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

Studenti, diplomanti, mladi znanstvenici koji koriste bazu znanja u svom studiju i radu bit će vam vrlo zahvalni.

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

Ministarstvo obrazovanja i znanosti Ruske Federacije. Savezna državna proračunska obrazovna ustanova visokog obrazovanja. Vladimirsko državno sveučilište nazvano po A.G. i N.G. Stoletovim.

Zavod za FPM.

Sažetak na temu

“Lasersko bušenje rupa”

Završeno:

Grupa studenata LT - 115

Gordeeva Ekaterina

Vladimir, 2016. (enciklopedijska natuknica).

Uvod

Laserska zraka kao bušilica

Lasersko bušenje rupa u metalu

Bušenje nemetalnih materijala

Lasersko bušenje rupa u tvrdim površinama

lasersko bušenje razlikovanje povećana lomljivost

Zaključak

Bibliografija

Uvod

Trenutno se laserom uspješno izvode brojne tehnološke operacije, prije svega kao što su rezanje, zavarivanje, bušenje rupa, površinska termička obrada, škrobarenje, označavanje, graviranje itd., au nekim slučajevima daje prednosti u odnosu na druge vrste obrade. rupa u materijalu može se dovršiti brže, a pisanje različitih materijala je savršenije. Osim toga, s velikim uspjehom izvode se neke vrste operacija koje je prije bilo nemoguće izvesti zbog teške pristupačnosti. Na primjer, zavarivanje materijala i bušenje rupa može se provoditi kroz staklo u vakuumu ili atmosferi raznih plinova.

Riječ "laser" sastoji se od početnih slova in engleski izraz Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, što prevedeno na ruski znači: pojačanje svjetlosti putem stimulirane emisije. Klasično se dogodilo da se pri opisu laserskih tehnologija obrade materijala glavna pažnja posvećuje samo samim laserima, njihovim principima rada i tehničkim parametrima. Međutim, za provedbu bilo kojeg postupka laserske dimenzionalne obrade materijala, osim lasera, potreban je sustav za fokusiranje zrake, uređaj za kontrolu kretanja zrake po površini izratka ili uređaj za pomicanje proizvoda u odnosu na snop, sustav za upuhivanje plina, sustavi za optičko navođenje i pozicioniranje, softver za kontrolu procesa, lasersko rezanje, graviranje itd. U većini slučajeva izbor parametara za uređaje i sustave koji izravno opslužuju laser nije ništa manje važan od parametara samog lasera. Na primjer, za označavanje ležajeva promjera manjeg od 10 mm ili 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 sustava za automatsko pozicioniranje i fokusiranje, uporaba laserskih sustava u mnogim slučajevima postaje ekonomski neisplativa. Analogija laserskih sustava s automobilima pokazuje da laser funkcionira kao motor. Koliko god motor bio dobar, ali bez kotača i svega ostalog auto neće ići.

Drugi važan čimbenik pri odabiru sustava laserske tehnologije je njihovo jednostavno održavanje. Kao što je praksa pokazala, operateri imaju niske kvalifikacije za servisiranje takve opreme. Jedan od razloga tome je što se laserski sustavi ugrađuju u većini slučajeva radi zamjene zastarjelih tehnoloških procesa (udarno i kemijsko označavanje proizvoda, mehaničko graviranje, ručno zavarivanje, ručno označavanje itd.). Šefovi poduzeća koja moderniziraju svoju proizvodnju, u pravilu, iz etičkih razloga, zamjenjujući staru opremu novom, napuštaju staro (doslovno i figurativno) servisno osoblje. Stoga je za uvođenje laserskih tehnoloških sustava u proizvodnju s danim početni uvjeti za njegov razvoj (u postsovjetskim republikama) potrebno je osigurati najvišu moguću razinu automatizacije i jednostavnosti učenja. Ne treba zanemariti činjenicu da je plaća nekvalificiranog osoblja niža od plaće školovanog stručnjaka. Stoga je isplativije kupiti sofisticiranu opremu s mogućnošću jednostavnog održavanja nego pozvati visokokvalificirano osoblje.

Stoga zadatak korištenja laserskih tehnologija u suvremenoj proizvodnji treba promatrati ne samo sa stajališta tehničkih parametara samog lasera, već i uzimajući u obzir karakteristike opreme i softvera koji omogućuju korištenje specifičnih svojstava lasera. za rješavanje određenog tehnološkog problema.

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

Brzina obrade (rezanje, graviranje itd.);

rezolucija;

točnost obrade;

Veličina radnog polja;

Raspon materijala za obradu (željezni 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 obavljenih zadataka (promjena uzorka graviranja, konfiguracije - linije rezanja, promjena obradnog materijala itd.);

Vrijeme ugradnje i pozicioniranja proizvoda;

Parametri uvjeta okoline (raspon temperature, vlažnost, sadržaj prašine) u ---- u kojima sustav može raditi;

Zahtjevi za osposobljenost servisnog osoblja.

Na temelju ovih parametara odabire se vrsta lasera, uređaj za brisanje snopa, razvija se dizajn pričvršćivača za proizvod, razina automatizacije sustava u cjelini, pitanje potrebe pisanja specijalizirani programi za pripremu datoteka za crtanje, linija za rezanje itd.

Glavne tehničke karakteristike koje određuju prirodu obrade su energetski parametri lasera - energija, snaga, gustoća energije, trajanje impulsa, prostorna i vremenska struktura zračenja, prostorna raspodjela gustoće snage zračenja u žarišnoj točki, uvjeti fokusiranja, uvjeti fokusiranja, zračenje, zračenje, zračenje, zračenje, zračenje. fizička svojstva materijal.

Laserska zraka kao bušilica

Bušenje rupa u kamenu za satove - to je bio početak rada lasera. Govorimo o rubinima, koji se koriste u satovima kao klizni ležajevi. 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 se operacija nakita izvodila uobičajenom mehaničkom metodom pomoću svrdla izrađenih od tanke piano žice promjera 40-50 mikrona. Takva bušilica napravila je do 30 tisuća okretaja u minuti i istovremeno izvršila oko stotinu povratnih pokreta. Za bušenje jednog kamena bilo je potrebno i do 10-15 minuta.

Počevši od 1964. godine, neučinkovito mehaničko bušenje kamena za satove posvuda se počelo zamjenjivati ​​laserskim bušenjem. Naravno, izraz "lasersko bušenje" ne treba shvatiti doslovno; Laserska zraka ne buši rupu, već je buši, uzrokujući intenzivno isparavanje materijala. Danas je lasersko bušenje kamena za satove uobičajena pojava. U tu svrhu koriste se posebno laseri od neodimijskog stakla. Rupa u kamenu (s debljinom obratka od 0,5-1 mm) se probija nizom od nekoliko laserskih impulsa s energijom od 0,5-1 J. Produktivnost laserskog stroja u automatskom načinu rada je kamen u sekundi. To je tisuću puta veće od produktivnosti mehaničkog bušenja!

Ubrzo nakon rođenja, laser je dobio sljedeći zadatak, s kojim se jednako uspješno nosio - bušenje (probijanje) rupa u dijamantnim matricama. Možda ne znaju svi da se za dobivanje vrlo tanke žice od bakra, bronce, volframa koristi tehnologija izvlačenja metala kroz rupu odgovarajućeg promjera. Takve rupe se buše u materijalima s posebno velikom tvrdoćom, jer u procesu izvlačenja žice promjer rupe mora ostati nepromijenjen. Poznato je da je dijamant najtvrđi. Stoga je najbolje provući tanku žicu kroz rupu u dijamantu – kroz takozvane dijamantne matrice. Samo uz pomoć dijamantnih matrica moguće je dobiti ultratanku žicu promjera samo 10 mikrona. Ali kako izbušiti tanku rupu u supertvrdom materijalu poput dijamanta? Vrlo je teško to izvesti mehanički - potrebno je i do deset sati da se mehanički izbuši jedna rupa u dijamantnoj matrici.

Ovako izgleda rupa u dijamantnoj matrici u presjeku. Laserski impulsi probijaju grubi kanal u dijamantnom uzorku. Zatim, ultrazvučnom obradom kanala, brušenjem i poliranjem, daju mu potreban profil. Žica dobivena provlačenjem kroz matricu ima promjer d

Ove uredne rupe, promjera 0,3 mm, izbušene su u keramičkoj ploči debljine 0,7 mm pomoću CO2 lasera.

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

Nitko nije sumnjao u činjenicu da je bušenje zvanje lasera. Ovdje laser zapravo nije imao dostojnih konkurenata, pogotovo kada se radilo o bušenju vrlo tankih i vrlo dubokih rupa, kada su rupe morale biti bušene u vrlo krhke ili vrlo tvrde materijale. Prošlo je relativno kratko vrijeme i postalo je jasno da se laserska zraka 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 metalu

Postoje prednosti korištenja lasera kao alata za bušenje.

Ne dolazi do mehaničkog kontakta alata za bušenje i materijala, kao ni do loma i trošenja svrdla.

Povećana je točnost postavljanja rupa, budući da se optika koja se koristi za fokusiranje laserske zrake također koristi za usmjeravanje na željenu točku. Rupe mogu biti usmjerene u bilo kojem smjeru.

Ostvareno veći stav dubine prema promjeru bušenja nego što je to slučaj kod drugih metoda bušenja.

Kod bušenja, kao i kod rezanja, svojstva materijala koji se obrađuje značajno utječu na laserske parametre potrebne za izvođenje operacije. Bušenje se provodi pomoću pulsirajućih lasera koji rade u slobodnom načinu rada s trajanjem impulsa reda veličine 1 μs iu Q-sklopkom s trajanjem od nekoliko desetaka nanosekundi. U oba slučaja dolazi do toplinskog učinka na materijal, njegovog taljenja i isparavanja. Rupa raste u dubinu uglavnom zbog isparavanja, a u promjer zbog taljenja stijenki i istjecanja tekućine pod stvorenim viškom tlaka pare.

Tipično, duboke rupe željenog promjera dobivaju se korištenjem ponavljajućih laserskih impulsa niske energije. U tom slučaju nastaju rupe s manjim konusom i bolje kvalitete od rupa dobivenih s većom energijom jednog impulsa. Iznimka su materijali koji sadrže elemente koji mogu stvoriti visoki tlak pare. Dakle, vrlo je teško zavariti mesing laserom pulsno zračenje zbog visokog sadržaja cinka, međutim, kod bušenja mjed ima neke prednosti, jer atomi cinka uvelike poboljšavaju mehanizam isparavanja.

Budući da višepulsni način rada omogućuje dobivanje rupa najbolje kvalitete željene geometrije i s malim odstupanjem od navedenih dimenzija, u praksi je ovaj način rada postao široko rasprostranjen pri bušenju rupa u tankim metalima i nemetalnim materijalima. Međutim, kada se buše rupe u debelim materijalima, preferiraju se pojedinačni impulsi visoke energije. Dijafragmiranje laserskog protoka omogućuje dobivanje oblikovanih rupa, 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, postoji određena unifikacija procesa, koja se sastoji u činjenici da se rupe promjera od 0,001 do 0,2 mm mogu napraviti u svim metalima s relativno niskim snagama .

Bušenje rupa u metalu može se koristiti u brojnim slučajevima. Dakle, uz pomoć pulsirajućih lasera može se izvesti dinamičko balansiranje dijelova koji rotiraju velikom brzinom. Neravnoteža se odabire lokalnim taljenjem određenog volumena materijala. Laser se također može koristiti za postavljanje elektroničkih komponenti, bilo lokalnim isparavanjem materijala ili općim zagrijavanjem. Velika gustoća snage, mala veličina točke i kratko trajanje impulsa čine laser idealnim alatom za ovu primjenu.

Laseri koji se koriste za bušenje rupa u metalu trebali bi osigurati gustoću snage fokusiranog snopa reda veličine 107 - 108 W/cm2. Bušenje rupa s metalnim svrdlima promjera manjeg od 0,25 mm težak je praktični zadatak, dok lasersko bušenje omogućuje dobivanje rupa promjera promjera valnoj duljini zračenja s dovoljno visokom točnošću postavljanja. Stručnjaci tvrtke "General Electric" (SAD) izračunali su da lasersko bušenje rupa u usporedbi s obradom elektronskim snopom ima visoku ekonomsku konkurentnost. Trenutno se za bušenje rupa uglavnom koriste poluprovodnički laseri. Omogućuju brzinu ponavljanja impulsa do 1000 Hz i snagu u kontinuiranom načinu rada od 1 do 103 W, u pulsnom načinu rada do stotina kilovata, au Q-sklopkom do nekoliko megavata. Neki rezultati obrade takvim laserima dati su u tablici.

	Debljina, mm	Promjer rupe, mm	Trajanje bušenje	laserska energija,
		ulazni	vikend
Ne hrđajući Čelik				10 impulsa
Čelik od nikla
Volfram
Molibden

Bušenje nemetalnih materijala

Bušenje rupa jedno je od prvih područja laserske tehnologije. Prvo, spaljivanjem rupa u raznim materijalima, eksperimentatori su ih koristili za procjenu energije zračenja laserskih impulsa. Trenutačno proces laserskog bušenja postaje neovisni smjer laserske tehnologije. Materijali koji se buše laserskom zrakom uključuju nemetale kao što su dijamanti, rubin, ferit, keramika itd., u kojima je bušenje rupa konvencionalnim metodama teško ili neučinkovito. Pomoću laserske zrake možete bušiti rupe različitih promjera. Za ovu operaciju koriste se sljedeće dvije metode. U prvoj metodi, laserska zraka se kreće duž zadane konture, a oblik rupe određen je putanjom relativnog kretanja. Ovdje se odvija proces rezanja u kojem se izvor topline kreće određenom brzinom zadani smjer: u ovom se slučaju u pravilu koriste laseri s kontinuiranim valom, kao i pulsni laseri koji rade s povećanom brzinom ponavljanja impulsa.

U drugoj metodi, koja se naziva metoda projekcije, obrađena rupa ponavlja oblik laserske zrake, kojoj se pomoću optičkog sustava može dati bilo koji presjek. Metoda projekcije bušenja rupa ima neke prednosti u odnosu na prvu. Dakle, ako se na putanju snopa postavi dijafragma (maska), tada se na taj način može odrezati njen periferni dio i dobiti relativno jednolika raspodjela intenziteta po presjeku snopa. Zbog toga je granica ozračene zone oštrija, konusnost otvora je smanjena, a kvaliteta je poboljšana.

Postoji niz tehnika koje vam omogućuju dodatno odabiranje dijela rastaljenog materijala iz rupe koja se obrađuje. Jedan od njih je stvaranje nadpritisak komprimirani zrak ili drugi plinovi koji se uvode u zonu bušenja pomoću mlaznice koaksialne s laserskim zračenjem. Ovom metodom izbušene su rupe promjera 0,05-0,5 mm u keramičkim pločama debljine do 2,5 mm pomoću CO2 lasera koji radi u kontinuiranom načinu rada.

Bušenje rupa u tvrdoj keramici nije lak zadatak: konvencionalna metoda zahtijeva dijamantni alat, dok su druge postojeće metode otežane zbog veličine rupe u promjeru jednake desetinkama milimetra. Ove poteškoće su posebno uočljive kada je debljina ploče koja se obrađuje veća od promjera rupe. Omjer dubine rupe (debljine materijala) i njenog promjera mjerilo je kvalitete dobivanja tankih rupa; to 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 omogućuje dobivanje najbolji stav s vrlo visokom preciznošću postavljanja rupa i relativno kraćim vremenom. Tako je za lasersko bušenje polikristalne aluminijeve keramike visoke gustoće korišten rubinski laser s pulsnom energijom od 1,4 J, fokusiranom lećom sa žarišnom duljinom od 25 mm na površini diska i koja osigurava gustoću snage od oko 4 -106 W/cm2. U prosjeku je bilo potrebno 40 impulsa s brzinom ponavljanja od 1 Hz za bušenje kroz keramički disk debljine 3,2 mm. Trajanje laserskog impulsa bilo je 0,5 ms. Rezultirajuće rupe imale su konus promjera od 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 puno više od sličnog omjera za druge metode bušenja rupa. Za jednostavne materijale ovaj omjer za lasersko bušenje može biti 50:1.

Za uklanjanje produkata izgaranja i tekuće faze iz zone bušenja koristi se propuhivanje zrakom ili drugim plinovima. Učinkovitije puhanje proizvoda nastaje kombinacijom puhanja s prednje strane i vakuuma sa stražnje strane uzorka. Slična shema korištena je za bušenje rupa u keramici debljine do 5 mm. Međutim, učinkovito uklanjanje tekuće faze u ovom slučaju događa se tek nakon formiranja prolazne rupe.

U tablici. Slika 7 prikazuje parametre rupa u nekim nemetalnim materijalima i načine njihove obrade.

Materijal	Parametri rupa	Način obrade
	Promjer, mm	Dubina, mm	Omjer dubine i promjera	energija, J	Trajanje pulsa	Gustoća toka, W/cm2	Broj impulsa po rupi
Keramika

Lasersko bušenje rupa u tvrdim površinama

Lasersko bušenje rupa karakterizira takvo fizički procesi poput zagrijavanja, isparavanja i taljenja materijala. Pretpostavlja se da se rupa povećava u dubinu kao rezultat isparavanja, au promjeru - kao rezultat taljenja stijenki i istiskivanja tekućine prekomjernim tlakom pare.

Za dobivanje preciznih rupa s tolerancijom od oko 2 µm koriste se laseri s vrlo kratkim impulsima u rasponu od ns i ps. Omogućujući vam kontrolu promjera rupe na određenoj razini, tj. ne dovodeći do zagrijavanja i taljenja stijenki odgovornih za rast promjera otvora, već do isparavanja materijala iz čvrste faze. Također, upotrebom lasera s ns i ps rasponima impulsa može se značajno smanjiti prisutnost skrutnute tekuće faze na bočnim površinama otvora.

NA ovaj trenutak Postoji nekoliko metoda za implementaciju laserskog bušenja rupa: bušenje s jednim impulsom koristi jedan impuls uslijed kojeg se buši rupa. Prednosti ove metode su brzina. Nedostaci visoka energija pulsa, mala debljina i kanonski oblik rupe smanjenjem prijenosa 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 dobivanje rupa malog promjera. Nedostatak ove metode je duži proces bušenja.

Bušenje rupa događa se pod djelovanjem nekoliko laserskih impulsa. Najprije laserski čekić izbuši početnu rupu. Zatim povećava početnu rupu pomičući se nekoliko puta duž rastuće kružne putanje na obratku. Većina rastaljenog materijala se istiskuje iz rupe prema dolje. Zavojno bušenje, za razliku od jezgrenog bušenja, ne uključuje izradu početne rupe. Laser se već od prvih impulsa kreće kružnom putanjom kroz materijal. S takvim pokretom veliki broj izlazi materijal. Krećući se poput spiralnih stepenica, laser produbljuje rupu. Nakon što je laser prošao kroz materijal, može se napraviti još nekoliko krugova. Osmišljeni su za proširenje donje strane rupe i zaglađivanje rubova. Spiralno bušenje proizvodi vrlo velike i duboke rupe Visoka kvaliteta. Prednosti: dobivanje velikih i dubokih rupa visoke kvalitete.

Prednosti laserskog bušenja: mogućnost dobivanja malih rupa (manjih od 100 mikrona), potreba za bušenjem rupa pod kutom, bušenje rupa u vrlo tvrdim materijalima, mogućnost dobivanja rupa koje nisu okrugle, visoka produktivnost procesa, nizak toplinski učinak na materijal (zagrijavanje se smanjuje sa smanjenjem trajanja impulsa materijala), beskontaktna metoda koja omogućuje bušenje lomljivih materijala (dijamant, porculan, ferit, safirno staklo, 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 pokuse je korišten infracrveni pulsirajući Nd:YAG laser valne duljine 1064 nm. S maksimalnom snagom lasera od 110 W, brzinom ponavljanja impulsa od 10 kHz i trajanjem impulsa od 84 ns, rupe u ovom radu dobivene su udarnim bušenjem. Tijekom laserskog bušenja snaga laserskog zračenja varirala je od 3,7 W do 61,4 W, promjer laserske točke na površini uzorka varirao je od 2 mm do 4 mm.

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

Na kvalitetu laserskog bušenja površine značajno utječu sljedeći parametri: prosječna snaga laserskog zračenja, promjer laserske mrlje na površini uzorka, fizikalna svojstva materijala (koeficijent apsorpcije laserskog zračenja površinom, temperatura taljenja) valna duljina laserskog zračenja, trajanje impulsa i način laserskog bušenja (jednostruki puls, udarno bušenje i dr.).

Tablica 1 prikazuje načine laserskog bušenja na različitim tvrdim površinama.

Načini laserskog bušenja rupa na različitim površinama

Lasersko bušenje karakterizirano povećanom krhkošću

lasersko bušenje naširoko se koriste za dobivanje rupa ne samo u tvrdim i supertvrdim materijalima, već iu materijalima karakteriziranim povećanom krtošću.

Za lasersko bušenje rupa trenutno koriste instalaciju Kvant-11, stvorenu na temelju pulsirajućeg YAG-Nd lasera. Lasersko zavarivanje također se temelji na djelovanju fokusiranog pulsirajućeg laserskog zračenja. Štoviše, koriste se i šavno i točkasto zavarivanje.

Glavni procesi u laser bušenje nemetalnih materijala, kao i tijekom rezanja, su zagrijavanje, taljenje i isparavanje iz zone laserskog zračenja. Da bi se osigurali ovi procesi, potrebna je gustoća snage od 106 - 107 W/cm2, koju stvara optički sustav u žarištu. U tom slučaju, rupa raste u dubinu zbog isparavanja materijala; također dolazi do taljenja stijenki i izbacivanja tekuće frakcije stvorene prekomjernim tlakom pare Trenutna industrija trenutno široko koristi lasersko bušenje rupa u dijamantima, što omogućuje visoku preciznost i kontrolu nad nastajanjem rupa u procesu bušenja.

Bušenje rupa metalnim svrdlima promjera manjeg od 0,25 mm težak je praktični zadatak, dok lasersko bušenje omogućuje dobivanje rupa s promjerom koji odgovara valnoj duljini zračenja, s dovoljno visokom točnošću postavljanja.

Iz pokusa je poznato da su tehnička svojstva i značajke preciznog laserskog rezanja tankih metalnih ploča uglavnom određena istim uvjetima i čimbenicima kao i tehnička svojstva procesa. višepulsno lasersko bušenje . Prosječna širina proreza u tankim metalnim pločama je obično 30 - 50 mikrona duž cijele duljine uzorka, njihovi zidovi su gotovo paralelni, površina ne sadrži velike nedostatke i strane inkluzije. Jedna od značajki rezanja pulsnim zračenjem je mogućnost takozvanog efekta kanaliziranja. Ovaj učinak se izražava u uvlačenju kvalitativne (difrakcijske) zrake u kanal formiran prethodnim impulsima putem rerefleksije od njegove stijenke. Formiranje novog kanala počinje nakon pomicanja cijele difrakcijske zrake izvan obrisa prethodne. Ovaj proces određuje graničnu hrapavost rezne stijenke i može stabilizirati točnost rezanja kompenzirajući nestabilnost usmjerenog uzorka tijekom višeprolazne obrade. U tom slučaju hrapavost rezanih rubova obično nije prelazila 4–5 μm, što se može smatrati sasvim zadovoljavajućim.

Laseri također izvode operaciju kao što je gruba obrada istrošenih kalupa na sljedeći veći promjer prema standardu. Ako je tijekom mehaničkog bušenja ova operacija trajala oko 20 sati, onda s lasersko bušenje zahtijeva samo nekoliko desetaka 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 udio u domaćoj i stranoj industriji. Materijali koji se buše laserskom zrakom uključuju nemetale kao što su dijamanti, rubin, ferit, keramika itd., u kojima je bušenje rupa konvencionalnim metodama teško ili neučinkovito.

Međutim, kada se buše rupe u debelim materijalima, preferiraju se pojedinačni impulsi visoke energije. Dijafragmiranje laserskog protoka omogućuje dobivanje oblikovanih rupa, ali se ova metoda češće koristi u obradi tankih filmova i nemetalnih materijala. U tom slučaju, do kada l lasersko bušenje se proizvodi u tankim listovima debljine manje od 0,5 mm, postoji određena unifikacija procesa, koja se sastoji u činjenici da se rupe promjera od 0,001 do 0,2 mm mogu napraviti u svim metalima pri relativno malim snagama. Kod velikih debljina, prema sl. 83, pojavljuje se nelinearnost zbog efekta zaslona.

Još ranije je primijećeno da uporaba fleksibilnih PCB-a povećava njihovu pouzdanost, smanjuje vrijeme montaže uređaja za stotine sati i daje dobitak u volumenu i masi za faktor 2-4 u usporedbi s uporabom krutih PCB-a u MEA. Sada već postojeća kočnica u razvoju fleksibilnog softvera, odnosno poznati konzervativizam dizajnera koji su navikli raditi s konvencionalnim softverom, može se smatrati prijeđenom fazom. U ovom slučaju olakšava se zadatak smanjenja mehaničkih naprezanja između PCB-a i LSI-ja koji je na njemu instaliran u držaču kristala, a također postaje moguće dobiti lasersko bušenje subminijaturnih rupa promjera 125 mikrona (umjesto 800 mikrona u konvencionalnim tiskanim pločama) za međuslojno prebacivanje kontinuiranim punjenjem bakrom. Konačno, fleksibilni poliimidni PCB je proziran, što omogućuje vizualni pregled svih lemljenih spojeva u svakom sloju pod pažljivo odabranim uvjetima osvjetljenja.

Zaključak

Zaključno, želio bih istaknuti neke opća pitanja implementacija laserskih tehnologija u suvremenu proizvodnju.

Prva faza u izradi laserske tehnološke instalacije je izrada tehničkog zadatka. U mnogim slučajevima kupci pokušavaju igrati na sigurno i u njega stavljaju karakteristike koje daleko premašuju stvarne potrebe proizvodnje. Kao rezultat toga, trošak opreme povećava se za 30-50%. Paradoksalno, razlog tome je u pravilu relativno visoka cijena laserskih sustava. Mnogi poslovni lideri razmišljaju ovako:

“... ako kupim novu skupu opremu, onda bi po karakteristikama trebala premašiti standarde koji su trenutno potrebni, “možda”, jednog dana će mi dobro doći ...”. Kao rezultat toga, potencijalne mogućnosti opreme nikada nisu iskorištene, a njezino vrijeme povrata se povećava.

Primjer takvog pristupa je prijelaz s mehaničkog označavanja dijelova na lasersko označavanje. Glavni kriteriji označavanja su kontrast natpisa i otpornost na habanje. Kontrast je određen omjerom širine i dubine linije graviranja. Minimalna širina linije za mehaničko graviranje je približno 0,3 mm. Da bi se dobio kontrastni natpis, njegova dubina bi trebala biti oko 0,5 mm. Stoga se u mnogim slučajevima pri izradi projektnog zadatka za lasersku instalaciju ti parametri uzimaju u obzir. Ali širina linije tijekom 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 označavanja može optimizirati u odnosu na cijenu sustava. Time se smanjuje cijena laserske instalacije, a time i vrijeme povrata.

Uvođenje laserskih tehnologija u mnogim slučajevima omogućuje rješavanje "starih" problema temeljno novim metodama. Klasičan primjer toga je nanošenje zaštitnih natpisa, žigova itd. o proizvodima za zaštitu od krivotvorenja. Mogućnosti laserske tehnologije omogućuju prepoznavanje sigurnosnog natpisa po jednom retku u natpisu. Mogućnost korištenja kriptografskih metoda omogućuje implementaciju "dinamičke" zaštite od krivotvorenja, tj. prilikom spremanja općeg crteža nakon određenog vremena mijenjaju se neki elementi koji su prepoznatljivi samo stručnjacima ili posebnoj opremi. Nedostižna za metode mehaničkog krivotvorenja je mogućnost stvaranja male izbočine (3-10 mikrona) od metalnih emisija na rubovima linije za graviranje laserom. Složena uporaba takvih tehnika smanjuje vjerojatnost krivotvorenja i čini ga ekonomski neisplativim.

Implementacija laserskih tehnologija u ovoj fazi tehnološki razvoj (prijelaz iz "divljeg" kapitalizma u normalnu proizvodnju) samo je jedna od opcija za početak formiranja onoga što se naziva visokotehnološkom proizvodnjom. Ona mala poduzeća koja koriste nekoliko ovakvih laserskih sustava potvrdila su zakon dijalektike prijelaza kvantitete u kvalitetu. Nova oprema zahtijeva potpuno nove metode njenog održavanja, u pravilu, uključujući povećanu pažnju osoblja i održavanje "čistoće" u prostoriji u kojoj se nalazi. Oni. dolazi do prijelaza u kvalitetu nova razina kultura proizvodnje. Istodobno se broj zaposlenika obično smanjuje, a menadžeri poduzeća počinju rješavati pitanja organizacije rada ne „radnog tima“, već optimizacije rada poduzeća u kojem su zaposlenici samo sastavni dio tehnološkog postupak. Bez obzira na to hoće li se ova proizvodnja nastaviti koristiti laserska tehnologija ili ne, stečeno iskustvo i kultura koja je formirana neće nigdje nestati. To je ono što vanjski promatrači obično nazivaju tehnološkom ili znanstveno-tehnološkom revolucijom, iako se zapravo radi o normalnom evolucijskom procesu. Povijest razvoja mnogih velikih tehnoloških tvrtki pokazuje da su u nekom trenutku na početne faze razvoja, svi su imali sličnu fazu tranzicije. Može se dogoditi da smo trenutno na stupnju tehnološkog razvoja gdje će relativno mala ulaganja u nove tehnologije sada dovesti do velikih povrata u budućnosti. U sinergetici, znanosti o samoorganizirajućim sustavima, takva situacija podliježe zakonu “leptira” (R. Bradbury “I gromovi gromovi ...”), koji opisuje proces kada male promjene u prošlosti ili sadašnjosti dovode do globalne implikacije u budućnosti.

Popis korištene literature

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

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

3. Krylov K.I., Prokopenko V.T., Mitrofanov A.S. Primjena lasera u strojarstvu i izradi instrumenata. - L., Strojarstvo. Lenjingrad. odjel, 1978., 336 str.

Domaćin na Allbest.ru

...

Slični dokumenti

Razvoj stroja za bušenje rupa u hrbatu knjižnog bloka tiskovina. Analiza postojeće opreme za bušenje rupa, njeni nedostaci. Razvoj tehnološka shema dizajn alatnog stroja i bušaće glave.

diplomski rad, dodan 29.07.2010


Faze razvoja alata za bušenje rupa u dijelovima: postavljanje obratka u vodoravnoj ravnini na površini, odabir opreme za tehnološki proces, proračun uvjeta rezanja, grešaka u proizvodnji i točnosti učvršćenja.

seminarski rad, dodan 16.11.2010


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

diplomski rad, dodan 30.09.2011


Povijest strojeva za rezanje metala. Svrha bušenja su operacije dobivanja rupa u različitim materijalima tijekom njihove obrade, čija je svrha izrada rupa za narezivanje navoja, razvrtanje, razvrtanje. Glavne vrste istezanja.

prezentacija, dodano 05.10.2016


Glavne poteškoće obrade rupa. Mogućnosti postavljanja za operacije dubokog bušenja. Funkcije tekućine za podmazivanje, metode njezine opskrbe. Vrste dubokog bušenja. Zadovoljavajuće formiranje strugotine i njeno uklanjanje iz rupe.

priručnik za obuku, dodan 12/08/2013


Opis tehnoloških operacija - bušenje i razvrtanje za dobivanje rupa u detalju "provodna ploča". Izbor alatnog stroja za njegovu obradu. Načelo njegovog rada i proračun za točnost. Određivanje uvjeta rezanja i sile stezanja.

seminarski rad, dodan 17.01.2013


Formiranje rupa u čvrstom metalu bušenjem, točnost njihove obrade, set alata; razred hrapavosti površine. Načini bušenja, upuštanja, razvrtanja. Izrada sheme stezanja dijela; proračun greške baziranja i sile stezanja.

laboratorijski rad, dodan 29.10.2014


Bušenje, razvrtanje, upuštanje i razvrtanje rupa u velikim i teškim dijelovima. Vrste materijala preporučenih za glodalice, njihove karakteristike. Proračun načina rezanja za izradu uzdužnog tokarenja čelične osovine.

kontrolni rad, dodano 21.11.2010


laserska tehnologija. Princip rada lasera. Osnovna svojstva laserske zrake. Monokromatičnost laserskog zračenja. Njegova moć. Divovski zamah. Primjena laserske zrake u industriji i tehnici, medicini. Holografija.

sažetak, dodan 23.11.2003


Bušenje je proces pravljenja rupa u čvrstom materijalu pomoću alata koji se zove svrdlo. Određivanje glavnih čimbenika koji utječu na točnost tehnološkog procesa, postojeća kretanja: rotacijska i translacijska usmjerena.

Laserske tehnologije sposobne su igrati sve važniju ulogu u industrijskoj obradi materijala. Uspješno izvode rezanje, zavarivanje, bušenje, toplinsku površinsku obradu, struganje i drugi operacije. Prednosti toga su veća produktivnost, savršena kvaliteta, jedinstvenost operacija koje se izvode na nedostupnim mjestima ili vrlo malim površinama. Automatski sustavi za pozicioniranje i fokusiranje laserskih kompleksa čine njihovu primjenu još učinkovitijom, a jednostavnost rukovanja stvara preduvjete za njihovu široku implementaciju u proizvodne procese

S N. Kolpakov, A.A. Prihvaćanje,
LLC "Alt laser", Kharkov

Trenutno se laserom uspješno izvode brojne tehnološke operacije, prije svega kao što su rezanje, zavarivanje, bušenje, površinska toplinska obrada, graviranje, označavanje, graviranje itd., au nekim slučajevima daje prednosti u odnosu na druge vrste obrade. Tako se bušenje rupa u materijalu može brže završiti, a pisanje različitih materijala je savršenije. Osim toga, neke vrste operacija koje su prije bile nemoguće zbog povećanog intenziteta rada izvode se s velikim uspjehom. Na primjer, zavarivanje materijala i bušenje rupa može se provoditi kroz staklo u vakuumu ili atmosferi raznih plinova.

Industrijska obrada materijala postala je jedno od područja u kojima se laseri najviše koriste. Prije pojave lasera, glavni izvori topline za tehnološku obradu bili su plinski plamenik, električno lučno pražnjenje, plazma luk i elektronski snop. Pojavom lasera koji emitiraju veliku energiju, pokazalo se da je moguće stvoriti velike gustoće svjetlosnog toka na tretiranoj površini. Uloga lasera kao izvora svjetlosti koji rade u kontinuiranom, pulsnom ili gigantskom pulsu je da površini obrađenog materijala osigura gustoću snage dovoljnu za njegovo zagrijavanje, taljenje ili isparavanje, što je osnova laserske tehnologije.

Trenutno se laserom uspješno izvode brojne tehnološke operacije, prije svega kao što su rezanje, zavarivanje, bušenje rupa, površinska toplinska obrada, crtanje, označavanje, graviranje itd., au nekim slučajevima daje prednosti u odnosu na druge vrste obrade. Tako se bušenje rupa u materijalu može brže završiti, a pisanje različitih materijala je savršenije. Osim toga, s velikim uspjehom izvode se neke vrste operacija koje je prije bilo nemoguće izvesti zbog teške pristupačnosti. Na primjer, zavarivanje materijala i bušenje rupa može se provoditi kroz staklo u vakuumu ili atmosferi raznih plinova.

Riječ "laser" sastoji se od početnih slova engleske fraze Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, što prevedeno na ruski znači: pojačanje svjetlosti stimuliranom emisijom . Klasično se dogodilo da se pri opisu laserskih tehnologija obrade materijala glavna pažnja posvećuje samo samim laserima, njihovim principima rada i tehničkim parametrima. No, za provedbu bilo kojeg procesa laserske dimenzionalne obrade materijala, osim lasera, potreban je i sustav za fokusiranje snopa, uređaj za upravljanje kretanjem snopa po površini izratka ili uređaj za pomicanje proizvoda u odnosu na snop, sustav za upuhivanje plina, sustave optičkog navođenja i pozicioniranja, softver za upravljanje procesima laserskog rezanja, graviranja itd. U većini slučajeva izbor parametara uređaja i sustava koji izravno služe laseru nije manje važan od parametrima samog lasera. Na primjer, za označavanje ležajeva promjera manjeg od 10 mm ili precizno točkasto lasersko zavarivanje, vrijeme utrošeno na pozicioniranje proizvoda i fokusiranje premašuje vrijeme graviranja ili zavarivanja za jedan ili dva reda veličine (vrijeme označavanja ležaja je otprilike 0,5 s). Stoga, bez upotrebe sustava za automatsko pozicioniranje i fokusiranje, uporaba laserskih sustava u mnogim slučajevima postaje ekonomski neisplativa. Analogija laserskih sustava s automobilima pokazuje da laser funkcionira kao motor. Koliko god motor bio dobar, ali bez kotača i svega ostalog auto neće ići.

Drugi važan čimbenik pri odabiru sustava laserske tehnologije je njihovo jednostavno održavanje. Kao što je praksa pokazala, operateri imaju niske kvalifikacije za servisiranje takve opreme. Jedan od razloga tome je što se u većini slučajeva laserski sustavi ugrađuju za zamjenu zastarjelih tehnoloških procesa (udarno i kemijsko označavanje proizvoda, mehaničko graviranje, ručno zavarivanje, ručno označavanje itd.). Šefovi poduzeća koja moderniziraju svoju proizvodnju, u pravilu, iz etičkih razloga, zamjenjujući staru opremu novom, napuštaju staro (doslovno i figurativno) servisno osoblje. Stoga je za uvođenje laserskih tehnoloških sustava u proizvodnju u danim početnim uvjetima njegovog razvoja (u postsovjetskim republikama) potrebno osigurati najvišu moguću razinu automatizacije i jednostavnosti obuke. Ne treba zanemariti činjenicu da je plaća nekvalificiranog osoblja niža od plaće školovanog stručnjaka. Stoga je isplativije kupiti sofisticiranu opremu s mogućnošću jednostavnog održavanja nego pozvati visokokvalificirano osoblje.

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

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

• brzina obrade (rezanje, graviranje itd.);
• rezolucija;
• točnost obrade;
• veličina radnog polja;
• raspon materijala za obradu (željezni 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 obavljenih zadataka (promjena uzorka za graviranje, konfiguracija linije rezanja, promjena obradnog materijala itd.);
• vrijeme postavljanja i pozicioniranja proizvoda;
• parametri uvjeta okoline (raspon temperature, vlažnost, sadržaj prašine) u kojima sustav može raditi;
• zahtjevi za osposobljenost servisnog osoblja.

Na temelju ovih parametara odabire se vrsta lasera, uređaj za brisanje snopa, razvija se dizajn pričvršćivača proizvoda, razina automatizacije sustava u cjelini, pitanje potrebe pisanja specijaliziranih programa za pripremu datoteka crteža , linije rezanja itd. se odlučuje.

Glavne tehničke karakteristike koje određuju prirodu obrade su energetski parametri lasera - energija, snaga, gustoća energije, trajanje impulsa, prostorna i vremenska struktura zračenja, prostorna raspodjela gustoće snage zračenja u žarišnoj točki, uvjeti fokusiranja, fizički svojstva materijala (reflektivnost, termofizička svojstva, talište, itd.).

Lasersko bušenje rupa u metalu

Postoje prednosti korištenja lasera kao alata za bušenje.

Ne dolazi do mehaničkog kontakta alata za bušenje i materijala, kao ni do loma i trošenja svrdla.

Povećana je točnost postavljanja rupa, budući da se optika koja se koristi za fokusiranje laserske zrake također koristi za usmjeravanje na željenu točku. Rupe mogu biti usmjerene u bilo kojem smjeru.

Postiže se veći omjer dubine i promjera bušenja nego što je to slučaj kod drugih metoda bušenja.

Kod bušenja, kao i kod rezanja, svojstva materijala koji se obrađuje značajno utječu na laserske parametre potrebne za izvođenje operacije. Bušenje se provodi pomoću pulsirajućih lasera koji rade u slobodnom načinu rada s trajanjem impulsa reda veličine 1 μs iu Q-sklopkom s trajanjem od nekoliko desetaka nanosekundi. U oba slučaja dolazi do toplinskog učinka na materijal, njegovog taljenja i isparavanja. Rupa raste u dubinu uglavnom zbog isparavanja, au promjeru - zbog taljenja zidova i istjecanja tekućine pod stvorenim viškom tlaka pare.

Tipično, duboke rupe željenog promjera dobivaju se korištenjem ponavljajućih laserskih impulsa niske energije. U tom slučaju nastaju rupe s manjim konusom i bolje kvalitete od rupa dobivenih s većom energijom jednog impulsa. Iznimka su materijali koji sadrže elemente koji mogu stvoriti visoki tlak pare. Stoga je vrlo teško zavarivati ​​mjed laserskim pulsnim zračenjem zbog visokog sadržaja cinka, međutim, kod bušenja mjed ima neke prednosti, budući da atomi cinka značajno poboljšavaju mehanizam isparavanja.

Budući da višepulsni način rada omogućuje dobivanje rupa najbolje kvalitete željene geometrije i s malim odstupanjem od navedenih dimenzija, u praksi je ovaj način rada postao široko rasprostranjen pri bušenju rupa u tankim metalima i nemetalnim materijalima. Međutim, kada se buše rupe u debelim materijalima, preferiraju se pojedinačni impulsi visoke energije. Dijafragmiranje laserskog protoka omogućuje dobivanje oblikovanih rupa, 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, postoji određena unifikacija procesa, koja se sastoji u činjenici da se rupe promjera od 0,001 do 0,2 mm mogu napraviti u svim metalima s relativno niskim snagama .

Bušenje rupa u metalu može se koristiti u brojnim slučajevima. Dakle, uz pomoć pulsirajućih lasera može se izvesti dinamičko balansiranje dijelova koji rotiraju velikom brzinom. Neravnoteža se odabire lokalnim taljenjem određenog volumena materijala. Laser se također može koristiti za postavljanje elektroničkih komponenti, bilo lokalnim isparavanjem materijala ili općim zagrijavanjem. Velika gustoća snage, mala veličina točke i kratko trajanje impulsa čine laser idealnim alatom za ovu primjenu.

Laseri koji se koriste za bušenje rupa u metalu trebali bi dati fokusiranu zraku s gustoćom snage reda veličine 10 7 -10 8 W/cm 2 . Bušenje rupa s metalnim svrdlima promjera manjeg od 0,25 mm težak je praktični zadatak, dok lasersko bušenje omogućuje dobivanje rupa promjera promjera valnoj duljini zračenja s dovoljno visokom točnošću postavljanja. Stručnjaci tvrtke "General Electric" (SAD) izračunali su da lasersko bušenje rupa u usporedbi s obradom elektronskim snopom ima visoku ekonomsku konkurentnost (tablica 1). Trenutno se za bušenje rupa uglavnom koriste poluprovodnički laseri. Omogućuju brzinu ponavljanja impulsa do 1000 Hz i snagu u kontinuiranom načinu rada od 1 do 10 3 W, u pulsirajućem načinu rada do stotina kilovata, a u načinu rada s Q-sklopkom do nekoliko megavata. Neki rezultati obrade takvim laserima dati su u tablici. 2.

Lasersko zavarivanje metala

Lasersko zavarivanje je u svom razvoju imalo dvije faze. U početku je razvijeno točkasto zavarivanje. To je objašnjeno prisutnošću snažnih pulsirajućih lasera čvrstog stanja u to vrijeme. Trenutačno, u prisutnosti plinovitih CO 2 i Nd:YAG lasera u čvrstom stanju koji pružaju kontinuirano i pulsno kontinuirano zračenje, moguće je zavarivanje šavova s ​​dubinom prodiranja do nekoliko milimetara. Lasersko zavarivanje ima niz prednosti u odnosu na druge vrste zavarivanja. U prisutnosti visoka gustoća svjetlosni tok i optički sustav, lokalno prodiranje u dana točka s velikom preciznošću. Ova okolnost omogućuje zavarivanje materijala u teško dostupnim područjima, u vakuumu ili komori ispunjenoj plinom s prozorima koji su transparentni za lasersko zračenje. Zavarivanje, na primjer, mikroelektroničkih elemenata u komori s atmosferom inertnog plina je od posebnog praktičnog interesa, jer u tom slučaju nema oksidacijskih reakcija.

Zavarivanje dijelova odvija se pri mnogo manjim gustoćama snage od rezanja. To se objašnjava činjenicom da je tijekom zavarivanja potrebno samo zagrijavanje i taljenje materijala, tj. potrebne su gustoće snage koje su još uvijek nedostatne za intenzivno isparavanje (10 5 -10 6 W / cm 2), s trajanjem impulsa od oko 10 -3 -10 -4 Sa. Budući da je lasersko zračenje usmjereno na materijal koji se obrađuje površinski izvor topline, prijenos topline u dubinu zavarenih dijelova provodi se zahvaljujući toplinskoj vodljivosti, a zona prodiranja mijenja se tijekom vremena s pravilno odabranim načinom zavarivanja. U slučaju nedovoljnih gustoća snage dolazi do neprobojnosti zavarene zone, a kod velikih gustoća snage dolazi do isparavanja metala i stvaranja rupa.

Zavarivanje se može izvoditi na plinsko-laserskom stroju za rezanje na nižoj snazi ​​i slabim udarom inertnog plina u zonu zavarivanja. Sa CO 2 laserom snage oko 200 W moguće je zavarivati ​​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 provodi u vakuumskoj komori, što stvara velike neugodnosti i zahtijeva značajne ukupne vremenske troškove.

U tablici. Na slici 3 prikazani su podaci sučeonog zavarivanja CO 2 laserom snage 250 W različitih materijala.

Pri drugim snagama zračenja CO 2 lasera dobiveni su podaci o zavarivanju šava navedeni u tablici 1. 4. Kod zavarivanja s preklapanjem, čeonim i kutnim zavarivanjem, dobivene su brzine blizu onih navedenih u tablici, s potpunim prodiranjem materijala koji se zavaruje u zoni udara grede.

Laserski sustavi za zavarivanje mogu zavarivati ​​različite metale, proizvodeći minimalne toplinske učinke zbog male veličine laserske točke, kao i zavarivati ​​tanke žice promjera manjeg od 20 mikrona u uzorku žica-žica ili žica-ploča.

Književnost

1. Krylov K.I., Prokopenko V.T., Mitrofanov A.S. Primjena lasera u strojarstvu i izradi instrumenata. - L .: Strojarstvo. Lenjingrad. odjel, 1978. - 336 str.

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

Bušenje rupa u kamenu za satove - to je bio početak rada lasera. Govorimo o rubinima, koji se koriste u satovima kao klizni ležajevi. 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 se operacija nakita izvodila uobičajenom mehaničkom metodom pomoću svrdla izrađenih od tanke piano žice promjera 40-50 mikrona. Takva bušilica napravila je do 30 tisuća okretaja u minuti i istovremeno izvršila oko stotinu povratnih pokreta. Za bušenje jednog kamena bilo je potrebno i do 10-15 minuta.
Počevši od 1964. godine, neučinkovito mehaničko bušenje kamena za satove posvuda se počelo zamjenjivati ​​laserskim bušenjem. Naravno, izraz "lasersko bušenje" ne treba shvatiti doslovno; Laserska zraka ne buši rupu, već je buši, uzrokujući intenzivno isparavanje materijala. Danas je lasersko bušenje kamena za satove uobičajena pojava. U tu svrhu koriste se, posebice,
29

nost, laseri od neodimijskog stakla. Rupa u kamenu (s debljinom obratka od 0,5-1 mm) se probija nizom od nekoliko laserskih impulsa s energijom od 0,5-1 J. Produktivnost laserskog stroja u automatskom načinu rada je kamen u sekundi. To je tisuću puta veće od produktivnosti mehaničkog bušenja!
Ubrzo nakon rođenja, laser je dobio sljedeći zadatak, s kojim se jednako uspješno nosio - bušenje (probijanje) rupa u dijamantnim matricama. Možda ne znaju svi da se za dobivanje vrlo tanke žice od bakra, bronce, volframa koristi tehnologija izvlačenja metala kroz rupu odgovarajućeg promjera. Takve rupe se buše u materijalima s posebno velikom tvrdoćom, jer u procesu izvlačenja žice promjer rupe mora ostati nepromijenjen. Poznato je da je dijamant najtvrđi. Stoga je najbolje provući tanku žicu kroz rupu u dijamantu – kroz takozvane dijamantne matrice. Samo uz pomoć dijamantnih matrica moguće je dobiti ultratanku žicu promjera samo 10 mikrona. Ali kako izbušiti tanku rupu u supertvrdom materijalu poput dijamanta? Vrlo je teško to izvesti mehanički - potrebno je i do deset sati da se mehanički izbuši jedna rupa u dijamantnoj matrici. No, kako se pokazalo, nije teško probiti ovu rupu nizom od nekoliko snažnih laserskih impulsa. />Lasersko bušenje danas se široko koristi ne samo za posebno tvrde materijale, već i za materijale karakterizirane povećanom lomljivošću. Pokazalo se da je laserska bušilica ne samo moćan, već i vrlo osjetljiv "alat". Kao primjer, razgovarajmo o problemu bušenja rupa u podlogama mikro krugova izrađenim od aluminijeve keramike. Keramika je izuzetno krta. Iz tog razloga, mehaničko bušenje rupa u podlozi mikro kruga u pravilu je izvedeno na "sirovom" materijalu. Keramika je pečena nakon bušenja. U ovom slučaju došlo je do neke deformacije proizvoda, relativni položaj izbušenih rupa je iskrivljen. Problem je riješen pojavom laserskih bušilica. Koristeći ih, moguće je raditi s keramičkim podlogama koje su već bile
30

Ovako izgleda rupa u dijamantnoj matrici u presjeku. Laserski impulsi probijaju grubi kanal u dijamantnom uzorku. Zatim, ultrazvučnom obradom kanala, brušenjem i poliranjem, daju mu potreban profil. Žica dobivena provlačenjem kroz matricu ima promjer d
Ove uredne rupe, promjera 0,3 mm, izbušene su u keramičkoj ploči debljine 0,7 mm pomoću CO2 lasera.

jig. Uz pomoć lasera u keramici se buše vrlo tanke rupice – promjera samo 10 mikrona. Imajte na umu da se takve rupe ne mogu dobiti mehaničkim bušenjem.
Nitko nije sumnjao u činjenicu da je bušenje zvanje lasera. Ovdje laser zapravo nije imao dostojnih konkurenata, pogotovo kada se radilo o bušenju vrlo tankih i vrlo dubokih rupa, kada su rupe morale biti bušene u vrlo krhke ili vrlo tvrde materijale. Prošlo je relativno kratko vrijeme i postalo je jasno da laser

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

Stručnjaci su razvili mnoge načine obrade dijamanata kako bi poboljšali kvalitetu tog kamenja. Najprovjereniji način poboljšanja kvalitete dijamanata je lasersko bušenje.

Ova vrsta obrade dijamanata prvi put je korištena u komercijalnoj praksi 70-ih godina prošlog stoljeća. Tamne inkluzije poput magnetita, pirotita i ugljičnih inkluzija ne poboljšavaju optičke karakteristike kamena i, štoviše, ne privlače kupce. Tijekom procesa laserskog bušenja, ove inkluzije izgorjeti, otopljen u dušičnoj ili sumpornoj kiselini ili pročišćen.

Laserska zraka posebnog aparata, kvantnog generatora u IC području valne duljine od oko 1060 nm, buši mikrorupu promjera ne većeg od 20-60 mikrona. 20 mikrona je jednako 0,02 mm, što je debljina ljudske vlasi. dijamant za bušenje izvodi se do dubine ne veće od 1,6 mm. Ovaj proces u prosjeku traje 30 minuta ili više.

Postoji način za osvjetljavanje tamnih inkluzija. Kroz rupu izbušenu laserskom zrakom 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 otapa inkluziju. Krajnji rezultat ovisi o kemijski sastav ovo uključivanje.

Uz deseterostruko povećanje pod mikroskopom ili pod povećalom, nije teško vidjeti kanale laserskih rupa, čak i ako su zapečaćeni. Oni imaju vrsta lijevka na povrsini a ravne crte iznutra bjelkaste. U novije vrijeme za popunjavanje kanala koriste se tvari poput sintetičke smole ili voska zbog visokog indeksa loma. Nakon punjenja kanala odgovarajućom tvari, kanal se začepi. Iako su zapečaćene rupe manje vidljive na površini i manje sklone kontaminaciji, u reflektiranoj svjetlosti na mjestu bušenja može se vidjeti "krater". Okrugli zarezi na površini mogu se napipati i vrhom igle. Treba uzeti u obzir da ako je u procesu bušenja rupe laserska zraka pala u zonu jakog unutarnji stres, tada se oko kanala stvaraju lako prepoznatljive pukotine naprezanja i cijepanja.

Pri ocjenjivanju takvog kamenja nastaju poteškoće. Naravno, vizualne gemološke karakteristike su značajno poboljšane, ali bušenje stvara umjetne nedostatke u obliku malih pukotina.

Dijamanti su klasificirani kao određena skupinačistoće, uzimajući u obzir njihovu izgled i prisutnost izbušenih rupa. Treba napomenuti da svrha laserskog bušenja nije povećati čistoću dijamanta, već posvijetliti tamne inkluzije. To dovodi do poboljšanja izgleda kamena i privlači više kupaca.

Relevantni certifikati kvalitete, računi i drugi dokumenti moraju sadržavati podatke o rezultatima ljudske intervencije i prisutnosti laserskih bušenja.

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

Bit ove metode laserske obrade leži u činjenici da se laseri u pulsirajućem načinu rada fokusiraju točno na mjesto inkluzije. Kao rezultat procesa oslobađa se značajna količina topline, što pridonosi širenju pukotina na površinu kamena. Dakle, nema potrebe za bušenjem kanala s formiranjem lijevka na površini. Otapalo, koje lako prodire kroz nove pukotine do uključka, ili ga posvjetljuje ili otapa. Ali ova metoda može dovesti do stvaranja jama i šupljina na površini kamena s tom razlikom što njihov oblik neće biti tako savršeno okrugao, a dimenzije će biti nešto manje.

Još metoda laserske obrade razvili izraelski stručnjaci početkom 2000-ih. Zvali su ga KM (skraćeno od riječi "Kiduah Meuhad"), što na hebrejskom znači "posebno bušenje". Metoda, koja je postala popularna u Antwerpenu, koristi se za posvjetljivanje tamnih inkluzija s mikropukotinama pomoću kiseline pod posebnim uvjetima. Laserska zraka se usmjerava na defekt koji je najbliži površini, uslijed čega se defekt širi prema površini.

Nakon izlaganja laseru, dijamant se spušta u koncentrirana kiselina i zagrijava do visoke temperature pod pritiskom. Zahvaljujući stvorenim uvjetima, kiselina prodire prije uključivanja i otapa ga.

Dijamanti nakon KM tretmana mogu se prepoznati po prisutnosti plavkasto-smeđih nijansi u reflektiranoj svjetlosti na mjestima umjetno stvorene pukotine pogotovo kad valja kamen. Isto se ne može reći za dijamante, koji se obrađuju tradicionalnom tehnologijom laserskog bušenja uz stvaranje vidljivih rupa na površini. Štoviše, kod dijamanata obrađenih CM metodom ponekad se mogu primijetiti blagi ostaci crnkaste tvari u obliku nepravilnih linija na površini pukotina od naprezanja koje su nastale tijekom izlaganja laseru.

Industrijska obrada materijala je postao jedan od najraširenijih lasera. Prije pojave lasera, glavni izvori topline za tehnološku obradu bili su plinski plamenik, električno lučno pražnjenje, plazma luk i elektronski snop. Pojavom lasera koji emitiraju veliku energiju, pokazalo se da je moguće stvoriti velike gustoće svjetlosnog toka na tretiranoj površini. Uloga lasera kao izvora svjetlosti koji rade u kontinuiranom, pulsnom ili gigantskom pulsu je da površini obrađenog materijala osigura gustoću snage dovoljnu za njegovo zagrijavanje, taljenje ili isparavanje, što je osnova laserske tehnologije.
Trenutno se laserom uspješno izvode brojne tehnološke operacije, prije svega kao što su rezanje, zavarivanje, bušenje rupa, površinska toplinska obrada, crtanje, označavanje, graviranje itd., au nekim slučajevima daje prednosti u odnosu na druge vrste obrade. Tako se bušenje rupa u materijalu može brže završiti, a pisanje različitih materijala je savršenije. Osim toga, s velikim uspjehom izvode se neke vrste operacija koje je prije bilo nemoguće izvesti zbog teške pristupačnosti. Na primjer, zavarivanje materijala i bušenje rupa može se provoditi kroz staklo u vakuumu ili atmosferi raznih plinova.
Riječ "laser" sastoji se od početnih slova engleske fraze Light Amplification by Stimulated Emi ion of Radiation, što u prijevodu na ruski znači: pojačanje svjetlosti stimuliranom emisijom. Klasično se dogodilo da se pri opisu laserskih tehnologija obrade materijala glavna pažnja posvećuje samo samim laserima, njihovim principima rada i tehničkim parametrima. Međutim, za provedbu bilo kojeg postupka laserske dimenzionalne obrade materijala, osim lasera, potreban je sustav za fokusiranje zrake, uređaj za kontrolu kretanja zrake po površini izratka ili uređaj za pomicanje proizvoda u odnosu na snop, sustav za upuhivanje plina, sustavi za optičko navođenje i pozicioniranje, softver za kontrolu procesa, lasersko rezanje, graviranje itd. U većini slučajeva izbor parametara za uređaje i sustave koji izravno opslužuju laser nije ništa manje važan od parametara samog lasera. Na primjer, za označavanje ležajeva promjera manjeg od 10 mm ili 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 sustava za automatsko pozicioniranje i fokusiranje, uporaba laserskih sustava u mnogim slučajevima postaje ekonomski neisplativa. Analogija laserskih sustava s automobilima pokazuje da laser funkcionira kao motor. Koliko god motor bio dobar, ali bez kotača i svega ostalog auto neće ići.
Drugi važan čimbenik pri odabiru sustava laserske tehnologije je njihovo jednostavno održavanje. Kao što je praksa pokazala, operateri imaju niske kvalifikacije za servisiranje takve opreme. Jedan od razloga tome je što se laserski sustavi ugrađuju u većini slučajeva radi zamjene zastarjelih tehnoloških procesa (udarno i kemijsko označavanje proizvoda, mehaničko graviranje, ručno zavarivanje, ručno označavanje itd.). Šefovi poduzeća koja moderniziraju svoju proizvodnju, u pravilu, iz etičkih razloga, zamjenjujući staru opremu novom, napuštaju staro (doslovno i figurativno) servisno osoblje. Stoga je za uvođenje laserskih tehnoloških sustava u proizvodnju u danim početnim uvjetima njegovog razvoja (u postsovjetskim republikama) potrebno osigurati najvišu moguću razinu automatizacije i jednostavnosti učenja. Ne treba zanemariti činjenicu da je plaća nekvalificiranog osoblja niža od plaće školovanog stručnjaka. Stoga je isplativije kupiti sofisticiranu opremu s mogućnošću jednostavnog održavanja nego pozvati visokokvalificirano osoblje.
Stoga zadatak korištenja laserskih tehnologija u suvremenoj proizvodnji treba promatrati ne samo sa stajališta tehničkih parametara samog lasera, već i uzimajući u obzir karakteristike opreme i softvera koji omogućuju korištenje specifičnih svojstava lasera. za rješavanje određenog tehnološkog problema.
Svaki laserski sustav dizajniran za dimenzijsku obradu materijala,
karakteriziraju sljedeći parametri:
- brzina obrade (rezanje, graviranje i sl.);
- rezolucija;
— točnost obrade;
- veličina radnog polja;
– raspon materijala za obradu (željezni 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 obavljenih zadataka (promjena uzorka za graviranje, konfiguracije - linije rezanja, promjena obradnog materijala i sl.);
- vrijeme ugradnje i pozicioniranja proizvoda;
- parametre uvjeta okoline (raspon temperature, vlažnost, sadržaj prašine) u - - u kojima sustav može raditi;
— zahtjevi za osposobljenost servisnog osoblja.
Na temelju ovih parametara odabire se vrsta lasera, uređaj za brisanje snopa, razvija se dizajn pričvršćivača proizvoda, razina automatizacije sustava u cjelini, pitanje potrebe pisanja specijaliziranih programa za pripremu datoteka crteža , linije rezanja itd. se odlučuje.
Glavne tehničke karakteristike koje određuju prirodu obrade su energetski parametri lasera - energija, snaga, gustoća energije, trajanje impulsa, prostorna i vremenska struktura zračenja, prostorna raspodjela gustoće snage zračenja u žarišnoj točki, uvjeti fokusiranja, fizički svojstva materijala (reflektivnost, termofizička svojstva, talište, itd.). Razmotrimo glavne vrste lasera i karakteristike njihovog zračenja. Krutine, tekućine i plinovi koriste se kao aktivni mediji lasera. Kod lasera u čvrstom stanju aktivni mediji su kristalni ili amorfne tvari s primjesama nekih elemenata. Poznat je veliki broj čvrste tvari pogodan za uporabu u laserima, međutim, samo nekoliko se naširoko koristi u praksi obrade materijala: Al2O3 s primjesom kromovog oksida (rubin); staklo, itrij aluminijev granat Y3Al5O12 i kalcijev volframat CaWO4 aktiviran neodimijem. Ovi aktivni mediji omogućuju, u usporedbi s drugim materijalima, stvaranje lasera s visokom izlaznom energijom i visokom učinkovitošću. Po principu rada tekući laseri su bliski laserima u čvrstom stanju kod kojih aktivno okruženje koriste se tekući dielektrici s otopljenim nečistoćama.
Energija impulsa zračenja čvrstog i tekućeg lasera (u slobodnom načinu rada) varira od desetinki Joula do 103 J i više, a u Q-switched načinu rada do nekoliko desetaka i stotina Joula. Snaga zračenja pulsirajućih lasera, ovisno o načinu rada, može varirati od stotina kilovata (slobodna proizvodnja) do gigavata (Q-sklopka). U burst načinu rada (nasumično generiranje), razlika između srednjeg integrala po snazi ​​impulsa i snage pojedinačnog šiljka može doseći dva reda veličine. Ta je razlika nešto manja za puls s uređenom strukturom (regularni puls). Prosječna integrirana snaga neznatno se razlikuje od snage u bilo kojem trenutku za kvazistacionarni impuls zračenja. Stoga je kvazistacionarni način generiranja od praktičnog interesa za procese zavarivanja i obrade materijala kao način kojim se može provesti "meko" zagrijavanje. Korištenje ovog načina rada smanjuje uklanjanje materijala iz zone udara.
Granična vrijednost učinkovitosti lasera determiniran je uglavnom unutarnjim gubicima u kristalu aktivnog medija i učinkovitim korištenjem energije pumpe. Dakle, za rubin lasere, vrijednost stvarne učinkovitosti ne prelazi 1%, a za lasere na staklu s neodimijem - 2%.
Druga sorta su plinski laseri, čiji je aktivni medij plin, smjesa više plinova ili smjesa plina s metalnim parama. Plinski laseri također uključuju kemijske lasere., budući da se za njih koriste plinoviti aktivni mediji. U kemijskom laseru pobuđivanje aktivnog medija osiguravaju brze kemijske reakcije. Neutralni atomi, ioni i molekule plina koriste se kao aktivne čestice u plinskim laserima. Laseri s neutralnim atomima omogućuju generiranje zračenja s valnom duljinom pretežno u infracrvenom dijelu spektra i nešto u crvenom području vidljivog spektra.
Ionski plinski laseri proizvode uglavnom vidljivo i ultraljubičasto zračenje. Molekularni plinski laseri generiraju zračenje valne duljine od 10-100 mikrona (infracrveno i submilimetarsko područje). Snaga lasera s neutralnim atomima, na primjer, helij-neonskih lasera u kontinuiranom načinu rada, ne prelazi 50 mW, ionski (argonski) laseri dosežu 500 W, a najjači su molekularni laseri. Na primjer, laseri s ugljikovim dioksidom daju kontinuiranu izlaznu snagu od nekoliko desetaka kilovata. učinkovitost lasera na neutralnim atomima i ionima praktički ne prelazi 0,1%, molekularni laseri imaju mnogo veću učinkovitost, dosežući 20%.
Najviše obećava za upotrebu u mnogim tehnološki procesi su vlaknasti laseri. Trenutačno tržište uključuje jednomodne optičke lasere s prosječnom izlaznom snagom do 2 kW, niskomodne optičke lasere do 10 kW i višemodne sustave s izlaznom snagom do 50 kW. Najveće razine snage postignute su u Yb-aktiviranim fiber laserima, koji generiraju zračenje na valnoj duljini od 1,07 μm, koje se u metalima apsorbira bolje od zračenja na valnim duljinama od 10,6 μm. Osim toga, 10 puta kraća valna duljina omogućuje postizanje manje divergencije zračenja, što znači da ga je bolje fokusirati. To objašnjava činjenicu da čak i jednomodni laseri relativno niske snage od 100 W mogu rezati čelik debljine 1,5 mm pri brzinama do 4 m/min. Tehničke karakteristike fiber lasera omogućuju implementaciju daljinskog načina zavarivanja, što uvelike pojednostavljuje integraciju laserske opreme u moderne robotske proizvodne linije i dramatično povećava brzinu zavarivanja.
Ali stvar nije samo u snazi ​​i divergenciji greda. Još jedan parametar koji oštro ističe vlaknasti laseri, visoka je energetska učinkovitost. Pumpanje aktiviranog vlakna provodi se laserskim diodama, učinkovitost je koja prelazi 60%, zbog čega puna (ili "outlet") učinkovitost. vlaknastih lasera iznosi 28-30% (višestruko više od najboljih industrijskih CO2 lasera, kao i solid-state lasera s poluvodičkim i lampskim pumpanjem). 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 lasere čvrstog stanja s pumpom lampom. Zadnja činjenica, kao i odsutnost podesivih čvorova u fiber laserima, njihova implementacija u obliku integriranih fiber uređaja, osigurava visoku pouzdanost sustava u cjelini. Strukturno iu smislu rada, fiber laseri su bliži čisto elektroničkoj opremi nego industrijskim laserima drugih vrsta. Tome treba dodati da praktički ne zahtijevaju rutinsko održavanje.
Dobra integrabilnost fiber lasera u suvremenu tehnološku opremu također je olakšana činjenicom da se njihovo izlazno zračenje savršeno prenosi bez gubitka snage i prostornih karakteristika duž tankih kvarcnih vlakana zaštićenih od mehaničkih utjecaja fleksibilnim metalnim crijevima promjera 8-15 mm . Duljina takvih svjetlovodnih kabela doseže 200 m i po potrebi se može produžiti.
Ispod su specijalizirani zadaci koje rješava laser tehnoloških sustava. Naglasak je prebačen na karakteristike lasera namijenjenih rješavanju ovih problema.
Lasersko rezanje metala
Korištenje lasera za rezanje metala, kao i nemetala, posljedica je sljedećih prednosti u usporedbi s tradicionalnim metodama: širok raspon materijala za rezanje; mogućnost dobivanja tankih rezova zbog oštrog fokusiranja laserske zrake; mala zona toplinskog utjecaja zračenja; minimalni mehanički utjecaj na materijal; mogućnost brzog uključivanja i isključivanja uređaja s visokom točnošću; kemijska čistoća procesa rezanja; mogućnost automatizacije procesa i dobivanje visoke učinkovitosti metode; mogućnost rezanja složenih profila u dvije ili čak tri dimenzije.
Lasersko rezanje, kao i druge vrste laserske obrade, temelji se na toplinskom učinku zračenja i događa se s pokretnim izvorom topline koji se može kretati u dva međusobno okomita smjera pomoću posebnog optičkog sustava koji vam omogućuje formiranje točke visoke gustoće i dovesti do tražene točke obrađenog uzorka .
Rezanje relativno debelih limova provodi se, u pravilu, s upuhivanjem aktivnog plina (kisika) u zonu rezanja. Suština ovog procesa, koji se naziva plinsko lasersko rezanje (GLR), sastoji se u tome da se lasersko zračenje fokusira optičkim sustavom na površinu materijala koji se obrađuje i koaksijalno sa snopom pomoću posebnog uređaja dovodi kisik. Kod laserskog rezanja metala, kisik obavlja sljedeće funkcije:
podržava izgaranje metala;
uklanja produkte razaranja i čisti zonu rezanja ispuhivanjem plinovitih produkata i kapaljke;
intenzivno hladi dijelove materijala uz zonu rezanja.
Prisutnost mlaza kisika pri rezanju metala može značajno povećati dubinu, brzinu rezanja i dobiti visokokvalitetne rubove. Mali dio upadnog zračenja apsorbira površinski sloj metala i dovodi do njegovog zagrijavanja. Rezultirajući film oksida povećava udio apsorbirane energije, a temperatura metala raste do tališta. Tekući metal i oksidi se ispuhuju iz zone rezanja mlazom kisika, čime se olakšava oksidacija slojeva ispod. To se nastavlja sve dok se lim ne izreže do pune dubine. Mali unos energije i visoka koncentracija energije omogućuju dobivanje paralelnih rubova s ​​malom širinom reza (0,1–0,5 mm) i malom zonom utjecaja topline.
Brzina rezanja debelih limova raste s povećanjem snage lasera i ovisi o debljini lima i toplinskoj vodljivosti metala. Snagom lasera od oko 400-600 W moguće je rezati željezne metale i titanij brzinom reda nekoliko metara u minuti, dok rezanje metala visoke toplinske vodljivosti (bakar, aluminij) predstavlja određenu poteškoću. U literaturi postoji dovoljno informacija o značajnom utjecaju energije kemijske reakcije na brzinu rezanja i čistoću rubova, međutim složenost procesa ne dopušta nikakve kvantitativne ocjene, tim više što je sastav konačnog produkti oksidacije, udio kapljičnog udjela metala koji je ispuhan mlazom plina i latentna toplina faznih prijelaza (taljenje, isparavanje). Tablica 1 prikazuje prosječne brzine rezanja za različite metale.
Stol 1.

Za rezanje plinskim laserom u pravilu se koriste CO2 i solid-state laseri velike snage. Suvremeni CO2 laseri sa sporim protokom plina duž plinskoizvodne cijevi imaju relativno velike duljine, 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 duljine oko 3-6 m i učinkovitosti. oko 10%. Relativno nedavno razvijeni su CO2 laseri s brzim poprečnim pumpanjem plina koji cirkulira u zatvorenom volumenu. Uz relativno male dimenzije, oni uspijevaju postići razine snage od 6-10 kW u kontinuiranom načinu proizvodnje.
Plinsko lasersko rezanje često se uspoređuje s mikroplazma rezanjem, koje vam omogućuje rezanje debljih listova metala i većom brzinom. No treba napomenuti da GLR omogućuje bolju lokalizaciju i veću gustoću dovedene energije, čime se smanjuje zona utjecaja topline.
Zbog visoke viskoznosti mehaničko rezanje titana je teško, dok plazma rezanje daje veliku zonu utjecaja topline i zasićenost rubova plinom. Korištenje GLR-a dovodi do smanjenja troškova obrade za 75%. S GLR-om važna točka pri određivanju brzine rezanja je pravilno odabrana brzina istjecanja mlaza plina iz mlaznice koja je određena tlakom plina u rezaču.
Učinkovitost postupka aluminijskog stakla uvelike ovisi o stanju površine. Rezanje limova s ​​glatkom sirovom površinom znatno je teže, dok pjeskarenje površine omogućuje glaziranje, ali kvaliteta reza nije visoka (pravilan je niz rupa). Oksidacija, pasivizacija, eloksiranje i nitriranje površine glatkog lima nisu dali dovoljne uvjete za GLR. Postoje poteškoće prilikom rezanja i materijala poput bakra, mesinga. Činjenica je da ovi metali imaju visoku refleksiju laserskog zračenja, kako u hladnom tako iu zagrijanom stanju, te visoku toplinsku vodljivost. Oksidni filmovi formirani na njima su tanki i neučinkovito apsorbiraju lasersko zračenje.
Lasersko bušenje rupa u metalu
Postoje prednosti korištenja lasera kao alata za bušenje.
Ne dolazi do mehaničkog kontakta alata za bušenje i materijala, kao ni do loma i trošenja svrdla.
Povećana je točnost postavljanja rupa, budući da se optika koja se koristi za fokusiranje laserske zrake također koristi za usmjeravanje na željenu točku. Rupe mogu biti usmjerene u bilo kojem smjeru.
Postiže se veći omjer dubine i promjera bušenja nego što je to slučaj kod drugih metoda bušenja.
Kod bušenja, kao i kod rezanja, svojstva materijala koji se obrađuje značajno utječu na laserske parametre potrebne za izvođenje operacije. Bušenje se provodi pomoću pulsirajućih lasera koji rade u slobodnom načinu rada s trajanjem impulsa reda veličine 1 μs iu Q-sklopkom s trajanjem od nekoliko desetaka nanosekundi. U oba slučaja dolazi do toplinskog učinka na materijal, njegovog taljenja i isparavanja. Rupa raste u dubinu uglavnom zbog isparavanja, a u promjer zbog taljenja stijenki i istjecanja tekućine pod stvorenim viškom tlaka pare.
Tipično, duboke rupe željenog promjera dobivaju se korištenjem ponavljajućih laserskih impulsa niske energije. U tom slučaju nastaju rupe s manjim konusom i bolje kvalitete od rupa dobivenih s većom energijom jednog impulsa. Iznimka su materijali koji sadrže elemente koji mogu stvoriti visoki tlak pare. Stoga je vrlo teško zavarivati ​​mjed laserskim pulsnim zračenjem zbog visokog sadržaja cinka, međutim, kod bušenja mjed ima neke prednosti, budući da atomi cinka značajno poboljšavaju mehanizam isparavanja.
Budući da višepulsni način rada omogućuje dobivanje rupa najbolje kvalitete željene geometrije i s malim odstupanjem od navedenih dimenzija, u praksi je ovaj način rada postao široko rasprostranjen pri bušenju rupa u tankim metalima i nemetalnim materijalima. Međutim, kada se buše rupe u debelim materijalima, preferiraju se pojedinačni impulsi visoke energije. Dijafragmiranje laserskog protoka omogućuje dobivanje oblikovanih rupa, 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, postoji određena unifikacija procesa, koja se sastoji u činjenici da se rupe promjera od 0,001 do 0,2 mm mogu napraviti u svim metalima s relativno niskim snagama .
Bušenje rupa u metalu može se koristiti u brojnim slučajevima. Dakle, uz pomoć pulsirajućih lasera može se izvesti dinamičko balansiranje dijelova koji rotiraju velikom brzinom. Neravnoteža se odabire lokalnim taljenjem određenog volumena materijala. Laser se također može koristiti za postavljanje elektroničkih komponenti, bilo lokalnim isparavanjem materijala ili općim zagrijavanjem. Velika gustoća snage, mala veličina točke i kratko trajanje impulsa čine laser idealnim alatom za ovu primjenu.
Laseri koji se koriste za bušenje rupa u metalu trebali bi osigurati gustoću snage fokusiranog snopa reda veličine 107 - 108 W/cm2. Bušenje rupa s metalnim svrdlima promjera manjeg od 0,25 mm težak je praktični zadatak, dok lasersko bušenje omogućuje dobivanje rupa promjera promjera valnoj duljini zračenja s dovoljno visokom točnošću postavljanja. Stručnjaci tvrtke "General Electric" (SAD) izračunali su da lasersko bušenje rupa u usporedbi s obradom elektronskim snopom ima visoku ekonomsku konkurentnost. Trenutno se za bušenje rupa uglavnom koriste poluprovodnički laseri. Omogućuju brzinu ponavljanja impulsa do 1000 Hz i snagu u kontinuiranom načinu rada od 1 do 103 W, u pulsnom načinu rada do stotina kilovata, au Q-sklopkom do nekoliko megavata. Neki rezultati obrade takvim laserima dati su u tablici. 3.
Tablica 3

Metal	Debljina, mm	Promjer rupe, mm		Trajanje bušenje	laserska energija, J
		ulazni	vikend
Ne hrđajući 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
Čelik od nikla	0,5	0,2	0,15	2,0	3,3
Volfram	0,5 1,6	0,2 0,35	0,2 0,2	2,1 1,8	4,0 2,1
Magnezij	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 je u svom razvoju imalo dvije faze. U početku je razvijeno točkasto zavarivanje. To je objašnjeno prisutnošću snažnih pulsirajućih lasera čvrstog stanja u to vrijeme. Trenutno, u prisutnosti plinovitih CO2 i čvrstih Nd:YAG lasera velike snage koji daju cw i pulsno kontinuirano zračenje, moguće je zavarivanje šava s dubinom prodiranja do nekoliko milimetara. Lasersko zavarivanje ima niz prednosti u odnosu na druge vrste zavarivanja. Uz visoku gustoću svjetlosnog toka i optički sustav, moguća je lokalna penetracija u danoj točki s visokom točnošću. Ova okolnost omogućuje zavarivanje materijala u teško dostupnim područjima, u vakuumu ili komori ispunjenoj plinom s prozorima koji su transparentni za lasersko zračenje. Zavarivanje, na primjer, mikroelektroničkih elemenata u komori s atmosferom inertnog plina je od posebnog praktičnog interesa, jer u tom slučaju nema oksidacijskih reakcija.
Zavarivanje dijelova odvija se pri mnogo manjim gustoćama snage od rezanja. To se objašnjava činjenicom da je tijekom zavarivanja potrebno samo zagrijavanje i taljenje materijala, odnosno potrebne su gustoće snage koje su još uvijek nedostatne za intenzivno isparavanje (105–106 W/cm2), uz trajanje 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 provodi se zahvaljujući toplinskoj vodljivosti, a zona prodiranja se mijenja tijekom vremena s pravilno odabranim načinom zavarivanja. U slučaju nedovoljnih gustoća snage dolazi do neprobojnosti zavarene zone, a kod velikih gustoća snage dolazi do isparavanja metala i stvaranja rupa.
Zavarivanje se može izvoditi na plinsko-laserskom stroju za rezanje na nižoj snazi ​​i slabim udarom inertnog plina u zonu zavarivanja. Snagom CO2 lasera od oko 200 W moguće je zavarivati ​​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 provodi u vakuumskoj komori, što stvara velike neugodnosti i zahtijeva značajne ukupne vremenske troškove.
U tablici. 4 prikazani su podaci o sučeonom zavarivanju CO2 laserom snage 250 W različitih materijala.
Tablica 4 5. Kod preklopnog, sučeonog i kutnog zavarivanja postignute su brzine bliske onima navedenima u tablici, uz potpuno prodiranje zavarenog materijala u zonu udara grede.
Tablica 5. Laserski sustavi za zavarivanje sposobni su zavarivati ​​različite metale, proizvodeći minimalne toplinske učinke zbog male veličine laserske točke, kao i zavarivati ​​tanke žice promjera manjeg od 20 mikrona u uzorku žica-žica ili žica-ploča .
Rezanje nemetalnih materijala
Laserska zraka se s velikim uspjehom koristi za rezanje nemetalnih materijala kao što su plastika, staklena vlakna, bor i ugljični kompozitni materijali, keramika, guma, drvo, azbest, tekstilni materijali itd. Ovaj niz materijala obično ima nižu toplinsku difuziju nego kod metala, pa je stoga i specifičan energetski utrošak za proces rezanja puno manji. Stoga je prag gustoće toka potreban za početak rezanja nemetala slabo ovisan o debljini lima.
Za rezanje nemetalnih materijala, kao i metala, uglavnom se koriste YAG i CO2 laseri kontinuiranog zračenja. Kako bi se povećala učinkovitost rezanja, aktivni ili neutralni plin upuhuje se u zonu rezanja, koji ispuhuje isparene frakcije kapljica i hladi tretirano lokalno područje, omogućujući rezanje materijala s niskim pougljenjem i taljenjem.
U procesu glaziranja dielektrika, odlučujuću ulogu u njihovom uništavanju ima ispuhivanje iz zone rezanja fino raspršenih i kapljičastih frakcija, koje nastaju pod toplinskim djelovanjem laserskog zračenja. Izuzetak su materijali na bazi fenol-formaldehidnih smola: tekstolit, stakloplastika itd. Ovaj tip materijali pod djelovanjem laserskog zračenja pretvaraju se u viskoznu sinteriranu masu, koju je teško ukloniti iz reza pomoću plinskog mlaza: potrebna je velika potrošnja energije za isparavanje proizvoda razaranja.
Rezanje plinskim laserom omogućuje vam da dobijete čist rez dielektrika s dobrom kvalitetom oštrice. U ovom slučaju, na strani ulaza grede, rub ima najbolja kvaliteta, a na izlaznoj strani primjećuje se nešto taljenja. Rezanje debelog organskog materijala je drugačije zanimljiva značajka; širina reza na izlazu je mnogo manja nego što bi se očekivalo na temelju geometrijske divergencije snopa koji stvara fokusirajuća optika.
Uz dovoljnu snagu laserskog zračenja, moguće je izvesti GLR proces stakla i kvarca. Istodobno, kvaliteta rezanja je visoka, ali rubovi su blago otopljeni s izlazne i ulazne strane grede.
Velike mogućnosti otvaraju se korištenjem GLR-a za rezanje tekstila. Dostupni rezultati eksperimentalnog istraživanja rezanja kako pojedinačnih slojeva tako i višeslojnih podova pokazuju da u svakom konkretnom slučaju postoje načini rada lasera i brzina kretanja materijala koji se obrađuje, pri kojima se postiže kvalitetan rez bez gorenja.
U tablici. Slika 6 prikazuje rezultate rezanja nekih dielektričnih materijala CO2 laserom.
Tablica 6 Bušenje nemetalnih materijala
Bušenje rupa jedno je od prvih područja laserske tehnologije. Prvo, spaljivanjem rupa u raznim materijalima, eksperimentatori su ih koristili za procjenu energije zračenja laserskih impulsa. Trenutačno proces laserskog bušenja postaje neovisni smjer laserske tehnologije. Materijali koji se buše laserskom zrakom uključuju nemetale kao što su dijamanti, rubin, ferit, keramika itd., u kojima je bušenje rupa konvencionalnim metodama teško ili neučinkovito. Pomoću laserske zrake možete bušiti rupe različitih promjera. Za ovu operaciju koriste se sljedeće dvije metode. U prvoj metodi, laserska zraka se kreće duž zadane konture, a oblik rupe određen je putanjom relativnog kretanja. Ovdje se odvija proces rezanja, u kojem se izvor topline kreće određenom brzinom u određenom smjeru: u ovom slučaju, u pravilu se koriste laseri s kontinuiranim valom, kao i pulsni laseri koji rade s povećanom stopom ponavljanja impulsa .
U drugoj metodi, koja se naziva metoda projekcije, obrađena rupa ponavlja oblik laserske zrake, kojoj se pomoću optičkog sustava može dati bilo koji presjek. Metoda projekcije bušenja rupa ima neke prednosti u odnosu na prvu. Dakle, ako se na putanju snopa postavi dijafragma (maska), tada se na taj način može odrezati njen periferni dio i dobiti relativno jednolika raspodjela intenziteta po presjeku snopa. Zbog toga je granica ozračene zone oštrija, konusnost otvora je smanjena, a kvaliteta je poboljšana.
Postoji niz tehnika koje vam omogućuju dodatno odabiranje dijela rastaljenog materijala iz rupe koja se obrađuje. Jedan od njih je stvaranje viška tlaka komprimiranim zrakom ili drugim plinovima, koji se unose u zonu bušenja pomoću mlaznice koaksijalne s laserskim zračenjem. Ovom metodom izbušene su rupe promjera 0,05-0,5 mm u keramičkim pločama debljine do 2,5 mm pomoću CO2 lasera koji radi u kontinuiranom načinu rada.
Bušenje rupa u tvrdoj keramici nije lak zadatak: konvencionalna metoda zahtijeva dijamantni alat, dok su druge postojeće metode otežane zbog veličine rupe u promjeru jednake desetinkama milimetra. Ove poteškoće su posebno uočljive kada je debljina ploče koja se obrađuje veća od promjera rupe. Omjer dubine rupe (debljine materijala) i njenog promjera mjerilo je kvalitete dobivanja tankih rupa; to 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 omogućuje postizanje najboljeg omjera uz vrlo visoku točnost postavljanja rupa i relativno kraće vrijeme. Tako je za lasersko bušenje polikristalne aluminijeve keramike visoke gustoće korišten rubinski laser s pulsnom energijom od 1,4 J, fokusiranom lećom sa žarišnom duljinom od 25 mm na površini diska i koja osigurava gustoću snage od oko 4 -106 W/cm2. U prosjeku je bilo potrebno 40 impulsa s brzinom ponavljanja od 1 Hz za bušenje kroz keramički disk debljine 3,2 mm. Trajanje laserskog impulsa bilo je 0,5 ms. Rezultirajuće rupe imale su konus promjera od 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 puno više od sličnog omjera za druge metode bušenja rupa. Za jednostavne materijale ovaj omjer za lasersko bušenje može biti 50:1.
Za uklanjanje produkata izgaranja i tekuće faze iz zone bušenja koristi se propuhivanje zrakom ili drugim plinovima. Učinkovitije puhanje proizvoda nastaje kombinacijom puhanja s prednje strane i vakuuma sa stražnje strane uzorka. Slična shema korištena je za bušenje rupa u keramici debljine do 5 mm. Međutim, učinkovito uklanjanje tekuće faze u ovom slučaju događa se tek nakon formiranja prolazne rupe.
U tablici. Slika 7 prikazuje parametre rupa u nekim nemetalnim materijalima i načine njihove obrade.
Tablica 7

Materijal	Parametri rupa			Način obrade
	Promjer, mm	Dubina, mm	Omjer dubine i promjera	energija, J	Trajanje pulsa x10-4, s	Gustoća toka, W/cm2	Broj impulsa po