Лазерные технологии в машиностроении

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

 

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ  УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«НОВОСИБИРСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра технологии машиностроения

 

 

Лазерные  технологии в машиностроении

Реферат по дисциплине Технология и НТП

 

 

 

 

 

 

 

 

Выпо студентка группы ФБЭВыполнила

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2010 

Содержание

 

Введение………………………………………………………………………….……1

1. Лазер……………………………………………………………………….…...5
2. Принцип работы лазера…………………………………………………….…8
3. Устройство лазерного оборудования………………………………………...10
4. Лазерные технологии…………………………………………………………12

1. Лазерная резка……………………………………………………..13
2. Лазерная сварка……………………………………………………15

4.3 Поверхностная лазерная обработка………………………………18

Заключение…………………………………………………………………………….20

Список литературы……………………………………………………………………24

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Изобретение лазера стоит в одном ряду с  наиболее выдающимися достижениями науки и техники XX века. Первый лазер  появился в 1960 г., и сразу же началось бурное развитие лазерной техники. В  короткое время были созданы разнообразные  типы лазеров и лазерных устройств, предназначенных для решения  конкретных научных и технических  задач. Лазеры уже успели завоевать  прочные позиции во многих отраслях народного хозяйства. Как заметил  академик А.П. Александров, “всякий  мальчишка теперь знает слово  лазер”. И все же, что такое  лазер, чем он интересен и полезен? Один из основоположников науки о  лазерах – квантовой электроники  – академик Н.Г. Басов отвечает на этот вопрос так: “Лазер – это устройство, в котором энергия, например тепловая, химическая, электрическая, преобразуется  в энергию электромагнитного  поля – лазерный луч. При таком  преобразовании часть энергии неизбежно  теряется, но важно то, что полученная в результате лазерная энергия обладает несравненно более высоким качеством. Качество лазерной энергии определяется ее высокой концентрацией и возможностью передачи на значительное расстояние. Лазерный луч можно сфокусировать  в крохотное пятнышко диаметра порядка  длины световой волны и получить плотность энергии, превышающую  еже на сегодняшний день плотность  энергии ядерного взрыва… С помощью  лазерного излучения уже удалось  достичь самых высоких значений температуры, давления, напряженности  магнитного поля. Наконец, лазерный луч  является самым емким носителем  информации и в этой роли – принципиально  новым средством ее передачи и  обработки”. Широкое применение лазеров  в современной науке и технике  объясняется специфическими свойствами лазерного излучения. Лазер –  это генератор когерентного света. В отличии от других источников света (например, ламп накаливания или  ламп дневного света) лазер дает оптическое излучение, характеризующееся высокой  степенью упорядоченности светового  поля или, как говорят, высокой степенью когерентности. Такое излучение  отличается высокой монохроматичностью и направленностью. В наши дни  лазеры успешно трудятся на современном  производстве, справляясь с самыми разнообразными задачами. Лазерным лучом  раскраивают ткани и режут  стальные листы, сваривают кузова автомобилей  и приваривают мельчайшие детали в радиоэлектронной аппаратуре, пробивают  отверстия в хрупких и сверхтвердых материалах. Доводка номиналов пассивных  элементов микросхем и методы получения на них активных элементов  с помощью лазерного луча получили дальнейшее развитие и применяются  в производственных условиях. Причем лазерная обработка материалов позволяет  повысить эффективность и конкурентоспособность  по сравнению с другими видами обработки. В руках хирурга лазерный луч превратился в скальпель, обладающий рядом удивительных свойств. Лазеры широко используются в современных контрольно-измерительных устройствах, вычислительных комплексах, системах локации и связи. Лазеры позволяют быстро и надежно контролировать загрязненность атмосферы и поверхности моря, выявлять наиболее нагруженные участки деталей различных механизмов, определять внутренние дефекты в них. Лазерный луч становится надежным помощником строителей, картографов, археологов, криминалистов. Непрерывно расширяется область применения лазеров в научных исследованиях – физических, химических, биологических.

 

Замечательные свойства лазеров – исключительно  высокая когерентность и направленность излучения, возможность генерирования  когерентных волн большой интенсивности  в видимой, инфракрасной и ультрафиолетовой областях спектра, получение высоких  плотностей энергии как в непрерывном, так и в импульсном режиме –  уже на заре квантовой электроники  указывало на возможность широкого их применения для практических целей. С начала своего возникновения лазерная техника развивается исключительно  высокими темпами. Появляются новые  типы лазеров и одновременно усовершенствуются  старые: создаются лазерные установки  с необходимым для различных  конкретных целей комплексом характеристик, а также различного рода приборы  управления лучом, все более и  более совершенствуется измерительная  техника. Это послужило причиной глубокого проникновения лазеров  во многие отрасли народного хозяйства, и в частности в машино- и  приборостроение.

 

Значительная  импульсная мощность и энергия излечения  современных твердотельных и  газовых лазеров позволили вплотную подойти к решению проблем  лазерной энергетики – разработке лазерного оружия для систем противоракетной  обороны, управляемого термоядерного  синтеза, разделения изотопов и лучевой  передачи энергии, в том числе  на космические объекты.

 

Надо особо  отметить, что освоение лазерных методов  или, иначе говоря, лазерных технологий значительно повышает эффективность  современного производства. Лазерные технологии позволяют осуществлять наиболее полную автоматизацию производственных процессов. Одновременно при этом экономится сырье и рабочее время, повышается качество продукции. Например, практически  мгновенная пробивка отверстий лазерным излучением во много раз увеличивает  производительность работы сверловщика  и к тому же существенно повышает качество этой работы. Лазерное изготовление микросхем отличается высокой производительностью и высоким качеством. В обоих примерах производственные операции легко поддаются автоматизации; управление лазерным лучом может взять на себя специальное вычислительное устройство. Можно уверенно утверждать, что внедрение и совершенствование лазерных технологий приведет к качественному изменению всего облика современного производства.

 

Огромны и  впечатляющи достижения лазерной техники  сегодняшнего дня. Завтрашний день обещает  еще более грандиозные свершения. С лазерами связаны многие надежды: от создания объемного кино до решения  таких глобальных проблем, как установление сверхдальней наземной и подводной  оптической связи, разгадку тайн фотосинтеза, осуществление управляемой термоядерной реакции, появление систем с большим  объемом памяти и быстродействующими устройствами ввода—вывода информации.

1. Лазер

 

Лазер - усиление света в результате вынужденного излучения) -источник оптического когерентного излучения, характеризующегося высокой направленностью и большой плотностью энергии. Существуют газовые лазеры, жидкостные и твердотельные (на диэлектрических кристаллах, стеклах, полупроводниках). В лазере происходит преобразование различных видов энергии в энергию лазерного излучения. Главный элемент лазера — активная среда, для образования которой используют: воздействие света, электрический разряд в газах, химические реакции, бомбардировку электронным пучком и другие методы «накачки». Активная среда расположена между зеркалами, образующими оптический резонатор. Существуют лазеры непрерывного и импульсного действия. Лазеры получили широкое применение в научных исследованиях (в физике, химии, биологии и др.), в практической медицине (хирургия, офтальмология и др.), а также в технике (лазерная технология). Лазеры позволили осуществить оптическую связь и локацию, они перспективны для осуществления управляемого термоядерного синтеза.

Лазер - устройство, генерирующее электромагнитное излучение в диапазоне длин волн от ультрафиолета (УФ, порядка 0,1 нм) до субмиллиметрового инфракрасного (ИК) за счет вынужденного испускания или рассеяния света активной средой, помещенной в оптический резонатор. Название представляет собой аббревиатуру английской фразы «Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation» (усиление света за счет вынужденного излучения). Первыми приборами этого типа были квантовые генераторы коротких радиоволн, получившие название мазеры (та же аббревиатура с заменой «light» на «microwave» — микроволны).

В советской  литературе употреблялся также термин «оптический квантовый генератор» (ОКГ).

Приведем  некоротые классификации лазеров.

Принято различать  два типа лазеров: усилители и  генераторы. На выходе усилителя появляется лазерное излучение, когда на его  вход (а сам он уже находится  в возбужденном состоянии) поступает  незначительный сигнал на частоте перехода. Именно этот сигнал стимулирует возбужденные частицы к отдаче энергии. Происходит лавинообразное усиление. Таким образом  – на входе слабое излучение, на выходе – усиленное.

 

С генератором  дело обстоит иначе. На его вход излучение  на частоте перехода уже не подают, а возбуждают и, более того, перевозбуждают активное вещество. Причем если активное вещество находится в перевозбужденном состоянии, то существенно растет вероятность  самопроизвольного перехода одной  или нескольких частиц с верхнего уровня на нижний. Это приводит к  возникновению стимулированного излучения.

 

Второй подход к классификации лазеров связан с физическим состоянием активного  вещества. С этой точки зрения лазеры бывают твердотельными (например, рубиновый, стеклянный или сапфировый), газовыми (например, гелий-неоновый, аргоновый  и т.п.), жидкостными, если в качестве активного вещества используется полупроводниковый  переход, то лазер называют полупроводниковым.

 

Третий подход к классификации связан со способом возбуждения активного вещества. Различают следующие лазеры: с  возбуждением за счет оптического излучения, с возбуждением потоком электронов, с возбуждением солнечной энергией, с возбуждением за счет энергий взрывающихся проволочек, с возбуждением химической энергией, с возбуждением с помощью  ядерного излучения. Различают также  лазеры по характеру излучаемой энергии  и ее спектральному составу. Если энергия излучается импульсно, то говорят  об импульсных лазерах, если непрерывно, то лазер называют лазером с непрерывным  излучением. Есть лазеры и со смешанным  режимом работы, например полупроводниковые. Если излучение лазера сосредоточено  в узком интервале длин волн, то лазер называют монохроматичным, если в широком интервале, то говорят  о широкополосном лазере.

 

Еще один вид  классификации основан на использовании  понятия выходной мощности. Лазеры, у которых непрерывная (средняя) выходная мощность более 10^6 Вт,

называют  высокомощными. При выходной мощности в диапазоне 10^5…10^3 Вт имеем лазеры средней мощности. Если же выходная мощность менее 10^-3 Вт, то говорят о  маломощных лазерах.

 

В зависимости  от конструкции открытого зеркального  резонатора различают лазеры с постоянной добротностью и лазеры с модулированной добротностью – у такого лазера одно из зеркал может быть размещено, в частности, на оси электродвигателя, который вращает это зеркало. В данном случае добротность резонатора периодически меняется от нулевого до максимального значения. Такой лазер  называют лазером с Q-модуляцией.

 

Одной из характеристик  лазеров является длина волны  излучаемой энергии. Диапазон волн лазерного  излучения простирается от рентгеновского участка до дальнего инфракрасного, т.е. от 10^-3 до 10^2 мкм. За областью 100 мкм  лежит, образно говоря, “целина”. Но она простирается только до миллиметрового участка, который осваивается радистами. Этот неосвоенный участок непрерывно сужается, и есть надежда, что его  освоение завершится в ближайшее  время. Доля, приходящаяся на различные  типы генераторов, неодинакова. Наиболее широкий диапазон у газовых квантовых  генераторов.

 

Другой важной характеристикой лазеров является энергия импульса. Она измеряется в джоулях и наибольшей величины достигает у твердотельных генераторов  – порядка 10^3 Дж. Третьей характеристикой  является мощность. Газовые генераторы, которые излучают непрерывно, имеют  мощность от 10^-3 до 10^2 Вт. Милливаттную мощность имеют генераторы, использующие в качестве активной среды гелий-неоновую смесь. Мощность порядка 100 Вт имеют  генераторы на CO2. С твердотельными генераторами разговор о мощности имеет  особый смысл. К примеру, если взять  излучаемую энергию в 1 Дж, сосредоточенную  в интервале в одну секунду, то мощность составит 1 Вт. Но длительность излучения генератора на рубине составляет 10^-4 с, следовательно, мощность составляет 10000 Вт, т.е. 10 кВт. Если же длительность импульса уменьшена с помощью  оптического затвора до 10^-6 с, мощность составляет 10^6 Вт, т.е. мегаватт. Это  не предел! Можно увеличить энергию  в импульсе до 10^3 Дж и сократить  ее длительность до 10^-9 с и тогда  мощность достигнет 10^12 Вт. А это  очень большая мощность. Известно, что когда на металл приходится интенсивность  луча, достигающая 10^5 Вт/см^2, то начинается плавление металла, при интенсивности 10^7 Вт/см^2 – кипение металла, а при 10^9 Вт/см^2 лазерное излучение начинает сильно ионизировать пары вещества, превращая их в плазму.

 

Еще одной  важной характеристикой лазера является расходимость лазерного луча. Наиболее узкий луч имеют газовые лазеры. Он составляет величину в несколько  угловых минут. Расходимость луча твердотельных  лазеров около 1…3 угловых градусов. Полупроводниковые лазеры имеют  лепестковый раскрыв излучения: в одной плоскости около одного градуса, в другой – около 10…15 угловых  градусов.

 

Следующей важной характеристикой лазера является диапазон длин волн, в котором сосредоточено  излучение, т.е. монохроматичность. У  газовых лазеров монохроматичность  очень высокая, она составляет 10^-10, т.е. значительно выше, чем у газоразрядных  ламп, которые раньше использовались как стандарты частоты. Твердотельные  лазеры и особенно полупроводниковые  имеют в своем излучении значительный диапазон частот, т. е. не отличаются высокой  монохроматичностью.

 

Очень важной характеристикой лазеров является коэффициент полезного действия. У твердотельных он составляет от 1 до 3,5%, у газовых 1…15%, у полупроводниковых 40…60%. Вместе с тем принимаются  всяческие меры для повышения  кпд лазеров, ибо низкий кпд приводит к необходимости охлаждения лазеров  до температуры 4…77 К, а это сразу  усложняет конструкцию аппаратуры.

 

2. Принцип работы лазера

 

 

Физической  основой работы лазера служит явление  вынужденного (индуцированного) излучения[1]. Суть явления состоит в том, что возбуждённый атом способен излучить фотон под действием другого фотона без его поглощения, если энергия последнего равняется разности энергий уровней атома до и после излучения. При этом излучённый фотон когерентен фотону, вызвавшему излучение (является его «точной копией»). Таким образом происходит усиление света. Этим явление отличается от спонтанного излучения, в котором излучаемые фотоны имеют случайные направления распространения, поляризацию и фазу[2][3].

 

Светящийся  луч в центре — это не собственно лазерный луч, а электрический разряд, порождающий свечение, подобно тому, как это происходит в неоновых лампах. Луч проецируется на экран  справа в виде светящейся красной  точки.

 

Вероятность того, что случайный фотон вызовет  индуцированное излучение возбуждённого  атома, в точности равняется вероятности  поглощения этого фотона атомом, находящимся  в невозбуждённым состоянии[4]. Поэтому для усиления света необходимо, чтобы возбуждённых атомов в среде было больше, чем невозбуждённых (так называемая инверсия населённостей). В состоянии термодинамического равновесия это условие не выполняется, поэтому используются различные системы накачки активной среды лазера (оптические, электрические, химические и др.)[5].

 

Первоисточником генерации является процесс спонтанного  излучения, поэтому для обеспечения  преемственности поколений фотонов  необходимо существование положительной  обратной связи, за счёт которой излучённые фотоны вызывают последующие акты индуцированного  излучения. Для этого активная среда  лазера помещается в оптический резонатор. В простейшем случае он представляет собой два зеркала, одно из которых  полупрозрачное — через него луч  лазера частично выходит из резонатора. Отражаясь от зеркал, пучок излучения  многократно проходит по резонатору, вызывая в нём индуцированные переходы. Излучение может быть как  непрерывным, так и импульсным. При  этом, используя различные приборы (вращающиеся призмы, ячейки Керра  и др.) для быстрого выключения и  включения обратной связи и уменьшения тем самым периода импульсов, возможно создать условия для  генерации излучения очень большой  мощности (так называемые гигантские импульсы)[2]. Этот режим работы лазера называют режимом модулированной добротности.

 

Генерируемое  лазером излучение является монохроматическим (одной или дискретного набора длин волн), поскольку вероятность  излучения фотона определённой длины  волны больше, чем близко расположенной, связанной с уширением спектральной линии, а, соответственно, и вероятность  индуцированных переходов на этой частоте  тоже имеет максимум. Поэтому постепенно в процессе генерации фотоны данной длины волны будут доминировать над всеми остальными фотонами[4]. Кроме этого, из-за особого расположения зеркал в лазерном луче сохраняются лишь те фотоны, которые распространяются в направлении, параллельном оптической оси резонатора на небольшом расстоянии от неё, остальные фотоны быстро покидают объём резонатора. Таким образом луч лазера имеет очень малый угол расходимости[5]. Наконец, луч лазера имеет строго определённую поляризацию. Для этого в резонатор вводят различные поляроиды, например, ими могут служить плоские стеклянные пластинки, установленные под углом Брюстера к направлению распространения луча лазера[6].

3. Устройство лазерного  оборудования

 

Ла́зер обычно состоит из трёх основных элементов:

1. Источник энергии (механизм «накачки»)
2. Рабочее тело
3. Система зеркал («оптический резонатор»)

 

Источник  накачки подаёт энергию в систему. В его качестве могут выступать:

• электрический разрядник;
• импульсная лампа;
• дуговая лампа;
• другой лазер;
• химическая реакция;
• взрывчатое вещество.

 

Рабочее тело является основным определяющим фактором рабочей длины волны, а также  остальных свойств лазера. Существует большое количество различных рабочих  тел, на основе которых можно построить  лазер. Рабочее тело подвергается «накачке», чтобы получить эффект инверсии электронных  населённостей, что вызывает вынужденное  излучение фотонов и эффект оптического  усиления.

 

Тип используемого  устройства накачки напрямую зависит  от используемого рабочего тела, а  также определяет способ подвода  энергии к системе. Например, гелий-неоновые лазеры используют электрические разряды  в гелий-неоновой газовой смеси, а лазеры на основе алюмо-иттриевого граната с неодимовым легированием (Nd:YAG-лазеры) — сфокусированный свет ксеноновой импульсной лампы, эксимерные лазеры — энергию химических реакций.

 

В лазерах  используются следующие рабочие  тела:

Жидкость, например в лазерах на красителях. Состоят  из органического растворителя, например метанола, этанола или этиленгликоля, в которых растворены химические красители, например кумарин или  родамин. Конфигурация молекул красителя  определяет рабочую длину волны.

 

Газы, например, углекислый газ, аргон, криптон или  смеси, такие как в гелий-неоновых лазерах. Такие лазеры чаще всего  накачиваются электрическими разрядами. 

Твёрдые тела, такие как кристаллы и стекло. Сплошной материал обычно легируется (активируется) добавкой небольшого количества ионов хрома, неодима, эрбия или  титана. Типичные используемые кристаллы: алюмо-иттриевый гранат (YAG), литиево-иттриевый  фторид (YLF), сапфир (оксид алюминия) и силикатное стекло. Самые распространённые варианты: Nd:YAG, титан-сапфир, хром-сапфир (известный также как рубин), легированный хромом стронций-литий-алюминиевый  фторид (Cr:LiSAF), Er:YLF и Nd:glass (неодимовое стекло). Твердотельные лазеры обычно накачиваются импульсной лампой или другим лазером.

 

Полупроводники. Материал, в котором переход электронов между энергетическими уровнями может сопровождаться излучением. Полупроводниковые  лазеры очень компактны, накачиваются электрическим током, что позволяет  использовать их в бытовых устройствах, таких как проигрыватели компакт-дисков.

 

Оптический  резонатор, простейшей формой которого являются два параллельных зеркала, находится вокруг рабочего тела лазера. Вынужденное излучение рабочего тела отражается зеркалами обратно  и опять усиливается. Волна может  отражаться многократно до момента  выхода наружу. В более сложных  лазерах применяются четыре и  более зеркал, образующих резонатор. Качество изготовления и установки  этих зеркал является определяющим для  качества полученной лазерной системы.

 

Как правило  в твердотельных лазерах зеркала  формируются на полированных торцах активного элемента. В газовых  лазерах и лазерах на красителях - на торцах колбы с рабочим телом.

 

Для выхода излучения  одно из зеркал делается полупрозрачным.

 

Также, в лазерной системе могут монтироваться  дополнительные устройства для получения  различных эффектов, такие как  поворачивающиеся зеркала, модуляторы, фильтры и поглотители. Их применение позволяет менять параметры излучения  лазера, например, длину волны, длительность импульсов и т. д.

4. Лазерные технологии

 

Лазеры нашли  широкое применение, и в частности  используются в промышленности для  различных видов обработки материалов: металлов, бетона, стекла, тканей, кожи и т. п.

 

Лазерные  технологические процессы можно  условно разделить на два вида. Первый из них использует возможность  чрезвычайно тонкой фокусировки  лазерного луча и точного дозирования  энергии как в импульсном, так  и в непрерывном режиме. В таких  технологических процессах применяют  лазеры сравнительно невысокой средней  мощности: это газовые лазеры импульсно--периодического действия, лазеры на кристаллах иттрий-алюминиевого граната с примесью неодима. С  помощью последних были разработаны  технология сверления тонких отверстий

(диаметром  1 - 10 мкм и глубиной до 10 -100 мкм)  в рубиновых и алмазных камнях  для часовой промышленности и  технология изготовления фильеров  для протяжки тонкой проволоки.  Основная область применения  маломощных импульсных лазеров  связана с резкой и сваркой  миниатюрных деталей в микроэлектронике  и электровакуумной промышленности, с маркировкой миниатюрных деталей,  автоматическим выжиганием цифр, букв, изображений для нужд полиграфической  промышленности.

 

В последние  годы в одной из важнейших областей микроэлектроники - фотолитографии, без  применения которой практически  невозможно изготовление сверхминиатюрных печатных плат, интегральных схем и  других элементов микроэлектронной техники, обычные источники света  заменяются на лазерные. С помощью  лазера на

ХеСL (1=308 нм) удается  получить разрешение в фотолитографической  технике до 0,15 - 0,2 мкм.

 

Дальнейший  прогресс в субмикронной литографии связан с применением в качестве экспонирующего источника света  мягкого рентгеновского излучения  из плазмы, создаваемой лазерным лучом. В этом случае предел разрешения, определяемый длиной волны рентгеновского излучения (1= 0,01 - О,001 мкм), оказывается просто фантастическим.

 

Второй вид  лазерной технологии основан на применении лазеров с большой средней  мощностью: от 1кВт и выше. Мощные лазеры используют в таких энергоемких  технологических процессах, как  резка и сварка толстых стальных листов, поверхностная закалка, наплавление  и легирование крупногабаритных деталей, очистка зданий от поверхностей загрязнений, резка мрамора, гранита, раскрой тканей, кожи и других материалов. При лазерной сварке металлов достигается  высокое качество шва и не требуется  применение вакуумных камер, как  при электроннолучевой сварке, а  это очень важно в конвейерном  производстве.

 

Мощная лазерная технология нашла применение в машиностроении, автомобильной промышленности, промышленности строительных материалов. Она позволяет  не только повысить качество обработки  материалов, но и улучшить технико-экономические  показатели производственных процессов. Так, скорость лазерной сварки стальных листов толщиной 14 мКм достигает 100мч при расходе электроэнергии 10 кВт.ч.

1.  Лазерная резка

 

Технология  резки и раскроя материалов, использующая лазер высокой мощности и обычно применяемая на промышленных производственных линиях. Сфокусированный лазерный луч, обычно управляемый компьютером, обеспечивает высокую концентрацию энергии и  позволяет разрезать практически  любые материалы независимо от их теплофизических свойств. В процессе резки, под воздействием лазерного  луча материал разрезаемого участка  плавится, возгорается, испаряется или  выдувается струей газа. При этом можно  получить узкие резы с минимальной  зоной термического влияния. Лазерная резка отличается отсутствием механического  воздействия на обрабатываемый материал, возникают минимальные деформации, как временные в процессе резки, так и остаточные после полного  остывания. Вследствие этого лазерную резку, даже легкодеформируемых и нежестких  заготовок и деталей, можно осуществлять с высокой степенью точности. Благодаря  большой мощности лазерного излучения  обеспечивается высокая производительность процесса в сочетании с высоким  качеством поверхностей реза. Легкое и сравнительно простое управление лазерным излучением позволяет осуществлять лазерную резку по сложному контуру плоских и объемных деталей и заготовок с высокой степенью автоматизации процесса.

Для лазерной резки металлов применяют технологические  установки на основе твердотельных  и газовых CO2-лазеров, работающих как  в непрерывном, так и в импульсно-периодическом  режимах излучения. Промышленное применение газолазерной резки с каждым годом  увеличивается, но этот процесс не может  полностью заменить традиционные способы  разделения металлов. В сопоставлении  со многими из применяемых на производстве установок стоимость лазерного  оборудования для резки ещё достаточно высока, хотя в последнее время  наметилась тенденция к её снижению. В связи с этим процесс лазерной резки становится эффективным только при условии обоснованного и  разумного выбора области применения, когда использование традиционных способов трудоемко или вообще невозможно.

 

Лазерная  резка осуществляется путём сквозного  прожига листовых металлов лучом  лазера. Такая технология имеет ряд  очевидных преимуществ перед  многими другими способами раскроя:

• Отсутствие механического контакта позволяет обрабатывать хрупкие и деформирующиеся материалы;
• Обработке поддаются материалы из твердых сплавов;
• Возможна высокоскоростная резка тонколистовой стали;
• При выпуске небольших партий продукции целесообразнее провести лазерный раскрой материала, чем изготавливать для этого дорогостоящие пресс-формы или формы для литья.

Для автоматического  раскроя материала достаточно подготовить  файл рисунка в любой чертежной  программе и перенести файл на компьютер установки, которая выдержит погрешности в очень малых величинах.

 

Для лазерной резки подходит любая сталь любого состояния, алюминий и его сплавы и другие цветные металлы. Обычно применяют листы из таких металлов:

• Сталь от 0.2 мм до 25 мм
• Нержавеющая сталь от 0.2 мм до 30 мм
• Алюминиевые сплавы от 0.2 мм до 20 мм
• Латунь от 0.2 мм до 12 мм
• Медь от 0.2 мм до 15 мм

 

Для разных материалов применяют различные типы лазеров.

Лазер и его  оптика (включая фокусирующие линзы) нуждаются в охлаждении. В зависимости  от размеров и конфигурации установки, избыток тепла может быть отведен  теплоносителем или воздушным обдувом. Вода, часто применяемая в качестве теплоносителя обычно циркулирует  через теплообменник или холодильную  установку.

 

Эффективность промышленных лазеров может варьироваться  от 5% до 15%. Энергопотребление и эффективность  будут зависеть от выходной мощности лазера, его рабочих параметров и  того, насколько хорошо лазер подходит для конкретной работы. Величина необходимой  затрачиваемой мощности, необходимой  для резки, зависит от типа материала, его толщины, среды обработки, скорости обработки.

2.  Лазерная сварка

 

Лазерный  луч обеспечивает высокую концентрацию энергии (до 10^8 Вт/см2), благодаря возможности  его фокусировки в точку диаметром  в несколько микрометров. Такая  концентрация значительно выше чем, к примеру, у дуги. Сравнимой концентрацией  энергии обладает электронный луч (до 10^б Вт/см2). Однако электронно-лучевая  сварка осуществляется лишь в вакуумных  камерах - это необходимо для устойчивого  проведения процесса, лазерная же сварка не требует вакуума, что упрощает и убыстряет тех. процессы. Процесс  лазерной сварки осуществляется либо на воздухе, либо в среде защитных газов: Аr, Не, СО2 и др. Лазерный луч, так же как и электронный легко  отклоняется, транспортируется с помощью  оптической системы.