Pošaljite svoj dobar rad u bazu znanja je jednostavno. Koristite obrazac ispod

Studenti, postdiplomci, mladi naučnici koji koriste bazu znanja u svom studiranju i radu biće vam veoma zahvalni.

Objavljeno na http://www.allbest.ru/

Ministarstvo obrazovanja i nauke Ruske Federacije. Federalna državna budžetska obrazovna ustanova visokog obrazovanja. Državni univerzitet Vladimir po imenu A.G. i N.G. Stoletovs.

Odjel za FPM.

Sažetak na temu

“Lasersko bušenje rupa”

Završeno:

Studentska grupa LT - 115

Gordeeva Ekaterina

Vladimir, 2016

Uvod

Laserski snop kao bušilica

Lasersko bušenje rupa u metalima

Bušenje nemetalnih materijala

Lasersko bušenje rupa na tvrdim površinama

razlikovanje laserskog bušenja povećana lomljivost

Zaključak

Bibliografija

Uvod

Trenutno laser uspešno obavlja niz tehnoloških operacija, prvenstveno kao što su sečenje, zavarivanje, bušenje rupa, površinska termička obrada, pikiranje, obeležavanje, graviranje i dr., au nekim slučajevima daje prednosti u odnosu na druge vrste obrade. rupa u materijalu može se završiti brže, a ispisivanje različitih materijala je savršenije. Osim toga, s velikim uspjehom se izvode neke vrste operacija koje je ranije bilo nemoguće izvesti zbog otežane pristupačnosti. Na primjer, zavarivanje materijala i bušenje rupa može se izvesti kroz staklo u vakuumu ili atmosferi različitih plinova.

Riječ "laser" sastoji se od početnih slova u engleska fraza Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, što u prijevodu na ruski znači: pojačanje svjetlosti putem stimulisane emisije. Klasično, dogodilo se da se pri opisivanju laserskih tehnologija za obradu materijala glavna pažnja posvećuje samo samim laserima, njihovim principima rada i tehničkim parametrima. Međutim, da bi se implementirao bilo koji proces laserske dimenzionalne obrade materijala, pored lasera, koristi se sistem fokusiranja zraka, uređaj za kontrolu kretanja zraka duž površine obratka ili uređaj za pomeranje proizvoda u odnosu na snop, sistem za puhanje gasa, optičko vođenje i sisteme pozicioniranja, softver za kontrolu procesa lasersko rezanje, graviranje itd. U većini slučajeva, izbor parametara za uređaje i sisteme koji direktno opslužuju laser nije ništa manje važan od parametara samog lasera. Na primjer, za označavanje ležajeva promjera manjeg od 10 mm, ili za precizno točkasto lasersko zavarivanje, vrijeme utrošeno na pozicioniranje proizvoda i fokusiranje premašuje vrijeme graviranja ili zavarivanja za jedan ili dva reda veličine (vrijeme za nanošenje oznaka na ležaju je približno 0,5 s). Stoga, bez upotrebe sistema za automatsko pozicioniranje i fokusiranje, upotreba laserskih sistema u mnogim slučajevima postaje ekonomski neisplativa. Analogija laserskih sistema sa automobilima pokazuje da laser funkcioniše kao motor. Koliko god motor bio dobar, ali bez točkova i svega ostalog auto neće ići.

Još jedan važan faktor pri odabiru sistema laserske tehnologije je njihova lakoća održavanja. Kao što je praksa pokazala, operateri imaju niske kvalifikacije za servisiranje takve opreme. Jedan od razloga za to je što se laserski sistemi ugrađuju u većini slučajeva za zamjenu zastarjelih tehnoloških procesa (udarno i hemijsko obilježavanje proizvoda, mehaničko graviranje, ručno zavarivanje, ručno obilježavanje itd.). Rukovodioci preduzeća koja modernizuju svoju proizvodnju, po pravilu, iz etičkih razloga, zamenjujući staru opremu novom, napuštaju staro (bukvalno i figurativno) servisno osoblje. Dakle, za uvođenje laserskih tehnoloških sistema u proizvodnju sa dat početni uslovi Za njen razvoj (u postsovjetskim republikama) potrebno je obezbediti najviši mogući nivo automatizacije i lakoće učenja. Ne treba odbaciti činjenicu da je plata nekvalifikovanog osoblja niža od plate obučenog specijaliste. Stoga je isplativije kupiti sofisticiranu opremu s mogućnošću lakog održavanja nego pozvati visokokvalifikovano osoblje.

Dakle, zadatak upotrebe laserskih tehnologija u modernoj proizvodnji treba uzeti u obzir ne samo sa stanovišta tehničkih parametara samog lasera, već i uzimajući u obzir karakteristike opreme i softvera koji omogućavaju korištenje specifičnih svojstava lasera. za rješavanje određenog tehnološkog problema.

Svaki laserski sistem dizajniran za dimenzionalnu obradu materijala karakteriziraju sljedeći parametri:

Brzina obrade (rezanje, graviranje, itd.);

rezolucija;

tačnost obrade;

Veličina radnog polja;

Asortiman materijala za obradu (crni metali, obojeni metali, drvo, plastika, itd.);

Raspon veličina i težina proizvoda namijenjenih preradi;

Konfiguracija proizvoda (na primjer, graviranje na ravnim, cilindričnim, valovitim površinama);

Potrebno vrijeme za promjenu izvršenih zadataka (promjena uzorka za graviranje, konfiguracije - linije rezanja, promjena materijala obrade itd.);

Vrijeme ugradnje i pozicioniranja proizvoda;

Parametri uslova okoline (temperaturni opseg, vlažnost, sadržaj prašine) u ---- u kojima sistem može da radi;

Uslovi za kvalifikaciju uslužnog osoblja.

Na osnovu ovih parametara odabire se tip lasera, uređaj za čišćenje snopa, razvija se dizajn pričvršćivača za proizvod, nivo automatizacije sistema u cjelini, pitanje potrebe za pisanjem specijalizovani programi za pripremu datoteka za crtanje, linija za sečenje itd.

Glavne tehničke karakteristike koje određuju prirodu obrade su energetski parametri lasera - energija, snaga, gustina energije, trajanje impulsa, prostorna i vremenska struktura zračenja, prostorna distribucija gustine snage zračenja u fokusnoj tački, uslovi fokusiranja, fizička svojstva materijal.

Laserski snop kao bušilica

Bušenje rupa u kamenu za satove - ovo je bio početak radne aktivnosti lasera. Riječ je o kamenju rubina, koji se u satovima koristi kao obični ležaj. U proizvodnji takvih ležajeva potrebno je izbušiti rupe u rubinu - vrlo tvrdom i istovremeno krhkom materijalu - rupe promjera samo 1-0,05 mm. Dugi niz godina ova operacija nakita izvodila se uobičajenom mehaničkom metodom pomoću svrdla od tanke klavirske žice promjera 40-50 mikrona. Takva je bušilica napravila do 30 hiljada okretaja u minuti i istovremeno izvela oko stotinu povratnih pokreta. Za bušenje jednog kamena bilo je potrebno 10-15 minuta.

Počevši od 1964. godine, neefikasno mehaničko bušenje kamenja za satove počelo je svuda da se zamenjuje laserskim bušenjem. Naravno, termin "lasersko bušenje" ne treba shvatiti doslovno; Laserski snop ne buši rupu, već je probija, uzrokujući intenzivno isparavanje materijala. Danas je lasersko bušenje kamena za satove uobičajeno. U tu svrhu se posebno koriste laseri od neodimijskog stakla. Rupa u kamenu (s debljinom radnog komada 0,5-1 mm) se probija serijom od nekoliko laserskih impulsa sa energijom od 0,5-1 J. Produktivnost laserske mašine u automatskom režimu je kamen u sekundi. Ovo je hiljadu puta veće od produktivnosti mehaničkog bušenja!

Ubrzo nakon rođenja, laser je dobio sljedeći zadatak s kojim se jednako uspješno nosio - bušenje (probijanje) rupa u dijamantskim matricama. Možda ne znaju svi da se za dobivanje vrlo tanke žice od bakra, bronce, volframa koristi tehnologija provlačenja metala kroz rupu odgovarajućeg promjera. Takve rupe se buše u materijalima posebno velike tvrdoće, jer u procesu izvlačenja žice prečnik rupe mora ostati nepromenjen. Poznato je da je dijamant najtvrđi. Stoga je najbolje provući tanku žicu kroz rupu u dijamantu - kroz takozvane dijamantske matrice. Samo uz pomoć dijamantskih kalupa moguće je dobiti ultra tanku žicu promjera samo 10 mikrona. Ali kako izbušiti tanku rupu u supertvrdom materijalu kao što je dijamant? Vrlo je teško to učiniti mehanički - potrebno je i do deset sati da se mehanički izbuši jedna rupa u dijamantskoj matrici.

Ovako izgleda rupa u dijamantskoj kosi u presjeku. Laserski impulsi probijaju grubi kanal u dijamantskom blanku. Zatim, tretirajući kanal ultrazvukom, brušenjem i poliranjem, daju mu potreban profil. Žica dobijena provlačenjem kroz kalup ima prečnik d

Ove uredne rupe, prečnika 0,3 mm, izbušene su u keramičku ploču od aluminijuma debljine 0,7 mm pomoću CO2 lasera.

Uz pomoć lasera u keramici se probijaju vrlo tanke rupe - promjera od samo 10 mikrona. Imajte na umu da se takve rupe ne mogu dobiti mehaničkim bušenjem.

U činjenicu da je bušenje poziv lasera niko nije sumnjao. Ovdje laser zapravo nije imao dostojne konkurencije, posebno kada je u pitanju bušenje vrlo tankih i vrlo dubokih rupa, kada je trebalo bušiti rupe u vrlo krhkim ili vrlo tvrdim materijalima. Prošlo je relativno kratko vrijeme i postalo je jasno da se laserski snop može uspješno koristiti ne samo za bušenje, već i za mnoge druge operacije obrade materijala. Dakle, danas možemo govoriti o nastanku i razvoju nova tehnologija- laser.

Lasersko bušenje rupa u metalima

Korištenje lasera kao alata za bušenje ima prednosti.

Nema mehaničkog kontakta između alata za bušenje i materijala, kao ni loma i habanja svrdla.

Povećana je preciznost postavljanja rupa, jer se optika koja se koristi za fokusiranje laserskog snopa koristi i za njegovo usmjeravanje na željenu tačku. Rupe se mogu orijentirati u bilo kojem smjeru.

Postignuto veći stav dubina do prečnika bušenja nego što je to slučaj kod drugih metoda bušenja.

Prilikom bušenja, kao i prilikom rezanja, svojstva materijala koji se obrađuje značajno utječu na parametre lasera potrebne za izvođenje operacije. Bušenje se vrši pulsirajućim laserima koji rade kako u slobodnom režimu rada s trajanjem impulsa reda veličine 1 μs, tako i u Q-switched modu u trajanju od nekoliko desetina nanosekundi. U oba slučaja dolazi do termičkog djelovanja na materijal, njegovog topljenja i isparavanja. Rupa raste u dubinu uglavnom zbog isparavanja, a u prečniku zbog topljenja zidova i oticanja tečnosti pod stvorenim viškom parnog pritiska.

Tipično, duboke rupe željenog prečnika se dobijaju korišćenjem ponavljajućih laserskih impulsa niske energije. U tom slučaju se formiraju rupe sa manjim konusom i boljim kvalitetom od rupa dobijenih s većom energijom jednog impulsa. Izuzetak su materijali koji sadrže elemente koji mogu stvoriti visok tlak pare. Dakle, vrlo je teško zavariti mesing laserom pulsno zračenje zbog visokog sadržaja cinka, međutim, prilikom bušenja, mesing ima neke prednosti, jer atomi cinka uvelike poboljšavaju mehanizam isparavanja.

Budući da višepulsni način rada omogućuje dobivanje rupa najboljeg kvaliteta željene geometrije i s malim odstupanjem od navedenih dimenzija, u praksi je ovaj način postao široko rasprostranjen kod bušenja rupa u tankim metalima i nemetalnim materijalima. Međutim, kada se buše rupe u debelim materijalima, poželjni su pojedinačni impulsi visoke energije. Dijafragmiranjem laserskog toka moguće je dobiti oblikovane rupe, ali se ova metoda češće koristi u obradi tankih filmova i nemetalnih materijala. Kada se lasersko bušenje izvodi u tankim limovima debljine manje od 0,5 mm, dolazi do određenog objedinjavanja procesa, koji se sastoji u činjenici da se u svim metalima mogu napraviti rupe promjera od 0,001 do 0,2 mm pri relativno malim snagama. .

Bušenje rupa u metalima može se koristiti u brojnim slučajevima. Dakle, uz pomoć impulsnih lasera može se izvršiti dinamičko balansiranje dijelova koji se rotiraju velikom brzinom. Neravnoteža se bira lokalnim topljenjem određene količine materijala. Laser se također može koristiti za postavljanje elektronskih komponenti, bilo lokalnim isparavanjem materijala ili općim zagrijavanjem. Velika gustina snage, mala veličina tačke i kratko trajanje impulsa čine laser idealnim alatom za ovu aplikaciju.

Laseri koji se koriste za bušenje rupa u metalu treba da obezbede gustinu snage fokusiranog snopa reda od 107 - 108 W/cm2. Bušenje rupa bušilicama za metal prečnika manjeg od 0,25 mm težak je praktičan zadatak, dok lasersko bušenje omogućava dobijanje rupa promjera srazmjernog valnoj dužini zračenja s dovoljno visokom preciznošću postavljanja. Stručnjaci kompanije "General Electric" (SAD) izračunali su da lasersko bušenje rupa u poređenju sa obradom elektronskim snopom ima visoku ekonomsku konkurentnost. Trenutno se poluprovodnički laseri uglavnom koriste za bušenje rupa. Oni pružaju brzinu ponavljanja impulsa do 1000 Hz i snagu u kontinuiranom režimu od 1 do 103 W, u impulsnom režimu do stotine kilovata, au Q-switched modu do nekoliko megavata. Neki rezultati obrade ovakvim laserima dati su u tabeli.

	Debljina, mm	Prečnik rupe, mm	Trajanje bušenje	laserska energija,
		unos	vikend
Nehrđajući čelik				10 impulsa
Nikl čelik
Tungsten
molibden

Bušenje nemetalnih materijala

Bušenje rupa jedno je od prvih područja laserske tehnologije. Prvo, spaljivanjem rupa u različitim materijalima, eksperimentatori su ih koristili za procjenu energije zračenja laserskih impulsa. Trenutno proces laserskog bušenja postaje samostalan pravac laserske tehnologije. Materijali koji se buše laserskim snopom uključuju nemetale kao što su dijamanti, rubin kamenje, ferit, keramika, itd., u kojima je bušenje rupa konvencionalnim metodama teško ili neučinkovito. Pomoću laserske zrake možete izbušiti rupe različitih promjera. Za ovu operaciju koriste se sljedeće dvije metode. U prvoj metodi, laserski snop se kreće duž date konture, a oblik rupe je određen putanjom njenog relativnog kretanja. Ovdje se odvija proces rezanja u kojem se izvor topline kreće određenom brzinom datom pravcu: u ovom slučaju se u pravilu koriste kontinuirani talasni laseri, kao i impulsni laseri koji rade sa povećanom brzinom ponavljanja impulsa.

U drugoj metodi, nazvanoj metodom projekcije, obrađena rupa ponavlja oblik laserskog snopa, kojem se pomoću optičkog sistema može dati bilo koji presek. Projekciona metoda bušenja rupa ima neke prednosti u odnosu na prvi. Dakle, ako se dijafragma (maska) postavi na putanju snopa, onda je na taj način moguće odsjeći njen periferni dio i dobiti relativno ujednačenu raspodjelu intenziteta po poprečnom presjeku snopa. Zbog toga je granica ozračene zone oštrija, konus rupe je smanjen, a kvalitet je poboljšan.

Postoji niz tehnika koje vam omogućavaju da dodatno odaberete dio rastaljenog materijala iz rupe koja se obrađuje. Jedna od njih je stvaranje nadpritisak komprimirani zrak ili drugi plinovi, koji se dovode u zonu bušenja pomoću mlaznice koaksijalne sa laserskim zračenjem. Ova metoda je korištena za bušenje rupa promjera 0,05-0,5 mm u keramičkim pločama debljine do 2,5 mm pomoću CO2 lasera koji radi u kontinuiranom režimu.

Bušenje rupa u tvrdoj keramici nije lak zadatak: konvencionalna metoda zahtijeva dijamantski alat, dok su druge postojeće metode teške zbog veličine rupe u promjeru jednake desetinkama milimetra. Ove poteškoće su posebno uočljive kada je debljina ploče koja se obrađuje veća od prečnika rupe. Odnos dubine rupe (debljine materijala) i njenog prečnika je mera kvaliteta dobijanja tankih rupa; ona je 2:1 kod konvencionalnog bušenja i oko 4:1 kod ultrazvučne metode koja se koristi kod bušenja keramike i drugih vatrostalnih materijala.

Laserska metoda bušenja ove klase materijala omogućava dobijanje najbolji stav sa vrlo visokom preciznošću postavljanja rupa i relativno kraćim vremenom. Tako je za lasersko bušenje polikristalne aluminijske keramike visoke gustoće korišten rubin laser s impulsnom energijom od 1,4 J, fokusirana leća sa žarišnom duljinom od 25 mm na površini diska i koja daje gustoću snage od oko 4 -106 W/cm2. U prosjeku je bilo potrebno 40 impulsa sa stopom ponavljanja od 1 Hz za bušenje keramičkog diska debljine 3,2 mm. Trajanje laserskog impulsa bilo je 0,5 ms. Nastale rupe su imale konus promjera oko 0,5 mm na ulazu i 0,1 mm na izlazu. Može se vidjeti da je omjer dubine i prosječnog promjera rupe oko 11:1, što je mnogo veće od sličnog omjera za druge metode bušenja rupa. Za jednostavne materijale ovaj omjer za lasersko bušenje može biti 50:1.

Za uklanjanje produkata sagorevanja i tečne faze iz zone bušenja koristi se duvanje vazduhom ili drugim gasovima. Efikasnije duvanje proizvoda nastaje kombinacijom duvanja sa prednje strane i vakuuma sa zadnje strane uzorka. Slična shema korištena je za bušenje rupa u keramici debljine do 5 mm. Međutim, efektivno uklanjanje tekuće faze u ovom slučaju nastaje tek nakon formiranja prolazne rupe.

U tabeli. 7 prikazani su parametri rupa u nekim nemetalnim materijalima i načini njihove obrade.

Materijal	Parametri rupe	Način obrade
	Prečnik, mm	Dubina, mm	Odnos dubine i prečnika	Energija, J	Trajanje pulsa	Gustina protoka, W/cm2	Broj impulsa po rupi
Keramika

Lasersko bušenje rupa na tvrdim površinama

Lasersko bušenje rupa karakteriše to fizički procesi poput zagrijavanja, isparavanja i topljenja materijala. Pretpostavlja se da se rupa povećava u dubinu kao rezultat isparavanja, a u promjeru - kao rezultat topljenja zidova i istiskivanja tekućine viškom parnog tlaka.

Za dobijanje preciznih rupa sa tolerancijom od oko 2 µm, koriste se laseri sa vrlo kratkim impulsima u opsegu ns i ps. Omogućava vam da kontrolišete prečnik rupe na datom nivou, tj. ne dovodi do zagrijavanja i topljenja stijenki odgovornih za rast promjera rupe, već dovodi do isparavanja materijala iz čvrste faze. Takođe, upotreba lasera sa ns i ps opsegom impulsa može značajno smanjiti prisustvo očvrsle tečne faze na bočnim površinama rupe.

AT ovog trenutka Postoji nekoliko metoda za implementaciju laserskog bušenja rupa: jednopulsno bušenje koristi jedan impuls zbog kojeg se buši rupa. Prednosti ove metode su brzina. Nedostaci visoka energija impulsa, mala debljina i kanonski oblik rupe smanjujući prijenos toplinske energije s povećanjem dubine rupe.

Kod udarnog bušenja rupa se stvara pomoću nekoliko laserskih impulsa kratkog trajanja i energije.

Prednosti: mogućnost stvaranja dublje rupe (oko 100 mm), za dobijanje rupa malog prečnika. Nedostatak ove metode je duži proces bušenja.

Bušenje rupa se odvija pod dejstvom nekoliko laserskih impulsa. Prvo, laserski čekić buši početnu rupu. Zatim povećava početnu rupu pomicanjem nekoliko puta duž rastuće kružne putanje na radnom komadu. Većina rastaljenog materijala se potiskuje iz rupe u smjeru prema dolje. Zavojno bušenje, za razliku od jezgrenog bušenja, ne uključuje pravljenje početne rupe. Laser se već od prvih impulsa kreće kružnom putanjom kroz materijal. Sa takvim pokretom veliki broj materijal izlazi. Krećući se poput spiralnog stepeništa, laser produbljuje rupu. Nakon što laser prođe kroz materijal, može se izvesti još nekoliko krugova. Dizajnirani su da prošire donju stranu rupe i zaglade ivice. Zavojno bušenje proizvodi veoma velike i duboke rupe Visoka kvaliteta. Prednosti: dobijanje velikih i dubokih rupa visokog kvaliteta.

Prednosti laserskog bušenja: mogućnost dobijanja malih rupa (manje od 100 mikrona), potreba za bušenjem rupe pod uglom, bušenje rupe u veoma tvrdim materijalima, mogućnost dobijanja rupa koje nisu okrugle, visoka produktivnost procesa, nizak termički učinak na materijal (zagrijavanje se smanjuje sa smanjenjem trajanja impulsa materijala), beskontaktna metoda koja omogućava bušenje krhkih materijala (dijamant, porculan, ferit, safir kristal, staklo), visoka automatizacija procesa, dug radni vijek život i stabilnost procesa.

Ovaj rad je posvećen traženju optimalnih načina laserskog bušenja rupa na različitim tvrdim površinama.

Za eksperimente je korišćen infracrveni pulsni Nd:YAG laser talasne dužine 1064 nm. Sa maksimalnom snagom lasera od 110 W, brzinom ponavljanja impulsa od 10 kHz i trajanjem impulsa od 84 ns, rupe u ovom radu su dobijene udarnim bušenjem. Tokom laserskog bušenja, snaga laserskog zračenja varirala je od 3,7 W do 61,4 W, prečnik laserske tačke na površini uzorka varirao je od 2 mm do 4 mm.

Lasersko bušenje rupa izvršeno je na sljedećim čvrstim površinama: plastika (žuta), karbonska vlakna, aluminij debljine 1,22,3 mm. lasersko bušenje rupa u metalu

Na kvalitet laserskog bušenja površine značajno utiču sledeći parametri: prosečna snaga laserskog zračenja, prečnik laserske tačke na površini uzorka, fizička svojstva materijala (koeficijent apsorpcije laserskog zračenja površinom, temperatura topljenja) talasna dužina laserskog zračenja, trajanje impulsa i način laserskog bušenja (jednopulsno, udarno bušenje, itd.).

U tabeli 1 prikazani su načini laserskog bušenja na različitim tvrdim površinama.

Načini laserskog bušenja rupa na različitim površinama

Lasersko bušenje karakterizira povećana krhkost

lasersko bušenje se široko koriste za dobijanje rupa ne samo u tvrdim i supertvrdim materijalima, već iu materijalima koje karakteriše povećana lomljivost.

Za lasersko bušenje rupa trenutno koriste instalaciju Kvant-11, kreiranu na bazi impulsnog YAG-Nd lasera. Lasersko zavarivanje se takođe zasniva na dejstvu fokusiranog pulsnog laserskog zračenja. Osim toga, koriste se i šavno i točkasto zavarivanje.

Glavni procesi u laser bušenje nemetalnih materijala, kao i prilikom sečenja, su zagrevanje, topljenje i isparavanje iz zone laserskog zračenja. Da bi se ovi procesi osigurali, potrebno je imati gustine snage od 106 - 107 W/cm2, koje stvara optički sistem u fokalnoj tački. U ovom slučaju, rupa raste u dubinu zbog isparavanja materijala; također dolazi do topljenja stijenki i izbacivanja tečne frakcije nastale viškom parnog pritiska.Sadašnja industrija trenutno široko koristi lasersko bušenje rupa u dijamantima, pružajući visoku preciznost i kontrolu nad formiranjem rupa u procesu bušenja.

Bušenje rupa bušilicama za metal prečnika manjeg od 0 25 mm je težak praktičan zadatak, dok lasersko bušenje omogućava dobijanje rupa prečnika srazmernog talasnoj dužini zračenja, sa dovoljno visokom preciznošću postavljanja.

Iz eksperimenata je poznato da su tehničke karakteristike i karakteristike preciznog laserskog rezanja tankih metalnih ploča uglavnom određene istim uslovima i faktorima kao i tehničke karakteristike procesa. višepulsno lasersko bušenje . Prosječna širina prolaznog reza u tankim metalnim pločama je obično 30 - 50 mikrona duž cijele dužine uzorka, zidovi su im gotovo paralelni, površina ne sadrži velike defekte i strane inkluzije. Jedna od karakteristika rezanja pulsnim zračenjem je mogućnost takozvanog efekta kanalizacije. Ovaj efekat se izražava u uvlačenju kvalitativnog (difrakcionog) snopa u kanal formiran prethodnim impulsima pomoću re-refleksije od njegovog zida. Formiranje novog kanala počinje nakon pomicanja cjelokupnog difrakcionog snopa izvan kontura prethodnog. Ovaj proces određuje graničnu hrapavost stijenke reza i može stabilizirati točnost reza kompenzirajući nestabilnost smjernog uzorka tijekom višeprolazne obrade. U ovom slučaju, hrapavost rezanih rubova obično nije prelazila 4-5 μm, što se može smatrati sasvim zadovoljavajućim.

Laseri također izvode takvu operaciju kao što je grubo brušenje istrošenih matrica do sljedećeg većeg promjera prema standardu. Ako je tokom mehaničkog bušenja ova operacija trajala oko 20 sati, onda sa lasersko bušenje zahteva samo nekoliko desetina impulsa. Ukupni vremenski interval je oko 15 minuta za grubu obradu jedne matrice.

Bušenje rupa je možda jedno od prvih područja laserske tehnologije. Proces je trenutno lasersko bušenje postaje samostalan pravac laserske tehnologije i zauzima značajan udeo u domaćoj i stranoj industriji. Materijali koji se buše laserskim snopom uključuju nemetale kao što su dijamanti, rubin kamenje, ferit, keramika, itd., u kojima je bušenje rupa konvencionalnim metodama teško ili neučinkovito.

Međutim, kada se buše rupe u debelim materijalima, poželjni su pojedinačni impulsi visoke energije. Dijafragmiranjem laserskog toka moguće je dobiti oblikovane rupe, ali se ova metoda češće koristi u obradi tankih filmova i nemetalnih materijala. U tom slučaju, to kada l lasersko bušenje se proizvodi u tankim limovima debljine manje od 0,5 mm, postoji određeno objedinjavanje procesa, koje se sastoji u tome da se rupe promjera od 0,001 do 0,2 mm mogu napraviti u svim metalima pri relativno malim snagama. Pri velikim debljinama, prema sl. 83, pojavljuje se nelinearnost zbog efekta skrininga.

Još ranije je zapaženo da upotreba fleksibilnih PCB-a povećava njihovu pouzdanost, skraćuje vrijeme montaže uređaja za stotine sati i daje povećanje u zapremini i masi za faktor 2-4 u odnosu na upotrebu krutih PCB-a u MEA. Sada se već postojeća kočnica razvoja fleksibilnog softvera, odnosno dobro poznati konzervativizam dizajnera koji su navikli da rade sa konvencionalnim softverom, može smatrati pređenom fazom. U ovom slučaju olakšava se zadatak smanjenja mehaničkih naprezanja između PCB-a i LSI ugrađenog na njega u držač kristala, a također postaje moguće dobiti lasersko bušenje subminijaturnih rupa prečnika 125 mikrona (umjesto 800 mikrona kod konvencionalnih PCB-a) za međuslojno prebacivanje kontinuiranim punjenjem bakrom. Konačno, fleksibilni poliimidni PCB je providan, omogućavajući vizuelnu inspekciju svih lemnih spojeva u svakom sloju pod pažljivo odabranim uslovima osvetljenja.

Zaključak

U zaključku, želio bih istaknuti neke opšta pitanja implementacija laserskih tehnologija u modernu proizvodnju.

Prva faza u stvaranju laserske tehnološke instalacije je izrada tehničkog zadatka. U mnogim slučajevima, kupci pokušavaju da igraju na sigurno i unesu karakteristike koje daleko prevazilaze stvarne potrebe proizvodnje. Kao rezultat toga, cijena opreme se povećava za 30-50%. Paradoksalno, razlog za to je, po pravilu, relativno visoka cijena laserskih sistema. Mnogi poslovni lideri razmišljaju ovako:

“...ako kupim novu skupu opremu, onda bi po karakteristikama trebala premašiti standarde koji se traže u ovom trenutku, “možda”, jednom će mi dobro doći...”. Kao rezultat toga, potencijalne mogućnosti opreme se nikada ne koriste, a vrijeme povrata se povećava.

Primjer takvog pristupa je prijelaz sa mehaničkog označavanja dijelova na lasersko označavanje. Glavni kriteriji označavanja su kontrast natpisa i otpornost na habanje. Kontrast je određen omjerom širine i dubine linije za graviranje. Minimalna širina linije za mehaničko graviranje je približno 0,3 mm. Da bi se dobio kontrastni natpis, njegova dubina treba biti oko 0,5 mm. Stoga se u mnogim slučajevima pri izradi projektnog zadatka za lasersku instalaciju uzimaju u obzir ovi parametri. Ali širina linije tokom laserskog graviranja je 0,01-0,03 mm, odnosno, dubina natpisa može biti 0,05 mm, tj. red veličine manje nego kod mehaničkog. Stoga se odnos između snage lasera i vremena obilježavanja može optimizirati u odnosu na cijenu sistema. Kao rezultat, cijena laserske instalacije je smanjena, a kao rezultat i vrijeme povrata.

Uvođenje laserskih tehnologija u mnogim slučajevima omogućava rješavanje "starih" problema temeljno novim metodama. Klasičan primjer za to je primjena zaštitnih natpisa, marki itd. na proizvodima za zaštitu od krivotvorenja. Mogućnosti laserske tehnologije omogućavaju identifikaciju sigurnosnog natpisa po jednom redu u natpisu. Mogućnost korištenja kriptografskih metoda omogućava implementaciju "dinamičke" zaštite od krivotvorenja, tj. prilikom snimanja generalnog crteža, nakon određenog vremena, mijenjaju se neki elementi koji su prepoznatljivi samo od strane stručnjaka ili posebne opreme. Za mehaničke metode krivotvorenja nedostižna je mogućnost stvaranja male izbočine (3-10 mikrona) od metalnih emisija na rubovima linije za graviranje laserom. Složena upotreba ovakvih tehnika minimizira mogućnost krivotvorenja i čini ga ekonomski neisplativim.

Implementacija laserskih tehnologija u ovoj fazi tehnološki razvoj (prelazak iz "divljeg" kapitalizma u normalnu proizvodnju) samo je jedna od opcija za početak formiranja onoga što se naziva visokotehnološka proizvodnja. Ona mala preduzeća koja koriste nekoliko ovakvih laserskih sistema potvrdila su zakon dijalektike prelaska kvantiteta u kvalitet. Nova oprema zahtijeva suštinski nove metode njenog održavanja, po pravilu, uz povećanu pažnju osoblja i održavanje "čistoće" u prostoriji u kojoj se nalazi. One. dolazi do prelaska na kvalitet novi nivo kultura proizvodnje. Istovremeno, broj zaposlenih se obično smanjuje, a rukovodioci preduzeća počinju da rešavaju pitanja organizovanja rada ne „radnog tima“, već optimizacije rada preduzeća u kojem su zaposleni samo sastavni deo tehnološkog procesa. proces. Bez obzira da li će se ova proizvodnja nastaviti koristiti laserska tehnologija ili ne, stečeno iskustvo i formirana kultura neće nikuda nestati. To je ono što vanjski posmatrači obično nazivaju tehnološkom ili naučno-tehnološkom revolucijom, iako je to u stvari normalan evolucijski proces. Istorija razvoja mnogih velikih tehnoloških firmi to pokazuje u nekom trenutku početnim fazama razvoja, svi su imali sličnu fazu tranzicije. Može se dogoditi da smo trenutno u fazi tehnološkog razvoja u kojoj će relativno mala ulaganja u nove tehnologije sada dovesti do velikih povrata u budućnosti. U sinergetici, nauci o samoorganizirajućim sistemima, takva situacija podliježe zakonu „leptira“ (R. Bradbury „I grom je zagrmio...“), koji opisuje proces kada male promjene u prošlosti ili sadašnjosti dovode do globalne implikacije u budućnosti.

Spisak korišćene literature

1. Rykalin N.N. Laserska obrada materijala. M., Mashinostroenie, 1975, 296 str.

2. Grigoryants A.G., Shiganov I.N., Misyurov A.I. Tehnološki procesi laserske obrade: Proc. priručnik za univerzitete / Ed. A.G. Grigoryants. - M.: Izdavačka kuća MSTU im. N.E. Bauman, 2006. -664 str.

3. Krylov K.I., Prokopenko V.T., Mitrofanov A.S. Upotreba lasera u mašinstvu i izradi instrumenata. - L., Mašinstvo. Leningrad. odjel, 1978, 336 str.

Hostirano na Allbest.ru

...

Slični dokumenti

Razvoj mašine za bušenje rupa u hrptu knjižnog bloka štampanih materijala. Analiza postojeće opreme za bušenje rupa, njeni nedostaci. Razvoj tehnološka šema dizajn alatnih mašina i glave za bušenje.

disertacije, dodato 29.07.2010


Faze razvoja alata za bušenje rupa u dijelovima: postavljanje radnog komada u horizontalnu ravninu na površinu, odabir opreme za tehnološki proces, proračun uvjeta rezanja, greške u proizvodnji i tačnost učvršćenja.

seminarski rad, dodan 16.11.2010


Tehnološke osnove procesa bušenja rupa. Vrste mašina i njihove glavne komponente. Utjecaj materijala i geometrijskih elemenata burgije. Promjena geometrijskih parametara reznog dijela svrdla. Glavni načini završnih operacija za proizvodnju bušilica.

teza, dodana 30.09.2011


Istorija mašina za sečenje metala. Svrha bušenja su operacije dobijanja rupa u različitim materijalima tokom njihove obrade, čija je svrha pravljenje rupa za narezivanje, razvrtanje, razvrtanje. Glavne vrste istezanja.

prezentacija, dodano 05.10.2016


Glavne poteškoće obrade rupa. Opcije podešavanja za operacije dubokog bušenja. Funkcije tečnosti za podmazivanje, načini njegovog snabdevanja. Vrste dubokog bušenja. Zadovoljavajuće formiranje strugotine i njeno uklanjanje iz rupe.

priručnik za obuku, dodan 12.08.2013


Opis tehnoloških radnji - bušenje i razvrtanje radi dobijanja rupa u detalju "provodnička ploča". Izbor alatne mašine za njenu obradu. Princip njegovog rada i proračun za tačnost. Određivanje uslova rezanja i sile stezanja.

seminarski rad, dodan 17.01.2013


Formiranje rupa u čvrstom metalu bušenjem, tačnost njihove obrade, set alata; klasa hrapavosti površine. Načini bušenja, upuštanja, razvrtanja. Razvoj sheme stezanja dijela; proračun greške u bazi i sile stezanja.

laboratorijski rad, dodano 29.10.2014


Bušenje, razvrtanje, upuštanje i razvrtanje rupa u velikim i teškim delovima. Vrste materijala koji se preporučuju za rezanje rezača, njihove karakteristike. Proračun načina rezanja za izradu uzdužnog tokarenja čelične osovine.

kontrolni rad, dodano 21.11.2010


laserska tehnologija. Princip rada lasera. Osnovna svojstva laserskog snopa. Monokromatičnost laserskog zračenja. Njegova moć. Ogroman zamah. Upotreba laserskog snopa u industriji i tehnologiji, medicini. Holografija.

sažetak, dodan 23.11.2003


Bušenje je proces pravljenja rupa u čvrstom materijalu pomoću alata koji se zove bušilica. Određivanje glavnih faktora koji utiču na tačnost tehnološkog procesa, postojećih kretanja: rotaciono i translatorno usmereno.

Laserske tehnologije su sposobne da igraju sve važniju ulogu u industrijskoj preradi materijala. Uspješno izvode rezanje, zavarivanje, bušenje, termičku obradu površina, šišanje i drugi operacije. Prednosti ovoga uključuju veću produktivnost, savršen kvalitet, jedinstvenost operacija koje se izvode na nedostupnim mjestima ili na vrlo malim površinama. Automatski sistemi za pozicioniranje i fokusiranje laserskih kompleksa čine njihovu primenu još efikasnijom, a jednostavnost rada stvara preduslove za njihovu široku implementaciju u proizvodne procese.

S.N. Kolpakov, A.A. prihvatanje,
DOO "Alt laser", Harkov

Trenutno laser uspješno obavlja niz tehnoloških operacija, prvenstveno kao što su rezanje, zavarivanje, bušenje, površinska termička obrada, pikiranje, označavanje, graviranje itd., au nekim slučajevima daje prednosti u odnosu na druge vrste obrade. Tako se bušenje rupa u materijalu može završiti brže, a šišanje različitih materijala je savršenije. Osim toga, neke vrste operacija koje su ranije bile nemoguće zbog povećanog intenziteta rada izvode se s velikim uspjehom. Na primjer, zavarivanje materijala i bušenje rupa može se izvesti kroz staklo u vakuumu ili atmosferi raznih plinova.

Industrijska obrada materijala postala je jedno od područja gdje se laseri najviše koriste. Prije pojave lasera, glavni izvori topline za tehnološku obradu bili su plinski plamenik, elektrolučno pražnjenje, plazma luk i elektronski snop. Pojavom lasera koji emituju veliku energiju, pokazalo se da je moguće stvoriti velike gustine svjetlosnog toka na tretiranoj površini. Uloga lasera kao izvora svjetlosti koji rade u kontinuiranom, impulsnom ili gigantskom impulsnom režimu je da površini obrađenog materijala daju gustinu snage dovoljnu za njegovo zagrijavanje, topljenje ili isparavanje, što je osnova laserske tehnologije.

Trenutno laser uspješno izvodi niz tehnoloških operacija, prvenstveno kao što su rezanje, zavarivanje, bušenje rupa, površinska termička obrada, pikiranje, markiranje, graviranje itd., au nekim slučajevima daje prednosti u odnosu na druge vrste obrade. Tako se bušenje rupa u materijalu može završiti brže, a šišanje različitih materijala je savršenije. Osim toga, s velikim uspjehom se izvode neke vrste operacija koje je ranije bilo nemoguće izvesti zbog otežane pristupačnosti. Na primjer, zavarivanje materijala i bušenje rupa može se izvesti kroz staklo u vakuumu ili atmosferi različitih plinova.

Riječ "laser" sastoji se od početnih slova engleske fraze Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, što u prijevodu na ruski znači: pojačanje svjetlosti stimuliranom emisijom . Klasično, dogodilo se da se pri opisivanju laserskih tehnologija za obradu materijala glavna pažnja posvećuje samo samim laserima, njihovim principima rada i tehničkim parametrima. Međutim, da bi se implementirao bilo koji proces laserske dimenzionalne obrade materijala, osim lasera, potreban je i sistem fokusiranja zraka, uređaj za kontrolu kretanja zraka duž površine obratka ili uređaj za pomicanje snopa. proizvod u odnosu na snop, sistem za uduvavanje gasa, optičko navođenje i sisteme pozicioniranja, softver za upravljanje procesima laserskog rezanja, graviranja itd. U većini slučajeva, izbor parametara uređaja i sistema koji direktno opslužuju laser nije ništa manje važan od parametri samog lasera. Na primjer, za označavanje ležajeva prečnika manjeg od 10 mm ili precizno lasersko zavarivanje, vrijeme utrošeno na pozicioniranje proizvoda i fokusiranje premašuje vrijeme graviranja ili zavarivanja za jedan ili dva reda veličine (vrijeme označavanja ležaja je približno 0,5 s). Stoga, bez upotrebe sistema za automatsko pozicioniranje i fokusiranje, upotreba laserskih sistema u mnogim slučajevima postaje ekonomski neisplativa. Analogija laserskih sistema sa automobilima pokazuje da laser funkcioniše kao motor. Koliko god motor bio dobar, ali bez točkova i svega ostalog auto neće ići.

Još jedan važan faktor pri odabiru sistema laserske tehnologije je njihova lakoća održavanja. Kao što je praksa pokazala, operateri imaju niske kvalifikacije za servisiranje takve opreme. Jedan od razloga za to je što se u većini slučajeva laserski sistemi ugrađuju kako bi zamijenili zastarjele tehnološke procese (udarno i hemijsko označavanje proizvoda, mehaničko graviranje, ručno zavarivanje, ručno označavanje itd.). Rukovodioci preduzeća koja modernizuju svoju proizvodnju, po pravilu, iz etičkih razloga, zamenjujući staru opremu novom, napuštaju staro (bukvalno i figurativno) servisno osoblje. Stoga je za uvođenje laserskih tehnoloških sistema u proizvodnju u datim početnim uslovima njenog razvoja (u postsovjetskim republikama) potrebno obezbediti što veći stepen automatizacije i lakoće obuke. Ne treba odbaciti činjenicu da je plata nekvalifikovanog osoblja niža od plate obučenog specijaliste. Stoga je isplativije kupiti sofisticiranu opremu s mogućnošću lakog održavanja nego pozvati visokokvalifikovano osoblje.

Dakle, zadatak upotrebe laserskih tehnologija u modernoj proizvodnji treba razmatrati ne samo sa stanovišta tehničkih parametara samog lasera, već i uzimajući u obzir karakteristike opreme i softvera, koji omogućavaju korištenje specifičnih svojstava lasera. laser za rješavanje određenog tehnološkog problema.

Svaki laserski sistem dizajniran za dimenzionalnu obradu materijala karakteriziraju sljedeći parametri:

• brzina obrade (rezanje, graviranje, itd.);
• rezolucija;
• tačnost obrade;
• veličina radnog polja;
• asortiman materijala za obradu (crni metali, obojeni metali, drvo, plastika, itd.);
• raspon veličina i težina proizvoda namijenjenih preradi;
• konfiguracija proizvoda (na primjer, graviranje na ravnim, cilindričnim, valovitim površinama);
• potrebno vrijeme za promjenu izvršenih zadataka (promjena uzorka graviranja, konfiguracije linije za sečenje, promjena materijala za obradu itd.);
• vrijeme ugradnje i pozicioniranja proizvoda;
• parametri uslova okoline (temperaturni opseg, vlažnost, sadržaj prašine) u kojima sistem može da radi;
• zahtjevi za kvalifikacijom uslužnog osoblja.

Na osnovu ovih parametara odabire se tip lasera, uređaj za čišćenje zraka, razvija se dizajn pričvršćivača proizvoda, nivo automatizacije sistema u cjelini, pitanje potrebe za pisanjem specijaliziranih programa za pripremu datoteka za crtanje , linije rezanja itd. odlučuje se.

Glavne tehničke karakteristike koje određuju prirodu obrade su energetski parametri lasera - energija, snaga, gustina energije, trajanje impulsa, prostorna i vremenska struktura zračenja, prostorna distribucija gustine snage zračenja u fokusnoj tački, uslovi fokusiranja, fizički svojstva materijala (reflektivnost, termofizička svojstva, tačka topljenja, itd.).

Lasersko bušenje rupa u metalima

Korištenje lasera kao alata za bušenje ima prednosti.

Nema mehaničkog kontakta između alata za bušenje i materijala, kao ni loma i habanja svrdla.

Povećana je preciznost postavljanja rupa, jer se optika koja se koristi za fokusiranje laserskog snopa koristi i za njegovo usmjeravanje na željenu tačku. Rupe se mogu orijentirati u bilo kojem smjeru.

Postiže se veći odnos dubine i prečnika bušenja nego što je to slučaj kod drugih metoda bušenja.

Prilikom bušenja, kao i prilikom rezanja, svojstva materijala koji se obrađuje značajno utječu na parametre lasera potrebne za izvođenje operacije. Bušenje se vrši pulsirajućim laserima koji rade kako u slobodnom režimu rada s trajanjem impulsa reda veličine 1 μs, tako i u Q-switched modu u trajanju od nekoliko desetina nanosekundi. U oba slučaja dolazi do termičkog djelovanja na materijal, njegovog topljenja i isparavanja. Rupa raste u dubinu uglavnom zbog isparavanja, a u promjeru - zbog topljenja zidova i oticanja tekućine pod stvorenim viškom parnog tlaka.

Tipično, duboke rupe željenog prečnika se dobijaju korišćenjem ponavljajućih laserskih impulsa niske energije. U tom slučaju se formiraju rupe sa manjim konusom i boljim kvalitetom od rupa dobijenih s većom energijom jednog impulsa. Izuzetak su materijali koji sadrže elemente koji mogu stvoriti visok tlak pare. Stoga je vrlo teško zavariti mesing laserskim impulsnim zračenjem zbog visokog sadržaja cinka, međutim, pri bušenju, mesing ima neke prednosti, jer atomi cinka značajno poboljšavaju mehanizam isparavanja.

Budući da višepulsni način rada omogućuje dobivanje rupa najboljeg kvaliteta željene geometrije i s malim odstupanjem od navedenih dimenzija, u praksi je ovaj način postao široko rasprostranjen kod bušenja rupa u tankim metalima i nemetalnim materijalima. Međutim, kada se buše rupe u debelim materijalima, poželjni su pojedinačni impulsi visoke energije. Dijafragmiranjem laserskog toka moguće je dobiti oblikovane rupe, ali se ova metoda češće koristi u obradi tankih filmova i nemetalnih materijala. Kada se lasersko bušenje izvodi u tankim limovima debljine manje od 0,5 mm, dolazi do određenog objedinjavanja procesa, koji se sastoji u činjenici da se u svim metalima mogu napraviti rupe promjera od 0,001 do 0,2 mm pri relativno malim snagama. .

Bušenje rupa u metalima može se koristiti u brojnim slučajevima. Dakle, uz pomoć impulsnih lasera može se izvršiti dinamičko balansiranje dijelova koji se rotiraju velikom brzinom. Neravnoteža se bira lokalnim topljenjem određene količine materijala. Laser se također može koristiti za postavljanje elektronskih komponenti, bilo lokalnim isparavanjem materijala ili općim zagrijavanjem. Velika gustina snage, mala veličina tačke i kratko trajanje impulsa čine laser idealnim alatom za ovu aplikaciju.

Laseri koji se koriste za bušenje rupa u metalu treba da obezbede fokusirani snop sa gustinom snage od 10 7 -10 8 W/cm 2 . Bušenje rupa bušilicama za metal prečnika manjeg od 0,25 mm težak je praktičan zadatak, dok lasersko bušenje omogućava dobijanje rupa promjera srazmjernog valnoj dužini zračenja s dovoljno visokom preciznošću postavljanja. Stručnjaci kompanije "General Electric" (SAD) izračunali su da lasersko bušenje rupa u poređenju sa obradom elektronskim snopom ima visoku ekonomsku konkurentnost (tabela 1). Trenutno se poluprovodnički laseri uglavnom koriste za bušenje rupa. Pružaju brzinu ponavljanja impulsa do 1000 Hz i snagu u kontinuiranom režimu od 1 do 10 3 W, u pulsnom do stotine kilovata, au Q-switched modu do nekoliko megavata. Neki rezultati obrade ovakvim laserima dati su u tabeli. 2.

Lasersko zavarivanje metala

Lasersko zavarivanje u svom razvoju imalo je dvije faze. U početku je razvijeno tačkasto zavarivanje. To se objašnjava prisustvom u to vrijeme snažnih impulsnih lasera u čvrstom stanju. Trenutno, u prisustvu gasnih CO 2 velike snage i Nd:YAG lasera u čvrstom stanju koji daju kontinuirano i impulsno kontinuirano zračenje, moguće je zavarivanje šavova sa dubinom prodiranja do nekoliko milimetara. Lasersko zavarivanje ima niz prednosti u odnosu na druge vrste zavarivanja. U prisustvu velika gustoća svjetlosni tok i optički sistem, lokalno prodiranje u dati poen sa velikom preciznošću. Ova okolnost omogućava zavarivanje materijala na teško dostupnim mjestima, u vakuumskoj ili plinskoj komori sa prozorima koji su providni za lasersko zračenje. Zavarivanje, na primjer, mikroelektronskih elemenata u komori s atmosferom inertnog plina je od posebnog praktičnog interesa, jer u ovom slučaju nema reakcija oksidacije.

Zavarivanje dijelova odvija se pri mnogo nižim gustoćama snage od rezanja. To se objašnjava činjenicom da je prilikom zavarivanja potrebno samo zagrijavanje i topljenje materijala, odnosno potrebne su gustoće snage koje su još uvijek nedovoljne za intenzivno isparavanje (10 5 -10 6 W / cm 2), s trajanjem impulsa od oko 10 -3 -10 -4 S. Budući da je lasersko zračenje usmjereno na materijal koji se obrađuje površinski izvor topline, prijenos topline u dubinu zavarenih dijelova vrši se zbog toplinske provodljivosti, a zona prodiranja se vremenom mijenja s pravilno odabranim načinom zavarivanja. U slučaju nedovoljnih gustoća snage dolazi do neprodiranja u zavarenu zonu, a u prisustvu velikih gustoća snage uočava se isparavanje metala i stvaranje rupa.

Zavarivanje se može izvesti na mašini za gas-lasersko rezanje pri manjoj snazi ​​i uz upotrebu slabog udarca inertnog gasa u zonu zavarivanja. Sa snagom CO 2 lasera od oko 200 W moguće je zavariti čelik debljine do 0,8 mm brzinom od 0,12 m/min; kvaliteta šava nije lošija nego kod obrade elektronskim snopom. Zavarivanje elektronskim snopom ima nešto veće brzine zavarivanja, ali se izvodi u vakuumskoj komori, što stvara velike neugodnosti i zahtijeva značajne ukupne vremenske troškove.

U tabeli. Na slici 3 prikazani su podaci o sučeonom zavarivanju CO 2 laserom snage 250 W različitih materijala.

Pri drugim snagama zračenja CO 2 lasera dobijeni su podaci zavarivanja šavova dati u tabeli 1. 4. Prilikom zavarivanja sa preklopom, čeonom i uglom, brzine su dobijene bliske onima navedenim u tabeli, uz potpunu penetraciju materijala koji se zavari u zoni udara grede.

Laserski sistemi za zavarivanje su sposobni za zavarivanje različitih metala, proizvodeći minimalne termičke efekte zbog male veličine laserske tačke, kao i za zavarivanje tankih žica prečnika manjeg od 20 mikrona po uzorku žica-žica ili žica-lim.

Književnost

1. Krylov K.I., Prokopenko V.T., Mitrofanov A.S. Upotreba lasera u mašinstvu i izradi instrumenata. - L.: Mašinstvo. Leningrad. odjel, 1978. - 336 str.

2. Rykalin N.N. Laserska obrada materijala. - M., Mašinostroenie, 1975. - 296 str.

Bušenje rupa u kamenu za satove - ovo je bio početak radne aktivnosti lasera. Riječ je o kamenju rubina, koji se u satovima koristi kao obični ležaj. U proizvodnji takvih ležajeva potrebno je izbušiti rupe u rubinu - vrlo tvrdom i istovremeno krhkom materijalu - rupe promjera samo 1-0,05 mm. Dugi niz godina ova operacija nakita izvodila se uobičajenom mehaničkom metodom pomoću svrdla od tanke klavirske žice promjera 40-50 mikrona. Takva je bušilica napravila do 30 hiljada okretaja u minuti i istovremeno izvela oko stotinu povratnih pokreta. Za bušenje jednog kamena bilo je potrebno 10-15 minuta.
Počevši od 1964. godine, neefikasno mehaničko bušenje kamenja za satove počelo je svuda da se zamenjuje laserskim bušenjem. Naravno, termin "lasersko bušenje" ne treba shvatiti doslovno; Laserski snop ne buši rupu, već je probija, uzrokujući intenzivno isparavanje materijala. Danas je lasersko bušenje kamena za satove uobičajeno. U tu svrhu koriste se, posebno,
29

ness, laseri od neodimijskog stakla. Rupa u kamenu (s debljinom radnog komada 0,5-1 mm) se probija serijom od nekoliko laserskih impulsa sa energijom od 0,5-1 J. Produktivnost laserske mašine u automatskom režimu je kamen u sekundi. Ovo je hiljadu puta veće od produktivnosti mehaničkog bušenja!
Ubrzo nakon rođenja, laser je dobio sljedeći zadatak s kojim se jednako uspješno nosio - bušenje (probijanje) rupa u dijamantskim matricama. Možda ne znaju svi da se za dobivanje vrlo tanke žice od bakra, bronce, volframa koristi tehnologija provlačenja metala kroz rupu odgovarajućeg promjera. Takve rupe se buše u materijalima posebno velike tvrdoće, jer u procesu izvlačenja žice prečnik rupe mora ostati nepromenjen. Poznato je da je dijamant najtvrđi. Stoga je najbolje provući tanku žicu kroz rupu u dijamantu - kroz takozvane dijamantske matrice. Samo uz pomoć dijamantskih kalupa moguće je dobiti ultra tanku žicu promjera samo 10 mikrona. Ali kako izbušiti tanku rupu u supertvrdom materijalu kao što je dijamant? Vrlo je teško to učiniti mehanički - potrebno je i do deset sati da se mehanički izbuši jedna rupa u dijamantskoj matrici. Ali, kako se pokazalo, nije teško probiti ovu rupu serijom od nekoliko moćnih laserskih impulsa. />Danas se lasersko bušenje široko koristi ne samo za posebno tvrde materijale, već i za materijale koje karakteriše povećana lomljivost. Pokazalo se da je laserska bušilica ne samo moćna, već i vrlo delikatan "alat". Kao primjer, hajde da razgovaramo o problemu bušenja rupa u podlogama mikrokola napravljenim od aluminijske keramike. Keramika je izuzetno lomljiva. Iz tog razloga, mehaničko bušenje rupa u podlozi mikrokola je u pravilu vršeno na "sirovom" materijalu. Keramika je pečena nakon bušenja. U ovom slučaju došlo je do neke deformacije proizvoda, relativni položaj izbušenih rupa je izobličen. Problem je riješen pojavom laserskih bušilica. Koristeći ih, moguće je raditi sa već postojećim keramičkim podlogama
30

Ovako izgleda rupa u dijamantskoj kosi u presjeku. Laserski impulsi probijaju grubi kanal u dijamantskom blanku. Zatim, tretirajući kanal ultrazvukom, brušenjem i poliranjem, daju mu potreban profil. Žica dobijena provlačenjem kroz kalup ima prečnik d
Ove uredne rupe, prečnika 0,3 mm, izbušene su u keramičku ploču od aluminijuma debljine 0,7 mm pomoću CO2 lasera.

jig. Uz pomoć lasera u keramici se probijaju vrlo tanke rupe - promjera od samo 10 mikrona. Imajte na umu da se takve rupe ne mogu dobiti mehaničkim bušenjem.
U činjenicu da je bušenje poziv lasera niko nije sumnjao. Ovdje laser zapravo nije imao dostojne konkurencije, posebno kada je u pitanju bušenje vrlo tankih i vrlo dubokih rupa, kada je trebalo bušiti rupe u vrlo krhkim ili vrlo tvrdim materijalima. Prošlo je relativno kratko vrijeme i postalo je jasno da je laser

greda se može uspješno koristiti ne samo za bušenje, već i za mnoge druge operacije obrade materijala. Dakle, danas možemo govoriti o nastanku i razvoju nove tehnologije - lasera.

Stručnjaci su razvili mnogo načina za obradu dijamanata kako bi poboljšali kvalitetu ovog kamenja. Najdokazniji način poboljšanja kvaliteta dijamanata je lasersko bušenje.

Ova vrsta obrade dijamanata prvi put je korišćena u komercijalnoj praksi 70-ih godina prošlog veka. Tamne inkluzije poput magnetita, pirotita i ugljika ne poboljšavaju optičke karakteristike kamena i, štoviše, ne privlače kupce. Tokom procesa laserskog bušenja, ove inkluzije sagorevaju, rastvoren sa azotnom ili sumpornom kiselinom ili bistren.

Laserski snop specijalnog aparata, kvantnog generatora u IR opsegu sa talasnom dužinom od oko 1060 nm, buši mikro rupu prečnika ne više od 20-60 mikrona. 20 mikrona je jednako 0,02 mm, što je debljina ljudske kose. dijamant za bušenje izvodi se na dubini ne većoj od 1,6 mm. Ovaj proces u prosjeku traje 30 minuta ili više.

Postoji način da posvijetlite tamne inkluzije. Kroz rupu izbušenu laserskim snopom ulazi zrak, pod čijim utjecajem boja inkluzije može postati znatno svjetlija. Drugi način posvjetljivanja je da se u kanal laserske rupe u vakuumskom okruženju unese reagens koji posvjetljuje ili potpuno rastvara inkluziju. Krajnji rezultat zavisi od hemijski sastav ovo uključivanje.

Uz desetostruko povećanje pod mikroskopom ili pod lupom, nije teško vidjeti kanale laserskih rupa, čak i ako su zapečaćeni. Oni imaju vrsta levka na površini i ravne linije bjelkaste iznutra. Nedavno su se za popunjavanje kanala zbog visokog indeksa prelamanja upotrebljavale tvari poput sintetičke smole ili voska. Nakon punjenja kanala odgovarajućom supstancom, kanal se zatvara. Iako su zapečaćene rupe manje vidljive na površini i manje sklone kontaminaciji, u reflektiranom svjetlu na mjestu bušenja može se vidjeti "krater". Okrugle zareze na površini mogu se opipati i vrhom igle. Treba uzeti u obzir da ako je u procesu bušenja rupe laserski snop pao u zonu jake unutrašnji stres, tada se oko kanala formiraju lako prepoznatljive pukotine naprezanja i cijepanja.

Poteškoće se javljaju pri procjeni takvog kamenja. Naravno, vizualne gemološke karakteristike su značajno poboljšane, ali bušenje stvara umjetne defekte u obliku malih pukotina.

Dijamanti su klasifikovani kao određene grupečistoće, uzimajući u obzir njihovu izgled i prisustvo izbušenih rupa. Treba napomenuti da svrha laserskog bušenja nije povećanje jasnoće dijamanta, već posvjetljivanje tamnih inkluzija. To dovodi do poboljšanja izgleda kamena i privlači više kupaca.

Relevantni certifikati kvaliteta, računi i drugi dokumenti moraju sadržavati podatke o rezultatima ljudske intervencije i prisutnosti laserskog bušenja rupa.

Nedavno razvijeno nova metoda laserske obrade dijamanti, kod kojih kanal nije izvučen na površinu. Ova vrsta obrade je pogodna za dijamante s tamnim inkluzijama blizu površine. Međutim, primjena ove metode još uvijek ne jamči izostanak novih cijepanja i naprezanja pukotina, "pera" i mikropukotina oko inkluzija. Defekti ove vrste koji su postojali prije obrade, nakon nanošenja ovu metodu može intenzivirati. S druge strane, nove pukotine, koje dopiru do površine, mogu igrati ulogu kanala. Kada se kiseline uvedu u ove kanale, inkluzije postaju svjetlije. Ova metoda nije prikladna za sve kamenje, ali dijamanti s tamnim inkluzijama nalazi se blizu površine, sa malim pukotinama - idealan materijal za ovu metodu rafiniranja.

Suština ove metode laserske obrade leži u činjenici da su laseri u pulsirajućem modu fokusirani tačno na mjesto inkluzije. Kao rezultat procesa, oslobađa se značajna količina topline, što doprinosi širenju pukotina na površinu kamena. Dakle, nema potrebe za bušenjem kanala sa formiranjem lijevka na površini. Otapalo, koje lako prodire kroz nove pukotine do inkluzije, ili ga posvjetljuje ili rastvara. Ali ova metoda može dovode do stvaranja udubljenja i šupljina na površini kamena s tom razlikom što njihov oblik neće biti tako savršeno okrugao, a dimenzije će biti nešto manje.

Drugi laserska metoda obrade razvijen od strane izraelskih stručnjaka početkom 2000-ih. Zvali su ga KM (skraćeno od riječi "Kiduah Meuhad"), što na hebrejskom znači "specijalno bušenje". Metoda, koja je postala popularna u Antwerpenu, koristi se za posvjetljivanje tamnih inkluzija s mikropukotinama pomoću kiseline pod posebnim uvjetima. Laserski snop se usmjerava na defekt koji je najbliži površini, zbog čega se defekt širi na površinu.

Nakon izlaganja laseru, dijamant se spušta u koncentrovane kiseline i zagrijan na visoku temperaturu pod pritiskom. Zahvaljujući stvorenim uslovima, kiselina prodire prije uključivanja i rastvara je.

Dijamanti nakon KM tretmana mogu se prepoznati po prisutnosti plavkasto-smeđih nijansi u reflektiranom svjetlu na mjestima umjetno stvorene pukotine posebno kada se kotrlja kamen. Isto se ne može reći za dijamante, koji se obrađuju tradicionalnom tehnologijom laserskog bušenja uz stvaranje uočljivih rupa na površini. Štaviše, kod dijamanata obrađenih CM metodom ponekad se mogu uočiti blagi ostaci crnkaste supstance u obliku nepravilnih linija na površini naponskih pukotina koje su nastale tokom izlaganja laseru.

Industrijska prerada materijala je postao jedan od najčešće korištenih lasera. Prije pojave lasera, glavni izvori topline za tehnološku obradu bili su plinski plamenik, elektrolučno pražnjenje, plazma luk i elektronski snop. Pojavom lasera koji emituju veliku energiju, pokazalo se da je moguće stvoriti velike gustine svjetlosnog toka na tretiranoj površini. Uloga lasera kao izvora svjetlosti koji rade u kontinuiranom, impulsnom ili gigantskom impulsnom režimu je da površini obrađenog materijala daju gustinu snage dovoljnu za njegovo zagrijavanje, topljenje ili isparavanje, što je osnova laserske tehnologije.
Trenutno laser uspješno izvodi niz tehnoloških operacija, prvenstveno kao što su rezanje, zavarivanje, bušenje rupa, površinska termička obrada, pikiranje, markiranje, graviranje itd., au nekim slučajevima daje prednosti u odnosu na druge vrste obrade. Tako se bušenje rupa u materijalu može završiti brže, a šišanje različitih materijala je savršenije. Osim toga, s velikim uspjehom se izvode neke vrste operacija koje je ranije bilo nemoguće izvesti zbog otežane pristupačnosti. Na primjer, zavarivanje materijala i bušenje rupa može se izvesti kroz staklo u vakuumu ili atmosferi različitih plinova.
Riječ "laser" sastoji se od početnih slova u engleskoj frazi Light Amplification by Stimulated Emi ion of Radiation, što u prijevodu na ruski znači: pojačanje svjetlosti stimuliranom emisijom. Klasično, dogodilo se da se pri opisivanju laserskih tehnologija za obradu materijala glavna pažnja posvećuje samo samim laserima, njihovim principima rada i tehničkim parametrima. Međutim, da bi se implementirao bilo koji proces laserske dimenzionalne obrade materijala, pored lasera, koristi se sistem fokusiranja zraka, uređaj za kontrolu kretanja zraka duž površine obratka ili uređaj za pomeranje proizvoda u odnosu na snop, sistem za puhanje gasa, optičko vođenje i sisteme pozicioniranja, softver za kontrolu procesa lasersko rezanje, graviranje itd. U većini slučajeva, izbor parametara za uređaje i sisteme koji direktno opslužuju laser nije ništa manje važan od parametara samog lasera. Na primjer, za označavanje ležajeva promjera manjeg od 10 mm, ili za precizno točkasto lasersko zavarivanje, vrijeme utrošeno na pozicioniranje proizvoda i fokusiranje premašuje vrijeme graviranja ili zavarivanja za jedan ili dva reda veličine (vrijeme za nanošenje oznaka na ležaju je približno 0,5 s). Stoga, bez upotrebe sistema za automatsko pozicioniranje i fokusiranje, upotreba laserskih sistema u mnogim slučajevima postaje ekonomski neisplativa. Analogija laserskih sistema sa automobilima pokazuje da laser funkcioniše kao motor. Koliko god motor bio dobar, ali bez točkova i svega ostalog auto neće ići.
Još jedan važan faktor pri odabiru sistema laserske tehnologije je njihova lakoća održavanja. Kao što je praksa pokazala, operateri imaju niske kvalifikacije za servisiranje takve opreme. Jedan od razloga za to je što se laserski sistemi ugrađuju u većini slučajeva za zamjenu zastarjelih tehnoloških procesa (udarno i hemijsko obilježavanje proizvoda, mehaničko graviranje, ručno zavarivanje, ručno obilježavanje itd.). Rukovodioci preduzeća koja modernizuju svoju proizvodnju, po pravilu, iz etičkih razloga, zamenjujući staru opremu novom, napuštaju staro (bukvalno i figurativno) servisno osoblje. Stoga je za uvođenje laserskih tehnoloških sistema u proizvodnju u datim početnim uslovima njenog razvoja (u postsovjetskim republikama) potrebno obezbediti što veći stepen automatizacije i lakoće učenja. Ne treba odbaciti činjenicu da je plata nekvalifikovanog osoblja niža od plate obučenog specijaliste. Stoga je isplativije kupiti sofisticiranu opremu s mogućnošću lakog održavanja nego pozvati visokokvalifikovano osoblje.
Dakle, zadatak upotrebe laserskih tehnologija u modernoj proizvodnji treba uzeti u obzir ne samo sa stanovišta tehničkih parametara samog lasera, već i uzimajući u obzir karakteristike opreme i softvera koji omogućavaju korištenje specifičnih svojstava lasera. za rješavanje određenog tehnološkog problema.
Bilo koji laserski sistem dizajniran za dimenzionalnu obradu materijala,
karakteriziraju sljedeći parametri:
- brzina obrade (rezanje, graviranje, itd.);
- rezolucija;
— tačnost obrade;
- veličina radnog polja;
– asortiman materijala za obradu (crni metali, obojeni metali, drvo, plastika, itd.);
- raspon veličina i težina proizvoda namijenjenih preradi;
- konfiguraciju proizvoda (na primjer, graviranje na ravnim, cilindričnim, valovitim površinama);
- potrebno vrijeme za promjenu izvršenih zadataka (promjena uzorka graviranja, konfiguracije - linija sečenja, promjena materijala za obradu i sl.);
- vrijeme ugradnje i pozicioniranja proizvoda;
- parametri uslova okoline (temperaturni opseg, vlažnost, sadržaj prašine) u - - u kojima sistem može da radi;
— zahtjevi za kvalifikacijom uslužnog osoblja.
Na osnovu ovih parametara odabire se tip lasera, uređaj za čišćenje zraka, razvija se dizajn pričvršćivača proizvoda, nivo automatizacije sistema u cjelini, pitanje potrebe pisanja specijaliziranih programa za pripremu datoteka za crtanje. , linije rezanja itd. odlučuje se.
Glavne tehničke karakteristike koje određuju prirodu obrade su energetski parametri lasera - energija, snaga, gustina energije, trajanje impulsa, prostorna i vremenska struktura zračenja, prostorna distribucija gustine snage zračenja u fokusnoj tački, uslovi fokusiranja, fizički svojstva materijala (reflektivnost, termofizička svojstva, tačka topljenja, itd.). Razmotrimo glavne vrste lasera i karakteristike njihovog zračenja. Čvrste materije, tečnosti i gasovi se koriste kao aktivni mediji lasera. U laserima u čvrstom stanju, aktivni mediji su kristalni ili amorfne supstance sa primesama nekih elemenata. Poznat je veliki broj čvrste materije pogodan za upotrebu u laserima, međutim, samo nekoliko se široko koristi u praksi obrade materijala: Al2O3 sa primesom hrom-oksida (rubin); staklo, itrijum aluminijski granat Y3Al5O12 i kalcijum volframat CaWO4 aktiviran neodimijumom. Ovi aktivni mediji omogućavaju, u poređenju sa drugim materijalima, stvaranje lasera sa velikom izlaznom energijom i visokom efikasnošću. Po principu rada tečni laseri su bliski laserima u čvrstom stanju, u kojima aktivno okruženje koriste se tekući dielektrici s otopljenim nečistoćama.
Energija impulsa zračenja čvrstog i tečnog lasera (u slobodnom režimu rada) varira od desetinki džula do 103 J i više, au Q-switched modu do nekoliko desetina i stotina džula. Snaga zračenja impulsnih lasera, u zavisnosti od režima rada, može varirati od stotina kilovata (slobodna proizvodnja) do gigavata (prekidač Q). U burst modu rada (nasumično generiranje), razlika između srednje vrijednosti integrala po impulsnoj snazi ​​i snage pojedinačnog šiljka može doseći dva reda veličine. Ova razlika je nešto manja za impuls sa uređenom strukturom (regularni puls). Prosečna integrisana snaga se neznatno razlikuje od snage u bilo kom trenutku za kvazistacionarni impuls zračenja. Stoga je kvazistacionarni način generiranja od praktičnog interesa za procese zavarivanja i obrade materijala kao način koji se može koristiti za implementaciju "mekog" zagrijavanja. Korištenje ovog načina rada smanjuje uklanjanje materijala iz zone udara.
Granična vrijednost efikasnosti lasera se uglavnom određuje unutrašnjim gubicima u kristalu aktivnog medija i efikasnom upotrebom energije pumpe. Dakle, za rubin lasere, vrijednost stvarne efikasnosti ne prelazi 1%, a za lasere na staklu sa neodimijumom - 2%.
Druga sorta su gasni laseri, čiji je aktivni medij plin, mješavina nekoliko plinova ili mješavina plina sa metalnom parom. Gasni laseri takođe uključuju hemijske lasere., budući da se za njih koriste plinoviti aktivni mediji. U hemijskom laseru ekscitacija aktivnog medija se postiže brzim hemijskim reakcijama. Neutralni atomi, ioni i molekuli plina koriste se kao aktivne čestice u plinskim laserima. Laseri neutralnih atoma omogućavaju generiranje zračenja s talasnom dužinom pretežno u infracrvenom dijelu spektra, a nešto u crvenom dijelu vidljivog spektra.
Ionski gasni laseri proizvode uglavnom vidljivo i ultraljubičasto zračenje. Molekularni gasni laseri stvaraju zračenje talasne dužine od 10-100 mikrona (infracrveni i submilimetarski opseg). Snaga lasera s neutralnim atomom, na primjer, helijum-neonskih lasera u kontinuiranom načinu rada, ne prelazi 50 mW, ionski (argonski) laseri dostižu 500 W, a molekularni laseri su najmoćniji. Na primjer, laseri s ugljičnim dioksidom pružaju kontinuiranu izlaznu snagu od nekoliko desetina kilovata. efikasnost laseri na neutralne atome i jone praktično ne prelazi 0,1%, molekularni laseri imaju mnogo veću efikasnost, dostižući 20%.
Najperspektivniji za upotrebu u mnogim tehnološkim procesima su fiber laseri. Trenutno se na tržištu nalaze monomodni fiber laseri sa prosječnom izlaznom snagom do 2 kW, niskomodni fiber laseri do 10 kW, i multimodni sistemi sa izlaznom snagom do 50 kW. Najveći nivoi snage postignuti su u laserima sa vlaknima aktiviranim Yb, koji stvaraju zračenje na talasnoj dužini od 1,07 μm, koje se u metalima apsorbuje bolje od zračenja na talasnoj dužini od 10,6 μm. Osim toga, 10 puta kraća talasna dužina omogućava da se dobije manja divergencija zračenja, što znači da ga je bolje fokusirati. Ovo objašnjava činjenicu da čak i relativno male snage 100-watt single-mode laseri mogu rezati čelik debljine 1,5 mm pri brzinama do 4 m/min. Tehničke karakteristike fiber lasera omogućavaju implementaciju daljinskog načina zavarivanja, što uvelike pojednostavljuje integraciju laserske opreme u moderne robotske proizvodne linije, te dramatično povećava brzinu zavarivanja.
Ali nije stvar samo u snazi ​​i divergenciji zraka. Još jedan parametar koji oštro ističe fiber laseri, je visoka energetska efikasnost. Pumpanje aktiviranog vlakna se vrši laserskim diodama, efikasnost je koji prelazi 60%, zbog čega je puna (ili "izlaz") efikasnost. fiber lasera je 28-30% (mnogo puta veći od najboljih industrijskih CO2 lasera, kao i lasera u čvrstom stanju sa poluvodičkim i lampama). Zbog toga su njihovi operativni troškovi za potrošnju energije i hlađenje 5-8 puta manji nego za CO2 lasere, a oko 20-50 puta manji nego za solid-state lasere sa pumpom od lampe. Poslednja činjenica, kao i odsustvo podesivih čvorova kod fiber lasera, njihova implementacija u obliku integrisanih fiber uređaja, osiguravaju visoku pouzdanost sistema u cjelini. Strukturno i u smislu rada, fiber laseri su bliži čisto elektronskoj opremi nego industrijskim laserima drugih tipova. Ovome treba dodati da praktično ne zahtijevaju rutinsko održavanje.
Dobroj integraciji fiber lasera u modernu tehnološku opremu doprinosi i činjenica da se njihovo izlazno zračenje savršeno prenosi bez gubitka snage i prostornih karakteristika duž tankih kvarcnih vlakana zaštićenih od mehaničkih utjecaja fleksibilnim metalnim crijevima prečnika 8-15 mm. . Dužina takvih vlaknastih kablova doseže 200 m i može se produžiti ako je potrebno.
U nastavku su specijalizirani zadaci rješavani laserom tehnološkim sistemima. Naglasak je pomjeren na karakteristike lasera dizajniranih za rješavanje ovih problema.
Lasersko sečenje metala
Upotreba lasera za rezanje metala, kao i nemetala, posledica je sledećih prednosti u odnosu na tradicionalne metode: širok spektar rezanih materijala; mogućnost dobivanja tankih rezova zbog oštrog fokusiranja laserskog snopa; mala zona termičkog uticaja zračenja; minimalni mehanički utjecaj na materijal; mogućnost brzog uključivanja i isključivanja uređaja s velikom preciznošću; hemijska čistoća procesa rezanja; mogućnost automatizacije procesa i postizanje visokih performansi metode; mogućnost rezanja složenih profila u dvije ili čak tri dimenzije.
Lasersko rezanje, kao i druge vrste laserske obrade, zasniva se na termičkom efektu zračenja i odvija se s pokretnim izvorom topline koji se može kretati u dva međusobno okomita smjera pomoću posebnog optičkog sistema koji vam omogućava da formirate mrlju velike gustine i dovesti ga do tražene tačke obrađenog uzorka.
Rezanje relativno debelih limova vrši se po pravilu uz upuhivanje aktivnog gasa (kiseonika) u zonu rezanja. Suština ovog procesa, nazvanog gasno lasersko rezanje (GLR), je da se lasersko zračenje optičkim sistemom fokusira na površinu materijala koji se obrađuje, a kiseonik se dovodi koaksijalno sa snopom pomoću posebnog uređaja. U laserskom rezanju metala kisik obavlja sljedeće funkcije:
podržava sagorevanje metala;
uklanja produkte razaranja i čisti zonu rezanja ispuhujući plinovite produkte i frakciju kapi;
intenzivno hladi dijelove materijala koji se nalaze uz zonu rezanja.
Prisutnost mlaza kiseonika pri rezanju metala može značajno povećati dubinu, brzinu rezanja i dobiti visokokvalitetne ivice. Mali dio upadnog zračenja apsorbira površinski sloj metala i dovodi do njegovog zagrijavanja. Nastali film oksida povećava udio apsorbirane energije, a temperatura metala raste do tačke topljenja. Tečni metal i oksidi se izbacuju iz zone rezanja mlazom kiseonika, čime se olakšava oksidacija donjih slojeva. Ovo se nastavlja sve dok se metalni lim ne iseče do svoje pune dubine. Nizak unos energije i visoka koncentracija energije omogućavaju dobijanje paralelnih ivica sa malom širinom rezanja (0,1-0,5 mm) i malom zonom uticaja toplote.
Brzina rezanja debelih limova raste sa povećanjem snage lasera i zavisi od debljine lima i toplotne provodljivosti metala. Sa snagom lasera od oko 400-600 W moguće je rezati crne metale i titan brzinom od nekoliko metara u minuti, dok rezanje metala visoke toplinske provodljivosti (bakar, aluminij) predstavlja određenu poteškoću. U literaturi postoji dovoljna količina podataka o značajnom učinku energije kemijske reakcije na brzinu rezanja i čistoću ivica, međutim složenost procesa ne dopušta nikakve kvantitativne procjene, pogotovo što se sastav konačnog produkti oksidacije, udio kapljice metala izduvanog mlazom plina i latentna toplina faznih prijelaza (topljenje, isparavanje). Tabela 1 prikazuje prosječne brzine rezanja za različite metale.
Tabela 1.

Za plinsko lasersko rezanje u pravilu se koriste CO2 i poluprovodnički laseri velike snage. Savremeni CO2 laseri sa sporim protokom gasa duž cevi za gasno pražnjenje imaju relativno velike dužine, jer njihova specifična snaga ne prelazi 50–100 W/m. Rasprostranjeni CO2 laseri izrađuju se u obliku "presavijenog" dizajna od dvije, četiri ili šest cijevi ukupne dužine oko 3-6 m i efikasnosti. oko 10%. Relativno nedavno, CO2 laseri su razvijeni sa brzim poprečnim pumpanjem gasa koji cirkuliše u zatvorenom volumenu. Sa relativno malim dimenzijama, uspevaju da postignu nivoe snage od 6-10 kW u režimu kontinuirane proizvodnje.
Rezanje plinskim laserom se često uspoređuje sa rezanjem mikroplazmom, koje vam omogućava da sečete deblje limove metala i to većom brzinom. Međutim, treba napomenuti da GLR omogućava bolju lokalizaciju i veću gustoću dovedene energije, zbog čega se smanjuje zona utjecaja topline.
Zbog visokog viskoziteta, mehaničko rezanje titanijuma je otežano, dok plazma sečenje daje veliku zonu toplotnog uticaja i gasno zasićenje ivica. Upotreba GLR-a dovodi do smanjenja troškova obrade za 75%. Sa GLR važna tačka u određivanju brzine rezanja je pravilno odabrana brzina izlivanja gasnog mlaza iz mlaznice, koja je određena pritiskom gasa u rezaču.
Efikasnost procesa aluminijumskog zastakljivanja u velikoj meri zavisi od stanja površine. Rezanje limova sa glatkom sirovom površinom je mnogo teže, dok pjeskarenje površine omogućava zastakljivanje, ali kvalitet reza nije visok (radi se o redovnom nizu rupa). Oksidacija, pasivacija, eloksiranje i nitriranje površine glatkog lima nisu pružili dovoljne uslove za GLR. Postoje poteškoće prilikom rezanja i materijala kao što su bakar, mesing. Činjenica je da ovi metali imaju visoku refleksivnost laserskog zračenja, kako u hladnom tako iu zagrijanom stanju, i visoku toplinsku provodljivost. Oksidni filmovi koji se formiraju na njima su tanki i neefikasno apsorbiraju lasersko zračenje.
Lasersko bušenje rupa u metalima
Korištenje lasera kao alata za bušenje ima prednosti.
Nema mehaničkog kontakta između alata za bušenje i materijala, kao ni loma i habanja svrdla.
Povećana je preciznost postavljanja rupa, jer se optika koja se koristi za fokusiranje laserskog snopa koristi i za njegovo usmjeravanje na željenu tačku. Rupe se mogu orijentirati u bilo kojem smjeru.
Postiže se veći odnos dubine i prečnika bušenja nego što je to slučaj kod drugih metoda bušenja.
Prilikom bušenja, kao i prilikom rezanja, svojstva materijala koji se obrađuje značajno utječu na parametre lasera potrebne za izvođenje operacije. Bušenje se vrši pulsirajućim laserima koji rade kako u slobodnom režimu rada s trajanjem impulsa reda veličine 1 μs, tako i u Q-switched modu u trajanju od nekoliko desetina nanosekundi. U oba slučaja dolazi do termičkog djelovanja na materijal, njegovog topljenja i isparavanja. Rupa raste u dubinu uglavnom zbog isparavanja, a u prečniku zbog topljenja zidova i oticanja tečnosti pod stvorenim viškom parnog pritiska.
Tipično, duboke rupe željenog prečnika se dobijaju korišćenjem ponavljajućih laserskih impulsa niske energije. U tom slučaju se formiraju rupe sa manjim konusom i boljim kvalitetom od rupa dobijenih s većom energijom jednog impulsa. Izuzetak su materijali koji sadrže elemente koji mogu stvoriti visok tlak pare. Stoga je vrlo teško zavariti mesing laserskim impulsnim zračenjem zbog visokog sadržaja cinka, međutim, pri bušenju, mesing ima neke prednosti, jer atomi cinka značajno poboljšavaju mehanizam isparavanja.
Budući da višepulsni način rada omogućuje dobivanje rupa najboljeg kvaliteta željene geometrije i s malim odstupanjem od navedenih dimenzija, u praksi je ovaj način postao široko rasprostranjen kod bušenja rupa u tankim metalima i nemetalnim materijalima. Međutim, kada se buše rupe u debelim materijalima, poželjni su pojedinačni impulsi visoke energije. Dijafragmiranjem laserskog toka moguće je dobiti oblikovane rupe, ali se ova metoda češće koristi u obradi tankih filmova i nemetalnih materijala. Kada se lasersko bušenje izvodi u tankim limovima debljine manje od 0,5 mm, dolazi do određenog objedinjavanja procesa, koji se sastoji u činjenici da se u svim metalima mogu napraviti rupe promjera od 0,001 do 0,2 mm pri relativno malim snagama. .
Bušenje rupa u metalima može se koristiti u brojnim slučajevima. Dakle, uz pomoć impulsnih lasera može se izvršiti dinamičko balansiranje dijelova koji se rotiraju velikom brzinom. Neravnoteža se bira lokalnim topljenjem određene količine materijala. Laser se također može koristiti za postavljanje elektronskih komponenti, bilo lokalnim isparavanjem materijala ili općim zagrijavanjem. Velika gustina snage, mala veličina tačke i kratko trajanje impulsa čine laser idealnim alatom za ovu aplikaciju.
Laseri koji se koriste za bušenje rupa u metalu treba da obezbede gustinu snage fokusiranog snopa reda od 107 - 108 W/cm2. Bušenje rupa bušilicama za metal prečnika manjeg od 0,25 mm težak je praktičan zadatak, dok lasersko bušenje omogućava dobijanje rupa promjera srazmjernog valnoj dužini zračenja s dovoljno visokom preciznošću postavljanja. Stručnjaci kompanije "General Electric" (SAD) izračunali su da lasersko bušenje rupa u poređenju sa obradom elektronskim snopom ima visoku ekonomsku konkurentnost. Trenutno se poluprovodnički laseri uglavnom koriste za bušenje rupa. Oni pružaju brzinu ponavljanja impulsa do 1000 Hz i snagu u kontinuiranom režimu od 1 do 103 W, u impulsnom režimu do stotine kilovata, au Q-switched modu do nekoliko megavata. Neki rezultati obrade ovakvim laserima dati su u tabeli. 3.
Tabela 3

Metal	Debljina, mm	Prečnik rupe, mm		Trajanje bušenje	laserska energija, J
		unos	vikend
Nehrđajući čelik	0,65 0,9 1,78	0,25 0,5 0,3	0,15 0,25 0,22	10 impulsa 2,35 0,8	0,15 0,25 16,0
Nikl čelik	0,5	0,2	0,15	2,0	3,3
Tungsten	0,5 1,6	0,2 0,35	0,2 0,2	2,1 1,8	4,0 2,1
Magnezijum	1,6 0,5	0,4 0,25	0,3 0,2	2,0 2,0	3,3 3,3
molibden	0,5 0,8	0,25 0,2	0,25 0,2	2,35 2,25	5,9 4,9
Bakar	1,6	0,3	0,15	2,35	5,9
Tantal	1,6	0,3	0,1	2,42	8,0

Lasersko zavarivanje metala
Lasersko zavarivanje u svom razvoju imalo je dvije faze. U početku je razvijeno tačkasto zavarivanje. To se objašnjava prisustvom u to vrijeme snažnih impulsnih lasera u čvrstom stanju. Trenutno, uz prisustvo gasovitih CO2 i čvrstih Nd:YAG lasera velike snage koji daju neprekidno i impulsno kontinuirano zračenje, moguće je zavarivanje šavova sa dubinom prodiranja do nekoliko milimetara. Lasersko zavarivanje ima niz prednosti u odnosu na druge vrste zavarivanja. U prisustvu velike gustine svetlosnog toka i optičkog sistema, moguća je lokalna penetracija u datoj tački sa visokom preciznošću. Ova okolnost omogućava zavarivanje materijala na teško dostupnim mjestima, u vakuumskoj ili plinskoj komori sa prozorima koji su providni za lasersko zračenje. Zavarivanje, na primjer, mikroelektronskih elemenata u komori s atmosferom inertnog plina je od posebnog praktičnog interesa, jer u ovom slučaju nema reakcija oksidacije.
Zavarivanje dijelova odvija se pri mnogo nižim gustoćama snage od rezanja. To se objašnjava činjenicom da je prilikom zavarivanja potrebno samo zagrijavanje i topljenje materijala, odnosno potrebne su gustoće snage koje su još uvijek nedovoljne za intenzivno isparavanje (105–106 W/cm2), s trajanjem impulsa od oko 10– 3–10–4 s. Budući da je lasersko zračenje usmjereno na materijal koji se obrađuje površinski izvor topline, prijenos topline u dubinu zavarenih dijelova vrši se zbog toplinske provodljivosti, a zona prodiranja se vremenom mijenja uz pravilno odabran način zavarivanja. U slučaju nedovoljnih gustoća snage dolazi do neprodiranja u zavarenu zonu, a u prisustvu velikih gustoća snage uočava se isparavanje metala i stvaranje rupa.
Zavarivanje se može izvesti na mašini za gas-lasersko rezanje pri manjoj snazi ​​i uz upotrebu slabog udarca inertnog gasa u zonu zavarivanja. Sa snagom CO2 lasera od oko 200 W moguće je zavariti čelik debljine do 0,8 mm brzinom od 0,12 m/min; kvaliteta šava nije lošija nego kod obrade elektronskim snopom. Zavarivanje elektronskim snopom ima nešto veće brzine zavarivanja, ali se izvodi u vakuumskoj komori, što stvara velike neugodnosti i zahtijeva značajne ukupne vremenske troškove.
U tabeli. 4 prikazani su podaci o sučeonom zavarivanju CO2 laserom snage 250 W različitih materijala.
Tabela 4 5. Kod preklopnog, sučeonog i kutnog zavarivanja postignute su brzine bliske onima navedenim u tabeli, uz potpunu penetraciju zavarenog materijala u zoni udara grede.
Tabela 5. Laserski sistemi za zavarivanje su sposobni za zavarivanje različitih metala, proizvodeći minimalne termičke efekte zbog male veličine laserske tačke, kao i za zavarivanje tankih žica prečnika manjeg od 20 mikrona u obliku žice-žice ili žičane ploče. .
Rezanje nemetalnih materijala
Laserski zrak se s velikim uspjehom koristi u rezanju nemetalnih materijala kao što su plastika, fiberglas, kompozitni materijali od bora i ugljika, keramika, guma, drvo, azbest, tekstilni materijali, itd. Ovaj raspon materijala obično ima nižu toplinsku difuzivnost nego metali, pa je stoga specifična energija uložena za proces rezanja mnogo manja. Stoga, granična gustoća fluksa potrebna za početak rezanja nemetala slabo ovisi o debljini lima.
Za rezanje nemetalnih materijala, kao i metala, uglavnom se koriste YAG i CO2 laseri kontinuiranog zračenja. Da bi se povećala efikasnost rezanja, aktivni ili neutralni gas se upuhuje u zonu rezanja, koji izduvava isparene frakcije kapljica i hladi tretirano lokalno područje, omogućavajući rezanje materijala sa niskim ugljenisanjem i topljenjem.
U procesu glaziranja dielektrika odlučujuću ulogu u njihovom uništavanju igra izduvavanje iz zone rezanja fino dispergovanih i kapljičastih frakcija koje nastaju pod termičkim dejstvom laserskog zračenja. Izuzetak su materijali na bazi fenol-formaldehidnih smola: tekstolit, fiberglas, itd. Ovaj tip materijali se pod dejstvom laserskog zračenja pretvaraju u viskoznu sinterovanu masu, koju je teško ukloniti iz reza pomoću gasnog mlaza: potrebna je velika potrošnja energije za isparavanje proizvoda razaranja.
Rezanje plinskim laserom vam omogućava da dobijete čist rez dielektrika s dobrim kvalitetima oštrice. U ovom slučaju, na strani ulaza u gredu, rub ima najbolji kvalitet, a na izlaznoj strani se uočava malo topljenja. Rezanje debelog organskog materijala je drugačije zanimljiva karakteristika; širina reza na izlazu je mnogo manja nego što bi se očekivalo na osnovu geometrijske divergencije zraka formiranog od strane fokusirajuće optike.
U prisustvu dovoljne snage laserskog zračenja moguće je izvesti GLR proces stakla i kvarca. Istovremeno, kvalitet rezanja je visok, ali su ivice blago otopljene sa izlazne i ulazne strane grede.
Velike perspektive otvaraju se kada se koristi GLR za rezanje tekstila. Dostupni rezultati eksperimentalne studije rezanja kako pojedinačnih slojeva tako i višeslojnih podnih obloga pokazuju da u svakom konkretnom slučaju postoje načini rada lasera i brzina kretanja materijala koji se obrađuje, pri čemu se postiže visokokvalitetan rez bez spaljivanja.
U tabeli. Slika 6 prikazuje rezultate rezanja nekih dielektričnih materijala CO2 laserom.
Tabela 6 Bušenje nemetalnih materijala
Bušenje rupa jedno je od prvih područja laserske tehnologije. Prvo, spaljivanjem rupa u različitim materijalima, eksperimentatori su ih koristili za procjenu energije zračenja laserskih impulsa. Trenutno proces laserskog bušenja postaje samostalan pravac laserske tehnologije. Materijali koji se buše laserskim snopom uključuju nemetale kao što su dijamanti, rubin kamenje, ferit, keramika, itd., u kojima je bušenje rupa konvencionalnim metodama teško ili neučinkovito. Pomoću laserske zrake možete izbušiti rupe različitih promjera. Za ovu operaciju koriste se sljedeće dvije metode. U prvoj metodi, laserski snop se kreće duž date konture, a oblik rupe je određen putanjom njenog relativnog kretanja. Ovdje se odvija proces rezanja u kojem se izvor topline kreće određenom brzinom u datom smjeru: u ovom slučaju se u pravilu koriste kontinuirani talasni laseri, kao i impulsni laseri koji rade sa povećanom brzinom ponavljanja impulsa. .
U drugoj metodi, nazvanoj metodom projekcije, obrađena rupa ponavlja oblik laserskog snopa, kojem se pomoću optičkog sistema može dati bilo koji presek. Projekciona metoda bušenja rupa ima neke prednosti u odnosu na prvi. Dakle, ako se dijafragma (maska) postavi na putanju snopa, onda je na taj način moguće odsjeći njen periferni dio i dobiti relativno ujednačenu raspodjelu intenziteta po poprečnom presjeku snopa. Zbog toga je granica ozračene zone oštrija, konus rupe je smanjen, a kvalitet je poboljšan.
Postoji niz tehnika koje vam omogućavaju da dodatno odaberete dio rastaljenog materijala iz rupe koja se obrađuje. Jedan od njih je stvaranje viška tlaka komprimiranim zrakom ili drugim plinovima, koji se dovode u zonu bušenja pomoću mlaznice koaksijalne sa laserskim zračenjem. Ova metoda je korištena za bušenje rupa promjera 0,05-0,5 mm u keramičkim pločama debljine do 2,5 mm pomoću CO2 lasera koji radi u kontinuiranom režimu.
Bušenje rupa u tvrdoj keramici nije lak zadatak: konvencionalna metoda zahtijeva dijamantski alat, dok su druge postojeće metode teške zbog veličine rupe u promjeru jednake desetinkama milimetra. Ove poteškoće su posebno uočljive kada je debljina ploče koja se obrađuje veća od prečnika rupe. Odnos dubine rupe (debljine materijala) i njenog prečnika je mera kvaliteta dobijanja tankih rupa; ona je 2:1 kod konvencionalnog bušenja i oko 4:1 kod ultrazvučne metode koja se koristi kod bušenja keramike i drugih vatrostalnih materijala.
Metoda laserskog bušenja ove klase materijala omogućava postizanje najboljeg omjera uz vrlo visoku preciznost postavljanja rupa i relativno kraće vrijeme. Tako je za lasersko bušenje polikristalne aluminijske keramike visoke gustoće korišten rubin laser s impulsnom energijom od 1,4 J, fokusirana leća sa žarišnom duljinom od 25 mm na površini diska i koja daje gustoću snage od oko 4 -106 W/cm2. U prosjeku je bilo potrebno 40 impulsa sa stopom ponavljanja od 1 Hz za bušenje keramičkog diska debljine 3,2 mm. Trajanje laserskog impulsa bilo je 0,5 ms. Nastale rupe su imale konus promjera oko 0,5 mm na ulazu i 0,1 mm na izlazu. Može se vidjeti da je omjer dubine i prosječnog promjera rupe oko 11:1, što je mnogo veće od sličnog omjera za druge metode bušenja rupa. Za jednostavne materijale ovaj omjer za lasersko bušenje može biti 50:1.
Za uklanjanje produkata sagorevanja i tečne faze iz zone bušenja koristi se duvanje vazduhom ili drugim gasovima. Efikasnije duvanje proizvoda nastaje kombinacijom duvanja sa prednje strane i vakuuma sa zadnje strane uzorka. Slična shema korištena je za bušenje rupa u keramici debljine do 5 mm. Međutim, efektivno uklanjanje tekuće faze u ovom slučaju nastaje tek nakon formiranja prolazne rupe.
U tabeli. 7 prikazani su parametri rupa u nekim nemetalnim materijalima i načini njihove obrade.
Tabela 7

Materijal	Parametri rupe			Način obrade
	Prečnik, mm	Dubina, mm	Odnos dubine i prečnika	Energija, J	Trajanje pulsa x10-4, s	Gustina protoka, W/cm2	Broj impulsa po