О лазерах подробно


О лазерах подробно

Промышленная обработка материалов стала одной из областей наиболее широкого использования лазеров. До появления лазеров основными тепловыми источниками для технологической обработки являлись газовая горелка, электродуговой разряд, плазменная дуга и электронный поток. С появлением лазеров, излучающих большую энергию, оказалось возможным создавать на обрабатываемой поверхности высокие плотности светового потока. Роль лазеров как световых источников, работающих в непрерывном, импульсном режимах или в режиме гигантских импульсов, состоит в обеспечении на поверхности обрабатываемого материала плотности мощности, достаточной для его нагревания, плавления или испарения, которые лежат в основе лазерной технологии.

В настоящее время лазер успешно выполняет целый ряд технологических операций и, прежде всего таких, как резка, сварка, сверление отверстий, термическая обработка поверхности, скрайбирование, маркировка, гравировка и т. п., а в ряде случаев обеспечивает преимущества по сравнению с другими видами обработки. Так, сверление отверстий в материале может быть выполнено быстрее, а скрайбирование разнородных материалов является более совершенным. Кроме того, некоторые виды операций, которые раньше выполнить было невозможно из-за трудной доступности, выполняются с большим успехом. Например, сварка материалов и сверление отверстий могут выполняться через стекло в вакууме или атмосфере различных газов.

Слово «лазер» составлено из начальных букв в английском словосочетании Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, что в переводе на русский язык означает: усиление света посредством вынужденного испускания. Классически так сложилось, что при описании лазерных технологий обработки материалов основное внимание уделяется только непосредственно лазерам, принципам их работы и техническим параметрам. Однако, для того чтобы реализовать любой процесс лазерной размерной обработки материалов, кроме лазера необходимы ещё система фокусировки луча, устройство управления движением луча по поверхности обрабатываемого изделия или устройство перемещения изделия относительно луча, система поддува газов, оптические системы наведения и позиционирования, программное обеспечение управления процессами лазерной резки, гравировки и т.д. В большинстве случаев выбор параметров устройств и систем, обслуживающих непосредственно лазер является не менее важным, чем параметры самого лазера. Например, для маркировки подшипников диаметром менее 10 мм, или прецизионной точечной лазерной сварки время, затрачиваемое на позиционирование изделия и фокусировку, превышает время гравировки или сварки на один-два порядка (время нанесения маркировочной надписи на подшипник приблизительно 0,5 с). Поэтому без использования автоматических систем позиционирования и фокусировки использование лазерных комплексов во многих случаях становятся экономически нецелесообразными. Аналогия лазерных систем с автомобилями показывает, что лазер выполняет функции двигателя. Каким бы хорошим двигатель не был, но без колёс и всего остального автомобиль не поедет.

Ещё одним немаловажным фактором в выборе лазерных технологических систем является простота их обслуживания. Как показала практика, операторы имеют невысокую квалификацию обслуживания подобного оборудования. Одной из причин этого является то, что лазерные комплексы устанавливают в большинстве случаев на замену устаревшим технологическим процессам (ударная и химическая маркировки изделий, механическая гравировка, ручная сварка, ручная разметка и т.п.). Руководители предприятий, которые проводят модернизацию своего производства, как правило, из этических соображений, заменяя старое оборудование новым, оставляют старый (в прямом и переносном смыслах) обслуживающий персонал. Поэтому, для внедрения лазерных технологических систем в производство при данных начальных условиях его развития (в постсоветских республиках) необходимо предусматривать максимально возможный уровень автоматизации и простоты обучения. Не следует отбрасывать и тот факт, что зарплата неквалифицированного персонала ниже, чем подготовленного специалиста. Поэтому экономически выгодней покупать сложное оборудование с возможностью простоты в его обслуживании, чем приглашать высококвалифицированный персонал.

Таким образом, задачу использования лазерных технологий в современном производстве следует рассматривать не только с точки зрения технических параметров непосредственно лазера, но и с учётом характеристик оборудования, программного обеспечения которые позволяют использовать специфические свойства лазера для решения отдельно взятой технологической задачи.

Любая лазерная система, предназначенная для размерной обработки материалов, 

характеризуется следующими параметрами:

— скоростью обработки (реза, гравировки и т.п.);

— разрешающей способностью;

— точностью обработки;

— размером рабочего поля;

— диапазоном материалов обработки (чёрные металлы, цветные металлы, дерево, пластмасса и т.д.);

— диапазоном размеров и массы изделий, предназначенных для обработки;

— конфигурацией изделий (например, гравировка на плоской, цилиндрической, волнообразной поверхностях);

— необходимым временем изменения выполняемых задач (смена рисунка гравировки, конфигурации — линии реза, изменение материала обработки и т.п.);

— временем установки и позиционирования изделия;

— параметрами условий окружающей среды (диапазон температур, влажность, запылённость) в ——которых может эксплуатироваться система;

— требованиями к квалификации обслуживающего персонала.

Исходя из этих параметров, выбирается тип лазера, устройство развертки луча, разрабатывается конструкция крепежа изделия, уровень автоматизации системы в целом, решается вопрос о необходимости написания специализированных программ для подготовки файлов рисунков, линий реза и т.д.

Основными техническими характеристиками, определяющей характер обработки, играют энергетические параметры лазера — энергия, мощность, плотность энергии, длительность импульса, пространственная и временная структура излучения, пространственное распределение плотности мощности излучения в пятне фокусировки, условия фокусировки, физические свойства материала (отражательная способность, теплофизические свойства, температура плавления и т. д.). Рассмотрим основные типы лазеров и характеристики их излучения. В качестве активных сред лазеров используются твердые тела, жидкости и газы. В лазерах на твердых телах активными средами являются кристаллические или аморфные вещества с примесями некоторых элементов. Известно большое количество твердых веществ, пригодных для использования в лазерах, однако в практике обработки материалов широко используются только некоторые: Аl2O3 с примесью окиси хрома (рубин); стекло, иттрийалюминиевый гранат Y3Al5O12 и вольфрамат кальция CaWO4, активированные неодимом. Указанные активные среды позволяют, по сравнению с другими материалами, создавать лазеры с большой выходной энергией и высоким к.п.д. По принципу действия к твердотельным лазерам близки жидкостные лазеры, у которых в качестве активной среды используются жидкие диэлектрики с растворенными примесями.

Энергия импульса излучения твердотельных и жидкостных лазеров (в режиме свободной генерации) изменяется от десятых долей Джоуля до 103 Дж и выше, а в режиме модулированной добротности до нескольких десятков и сотен Джоулей. Мощность излучения импульсных лазеров в зависимости от режима работы может изменяться от сотен киловатт (свободная генерация) до Гиговатт (модулированная добротность). При пичковом режиме работы (неупорядоченная генерация) различие между среднеинтегральной за импульс мощностью и мощностью отдельного пичка может достигать двух порядков. Указанная разница несколько меньше для импульса с упорядоченной структурой (регулярный импульс). Среднеинтегральная мощность незначительно отличается от мощности в любой момент времени для квазистационарного импульса излучения. Поэтому квазистационарный режим генерации представляет практический интерес для процессов сварки и обработки материалов как режим, с помощью которого можно осуществить «мягкий» нагрев. Использование этого режима уменьшает вынос материала из зоны воздействия.

Предельное значение к.п.д. лазеров обусловливается преимущественно внутренними потерями в кристалле активной среды и эффективностью использования энергии накачки. Так, для лазеров на рубине величина реального к.п.д. не превышает 1%, а для лазеров на стекле с неодимом — 2%.

Другой разновидностью являются газовые лазеры, активной средой которых служит газ, смесь нескольких газов или смесь газа с парами металла. К газовым относятся и химические лазеры, так как для них применяются газообразные активные среды. В химическом лазере возбуждение активной среды обеспечивается быстропротекающими химическими реакциями. В качестве активных частиц в газовых лазерах используются нейтральные атомы, ионы и молекулы газов. Лазеры на нейтральных атомах позволяют генерировать излучение с длиной волны преимущественно в инфракрасной части спектра и некоторые — в красной области видимого спектра.

Ионные газовые лазеры дают излучение в основном видимое и ультрафиолетовое. Молекулярные газовые лазеры генерируют излучение с длиной волны 10-100 мкм (инфракрасный и субмиллиметровый диапазоны). Мощность лазеров на нейтральных атомах, например гелийнеонового в непрерывном режиме, не превышает 50 мВт, ионных (аргоновый) — достигает 500 Вт, а молекулярные являются наиболее мощными. Так, лазеры на углекислом газе дают в непрерывном режиме выходную мощность в несколько десятков киловатт. К.п.д. лазеров на нейтральных атомах и ионах практически не превышает 0,1%, молекулярные имеют значительно больший к.п.д., достигающий 20%.

Наиболее перспективными для использования во многих технологических процессах являются волоконные лазеры. В настоящее время на рынке представлены одномодовые волоконные лазеры со средней выходной мощностью до 2 кВт, маломодовые до 10 кВт и многомодовые системы с выходной мощностью до 50 кВт. Наибольшие уровни мощности достигнуты в лазерах на YЬ-активированном волокне, генерирующих излучение с длиной волны 1,07 мкм, которое поглощается в металлах лучше, чем излучение с длиной волны 10,6 мкм. Кроме того, в 10 раз меньшая длина волны позволяет получить меньшую расходимость излучения, а значит, лучше его сфокусировать. Этим объясняется тот факт, что даже относительно маломощные 100-ваттные одномодовые лазеры обеспечивают резку стали толщиной 1,5 мм со скоростью до 4 м/мин. Технические характеристики волоконных лазеров позволяют реализовать режим дистанционной сварки, существенно упрощающий встраивание лазерного оборудования в современные роботизированные производственные линии, и резко увеличивает скорость сварки.

Но не только в мощности и расходимости пучков дело. Еще один параметр, который резко выделяет волоконные лазеры, — высокая энергетическая эффективность. Накачка активированного волокна осуществляется лазерными диодами, к.п.д. которых превышает 60%, благодаря чему полный (или «от розетки») к.п.д. волоконных лазеров составляет 28-30% (во много раз выше, чем у лучших промышленных лазеров на С02, а также твердотельных лазеров с полупроводниковой и ламповой накачкой). Благодаря этому их эксплуатационные расходы на энергопотребление и охлаждение оказываются в 5-8 раз меньше, чем у лазеров на СО2, и примерно в 20-50 раз меньше, чем у твердотельных лазеров с ламповой накачкой. Последний факт, а также отсутствие в волоконных лазерах юстируемых узлов, выполнение их в виде интегральных волоконных устройств, обеспечивают высокую надежность систем в целом. Конструктивно и с точки зрения эксплуатации волоконные лазеры ближе к чисто электронному оборудованию, чем к промышленным лазерам других типов. К этому следует добавить, что они практически не требуют регламентного обслуживания.

Хорошей интегрируемости волоконных лазеров в современное технологическое оборудование способствует и то, что их выходное излучение прекрасно транспортируется без потери мощности и пространственных характеристик по тонким кварцевым волокнам, защищенным от механических воздействий гибкими металлорукавами диаметром 8…15 мм. Длина подобных волоконных кабелей достигает 200 м и при необходимости может быть увеличена.

Ниже рассмотрены специализированные задачи, решаемые лазерными технологическими системами. Акцент смещён на характеристиках лазеров, предназначенных для решения этих задач.

Лазерная резка металлов

Применение лазеров для резки металлов, так же как и неметаллов, обусловлено следующими преимуществами по сравнению с традиционными методами: обширным классом разрезаемых материалов; возможностью получения тонких разрезов благодаря острой фокусировке лазерного луча; малой зоной термического влияния излучения; минимальным механическим воздействием, оказываемым на материал; возможностью быстрого включения и выключения устройства с высокой точностью; химической чистотой процесса резки; возможностью автоматизации процесса и получения высокой производительности метода; возможностью резки по сложному профилю в двух и даже трех измерениях.

Лазерная резка, как и другие виды лазерной обработки, основана на тепловом действии излучения и происходит при движущемся источнике тепла, который может перемещаться в двух взаимно перпендикулярных направлениях с помощью специальной оптической системы, позволяющей сформировать пятно с большой плотностью и подвести его в необходимую точку обрабатываемого образца.

Резка относительно толстых металлических листов производится, как правило, с поддувом активного газа (кислорода) в зону резания. Сущность этого процесса, получившего название газолазерной резки (ГЛР), состоит в том, что излучение лазера фокусируется оптической системой на поверхности обрабатываемого материала и с помощью специального устройства соосно с лучом подаётся кислород. При лазерной резке металлов кислород выполняет следующие функции:

поддерживает горение металла;
удаляет продукты разрушения и очищает зону резания путём выдувания газообразных продуктов и капельной фракции;
интенсивно охлаждает прилегающие к зоне резания участки материала.

Наличие струи кислорода при резке металлов позволяет существенно увеличить глубину, скорость резания и получить качественные кромки. Небольшая доля падающего излучения поглощается поверхностным слоем металла и приводит к его нагреванию. Образующаяся пленка окислов увеличивает долю поглощаемой энергии, и температура металлов возрастает до точки плавления. Жидкий металл и окислы выдуваются струей кислорода из зоны резки, облегчая тем самым окисление расположенных ниже слоев. Это продолжается до тех пор, пока лист металла не будет прорезан на полную глубину. Малое энерговложение и высокая концентрация энергии позволяют получить параллельные кромки при малой ширине реза (0,1—0,5 мм) и незначительной зоне термического влияния.

Скорость резания толстых листов растет с увеличением мощности лазера и зависит от толщины листа и теплопроводности металла. При мощности лазера около 400-600 Вт можно резать черные металлы и титан со скоростью порядка нескольких метров в минуту, в то время как резка металлов с высокой теплопроводностью (медь, алюминий) представляет определенную трудность. В литературе имеется достаточное количество информации о существенном влиянии энергии химической реакции на скорость резки и чистоту кромок, однако сложность процесса не позволяет произвести какие-либо количественные оценки, тем более что неизвестны состав конечных продуктов окисления, доля капельной фракции металла, выдуваемого струей газа, и скрытая теплота фазовых переходов (плавление, испарение). В таблице 1 показаны средние значения скорости реза различных металлов.

Таблица 1.

Металл толщина, мм мощность излучеиия, Вт скорость резания, м/мин
Малоуглеродистая сталь 1,0
0,5
1,2
2,2
100
250
400
850
1,6
0,635
4,6
1,8
Инструментальная сталь 3,0 400 1,7
Нержавеющая сталь 1,0
0,5
1,3
2,5
3,2
9,0
4,7
100
250
400
400
400
850
20000
0,94
2,6
4,6
1,27
1,15
0,36
1,27
Титан 0,6
1,0
0,5
250
600
850
0,2
1,50
3,2

Для газолазерной резки, как правило, используются мощные СО2 и твердотельные лазеры. Современные СО2-лазеры с медленной прокачкой газа вдоль газоразрядной трубы имеют сравнительно большие длины, так как их удельная мощность не превышает 50-100 Вт/м. Широко распространены СО2-лазеры, выполненные в виде «свернутой» конструкции из двух, четырех или шести труб с габаритной длиной примерно 3-6 м и к.п.д. около 10%. Относительно недавно разработаны СО2-лазеры с быстрой поперечной прокачкой газа, циркулирующего в замкнутом объеме. При сравнительно небольших габаритах на них удается получить уровни мощности 6-10 кВт в непрерывном режиме генерации.

Газолазерную резку часто сравнивают с микроплазменной, которая позволяет производить разрез более толстых листов металла и с большей скоростью. Однако следует отметить, что ГЛР обеспечивает лучшую локальность и большую плотность подводимой энергии, вследствие чего уменьшается зона термического влияния.

Механическая резка титана вследствие высокой его вязкости является затруднительной, а плазменная дает большую зону термического влияния и газонасыщение кромок. Применение ГЛР приводит к сокращению затрат на обработку на 75%. При ГЛР важным моментом в определении скорости резания является правильно выбранная скорость истечения из сопла газовой струи, которая определяется давлением газа в резаке.

Эффективность процесса ГЛР алюминия сильно зависит от состояния поверхности. Резка листов с гладкой необработанной поверхностью существенно усложняется, в то время как пескоструйная обработка поверхности позволяет осуществлять ГЛР, но качество реза при этом невысокое (он представляет собой регулярную последовательность отверстий). Оксидирование, пассивирование, анодирование и азотирование поверхности гладкого листа не обеспечивали достаточных условий для ГЛР. Имеются трудности при резке и таких материалов, как медь, латунь. Дело в том, что данные металлы имеют высокий коэффициент отражения лазерного излучения, как в холодном, так и в нагретом состоянии и высокую теплопроводность. Образующиеся на них окисные пленки имеют малую толщину и неэффективно поглощают лазерное излучение.

Лазерное сверление отверстий в металлах

Использование лазера в качестве сверлящего инструмента дает преимущества.

Отсутствует механический контакт между сверлящим инструментом и материалом, а также поломка и износ сверл.

Увеличивается точность размещения отверстия, так как оптика, используемая для фокусировки лазерного луча, используется также и для наводки его в необходимую точку. Отверстия могут быть ориентированы в любом направлении.

Достигается большее отношение глубины к диаметру сверления, чем это имеет место при других способах сверления.

При сверлении, так же как и при резании, свойства обрабатываемого материала существенно влияют на параметры лазера, необходимые для выполнения операции. Сверление осуществляют импульсными лазерами, работающими как в режиме свободной генерации с длительностью импульсов порядка 1 мкс, так и в режиме с модулированной добротностью с длительностью в несколько десятков наносекунд. В обоих случаях происходит тепловое воздействие на материал, его плавление и испарение. В глубину отверстие растет в основном за счёт испарения, а по диаметру за счет плавления стенок и вытекания жидкости при создаваемом избыточном давлении паров.

Как правило, глубокие отверстия желаемого диаметра получаются при использовании повторяющихся лазерных импульсов малой энергии. В этом случае образуются отверстия с меньшей конусностью и лучшего качества, нежели отверстия, полученные с более высокой энергией одиночного импульса. Исключение составляют материалы, содержащие элементы, способные создавать высокое давление паров. Так, латунь сваривать очень трудно лазерным импульсным излучением из-за высокого содержания цинка, однако при сверлении латунь имеет некоторые преимущества, так как атомы цинка значительно улучшают механизм испарения.

Поскольку многоимпульсный режим позволяет получать отверстия лучшего качества нужной геометрии и с небольшим отклонением от заданных размеров, то на практике этот режим получил распространение при сверлении отверстий тонких металлов и неметаллических материалов. Однако при сверлении отверстий в толстых материалах предпочтительными являются одиночные импульсы большой энергии. Диафрагмирование лазерного потока позволяет получить фигурные отверстия, однако этот способ чаще используется при обработке тонких пленок и неметаллических материалов. В том случае, когда лазерное сверление производится в тонких листах толщиной меньше 0,5 мм, имеет место некоторая унификация процесса, состоящая в том, что отверстия диаметром от 0,001 до 0,2 мм могут быть изготовлены во всех металлах при относительно низких мощностях.

Высверливание отверстий в металлах может быть использовано в ряде случаев. Так, с помощью импульсных лазеров может быть произведена динамическая балансировка деталей, вращающихся с высокой скоростью. Дисбаланс выбирается путем локального выплавления определенного объема материала. Лазер может быть использован также для подгонки электронных элементов либо локальным испарением материала, либо за счет общего разогрева. Высокая плотность мощности, малый размер пятна и малая длительность импульса делают лазер идеальным инструментом для этих целей.

Лазеры, применяемые для сверления отверстий в металле, должны обеспечить в фокусированном луче плотность мощности порядка 107 – 108 Вт/см2. Сверление отверстий металлическими сверлами диаметром меньше 0,25 мм является трудной практической задачей, в то время как лазерное сверление позволяет получать отверстия диаметром, соизмеримым с длиной волны излучения, с достаточно высокой точностью размещения. Специалистами фирмы «Дженерал Электрик» (США) подсчитано, что лазерное сверление отверстий по сравнению с электроннолучевой обработкой имеет высокую экономическую конкурентоспособность. В настоящее время для сверления отверстий используются в основном твердотельные лазеры. Они обеспечивают частоту следования импульсов до 1000 Гц и мощность в непрерывном режиме от 1 до 103 Вт, в импульсном — до сотен киловатт, а в режиме с модуляцией добротности — до нескольких мегаватт. Некоторые результаты обработки такими лазерами приведены в табл. 3.

Таблица 3.

Металл Толщина, мм Диаметр отверстия, мм Продолжительность
сверления
Энергия лазера,
Дж
входного выходного
Нержавеющая сталь 0,65
0,9
1,78
0,25
0,5
0,3
0,15
0,25
0,22
10 импульсов
2,35
0,8
0,15
0,25
16,0
Никелевая сталь 0,5 0,2 0,15 2,0 3,3
Вольфрам 0,5
1,6
0,2
0,35
0,2
0,2
2,1
1,8
4,0
2,1
Магний 1,6
0,5
0,4
0,25
0,3
0,2
2,0
2,0
3,3
3,3
Молибден 0,5
0,8
0,25
0,2
0,25
0,2
2,35
2,25
5,9
4,9
Медь 1,6 0,3 0,15 2,35 5,9
Тантал 1,6 0,3 0,1 2,42 8,0

Лазерная сварка металлов

Лазерная сварка в своем развитии имела два этапа. Первоначально получила развитие точечная сварка. Это объяснялось наличием в то время мощных импульсных твердотельных лазеров. В настоящее время при наличии мощных газовых СО2-и твердотельных Nd: YAG-лазеров, обеспечивающих непрерывное и импульсно-непрерывное излучение, возможна шовная сварка с глубиной проплавления до нескольких миллиметров. Лазерная сварка имеет ряд преимуществ по сравнению с другими видами сварки. При наличии высокой плотности светового потока и оптической системы возможно локальное проплавление в заданной точке с большой точностью. Это обстоятельство позволяет производить сваривание материалов в труднодоступных участках, в вакуумной или газонаполненной камере при наличии в ней окон, прозрачных для лазерного излучения. Сваривание, например, элементов микроэлектроники в камере с атмосферой инертного газа представляет особый практический интерес, поскольку в этом случае отсутствуют реакции окисления.

Сваривание деталей происходит при значительно меньших плотностях мощности, чем резка. Это объясняется тем, что при сварке необходимы только разогрев и плавление материала, т. е. необходимы плотности мощности, еще недостаточные для интенсивного испарения (105—106 Вт/см2), при длительности импульса около 10-3-10-4 с. Поскольку излучение лазера, сфокусированное на обрабатываемом материале, является поверхностным тепловым источником, то передача тепла в глубину свариваемых деталей осуществляется за счет теплопроводности и зона проплавления с течением времени при правильно подобранном режиме сварки изменяется. В случае недостаточных плотностей мощности имеет место непроплавление свариваемой зоны, а при наличии больших плотностей мощности наблюдаются испарение металла и образование лунок.

Сварку можно производить на установке для газолазерной резки при меньших мощностях и использовании слабого поддува инертного газа в зону сварки. При мощности СО2-лазера около 200 Вт удается сваривать сталь толщиной до 0,8 мм со скоростью 0,12 м/мин; качество шва получается не хуже, чем при электроннолучевой обработке. Электроннолучевая сварка имеет несколько большие скорости сваривания, но зато проводится в вакуумной камере, что создает большие неудобства и требует значительных общих временных затрат.

В табл. 4 приведены данные по стыковой сварке СО2-лазером, мощностью 250 Вт различных материалов.

Таблица 4.

Материал Толщина, мм Скорость сварки, м/мин Ширина шва, мм
Нержавеющая сталь 0,125
0,250
0,410
2,3
0,86
0,27
0,45
0,70
0,75
Никопель 0,1
0,25
3,75
1,0
0,25
0,45
Никель 0,125 0,87 0,45
Монель 0,25 0,37 0,625
Технический титан 0,125
0,25
3,5
1,25
0,375
0,55

При других мощностях излучения СО2-лазера получены данные шовной сварки, приведенные в табл. 5. При сварке внахлест, торцовой и угловой были получены скорости, близкие к указанным в таблице, при полном проплавлении свариваемого материала в зоне воздействия луча.

Таблица 5.

Материал Толщина, мм Скорость сварки, м/мин Ширина шва, мм Мощность лазера, Вт
Малоуглеродистая сталь 2,0 0,20 1,5 700
Нержавеющая сталь 1,0
8,9
20,0
0,38
0,76
1,27
1,5
2,3
3,3
600
8000
20000

Лазерные сварочные системы способны сваривать разнородные металлы, производить минимальное тепловое воздействие за счет малого размера лазерного пятна, а также сваривать тонкие проволочки диаметром менее 20 мкм по схеме провод-провод или провод-лист.

Резка неметаллических материалов

Лазерный луч с большим успехом применяется для резки неметаллических материалов, таких, как пластмасса, стеклопластики, композиционные материалы на основе бора и углерода, керамика, резина, дерево, асбест, текстильные материалы и т. д. Данный ассортимент материалов, как правило, обладает меньшей температуропроводностью, чем металлы, и поэтому удельное энерговложение для процесса резки значительно меньше. Поэтому пороговая плотность потока, необходимая для начала резки неметаллов, слабо зависит от толщины листа.

Для резки неметаллических материалов, так же как и металлов, используют преимущественно ИАГ- и СО2-лазеры непрерывного излучения. Чтобы повысить эффективность резки, применяют поддув в зону резания активного или нейтрального газа, который выдувает испаренные капельные фракции и производит охлаждение обрабатываемого локального участка, позволяя резать материалы с малым их обугливанием и оплавлением.

В процессе ГЛР диэлектриков решающую роль в их разрушении играет выдувание из зоны резания мелкодисперсной и капельной фракции, образующихся при тепловом воздействии лазерного излучения. Исключение составляют материалы на основе фенолформальдегидных смол: текстолит, стеклотекстолит и др. Данный вид материалов под действием лазерного излучения превращается в вязкую спекшуюся массу, которую трудно удалить из реза с помощью газовой струи: требуются большие энергозатраты на испарение продуктов разрушения.

Газолазерная резка позволяет получать чистый разрез диэлектриков с хорошими качествами кромки реза. При этом со стороны входа луча кромка имеет лучшее качество, а со стороны выхода наблюдается некоторое оплавление. Резка материала органического происхождения большой толщины отличается интересной особенностью; ширина реза на выходе значительно меньше, чем можно было бы ожидать исходя из геометрической расходимости луча, формируемого фокусирующей оптикой.

При наличии достаточной мощности излучения лазера можно выполнить процесс ГЛР стекла и кварца. При этом качество резки высокое, но со стороны выхода и входа луча кромки слегка оплавлены.

Большие перспективы открываются при использовании ГЛР для раскроя текстиля. Имеющиеся результаты экспериментального исследования резки как отдельных слоев, так и многослойных настилов показывают, что в каждом конкретном случае существуют режимы работы лазеров и скорости перемещения обрабатываемого материала, при которых разрез получается высокого качества без обгорания.

В табл. 6 приведены результаты резания некоторых диэлектрических материалов СО2-лазером.

Таблица 6.

Материал Толщина, мм Скорость резания, м/мин Мощность излучения, Вт
Асбоцемент 6,3 0,025 200
Бумага Газетная 600 400
Картон 19,0 0,1 200
Мулар 0,025 300 300
Текстиль 0,45 50,0 400
Кварц 2,0 1,0 400
Стекло 9,53 1,52 20000
Оргстекло 1,5
12,7
3,0
4,6
400
20000
Стеклопластик 2,4 0,635 200
Фанера 17,0
25,4
0,5
1,5
500
8000
Нейлон 0,8 5,0 200
Кожа 3,2 0,635 200

Сверление неметаллических материалов

Сверление отверстий является одним из первых направлений лазерной технологии. Вначале, прожигая отверстия в различных материалах, экспериментаторы с их помощью оценивали энергию излучения лазерных импульсов. В настоящее время процесс лазерного сверления становится самостоятельным направлением лазерной технологии. К материалам, подлежащим сверлению при помощи луча лазера, относятся такие неметаллы, как алмазы, рубиновые камни, ферриты, керамика и др., сверление отверстий в которых обычными методами представляет определенную трудность или является малоэффективным. При помощи лазерного луча можно сверлить отверстия разного диаметра. Для этой операции используют следующие два метода. При первом методе лазерный луч перемещается по заданному контуру, и форма отверстия определяется траекторией его относительного перемещения. Здесь имеет место процесс резки, при котором тепловой источник перемещается с определенной скоростью в заданном направлении: при этом, как правило, применяются лазеры непрерывного излучения, а также импульсные, работающие с повышенной частотой следования импульсов.

При втором методе, получившем название проекционного, обрабатываемое отверстие повторяет форму лазерного луча, которому с помощью оптической системы можно придать любое сечение. Проекционный метод сверления отверстий имеет некоторые преимущества по сравнению с первым. Так, если на пути луча поставить диафрагму (маску), то таким образом можно срезать периферийную его часть и получить относительно равномерное распределение интенсивности по сечению луча. Благодаря этому граница облучаемой зоны оказывается более резкой, конусность отверстия при этом уменьшается, а качество улучшается.

Существует ряд приемов позволяющих дополнительно выбрать из обрабатываемого отверстия часть расплавленного материала. Один из них — создание избыточного давления сжатым воздухом или другими газами, которые подаются в зону сверления с помощью сопла, соосного с лазерным излучением. Этот способ использовался для сверления отверстий диаметром 0,05—0,5 мм в керамических пластинках толщиной до 2,5 мм при использовании СО2-лазера, работающего в непрерывном режиме.

Сверление отверстий в твердой керамике является непростой задачей: при обычном способе требуется наличие алмазного инструмента, а при других существующих методах трудности связаны с размером отверстия в диаметре, равным десятым долям миллиметра. Эти трудности особенно ощутимы, когда толщина обрабатываемой пластины больше, чем диаметр отверстия. Отношение глубины отверстия (толщины материала) к его диаметру является мерой качества получения тонких отверстий; оно составляет 2:1 при обычном сверлении и около 4:1 при ультразвуковом методе, используемом при сверлении керамики и других тугоплавких материалов.

Лазерный метод сверления данного класса материалов позволяет получить лучшее отношение при очень высокой точности размещения отверстий и относительно меньших временных затратах. Так, при лазерном сверлении высокоплотной поликристаллической глиноземной керамике использовался рубиновый лазер с энергией в импульсе 1,4 Дж, сфокусированной линзой с фокусным расстоянием 25 мм на поверхности диска и обеспечивающей плотность мощности около 4-106 Вт/см2. В среднем 40 импульсов при частоте следования 1 Гц понадобилось, чтобы просверлить керамический диск толщиной в 3,2 мм. Длительность лазерного импульса была 0,5 мс. Полученные отверстия имели конусность с диаметром на входе около 0,5 мм, а на выходе 0,1 мм. Видно, что отношение глубины к среднему диаметру отверстия составляет около 11:1, что значительно больше аналогичного отношения при других способах сверления отверстий. Для простых материалов это отношение при лазерном сверлении может составлять 50:1.

Для удаления продуктов сгорания и жидкой фазы из зоны сверления используется поддув воздухом или другими газами. Более эффективное выдувание продуктов происходит при сочетании поддува с передней стороны и разряжения с обратной стороны образца. Аналогичная схема использовалась для сверления отверстий в керамике толщиной до 5 мм. Однако эффективное удаление жидкой фазы в этом случае происходит только лишь после образования сквозного отверстия.

В табл. 7 приведены параметры отверстий в некоторых неметаллических материалах и режимы их обработки.

Таблица 7.

Материал Параметры отверстия Режим обработки
Диаметр, мм Глубина, мм Отношение глубины к диаметру Энергия, Дж Длительность импульса
x10-4, с
Плотность потока, Вт/см2 Количество импульсов на отверстие
Феррит 200
200
50
1,0
1,0
1,0
5
5
20
1,6
0,3
0,05
10
1
0,9
5×106
2×107
6×107
1
7
10
Рубин 50 0,45 9 0,2 2 6×107 5
Ситалл 50 0,6 12 0,3 1 5×107 3—5
Керамика 200 3,2 16 1,4 5 4×106 40

Сварка неметаллических материалов

Данный вид лазерной технологии к настоящему времени освоен еще недостаточно полно. Но по имеющимся экспериментальным данным лазерная сварка неметаллических материалов оказалась перспективной в силу тех обстоятельств, что сфокусированный лазерный луч способен в малом объеме произвести разогрев материала без его разрушения и обеспечить сваривание материала и изделий с узкой зоной термического воздействия и высоким качеством соединения. При этом возможна механизация процесса.

Необходимым требованием сваривания однородных или разнородных материалов являются условия, при которых поверхность может быть нагретой без избыточного испарения или выброса материала. Верхняя граница, соответствующая испарению стекла, составляет около 1200°С, нижняя, соответствующая размягчению стекла, — около 700°С. Если производить предварительный подогрев стекла до 300-400°С, то можно получать качественные швы с меньшими удельными энерговложениями и сваривать детали толщиной в несколько миллиметров. При этом резко снижается выделение влаги, конденсирующейся из продуктов сгорания, и повышается точность готового прибора благодаря отсутствию оплывания стекла.

Для сварки деталей из обычных стекол вполне достаточен уровень мощности порядка 50-100 Вт, а для сварки кварца и металлостеклянных спаев необходимы мощности порядка 300 Вт и более. К настоящему времени проведено ограниченное количество теоретических и экспериментальных исследований по определению соотношений между мощностью излучения лазера, скоростью сварки, диаметром светового пятна, толщиной свариваемых деталей и т. п. Однако для ориентировочной оценки можно пользоваться удельной энергией сварки, приблизительно равной для стекла 30 кДж/г, а для кварца 45 кДж/г.

Для сварки неметаллических материалов применяются, как правило, СО2- и ИАГ-лазеры непрерывного действия. Лазерные установки, предназначенные для резки, могут успешно применяться и для сварки. В лабораторных условиях опробовано сваривание таких материалов, как кварц, стекло, а также изделий в виде стеклянных или кварцевых труб и прутков. При этом могут быть выполнены соединения типа встык, внахлест и т. д.

Известно, что изделия из кварца подвергаются термической обработке при помощи кислородно-водородной горелки. При этом продукты сгорания попадают в материал и производят его газонасыщение, образуя тем самым в зоне обработки дефекты в виде пузырьков, ухудшающих механические свойства изделия. Для устранения указанного недостатка на практике используется иной тип нагревателя кварца, принцип работы которого состоит в том, что излучение от мощного дугового источника тепла с помощью рефлектора фокусируется в точку, в которой производится термическая обработка кварца, предназначенного для прецизионных измерений. Однако данный вид обработки является несовершенным и малоэффективным. Лазерный луч, в силу его высокой монохроматичности и когерентности позволяет получать с помощью оптической системы пятно малого размера и тем самым большие плотности мощности, что делает его более совершенным инструментом для термической обработки кварца, стекла и других неметаллических материалов и позволяет избежать их газонасыщения.

Термообработка материалов

Благодаря лазерам, обеспечивающим в режиме непрерывной генерации мощность порядка нескольких киловатт, стало возможным осуществлять термическую обработку металлических поверхностей. Это особенно важно для обработки таких поверхностей, где мощный лазерный луч имеет преимущества или где геометрия обрабатываемых изделий создает трудности для применения традиционного теплового метода. Лазерная термообработка применяется для закалки стальных поверхностей, высокоскоростного отжига фольги, удаления пленок и других поверхностных осаждений, а также впекания порошкового материала в металлическую поверхность.

Образование тонкого твердого поверхностного слоя на стальных изделиях путем подогрева металла и последующего быстрого охлаждения играет важную роль во многих технологических операциях. Обрабатываемыми деталями могут быть зубчатые колеса, шпоночные канавки, зубчатые муфты, распределительные валы, концы пальцев толкателей, ножи различных машин и т. д. Поскольку допустимый износ у стали является малой величиной, то увеличение срока службы изделия достигается за счет создания поверхностного твердого слоя. Одной из важных особенностей поверхностного упрочнения является сохранение качества основной массы металла, которая также разогревается вместе с поверхностным слоем. Основным процессом при закалке является нагревание поверхности до температуры, при которой исчезает аустенитная структура. При этом углерод начинает существовать как твердый раствор карбида железа в гамме железа. Затем производится охлаждение до температуры, при которой еще не успеет образоваться устойчивое состояние перлита с ферритом или цементитом, а образуется очень прочный твердый раствор карбида в a-железе, известный как мартенсит. Необходимая скорость охлаждения зависит от состава стали и имеет значение порядка 30-40° С/с до тех пор, пока температура не достигнет порядка 250 °С. Известно, что для получения указанной скорости охлаждения применяют охлаждающие жидкости.

При лазерной закалке количество энергии, вложенной в металл, является достаточным для поверхностного нагрева, а масса металла остается холодной. В этом случае нагретая поверхность будет охлаждаться за счет теплопроводности с достаточно высокой скоростью. Известно, что поглощение света металлами намного сильнее в видимых лучах, а малая длина волны излучения позволяет получить пятно в фокусе с высокой плотностью. Однако поверхностное поглощение увеличивается с ростом температуры металла и образованием на поверхности окисных пленок.

В обычной стали поглощенное излучение с плотностью 8 кВт/см2 прогреет слой на глубину 0,5 мм до температуры выше критической, при которой имеют место переходы g-модификации в a-модификацию аустенита (Т?937° С) за время, приблизительно равное 0,05 с. Если тепло от лазерного луча за счет теплопроводности быстро передается в другие части поверхности, то поверхностный слой будет охлаждаться очень быстро, образуя мартенситную поверхность.

При лазерном способе обработки поверхности необходимо, повышая температуру на требуемой глубине до величины, при которой обеспечивается закалка поверхности, избежать ее разрушения, которое происходит при температуре около 1200° С, в то время как 900° С достаточно для поверхностной закалки.

Эффективность процесса закалки определяется отражательной способностью поверхности. На длине волны 10,6 мкм поглощение поверхности холодной стали меньше 10%, но оно резко увеличивается с увеличением поверхностной температуры. Если на обрабатываемую поверхность нанести тонкий слой графита, то тем самым можно существенно уменьшить отраженный поток и увеличить эффективность процесса закалки.

Температурную обработку стали можно производить в различных средах (вода, воздух, различные газы). Оказывается, что более высокое упрочнение стали имеет место при ее обработке в жидких средах. Причем в малоуглеродистой стали после облучения упрочнение выше, чем в высокоуглеродистой, с достаточно высокой устойчивостью.

Имеющиеся в настоящее время результаты использования мощных лазеров для поверхностной закалки дают возможность сделать следующие выводы.

Данный процесс успешно выполняется с относительно небольшими затратами поглощенной энергии, необходимой для нагрева поверхностного слоя, при этом не происходит общего нагрева детали.
Метод может быть использован для закалки внутренних поверхностей так же успешно, как и наружных. Концентрацию тепла в обрабатываемой зоне, как и в случае индукционного метода нагрева, можно контролировать.
Возможно получать очень узкие закаленные полоски или локальные участки путем сканирования лазерным лучом или применения специальных масок.
Во время закалки отсутствуют ядовитые химические процессы, а также шумы и высокая температура на рабочем месте.
Процесс закалки происходит очень быстро, поэтому окисление поверхности или другие химические изменения являются минимальными.

Другие виды технологического применения лазеров

Лазеры применяются не только для процессов резки, сварки, сверления отверстий в объемных материалах, но также и для выполнения операций в местах, где использование обычных методов обработки по каким-либо причинам затруднительно.

Резка тонкостенного трубчатого стекла. В технологии изготовления ряда приборов, например электровакуумных, существует проблема бездефектной резки трубчатого стекла на заготовки баллонов приборов. Основной механизм резки — направленное разделение за счет термоупругих напряжений, возникающих в стекле под действием больших температурных градиентов. При вращении трубки с частотой порядка 20 об/с на ее поверхности создается кольцевой источник тепла, при котором благодаря термоупругим напряжениям, превышающим предел прочности стеклянной трубки, возникает разделяющая трещина. В зависимости от скорости роста напряжений можно получить различную шероховатость поверхностей разделения от 4-го до 13-го классов.

С помощью лазерного излучения можно произвести также резку листового стекла, керамики и нарезку кварцевых трубок. Известно, что в некоторых случаях применение обычных методов резки стекла затруднительно или приводит к большому браку. В полной мере сказанное относится к размерной резке стекла в процессе его непрерывной вытяжки, особенно при больших скоростях. Применение традиционных методов резки стекла не позволяет увеличить скорость вытяжки, а в некоторых случаях непрерывная вытяжка вообще невозможна.

Лазерный метод резки исключает появление в стекле дополнительных напряжений благодаря отсутствию контакта режущего инструмента со стеклом. Положительными моментами являются также отсутствие изнашивающихся элементов, возможность контроля и регулировки степеней воздействия на стекло, стабильность процесса резки стекла. Вследствие малой теплопроводности стекла преобладающая часть мощности излучения расходуется на нагрев ограниченного объема стекла, имеющего вид полусферы, радиус которой примерно равен радиусу сфокусированного луча. В результате прочность стекла в области воздействия излучения значительно ослабляется и при приложении механического усиления стекло разламывается по намеченному контуру.

С увеличением мощности светового потока или времени воздействия механическое усилие, требуемое для разламывания, уменьшается. Например, при мощности излучения 25 Вт и диаметре луча в фокусе 0,2—0,3 мм скорость прочерчивания терморисок 3,5 м/мин является максимальной для обеспечения разлома стекла по намеченному контуру. При большей скорости движения луча разламывание стекла затрудняется. Процент качественной резки стеклопрофилита лазерным методом колеблется от 60 до 90. Возможность проведения операции без частой смены и переналадки режущего инструмента создала предпосылки для полной автоматизации технологического процесса изготовления стеклопрофилита.

Удаление тонких изоляционных пленок с проводников. Зачистка изоляции с тонких проводников является одной из проблем технологии радиоприборостроения. Существующие способы удаления изоляции (механический, химический и др.) не обеспечивают надежной зачистки. Технология зачистки проводников от изоляции с помощью СО2-лазера основана на свойствах излучения с длиной волны 10,6 мкм хорошо поглощаться диэлектриками и отражаться от металлов. В результате воздействия излучения лазера на проводник происходит выгорание изоляции. Металлическая жила при этом не успевает разрушиться благодаря ее высокой отражательной способности. Скорость перемещения проводника выбирается в зависимости от его диаметра, мощности излучения, толщины изоляции.

Скрайбирование и резка полупроводниковых пластин.

С тех пор как образовалось направление полупроводниковой технологии, появилась проблема разделения полупроводникового материала на отдельные элементы. В случае плоской пластины полупроводникового материала эта операция состояла в том, что с помощью алмазного инструмента производился предварительный надрез пластины с последующим разламыванием ее на отдельные части по линии надреза. В полупроводниковой промышленности эта технология используется для производства полупроводниковых приборов и интегральных схем.

Однако применение алмазного скрайбера осложняется тем, что в процессе обработки появляется ряд микротрещин, сколов, особенно в месте пересечения линий скрайбирования, а также имеет место заметный износ алмазного инструмента. Эти недостатки приводят к значительному браку. Они устраняются при использовании лазерной технологии, позволившей резать полупроводниковые пластины на более мелкие части и тем самым размещать элементы интегральных схем ближе друг к другу, а сам процесс скрайбирования производить быстрее, глубже и лучше, чем при механическом методе.

Процесс скрайбирования происходит в результате теплового воздействия интенсивного лазерного луча на обрабатываемый материал. Мощный лазерный поток скрайбирует пластину путем выпаривания материала, образуя при перемещении лазерного пятна по поверхности пластины глубокую канавку без механических напряжений в прилегающих к ней областях.

По мере перемещения пластины относительно луча в ней образуется последовательный ряд углублений с большим коэффициентом перекрытия, в результате чего получается ровная непрерывная канавка, имеющая в сечении V-образную форму, с шириной на поверхности пластины порядка 25 мкм и глубиной около 50 мкм. При этом отсутствуют радиальные микротрещины и нагревание пластины. Недостаток лазерного скрайбирования состоит в том, что испаренный из зоны обработки материал оседает на более холодную поверхность пластины. Однако этот тонкий слой легко удаляется (например, ультразвуком) без повреждения полупроводника или интегральной схемы. При лазерном скрайбировании сокращается трудоемкость операции разделения пластин кремния в 10—15 раз.

Разделение кремниевых пластин можно осуществлять с помощью лазера на молекулярном азоте. Небольшая мощность лазера делает нецелесообразным его использование для сквозной разделки кремния, но применение этого лазера для скрайбирования представляет определенный интерес. При частоте следования импульсов 100 Гц, средней мощности излучения 1,2 мВт, диаметре светового пятна 15 мкм и скорости перемещения образца 2 мм/с глубина реза составляет 5-10 мкм за один проход. Скрайбирование всей пластины требует при этом 3-4 мин. Рез имеет малую ширину и весьма ровный и чистый край, свободный от продуктов испарения.

Следует отметить, что при обработке материалов с низкой теплопроводностью не обязательно применять импульсные лазеры. Для скрайбирования используются непрерывные СО2-лазеры. Метод лазерного скрайбирования может быть применен в микроэлектронике для разделения пластин из керамики, ситалла, а также стеклопрофилита.

Маркировка и гравировка

В последние годы наметилась тенденция расширения применения лазеров в ювелирной отрасли. Наиболее широкое распространение получили станки для обработки с твердотельными лазерами на алюмо-иттриевом гранате, излучение которых достаточно хорошо поглощается основными материалами ювелирной промышленности — драгоценными металлами и камнями.

Пробивка отверстий в камнях. Одним из первых применений лазеров была пробивка отверстий в часовых камнях. Сверление отверстий всегда было чрезвычайно трудоемкой операцией. Современная лазерная технология позволяет прошивать отверстия требуемой формы в камнях различных типов с высокой скоростью и качеством.

Лазерная сварка. Одним из первых применений лазеров в ювелирной отрасли были операции ремонта различных изделий с помощью лазерной сварки. Примером применения в серийном массовом производстве лазерной сварки является лазерная сварка цепей при их производстве.

Действительно, всем известно и с успехом применяется оборудование для производства цепочек, особенно итальянских фирм. Особенностью этого процесса является его двухстадийность: сначала формируется цепочка, потом производится ее пайка традиционными методами. Лазеры позволяют производить сварку звена цепи непосредственно при его формировании на одной технологической операции и одном и том же оборудовании. Впервые такая технология была разработана для сварки золотых цепочек итальянской фирмой Lаservall. Также возможно применение сварки при соединении различных узлов ювелирных изделий, закреплении иголок знаков, сварка большого кольца для замка и т.п. Преимущества сварки лазером — локальность ввода тепла, отсутствие флюсов и присадочного материала (припоя), низкие потери материала при сварке, возможность соединения деталей изделий с камнями, практически без нагрева всего изделия в целом. Следует особо отметить, что лазерная сварка один из наиболее сложных технологических процессов и требует отработки технологии (правил сборки, режимов сварки, подготовку и конструирование узла под сварку) практически в каждом случае применения этого процесса.

Лазерная сварка с присадкой (наплавка). Такой процесс может осуществляться аналогично сварке, но с переплавлением в сварочной зоне дополнительно присадочного материала — припоя. Так может быть решен вопрос заварки внутренних пустот и раковин изделий, вскрывающихся при полировке и шлифовки изделий после литья, а также сварка соединений с большими зазорами.

Лазерная маркировка и гравировка.

Одним из наиболее интересных методов обработки драгоценных металлов является маркировка и гравировка. Современные лазеры, оснащенные компьютерным управлением, позволяют наносить на металл методом лазерной маркировки и гравировки (модификации поверхности под воздействием лазерного излучения.) практически любую графическую информацию — рисунки, надписи, вензеля, логотипы. Причем изображение можно наносить как в растровом, так и в векторном видах. Векторная гравировка — луч лазера рисует контуры изображений в виде тонких линий. Растровая — когда можно получить практически фотографическое изображение (изображение состоит из точек). Современное оборудование позволяет перемещать лазерный луч со скоростью более двух метров в минуту и обеспечивать графическое разрешение на металле до 200 линий на миллиметр. В такой технике возможно изготовление с низкой себестоимостью различных подвесок, заколок, и других ювелирных изделий со своеобразной лазерной графикой (рис.3). Также интересным применением лазерной технологии гравировки является нанесение лазером различных логотипов, вензелей владельцев, товарных марок и знаков на элементы столовой посуды, как из драгоценных металлов, так и недрагоценных металлов, например для обозначения «нерж.» на клинках ножей. Высокое разрешение (тонкие линии), точность и повторяемость (менее 5 мкм) графического рисунка на металле позволяет эффективно применить лазер для маркировки разметки изделий под дальнейшую ручную гравировку, например при изготовлении памятных знаков, медалей или инструмента для их производства. Широкий диапазон режимов обработки на лазерах позволяет точно дозировать энергию лазерного излучения, что в свою очередь обеспечивает возможность высокоточной обработки двухслойных материалов, например ювелирных изделий из недрагоценных металлов предварительно покрытых лаком. Удаление лака под воздействием лазерного излучения без нарушения геометрических параметров поверхности металла, дает возможность провести в последующем гальваническое осаждение драгоценного металла практически любого графического изображения и получить необычное изделие. Нанесенные лазером изображения не стираются и не смываются, так как они составляют единое целое с материалом, на который нанесены.

Кроме того, современный уровень лазерных технологий позволяет выполнять внутреннюю объёмную обработку прозрачных сред и изготавливать высококачественные изображения внутри блоков из стекла и других прозрачных материалов.

Лазерная гравировка по типу нанесения бывает контурная и растровая.

Маркировка бриллиантов. Современное развитие лазеров и лазерной техники, совершенствование параметров лазерного излучения, разработка принципиально новых лазерных излучателей открыло возможности маркирования бриллиантов. По сообщениям журнала «Ювелирное Обозрение» американский институт геммологии с целью улучшения характеристик рынка бриллиантов приступил к маркированию лазером бриллиантов весом от 0,99 карат. Аналогичные работы проводятся и в России. Поскольку, размер хорошо идентифицируемых знаков составляет около 120 мкм, то открывается возможность маркировки лазером по рундисту бриллиантов весом от 0,2 карат, так как размер рундиста при этом составляет около 200 мкм. Это очень перспективная технология.

Маркировка и гравировка промышленных изделий. Технология лазерной маркировки и гравировки применяется на многих предприятиях, выпускающих серийные изделия большими партиями, например, подшипники, распылители дизельного топлива, электродвигатели и т.п. Маркировка промышленных изделий преследует, в основном, две цели: нанесение нестираемой маркировочной надписи и защита от подделки.

Например, одним из видов маркировки подшипников является нанесение на внешнюю цилиндрическую поверхность ряда символов, характеризующих марку изделия. Объём выпуска подобных изделий таков, что лазерная технологическая система должна быть максимально автоматизирована. Критериями качества маркировки являются: контрастность изображения, глубина гравировки и воспроизводимость линейных размеров с абсолютной погрешностью порядка 5 мкм. Время нанесения надписи с рисунком логотипа предприятия на самый маленький подшипник порядка 0,5 с.

Лазерные системы маркировки позволяют реализовывать такие функции как:

  1. сквозную нумерацию изделий;
  2. автоматическое изменение по заданному алгоритму маркирующей надписи или рисунка;
  3. интеграция практически со всеми существующими технологическими линиями.

Не секрет, что сейчас многие предприятия сталкиваются с проблемой подделки производимой ими продукции. Использование даже самой простой лазерной установки может обеспечить достаточно высокий уровень защиты. Дело в том, чтобы подделать, например, логотип, установленный на изделии лазерным способом, нужно как минимум иметь подобного рода оборудование.

Лазерная гравировка способна использовать принципиально новые методы защиты, наносимых рисунков. Эти методы основаны на:

прецизионной относительной расстановке элементов рисунка;
динамичности смены защитных элементов рисунка при сохранении видимой формы;
управлении статистическими характеристиками случайных параметров рисунка (например, шероховатости дна, наносимой линии)
использование криптографических методов защиты.

В существующие лазерные системы маркировки и гравировки используются три типа лазеров: СО2, твердотельные, волоконные. Наиболее распространёнными являются первые два типа лазеров.

Установки на СО2-лазерах наносят неглубокие надписи на металлах, снимая только поверхностный слой. Ширина линии гравировки у них на порядок меньше, чем у твердотельных и волоконных лазеров. Но эти установки наиболее эффективно работают на неметаллических изделиях.

Системы на твердотельных лазерах позволяют получить высокое разрешение и качество выводимых надписей и рисунков на металлических изделиях. Основными их недостатками их являются:

  1. большое энергопотребление (1,5-3 кВт);
  2. необходимость водяного или довольно мощного воздушного охлаждения;
  3. необходимость периодических профилактических работ;
  4. относительно большой уровень шума;
  5. большие габариты.

Разработанные в последнее время волоконные лазеры позволили создать системы гравировки с разрешением и качеством аналогичным твердотельным лазерам и позволяющим получать качественную гравировку на некоторых неметаллических материалах. Принципиальными преимуществами гравировальных систем на волоконных лазерах являются их компактность, малое энергопотребление, отсутствие дополнительных охлаждающих устройств, отсутствие необходимости периодической замены расходных элементов и юстировок. Всё это позволяет идеально встраивать их в существующие технологические процессы. Ниже приведены технические характеристики серийных систем лазерной гравировки на твердотельном и волоконном лазере.

Заключение

В заключение хотелось бы остановиться на некоторых общих вопросах внедрения лазерных технологий в современное производство.

Первым этапом создания лазерной технологической установки является разработка технического задания. Во многих случаях заказчики стараются перестраховываться и закладывать в него характеристики, намного превышающие реальные потребности производства. В результате стоимость оборудования увеличивается на 30-50%. Как ни парадоксально, но причиной этого является, как правило, именно относительная дороговизна лазерных систем. Многие руководители предприятий рассуждают следующим образом:
«…если я покупаю новое дорогое оборудование, то по характеристикам оно должно превышать, необходимы на данный момент нормы, «авось», когда-то мне это пригодится…». В результате потенциальные возможности оборудования никогда не используются, а время окупаемости его увеличивается.

Примером такого подхода может служить вариант перехода от механической маркировки деталей к лазерной. Основными критериями маркировки являются контрастность надписи и устойчивость к стиранию. Контрастность определяется соотношением ширины и глубины линии гравировки. Минимальная ширина линии при механической гравировке приблизительно 0,3 мм. Для получения контрастной надписи её глубина должна быть порядка 0,5 мм. Поэтому, во многих случаях, при составлении технического задания на лазерную установку, исходят из этих параметров. Но ширина линии при лазерной гравировке 0,01-0,03 мм, соответственно глубину надписи можно сделать 0,05 мм, т.е. на порядок меньше чем при механической. Поэтому соотношение между мощностью лазера и временем нанесения маркировочной надписи может быть оптимизировано относительно стоимости системы. В результате снижается цена лазерной установки, и как следствие, время её окупаемости.

Внедрение лазерных технологий во многих случаях позволяет решать «старые» задачи принципиально новыми методами. Классическим примером этого является нанесение защитных надписей, клейм и т.п. на продукцию для обеспечения защиты от подделок. Возможности лазерной техники позволяют идентифицировать защитную надпись по отдельно взятой линии в надписи. Возможность применения криптографических методов позволяет реализовывать «динамическую» защиту от подделок, т.е. при сохранении общего рисунка через определённое время меняются некоторые элементы, узнаваемые только экспертами или специальным оборудованием. Недосягаемым для механических методов подделок является возможность создания лазером небольшого бортика (3-10 мкм) из выбросов металла на края линии гравировки. Комплексное использование подобных методик минимизирует вероятность подделки и делает её экономически невыгодной.

Внедрение лазерных технологий на данном этапе технологического развития (переход от «дикого» капитализма к нормальному производству) это всего лишь один из вариантов начала становления того, что называют высокотехнологическим производством. Те небольшие предприятия, которые используют у себя несколько подобного рода лазерных систем, подтвердили закон диалектики перехода количества в качество. Новое оборудование требует принципиально новых методов его обслуживания, как правило, предполагающее повышенного внимания персонала и поддержания «чистоты» в помещении, где оно расположено. Т.е. происходит переход на качественно новый уровень культуры производства. При этом обычно, количество сотрудников уменьшается, и руководители предприятий начинают решать вопросы организации работы не «трудового коллектива», а оптимизации работы предприятия, в котором работники являются лишь неотъемлемой частью технологического процесса. Независимо от того будет ли в этом производстве в дальнейшем использоваться лазерная техника или нет, приобретенный опыт, и сформировавшаяся культура никуда не исчезнет. Это то, что сторонними наблюдателями принято называть технологической или научно-технической революцией, хотя на самом деле это нормальный эволюционный процесс. История развития многих крупных технологических фирм показывает, что в некоторый момент времени на начальных стадиях развития, у всех был подобный этап перехода. Может так получиться, что в настоящее время мы находимся на такой стадии технологического развития, когда относительно малые вложения в новые технологии сейчас приведут в дальнейшем к крупной отдаче. В синергетике, – науке о самоорганизующихся системах, подобная ситуация подчиняется закону «бабочки» (Р. Брэдбери «И грянул гром…»), описывающем процесс, когда малые изменения в прошлом или настоящем приводят к глобальным последствиям в будущем.

Работа не претендует на полный охват возможных лазерных технологических операций, поскольку многие задачи, в которых могут быть использованы современные лазеры, еще не нашли своего окончательного решения. Доступность и экономическая эффективность надёжного лазерного оборудования будут в дальнейшем определять широкое практическое применение лазерной техники.

Литература

Крылов К.И., Прокопенко В.Т., Митрофанов А.С. Применение лазеров в машиностроении и приборостроении. – Л., Машиностроение. Ленингр. отделение, 1978, 336 с.
Рыкалин Н.Н. Лазерная обработка материалов. М., Машиностроение, 1975, 296 с.
В.П. Минаев Фирма и её лидер // Лазер Информ, — №8, 2006, с.1-9.

On Март 12th, 2014, posted in: Статьи by

Comments are closed.