются три типа лазеров: Nd:YAG лазеры с ламповой накачкой, диодной накачкой, волоконные лазеры. Каждый их этих типов маркировщиков имеет свои преимущества и недостатки, поэтому они не заменяют, а дополняют друг друга. Микрообработка лазерным лучом Повышение требований к надежности и качеству высокотехнологичной продукции, стремление к миниатюризация приборов при повышении управляемости и гибкости всех систем привели в последние годы к быстрому росту спроса на ЛТК для прецизионной микрообработки. Лазерные технологии 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, генерирующих 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 прецезионных кинематических систем (координатных столов и приводов, сканирующих систем, систем слежения). Еще одной важной задачей является разработка базовых технологий микрообработки. Характерным признаком ЛТК рассматриваемого класса является соединение точного машиностроения с самой современной лазерной и управляющей техникой. В современном лазерном тех-нологическом комплексе с импульсными лазерами используются достижения многих направлений высокотехнологичного производства, и в то же время раз-витие лазерных технологий обработки во многом определяет развитие практически всех отраслей современной промышленности. Поэтому степень развития и темпы роста различных лазерных технологий обработки в любой стране в значимой степени отражают мощь, статус и технологическое положение страны на мировом рынке и являются одним из ключевых показателей состояния ее экономики.
скачать в пдф