Лазерная обработка металлов реферат

Обновлено: 13.05.2024

Лазерная сварка — это исторически одно из самых первых применений лазеров в производстве. После появления импульсных твердотельных лазеров они почти сразу стали использоваться для микросварки в микроэлектронике. Затем, с появлением мощных СО2-лазеров, была созданы различные технологии лазерной стыковой сварки. Исследованием этих технологий интенсивно занимались и в бывшем СССР, пионером здесь была исследовательская группа Феликса Косырева (Институт Атомной физики им.И.В.Курчатова), очень плодотворно работал межотраслевой коллектив, созданный для внедрения лазерной сварки в атомном машиностроении строении (Ижорский завод и НИИЭФА им.Ефремова).

Одна из серьезных трудностей при планировании использования лазерной сварки в производстве связана с отсутствием в СНГ производства современных мощных СО2-лазеров. Лазеры, которые разрабатывались для этой цели в 80 годы (НИИЭФА — ТЛ «Славянка» — 16 кВт, НИЦТЛ РАН, г.Шатура — ТЛ-5, ТЛ-10) уже морально устарели, а импортное оборудование очень дорого для использования на внутреннем рынке. Но эта проблема будет решена в ближайшие годы. Например, с 2002 года ТулаМашЗавод выпускает сварочные модификации YAG лазеров MLTI-500 и MLTI-1200, в планах есть и модель мощностью 2 кВт. Это уже нормальный производственный инструмент для лазерной сварки металлов толщиной несколько миллиметров.

Лазерная сварка с использованием CO2 и Nd:YAG лазеров получает все более широкое распространение в промышленности. Мощные CO2 лазеры (2-12 кВт) используются для сварки кузовов автомобилей, компонентов трансмиссий и специальных листовых заготовок.

Лазерная сварка

Лазерная сварка — это процесс соединения материалов (прежде всего металлов) при котором происходит расплавлением кромок с помощью концентрированного лазерного луча и образования общей ванны расплавленного металла с последующим затвердеванием.

Лазерная сварка — процесс бесконтактный, потому более чистый, чем другие виды сварки. Сварочный шов не загрязнен материалами электродов, флюса и т.д.

Лазерная сварка происходит при высокой концентрации энергии, поэтому производительность сварки намного превышает производительность традиционных видов сварки.

Поводки и термодеформации при лазерной сварке значительно меньше, чем при традиционных видах сварки.

При облучении поверхности тела светом энергия квантов света поглащается этой поверхностью. Если световую энергию сконцентрировать на малом участке поверхности, можно получить высокую температуру. На этом основана сварка световым лучом оптического квантового генератора — лазера. Термин лазер происходит от первых букв английской фразы: «Light amplification by the stimulated emission of radiation», что означает в переводе: «Усиление света посредством индуцирования эмиссии излучения». Академик Н. Г. Басов, удостоенный в 1964 г. совместно с академиком А. М. Прохоровым и американским ученым Ч. Таунсом Нобелевской премии за теоретическое обоснование и разработку лазеров.

Лазерные технологии в машиностроении

. машиностроении и приборостроении. Значительная импульсная мощность и энергия излечения современных твердотельных и газовых лазеров позволили вплотную подойти к решению проблем лазерной . разряд; химическая реакцияОбработка материалов (гравировка, сварка и т. д.), фотоакустическая спектроскопия.Эксимерный лазер193 . линейные размеры резонатора выбраны большими по сравнению с длиной волны излучения. .

Основные элементы лазера — генератор накачки и активная среда. По активным средам различают твердотельные, газовые и полупроводниковые лазеры. Лазерную сварку производят на воздухе или в среде защитных газов. Вакуум, как при электронно-лучевой сварке, здесь не нужен, поэтому лазерным лучом можно сваривать крупногобаритные конструкции. Лазерный луч легко управляется и регулируется, с помощью зеркальных оптических систем легко транспортируется и направляется в труднодоступные для других способов места. В отличие от электронного луча и электрической дуги на него не влияют магнитные поля, что обеспечивает стабильное формирование шва. Из-за высокой концентрации энергии в процессе лазерной сварки объём сварочной ванны небольшой, малая ширина зоны термического влияния, высокие скорости нагрева и охлаждения. Это обеспечивает высокую технологическую прочность сварных соединений, небольшие деформации сварных

Скорость лазерной сварки непрерывным излучением в несколько раз превышает скорости традиционных способов сварки плавлением. Например, стальной лист толщиной 20 мм электрической дугой сваривают со скоростью 15 м/ч за 5…8 проходов, ширина шва получается 20 мм. Непрерывным лазерным лучом этот лист сваривается со скоростью 100 м/ч за 1 проход, получают ширину шва 5 мм. Однако лазерная сварка импульсным излучением по скорости сопоставима с традиционными способами сварки. Лазерную сварку можно производить со сквозным и частичным проплавлением. Сварные швы одинаково хорошо формируются в любом пространственном положении. При толщине свариваемых кромок менее 0,1 мм и при сварке больших толщин с глубоким проплавлением по-разному происходит формирование шва и различны подходы к выбору параметров режима сварки. При сварке как непрерывным, так и импульсным излучением малых толщин используют более мягкие режимы, обеспечивающие лишь расплавление металла в стыке деталей без перегрева его до температуры интенсивного испарения. Сварку сталей и других малоактивных металлов можно в этом случае выполнять без дополнительной защиты зоны нагрева, что существенно упрощает технологию, тогда как сварку с глубоким проплавлением ведут с защитой шва газом, состав которого подбирают в зависимости от свариваемого материала.

Широкое применение лазерной сварки сдерживается экономическими соображениями. Стоимость технологических лазеров пока ещё высока, что требует тщательного выбора области применения лазерной сварки. Однако, если применение традиционных способов не дает желаемых результатов либо технически неосуществимо, можно рекомендовать лазерную сварку. К таким случаям относится необходимость получения прецизионной конструкции, форма и размеры которой не должны меняться в результате сварки. Лазерная сварка целесообразна, когода она позволяет значительно упростить технологию изготовления сварных изделий, выполняя сварку как заключительную операцию, без последующей правки или механической обработки. Экономически эффективна лазерная сварка, когда необходимо существенно повысить производительность, поскольку скорость ее может быть в енсколько раз больше, чем у традиционных способов.

Как уже говорилось лазерная сварка – это принцип использования светового луча, который генерирует оптический квантовый генератор. В чем его суть? За счет поступления электрической, химической или другой энергии атомы активного вещества переходят в возбужденное состояние. Через некоторое время возбужденный атом сам начинает излучать полученную энергию в виде фотона и затем возвращается в свое исходное состояние.

Из всех генераторов излучения (лазеров) для сварки наиболее подходят их газовые и твердотельные модификации. На рисунке дана принципиальная схема твердотельной лазерной сварочной установки.

Компоновка лазерной установки

Сама установка состоит из рабочего тела 3, генератора накачки 1, обеспечивающего световую энергию для возбуждения атомов активного вещества-излучателя. Полученное излучение фокусируется и направляется с помощью оптической системы 2 на свариваемое изделие 4.

Такая установка может осуществлять сварку через прозрачные оболочки.

Ниже перечислены основные преимущества лазерной сварки перед другими методами:

Лазерная сварка высокой мощности характеризуется образованием каверн. Энергия лазера плавит и испаряет металл. Давление паров выталкивает расплавленный металл, таким образом возникает полость – каверна. Каверна способствует передаче энергии лазера в металл и направляет лазерный пучок вглубь металла. Таким образом, сварка с образованием каверн позволяет получать очень узкие и очень глубокие швы, поэтому ее также называют сваркой с глубоким проплавлением.

При сварке можно использовать корреляцию между внешним видом сварных точек и их качеством:

Сварная точка с каверной

Сварная точка без каверны

Виды лазерной сварки

1. Стыковая лазерная сварка.

Стык беззазорный, сварка без флюса и, как правило, без присадки. Довольно жесткие требования на величину зазора. Зазор должен быть менее 0.2 мм.
Точность наведения сфокусированного луча на стык также 0.1-0.2 мм.
Сварка проходит с формированием каверны (кинжальное проплавление) на всю толщину свариваемого металла.
Фокусировка, как правило, — на поверхность металла.
Оптимальная интенсивность лазерного изучения 1-МВт/см2, при большей интенсивности происходит экранирование лазерной плазмой поверхности детали.
Глубина лазерной сварки при характерной скорости 2 м/мин составляет 1-1.5 кВт/мм.

-Ширина сварного шва уменьшается при увеличении скорости лазерной сварки и при скоростях больших 5 м/мин всего в 1.5-2 раза превышает размер сфокусированного лазерного луча. Зона термического воздействия при этом уменьшается значительно.

-Многопроходная лазерная сварка с присадочной проволокой и с разделкой кромок реализуется при большой толщине металла. Кромки разделывают под углом 10-15 градусов, а сварку ведут с помощью присадочной проволоки для заполнения металлом образовавшегося дефицита на глубину, равную Р кВт/мм (P-мощность лазерного луча), затем процесс повторяют до полного заполнения стыка.

2. Нахлесточная лазерная сварка.

Применяется при изготовлении теплообменных панелей, а также в тех случаях тогда необходимо соединить две и более наложенных друг на друга детали.

Не требуется точного наведения на стык (его нет!)
Требования на зазор между поверхностями металла в зоне сварки остаются. Сварку ведут с локальным прижимом деталей.
Мощность лазерного луча определяется исходя из необходимости насквозь проварить верхний лист металла и нижний на глубину, равную приблизительно 0.5-1 мм.
Прочность на отрыв пропорциональна ширине шва на верхней поверхности нижней детали и длине шва. Иногда для увеличения прочности применяется двойной шов.

Газы и газовые смеси для лазеров

Сварочные газы должны отвечать нескольким требованиям – они должны экранировать сварочную ванну и зону термического влияния, защищать оптику от паров и разбрызгивания, обеспечивать защиту и предотвращать образование плазмы при сварке с помощью CO2 лазера. Плазма представляет собой облако ионизированных паров металла и газов, которое может образоваться над каверной. Это облако поглощает лазерное излучение и прерывает процесс сварки. Данное явление зависит от типа лазера и приложенной мощности, поэтому при лазерной сварке используются различные газы.

Примеры похожих учебных работ

Лазерная обработка металлов

. факторов. АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА. УСЛОВИЯ ОБРАЗОВАНИЯ ОПАСНЫХ И ВРЕДНЫХ ФАКТОРОВ 1 Теория лазерной обработки Лазер - источник электромагнитного излучения, видимого инфракрасного и ультрафиолетового диапазонов, основанный на .

Лазер и ювелирное дело

. Получение поверхностных покрытий Ударное Воздействие Лазерная сварка Лазерная гравировка Лазерное разделение материалов 1. Лазерная закалка 2. Лазерный отжиг 3. Лазерный отпуск 4. Лазерная очистка 5. Лазерная дезактивация 1. Оплавление для улучшение .

Лазеры и их применение в медицине

. излучением (так называемая оптическая накачка) и излучением других лазеров (в частности, полупроводниковых). При этом возможна работа только в импульсном режиме, поскольку требуются очень большие плотности энергии накачки, .

Лазерное сверление отверстий

. обработке материалов. Так что сегодня мы можем говорить о возникновении и развитии новой технологии - лазерной. Лазерное сверление отверстий . так сложилось, что при описании лазерных технологий обработки материалов основное внимание уделяется только .

Лазерные технологии (2)

. и полупроводниковыми материалами, определяющие возможности таких быстро развивающихся областей лазерной технологии, как лазерный отжиг полупроводников, лазерное легирование, геттерирование, напыление тонких эпитаксиальных пленок, а также достижения .

Лазеры и их применения в медицине

Авиационная техника
Ракетно-космическая техника
Инженерные сети и оборудование
Морская техника
Промышленный маркетинг и менеджмент
Технологические машины и оборудование
Автоматизация технологических процессов
Машиностроение
Нефтегазовое дело
Процессы и аппараты
Управление качеством
Автоматика и управление
Металлургия
Приборостроение и оптотехника
Стандартизация
Холодильная техника
Архитектура
Строительство
Метрология
Производство
Производственный маркетинг и менеджмент
Текстильная промышленность
Энергетическое машиностроение

Все документы на сайте представлены в ознакомительных и учебных целях.
Вы можете цитировать материалы с сайта с указанием ссылки на источник.

Лазерная обработка материалов

Целью курсовой работы является рассмотрение теоретических основ лазерной обработки материалов, а именно понятие и классификация лазеров, область их применения.
Изобретение лазеров стоит в одном ряду с наиболее выдающимися достижениями науки и техники XX века. Первый лазер появился в 1960 году, и с тех пор происходит бурное развитие лазерной техники. В короткое время были созданы разнообразные типы лазеров и лазерных устройств, предназначенных для решения конкретных научных и технических задач.

Работа содержит 1 файл

3.Пояснительная записка.doc

Наука о лазерах и лазерной технологии является бурно развивающейся областью знаний. В последние годы сделаны открытия принципиально новых типов лазеров, обладающих высоким коэффициентом полезного действия, простых и удобных в эксплуатации, обеспечивающих высокую надежность и, таким образом, весьма пригодных для применения в различных отраслях промышленности. В результате этого существенно расширился диапазон выполняемых функций лазерной техники. Наряду с увеличением производительности и качества традиционных лазерных технологических процессов обработки были разработаны новые процессы, обеспечивающие общий прогресс развития теории и практики в технологии машиностроения [1].

Целью курсовой работы является рассмотрение теоретических основ лазерной обработки материалов, а именно понятие и классификация лазеров, область их применения.

Изобретение лазеров стоит в одном ряду с наиболее выдающимися достижениями науки и техники XX века. Первый лазер появился в 1960 году, и с тех пор происходит бурное развитие лазерной техники. В короткое время были созданы разнообразные типы лазеров и лазерных устройств, предназначенных для решения конкретных научных и технических задач.

Содержание курсовой работы представляет собой совокупность современного уровня знаний и достижений в лазерной технологии.

1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЛАЗЕРНОЙ ОБРАБОТКИ

1.1 Перспективы развития лазерной техники и технологии

Развитие современного производства обуславливает все возрастающее внедрение наукоемких технологий. К ним относятся лазерная обработка материалов. Такая обработка является одной из технологий, которые определяют современный уровень производства в промышленно развитых странах. Использование лазерной обработки материалов позволяет обеспечить высокое качество получаемых изделий, заданную производительность процессов, экологическую чистоту, а также экономию людских и материальных ресурсов.

В настоящее время применение лазерных технологий в машиностроительном производстве чрезвычайно разнообразно. К числу таких технологий относятся сварка, термоупрочнение, легирование, наплавка, резка, размерная обработка, маркировка, гравировка, прецизионная микросварка и многие другие. В некоторых случаях лучевые технологии находятся вне конкуренции, так как с помощью лазеров можно получить технические и экономические результаты, которых нельзя достичь другими техническими средствами.

Спектр оборудования, используемого для лазерной обработки материалов, чрезвычайно широк. Большинство производителей поставляют на рынок не отдельные технологические лазеры, а лазерные технологические комплексы. В них имеются устройства внешней оптики, управляемые столы, манипуляторы, роботы для перемещения изделия во время обработки, а также программное обеспечение, необходимое для реализации конкретной технологии.

Важным преимуществом лазеров является сравнительно простая возможность управления временной структурой излучения. Это осуществляют как путем управления накачкой, так и использованием акустооптических затворов.

Одним из последних достижений в области лазерных технологий стало создание мощных волоконных лазеров (до 20 кВт). Их использование позволяет получить различные временные характеристики излучения в спектральном диапазоне от 1 до 2 мкм. Область их применения весьма разнообразна: лазерная резка и сварка металлов, маркировка и обработка поверхностей, полиграфия и скоростная лазерная печать, лазерные дальномеры и трехмерные локаторы, аппаратура для телекоммуникаций, медицинские установки и т.д.

Ведущими мировыми производителями лазерной техники являются США, Германия, Япония и Россия. Российские предприятия предлагают почти все виды лазерной техники – от технологических установок для обработки материалов до медицинской аппаратуры, измерительных приборов и телекоммуникационного оборудования [1].

1.2 Сущность, принцип действия лазера

Лазер – источник электромагнитного излучения, основанный на вынужденном излучении атомов и молекул. Лазерный луч обладает рядом замечательных свойств:

– распространяется на большие расстояния и имеет строго прямолинейное направление;

– движется очень узким пучком с малой степенью расходимости;

– обладает высокой монохромностью;

– в широких пределах можно управлять длительностью излучения: от сколь угодно длительных до сверхкоротких (вплоть до 10-15 с.) импульсных вспышек;

– обладает большой теплотой и может пробивать отверстие в любом материале

– световая интенсивность луча больше, чем интенсивность самых сильных источников света;

– не имеет опасного радиационного воздействия, как, например, рентгеновские, космические или гамма лучи;

– излучение лазеров может быть в видимом, в инфракрасном или ультрафиолетовом диапазонах [2].

Слово «лазер» составлено из начальных букв (аббревиатура) слов английской фразы «Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation», что означает «усиление света в результате вынужденного излучения» [3].

Физической основой работы лазера служит явление вынужденного (индуцированного) излучения (рисунок 1.2.1.). Суть явления состоит в том, что возбуждённый атом способен излучить фотон под действием другого фотона без его поглощения, если энергия последнего равняется разности энергий уровней атома до и после излучения. При этом излучённый фотон когерентен фотону, вызвавшему излучение (является его «точной копией»). Таким образом, происходит усиление света. Этим явление отличается от спонтанного излучения, в котором излучаемые фотоны имеют случайные направления распространения, поляризацию и фазу.

Рис. 1.2.1. Вынужденное испускание фотона

Вероятность того, что случайный фотон вызовет индуцированное излучение возбуждённого атома, в точности равняется вероятности поглощения этого фотона атомом, находящимся в невозбуждённым состоянии. Поэтому для усиления света необходимо, чтобы возбуждённых атомов в среде было больше, чем невозбуждённых (так называемая инверсия населённостей). В состоянии термодинамического равновесия это условие не выполняется, поэтому используются различные системы накачки активной среды лазера (оптические, электрические, химические и др.).

Первоисточником генерации является процесс спонтанного излучения (рисунок 1.2.2.), поэтому для обеспечения преемственности поколений фотонов необходимо существование положительной обратной связи, за счёт которой излучённые фотоны вызывают последующие акты индуцированного излучения. Для этого активная среда лазера помещается в оптический резонатор. В простейшем случае он представляет собой два зеркала, одно из которых полупрозрачное – через него луч лазера частично выходит из резонатора. Отражаясь от зеркал, пучок излучения многократно проходит по резонатору, вызывая в нём индуцированные переходы. Излучение может быть как непрерывным, так и импульсным. При этом, используя различные приборы (вращающиеся призмы, ячейки Керра и др.) для быстрого выключения и включения обратной связи и уменьшения тем самым периода импульсов, возможно создать условия для генерации излучения очень большой мощности (так называемые гигантские импульсы). Этот режим работы лазера называют режимом модулированной добротности.

Рис. 1.2.2. Спонтанное испускание фотона

Генерируемое лазером излучение является монохроматическим (одной или дискретного набора длин волн), поскольку вероятность излучения фотона определённой длины волны больше, чем близко расположенной, связанной с уширением спектральной линии, а, соответственно, и вероятность индуцированных переходов на этой частоте тоже имеет максимум. Поэтому постепенно в процессе генерации фотоны данной длины волны будут доминировать над всеми остальными фотонами. Кроме этого, из-за особого расположения зеркал в лазерном луче сохраняются лишь те фотоны, которые распространяются в направлении, параллельном оптической оси резонатора на небольшом расстоянии от неё, остальные фотоны быстро покидают объём резонатора. Таким образом, луч лазера имеет очень малый угол расходимости. Наконец, луч лазера имеет строго определённую поляризацию. Для этого в резонатор вводят различные поляроиды (ими могут служить плоские стеклянные пластинки), установленные под углом Брюстера к направлению распространения луча лазера [4].

1.3 Устройство лазера

Все лазеры состоят из трёх основных частей (рис.1.3.1):

– активной (рабочей) среды;

– системы накачки (источник энергии);

– оптического резонатора (может отсутствовать, если лазер работает в режиме усилителя).

Рис. 1.3.1. Схема лазера.

1 – активная среда; 2 – энергия накачки лазера; 3 – непрозрачное зеркало;

4 – полупрозрачное зеркало; 5 – лазерный луч.

Каждая из них обеспечивает для работы лазера выполнение своих определённых функций [5].

– Активная среда позволяет получить индуцированное излучение, может быть: твердой (кристаллы рубина или алюмо-иттриевого граната, стекло с примесью неодима в виде стержней различного размера и формы), жидкой (растворы анилиновых красителей или растворы солей неодима в кюветах), газообразной (смесь гелия с неоном, аргон, углекислый газ, водяной пар низкого давления в стеклянных трубках).

– Источник энергии (электрический ток, импульсная лампа или химическая реакция) переводит в возбужденное состояние активные частицы, позволяя получить излучение. Этот процесс называется накачкой. Накачки бывают оптическими, химическими, электронными и т.д.

Классическая трёхуровневая система накачки рабочей среды используется, например, в рубиновом лазере (Рис.1.3.2). Рубин представляет собой кристалл корунда Al₂O₃, легированный небольшим количеством ионов хрома Cr₃+, которые и являются источником лазерного излучения. Из-за влияния электрического поля кристаллической решётки корунда внешний энергетический уровень хрома E₂ расщеплён. Именно это делает возможным использование немонохроматического излучения в качестве накачки. При этом атом переходит из основного состояния с энергией E0 в возбуждённое с энергией около E2. В этом состоянии атом может находиться сравнительно недолго (порядка 10−8 с), почти сразу происходит безизлучательный переход на уровень E1, на котором атом может находиться значительно дольше (до 10−3 с), это так называемый метастабильный уровень. Возникает возможность осуществления индуцированного излучения под воздействием других случайных фотонов. Как только атомов, находящихся в метастабильном состоянии становится больше, чем в основном, начинается процесс генерации.

В некоторых лазерах, например в неодимовом, генерация излучения в котором происходит на ионах неодима Nd₃+, используется четырёхуровневая схема накачки. Здесь между метастабильным E2 и основным уровнем E0 имеется промежуточный — рабочий уровень E1. Вынужденное излучение происходит при переходе атома между уровнями E2 и E1 [6].

Рис. 1.3.2: а — трехуровневая схема накачки активной среды лазера;

б — четырехуровневая схемы накачки активной среды лазера.

– Резонатор представляет из себя два параллельных друг другу зеркала (плоские, сферические, комбинации плоских и сферических и др.), между которыми помещается активная среда. Одно зеркало имеет 100 % отражения и называется «глухим». Второе зеркало является полупрозрачным и называется «выходным». Свет многократно проходит по резонатору и выходит через выходное зеркало в виде узконаправленного высококогерентного пучка света.

Рис. 1.3.3. Принципиальная схема резонатора:

1 - выходное окно, 2 - 5 - зеркала, 6 - цель

У лазеров с большой мощностью выделяется много тепла при работе, которое обязательно надо отводить. Поэтому также существует система охлаждения. У маломощных лазеров системы охлаждения нет.

Основные параметры лазерного излучения:

– длина волны излучения – от этого параметра зависит цвет светового пучка. Длина волны зависит от используемой активной среды.

– мощность лазерного излучения – энергетическая характеристика излучения. Этот параметр существует только у лазеров, работающих в непрерывном режиме. Для импульсных лазеров применяются понятия энергии отдельного импульса и средней мощности. У таких лазеров есть дополнительные важные параметры: длительность импульса и частота импульса. От мощности лазерного излучения зависит то, где этот лазер может применяться. Лазеры с мощностью около мегаватта используются в качестве целеуказателей, индикаторов и т.д. Мощности около ватта и киловатта позволяют производить механическое воздействие на различные материалы. Такие лазеры могут применяться для обработки материалов, их резки и т.д.

– расходимость излучения – характеризует величину светового пятна при удалении от излучателя. Измеряется в градусах. Как правило для точных стабильных лазеров это очень малые значения, т.к. лазерное излучение является узконаправленным, практически нерасходимым. У газовых лазеров расходимость находится в пределах нескольких угловых минут. У твердотельных лазеров расходимость хуже – несколько градусов. У полупроводниковых лазеров расходимость имеет лепестковый характер - 15-30 градусов.

– коэффициент полезного действия – у твердотельных – до 3,5 %, у газовых – до 15 %, у полупроводниковых - до 60 % [7].

Лазерное излучение отличается от излучения обычных источников света следующими характеристиками:

– высокой спектральной плотностью энергии;

– высокой временной и пространственной когерентностью;

– высокой стабильностью интенсивности лазерного излучения в стационарном режиме;

– возможностью генерации очень коротких световых импульсов.

Эти особые свойства лазерного излучения обеспечивают ему разнообразнейшие применения. Они определяются главным образом принципиально отличным от обычных источников света процессом генерации излучения за счет вынужденного излучения [8].

1.4 Классификация лазеров

В настоящее время имеется громадное разнообразие лазеров, отличающихся между собой активными средами, мощностями, режимами работы и другими характеристиками. Целесообразно использовать классификацию по активному элементу. Это наиболее распространенный вариант деления существующих лазеров, поэтому будем использовать именно его.

Газовые лазеры – лазеры, активной средой которых является смесь газов и паров. Отличаются высокой мощностью, монохроматичностью, а также узкой направленностью излучения. Работают в непрерывном и импульсном режимах (рисунок 1.4.1.). В зависимости от системы накачки газовые лазеры разделяют на газоразрядные лазеры, газовые лазеры с оптическим возбуждением и возбуждением заряженными частицами, газодинамические и химические лазеры. По типу лазерных переходов различают газовые лазеры на атомных переходах, ионные лазеры, молекулярные лазеры на электронных, колебательных и вращательных переходах молекул и эксимерные лазеры [9].

Рис. 1.4.1. Схема газового лазера

Из-за наименьшей расходимости луча CО2-лазеры являются самыми универсальными, так как позволяют располагать источник излучения вдали от зоны обработки без снижения качества лазерного луча. Эти лазеры используются в основном для резки и гравировки [3]. Активной средой в нем является углекислый газ. Добавлена система охлаждения, т.к. у этого лазера большая мощность излучения, что приводит к значительному нагреву (рисунок 1.4.2.).

Рис. 1.4.2. СО2-лазер

длина волны – 530 нм (10,6 мкм);

мощность – 100 Вт.

Помимо рассмотренных выше газовых смесей в качестве активных сред могут применяться следующие газы: чистый неон ,криптон, ксенон, аргон и др.

– Твердотельные лазеры в качестве активного элемента используют твердое тело (рисунок 1.4.3.). Первый такой лазер был выполнен на рубиновом стержне. Можно использовать также неодимовое стекло, алюмоиттриевый гранат и т.д. [7]. Накачка оптическая и от полупроводниковых лазеров, осуществляется по трех- или четырехуровневой схеме. Современные твердотельные лазеры способны работать в импульсном, непрерывном и квазинепрерывном режимах [10].

Рис. 1.4.3. Схема твердотельного лазера.

Твердотельные лазеры имеют большую расходимость луча и менее универсальны, чем газовые, но в импульсном режиме хорошо гравируют и режут металлы. Плохо обрабатывают неметаллические материалы, так как некоторые виды таких материалов являются либо полностью, либо частично прозрачными для лазерного излучения. Излучение более чувствительно к неровной поверхности материала, поэтому часто станки на основе твердотельного лазера комплектуются небольшими столами [3].

Для твердотельных лазеров существует два типа накачки: оптическая (при помощи высокоинтенсивных газоразрядных ламп); при помощи дополнительного лазера.

На практике широкое применение получил лазер на алюмоиттриевом гранате, активированным ионами неодима (рисунок 1.4.4.)

Рис.1.4.4. Лазер на алюмоиттриевом гранате

Характеристики лазера на алюмоиттриевом гранате:

мощность - 5 кВт (но используют 500 Вт);

длина волны - 1,06 мкм (или 530 нм на частоте второй гармоники).

Данный лазер обладает приемлемыми характеристиками, он давно выпускается, имеет хорошую мощность, поэтому нашел свое применение в промышленности для решения задач обработки металлов, резки и сварки.

– Полупроводниковые лазеры – представляет из себя твердотельную активную среду, полученную путем соединения двух разнородных проводников p и n - типа. Состоит из микрохолодильника, контактной пластины и полупроводникового кристалла. На нижнюю грань прикладывается «минус», а к верхней подводится «плюс» (рисунок 1.4.5.) [7].

Рис.1.4.5. Схема полупроводникового лазера

Излучающая область лазера исключительно мала – порядка 10-11 см. Наиболее распространенным материалом для этих лазеров служит арсенид галлия GaAs [3].

Полупроводниковые лазеры характеризуются очень высоким КПД преобразования электрической энергии в когерентное излучение (близким к 100%) и могут работать в непрерывном режиме; высокой эффективностью преобразования электрической энергии в энергию когерентного излучения (до 30 – 50%); малой инерционностью, обуславливающая широкую полосу частот прямой модуляции (более 109 Ггц); простотой конструкцией; возможностью перестройки длины волны излучения и наличие большого числа полупроводников, непрерывно перекрывающих интервал длин волн от 0,32 до 32 мкм [2].

Полупроводниковые лазеры применяются в быту, спектроскопии, в системах накачки других лазеров, а также в медицине. На сегодняшний день полупроводниковые лазеры являются самыми популярными и востребованными. Это связано с их малыми размерами и энергопотреблением (рисунок 1.4.6.)

Рис. 1.4.6. Полупроводниковые лазеры

– Жидкостные лазеры работают на растворах органических красителей и на неорганических жидкостях. Они способны перестраивать длину волны излучения в широких пределах и могут работать как в непрерывном, так и в импульсном режиме.

Конструкция жидкостного лазера состоит из активного элемента в виде колбы с жидким диэлектриком с примесными рабочими атомами. По характеристикам этот активный элемент очень похож на твердотельный. Жидкое вещество помещается в резонатор со сферическими зеркалами. Для накачки используется твердотельный лазер, расположенный рядом (рисунок 1.4.7.) [5].

Рис. 1.4.7. Схема жидкостного лазера

Жидкостные лазеры на неорганических жидкостях и органических красителях находятся в стадии экспериментальных исследований. По энергетическим характеристикам они близки к твердотельным. Эти лазеры обеспечивают узкий спектр излучения и легко перестраиваются по частоте. Вследствие высокой оптической однородности жидкой активной среды угловая расходимость излучения у них меньше, чем у твердотельных, КПД жидкостных лазеров от 20 до 70 % [11]. Для жидкостного лазера нет необходимости изготавливать стекла высокого качества или тщательно выращивать кристаллы; нет проблем осуществить охлаждение, т.к. жидкость просто перегоняется и тем самым охлаждается (рисунок 1.4.8.). На сегодняшний день жидкостные лазеры не получили широкого использования [7].

Рис 1.4.8. Жидкостный лазер на красителях. Справа – насос,

прокачивающий жидкость через холодильник

2. ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ЛАЗЕРОВ

Уникальные свойства лазерного луча, многообразие конструкций современных лазеров и устройств на их основе обуславливают широкое применение лазерных технологий в различных областях человеческой деятельности: промышленности, науке, технике, медицине и быту. Появление лазеров и внедрение их во многие отрасли промышленности и науки произвело в этих отраслях в буквальном смысле революцию. Благодаря этому стало возможным развитие новых более эффективных технологий, повышение производительности труда, точности измерений и качества обработки материалов. Рассмотрим здесь лишь наиболее важные области применения лазерной техники.

2.1 Применение лазеров в промышленности

Сразу же после появления лазеров и начала исследования взаимодействия лазерного луча с различными материалами стало ясно, что этот инструмент может найти широкое применение в разнообразных промышленных технологических процессах [12].

Лазеры используются для резки, сварки и пайки деталей из различных материалов. Высокая температура излучения позволяет сваривать материалы, которые невозможно сварить обычными способами (керамику и металл). Луч лазера может быть сфокусирован в точку диаметром порядка микрона, что позволяет использовать его в микроэлектронике (так называемое лазерное скрайбирование). Лазеры используются для получения поверхностных покрытий материалов (лазерное легирование, лазерная наплавка, вакуумно-лазерное напыление) с целью повышения их износостойкости. Широкое применение получила также лазерная маркировка промышленных образцов и гравировка изделий из различных материалов. При лазерной обработке материалов на них не оказывается механическое воздействие, поэтому возникают лишь незначительные деформации. Кроме того весь технологический процесс может быть полностью автоматизирован. Поэтому лазерная обработка характеризуется высокой точностью и производительностью.

2.2 Применение лазеров в медицине

С появлением промышленных лазеров наступила новая эра в хирургии. При этом пригодился опыт специалистов по лазерной обработке металла. Приваривание лазером отслоившейся сетчатки глаза – это точечная контактная сварка; лазерный скальпель – автогенная резка; сваривание костей – стыковая сварка плавлением; соединение мышечной ткани – тоже контактная сварка.

Для осуществления нового метода в хирургии профессор О. И. Скобелкин и его соавторы предложили при сварке тканей слегка их сдавливать, чтобы вытеснить кровь. Для этого способа был создан целый набор инструментов, который применяется сегодня в желудочно-кишечной хирургии, при операциях на желчных путях, селезенке, печени, легких.

Также широкое применение лазеры получили во многих областях медицины.

– Косметическая хирургия – лазерная эпиляция, лечение сосудистых и пигментных дефектов кожи, лазерный пилинг, удаление татуировок и пигментных пятен; Установка КОСМЕТИК-2 (рисунок 2.2.1.) представляет собой лазер на АИГ:Nd с модуляцией добротности и удвоением частоты излучения.

Рис. 2.2.1. Установка КОСМЕТИК-2

Характеристики АИГ:Nd лазера:

Длина волны: 1064, 532 нм;

Энергия импульса: 1064 нм – 0,8Дж;

Плотность энергии: 1064 нм – 8 Дж/cм2 при Ø 4.0 мм;

532 нм – 5 Дж/cм2 при Ø 3.0 мм;

Длительность импульса: 8 нс;

Частота повторения: 10 Гц;

Размер пятна: 1064 нм – 3,5,7 мм;

Охлаждение: замкнутый водянной контур со сбросом тепла в воздух;

Питание: 220/240В, 1 кВт одна фаза;

Оптическая система: призменная;

Установка контролируется микропроцессором.

– Стоматология – высокоэффективный современный метод лечения заболеваний слизистой оболочки рта и пародонта.

Особенности лазерной стоматологии. Лазер не затрагивает ткани зуба, а выпаривает воду, в них содержащуюся. При этом гибнут бактерии, уплотняется зубная эмаль. Лазер не действует на здоровые ткани, работает очень деликатно, не вибрирует и не шумит, не нагревается и не обжигает. После проведения лечебной процедуры пациенты не испытывают боли, неприятного онемения, которое появляется при применении анестетиков. Обычное состояние дискомфорта, которое возникает после проведения операции, им незнакомо. Лазер также способствует регенерациии тканей.

Лазерная стоматология универсальна и применяется при любых вмешательствах: болезней дёсен, отбеливании зубов, при протезировании и установке брекетов, а также при вживлении имплантатов.

Положительные стороны использования лазера в стоматологии:

стоматолог проводит операции с максимальной точностью;
нет необходимости применять наркоз или иную анестезию;
практически полностью отсутствует кровотечение;

нет неприятных ощущений, которые появляются при нагревании и шуме бормашины.

– Офтальмология (отслоение сетчатки; катаракта – заболевание, связанное с помутнением хрусталика глаза и вызывающее различные степени расстройства зрения; лазерная коррекция зрения – исправление нарушений рефракции глаз человека путем изменения кривизны наружной поверхности роговицы) (рис. 2.2.2.).

Рис. 2.2.2. Лазерный офтальмологический аппарат

Длина волны излучения: 1079 нм

Энергия импульса: 0,5. 10 мДж

Угол сходимости: 15°, 20°

Минимальный диаметр фокального пятна: 20 мкм

Длительность импульса: 5. 8 нс

Режим работы: Одиночные импульсы или пачки из двух импульсов

Лазерный офтальмологический аппарат представляет собой фотодеструктор, предназначенный для проведения микрохирургических операций на переднем отделе глаза и капсуле хрусталика сфокусированным лучом импульсного неодимого лазера, работающего в режиме модуляции добротности.

Лазерная обработка

Научно-технический прогресс позволил сократить долю ручного труда в производстве. Благодаря разработке передовых инновационных технологий процесс металлообработки стал автоматизированным. Обработка металла лазером позволяет повысить сложность, скорость и точность производственных операций. Из этой статьи вы узнаете об особенностях и преимуществах этой современной технологии

Лазерная технология обработки материалов на сегодняшний день достигла значительного развития. Сфера ее применения абсолютно разная.

Сейчас лазерная обработка включает:

· маркировку и т.д.

Использование этой технологии позволяет обеспечить высокую точность и производительность, а также существенно сэкономить электроэнергию и материалы. Это позволяет рационально использовать все ресурсы. Лазерная обработка основана на электрофизическом, электрохимическом и физико-химическом воздействии. Это касается всех процессов технологии, кроме механической резки в промышленности. Однако они не могут обеспечить нужной точности и чистоты реза. Поэтому приходится использовать дополнительно механическую обработку.

Под самой технологией понимают широкий круг задач и методов воздействия на различные материалы лазерным излучением с целью изменить их геометрические параметры или физические свойства. На сегодняшний день она занимает значительное место в промышленности.

История технологии обработки металла лазером

В инновационной технологии обработки металла лазером воплотились все передовые достижения академической физики. Оптический квантовый генератор или лазер был открыт во второй половине XX века. Лазерное устройство лавинообразно генерирует фотоны с одинаковой энергией, направленностью движения и поляризацией и преобразует энергию накачки (световую, электрическую, тепловую, химическую и др.) в энергию монохроматического когерентного света. Этот удивительный оптический прибор излучает мощный узконаправленный пучок интенсивного света.

Открытие было высоко оценено физиками и инженерами. В 1962 году, после испытания первого лабораторного квантового генератора, американская фирма «Спектра физикс» разработала и представила на рынке коммерческие лазеры. Это был настоящий революционный прорыв в лазерных технологиях. Позже были созданы различные типы и модификации лазера – от микроприборов до гигантских установок. Например, длина лазерной установки «Нова» в Национальной лаборатории Лоуренса Ливермора в США составляет 137 м, а ее суммарная мощность – 1014 Вт. Лазерное оборудование широко используется в научных и производственных областях.

Уже в 70–80 годы XX века началось интенсивное развитие лазерных технологий, которые с большим успехом применялись в обработке металла: сварке, закалке, наплавке, маркировке, резке. С помощью лазерного оборудования изготавливались различные детали и элементы конструкций: прокладки, кронштейны, дисковые пилы, панели, щитки для приборов, двери, декоративные решетки.

Лазерная резка металла

Наиболее популярной считается технология лазерной резки металлов. Она используется как в массовом, так и частном производстве. Технология может быть не только обычной, но и фигурной, художественной, что позволяет создавать детали оригинальной формы. Лазерная резка подходит практически для всех видов металлов. Тем не менее, она имеет свои особенности в зависимости от использованного материала.

Воздействие луча на металл описывается общими положениями, которые связаны со слиянием и отражением излучения, распространением поглощенной энергии по объему за счет теплопроводности и т.д. Также следует учитывать ряд специфических особенностей. Технология лазерной резки является наиболее современным и эффективным методом раскроя тонко- и среднелистового металла. Сфокусированное излучение способствует высокому нагреву материала. Это позволяет добиться качественной резки.

Новые технологии лазерного термоупрочнения занимают в промышленности особое место. Они основаны на локальном нагреве участка поверхности под воздействием излучения и последующем его охлаждении со сверхкритической скоростью в результате теплоотвода во внутренние слои металла.

Эта технология применяется в:

· системе ЖД транспорта;

· системе дорожно-строительной техники;

· инструментальном производстве и т.д.

Широкая сфера применения позволяет оптимизировать многие процессы.

Лазерная наплавка и технологии сварки

Технология лазерной наплавки является эффективным методом восстановления старых деталей. Также она отлично подходит для повышения прочности новых. Такая технология имеет множество преимуществ.

К основным из них можно отнести:

· минимальные тепловые вложения;

· возможность формирования заданных функциональных свойств;

· отсутствие термических поводок;

· обработка крупногабаритных деталей;

· возможность сформировать защитный поверхностный слой и т.д.

Еще одними методами, которые заслуживает особого внимания, являются лазерные технологии сварки. В этом процессе главным источником является луч. Наиболее часто в их ходе применяются газовые и твердотельные лазеры. Применение этой технологии гарантирует высокое качество сварных соединений из материалов, которые не могут получиться в результате других подобных методов.

По сравнению с остальными способами сварки такая технология имеет множество преимуществ. Это:

· обеспечение значительной прочности;

· низкое количество деформаций изделий или их полное отсутствие;

· сварные соединения не имеют пористостей.

Такая технология является более эффективной и результативной, чем обычная сварка металлов. С ее помощью можно минимизировать тепловые вложения в обрабатываемую деталь.

Лазерное спекание

Технология лазерного спекания позволяет создавать модели послойно. Она чем-то похожа по своему протеканию на процесс стереолитографии. В его ходе на обрабатываемый материал наносится слой порошка, который может регулироваться. В нем вычерчивается новый контур.

Экстремальные температуры способствуют расплавлению порошка в тех местах, где материала касается луч. Он спекает частицы между собой, а также предыдущим слоем.

Однако такая технология имеет один недостаток. Им является пористость готовых моделей. Тем не менее, плотность изделий можно увеличить за счет повышения энергии лазера, а также посредством замедления скорости печати.

Лазерная технология обработки металлов для рекламных материалов на выставке

Технология лазерной обработки является эффективным и результативным методом, который позволяет создавать инновационные модели. В последнее время ей уделяется повышенное внимание. Такая технология основана на применении мощного светового потока. Именно световой поток вызывает плавление или испарение обрабатываемого материала.

Также особого внимания заслуживают аддитивные лазерные технологии. Разработка и внедрение инновационных методов в промышленность позволяет значительно увеличить конкурентоспособность отечественных предприятий и способствует их развитию.

Читайте также: