Лазерные технологии

Лазер (оптический квантовый генератор) является источником оптического когерентного, то есть согласованного излучения, характеризующегося высокой направленностью и большой плотностью энергии.

Создание оптических квантовых генераторов (лазеров) явилось величайшим достижением современной науки. В настоящее время они нашли широкое применение в повседневной практике.

Принцип действия оптического квантового генератора основан на искусственном стимулировании генерации светового излучения высокой мощности, при этом температура в точке приложения сфокусированного лазерного луча достаточна для превращения в пар любого материала. Передаваемое при поглощении лазерного излучения тепло приводит сначала к нагреву вещества, а затем его плавлению и испарению. Дозируя определенным образом мощность лазерного излучения на поверхность обрабатываемого материала можно реализовать практически любой температурно-временной режим нагрева, который и определяет вид технологической обработки.

Существуют твердотельные, газовые и полупроводниковые лазеры. Из всего разнообразия оптических квантовых генераторов для обработки материалов используются твердотельные и газовые лазеры.

В твердотельных лазерах генерация излучения осуществляется в твердом элементе, в качестве которого наиболее широко используется стержни из кристалла искусственного рубина. Такие лазеры обладают сравнительно высокой выходной мощностью, высоким коэффициентом полезного действия, обеспечивают возможность генерации излучения не только в импульсном, но и в непрерывном режиме.

В газовых лазерах в качестве активной среды для генерации излучения используются различные газы или смеси газов. Наиболее распространены газовые лазеры на диоксиде углерода. Такие лазеры способны развивать еще большую мощность как в непрерывном так и в импульсном режимах.

Развитие лазерной технологии все в большей мере отвечает требованиям повышения эффективности общественного производства, обеспечения интенсивного пути развития экономики.

Лазерная обработка имеет свои особенности и преимущества:

– высокая концентрация подводимой энергии и локальность обработки;

– возможность регулирования параметров лазерной обработки в широком интервале режимов;

– отсутствие механических усилий на обрабатываемый материал и независимость скорости обработки от свойств материала;

– высокая технологичность обработки и возможность ее автоматизации.

Благодаря направленности и высокой концентрации энергии лазерного луча удается выполнять технологические операции, вообще не выполнимые каким-либо другим методом.

В настоящее время разработаны следующие технологические процессы с использованием мощных лазеров:

– лазерная поверхностная термообработка;

– лазерная сварка;

– лазерная размерная обработка;

– измерительная лазерная технология;

– лазерная интенсификация химических реакций.

Лазерная термообработка включает в себя процессы лазерной закалки поверхностного слоя материалов, лазерной аморфизации (остекловывания), лазерной наплавки, лазерного легирования.

Наиболее полно преимущества лазерной закалки проявляются при обработке деталей со сложным профилем и неплоской поверхностью. Кроме того, лазер дает возможность выборочно закаливать те участки поверхности, которые подвергаются наибольшей механической нагрузке (селективное закаливание). Такая локальная закалка исключает деформацию деталей после термообработки и позволяет обойтись без последующей доработки детали.

Технология лазерной аморфизации (остекловывания) является одним из направлений модификации поверхностей обрабатываемых изделий. Создание аморфных слоев является весьма перспективным, так как такие слои обладают высокой твердостью, коррозионной стойкостью, износостойкостью.

Лазерная наплавка используется с целью восстановления изношенных деталей.

При этом, по сравнению с традиционными технологиями наплавления (электросваркой, газовой сваркой и т.д.) лазерное наплавление имеет более высокую производительность, лучшее качество, наплавление происходит без нагрева основной массы детали, деталь не деформируется, не требует последующей механической обработки.

Лазерное легирование относится к процессам создания на поверхности обрабатываемого материала покрытий с высокими эксплуатационными характеристиками.

Лазерная сварка с глубоким проплавлением позволяет сваривать толстые слои материалов с большой скоростью при минимальном тепловом воздействии на материал, прилегающий к зоне расплава, что улучшает свойства сварного шва и качество сварного соединения.

Лазерная сварка в настоящее время является наиболее перспективной для промышленного использования технологией в связи с разработкой мощных лазеров с непрерывным и импульсно-периодическим действием. Сварное соединение получается при нагревании и расплавлении лазерным лучом участков в месте контакта свариваемых деталей. Когда лазерный луч смещается, смещается и зона расплавленного материала, затем идет остывание и таким образом образуется сварной шов. По форме он получается узким и глубоким и принципиально отличается от сварных швов, полученных при использовании традиционной технологии сварки. Глубина проплавления зависит от мощности лазера, а поперечное сечение лазерного шва похоже на лезвие кинжала, поэтому глубокое лазерное проплавление иногда называют кинжальным.

Под технологией лазерной резки понимаются технологические процессы лазерной размерной обработки, включающие в себя процессы собственно лазерной резки или разделения материалов, лазерной прошивки (сверления) отверстий, лазерного фрезерования пазов и т.д.

Сфокусированное лазерное излучение дает высокую концентрацию энергии, что позволяет резать практически любые материалы вне зависимости от их теплофизических свойств, включая материалы, не поддающиеся резке другими способами.

Во всех случаях процессы происходят либо при перемещении детали относительно лазерного луча, либо лазерного луча по поверхности материала. При этом лазер действует как тепловой источник, нагревая материал до температур, обеспечивающих плавление материала и перевод его в пар. Возможно удаление расплавленного материала газовой струей (газолазерная резка).

Резать материал можно как импульсным, так и непрерывным излучением, при этом импульсная размерная обработка более точна и обеспечивает более высокое качество реза при минимальных потерях материала. Воздействие лазерного луча длится от десятой до десятичной доли секунды. С помощью импульсной размерной обработки получают сквозные и глухие отверстия, пазы и щели.

Измерительная лазерная технология предназначена для проведения различных измерений и контроля размеров, линейных перемещений, контроля качества материалов и изделий.

Основным преимуществом измерительной лазерной технологии является то, что измерения идут бесконтактно (бесконтактная диагностика, неразрушающий контроль). Кроме того, лазерные методы отличаются высокой скоростью и быстродействием.

Использование лазеров в химической технологии весьма перспективно. Если лазер рассматривать в качестве мощного источника светового излучения, то лазерную интенсификацию химических реакций можно рассматривать как разновидность фотохимических процессов.

Использование лазерного излучения в химической технологии перспективно для получения новых продуктов, осуществления новых химических реакций, интенсификации существующих химико-технологических процессов.

3. Технологические процессы изготовления деталей и заготовок порошковой металлургией

Благодаря порошковой металлургии получены материалы, которые известными традиционными способами изготовить было невозможно; это твердые сплавы, пористые металлические подшипники и фильтры, фрикционные и антифрикционные материалы, композиционные материалы и электротехнические магнит мягкие изделия, техническая керамика и тепловые трубы с капиллярной структурой и многое другое. Кроме того, стало возможным максимально эффективно использовать материалы, получать композиционные изделия с уникальными свойствами. Технологические процессы порошковой металлургии, композиционные и сверхтвердые материалы, защитные, фрикционные и антифрикционные покрытия, пористые изделия находят широкое применение в машино- и приборостроении, пищевой, фармацевтической, химической, радиоэлектронной, строительной и легкой промышленности, медицине, авиации, космической технике, в технике защиты окружающей среды.

Сущность технологического процесса изготовления деталей и заготовок порошковой металлургией заключается в том, что металлы, сплавы или химические соединения металлов превращают в порошки или гранулы различной фракции. Затем их смешивают в определенной пропорции, прессуют в так называемых пресс-формах, извлекают спрессованную заготовку и в специальных печах в условиях инертной среды или вакуума спекают в течение определенного времени, охлаждают по заданному режиму и получают достаточно прочное соединение порошков или гранул в виде соответствующей формы полуфабриката или уже готового изделия. Часто для придания спрессованным и спеченным порошковым заготовкам определенных свойств проводят дополнительную термообработку или пластическую деформацию, а для получения требуемых размеров и их точности, а также шероховатости поверхностей - обработку резанием.

В машиностроительной и инструментальной промышленности порошковой металлургией изготавливают твердосплавные инструменты (резцы, фрезы, пилы, сверла, волоки, фильеры, валки); направляющие и подшипники; постоянные магниты; детали электро- и радиоприборов; зубчатые колеса; фильтры и катализаторы, тормозные колодки и направляющие втулки и т. д,

Важными преимуществами порошковой технологии является возможность изготавливать металлоизделия практически без отходов при значительной сложности геометрической формы обрабатываемой заготовки, возможность создания композиционных изделий, состоящих из монолитного и порошкового слоя, обладающего уникальными свойствами, например высокой твердостью, износостойкостью, жаростойкостью и т. д. Металлическая стружка, облой, заусенцы, литники и другие виды метал л о отходов могут быть легко превращены в специальных мельницах в порошки, которые полностью, без потерь превращают в готовые детали или близкие по форме и размерам к ним заготовки. Металл отходы можно переплавлять и превращать в специальных установках в гранулы, которые затем в пресс-формах формируют в полуфабрикаты, обладающие различной пористостью в зависимости от технологического процесса. Широкое применение пористые порошковые материалы получили для фильтров, подшипников скольжения, магнитов, поршневых колец, уплотнений, электро-контактов; металлопластмассовых и металлостеклянных изделий, металло-пеноматериаллов, огне преграждающих пористых элементов, пористых титановых дисковых аэраторов, пористых глушителей шума, тепловых трубок и теплоотводов, защитных экранов электромагнитных излучений и т. д.

Экономическая целесообразность применения порошковой металлургии для изготовления многих металлоизделий может быть обоснованной в следующих случаях:

когда металлоизделиям необходимо придать особые свойства, которые невозможно получить другими способами;

когда расход дорогостоящего материала недопустим;

когда трудоемкость порошкового металлоизделия ниже альтернативного;

когда геометрическая форма детали требует применения сложных и дорогостоящих инструментов;

когда экономическая эффективность изготовленного методом порошковой металлургии изделия очевидна.