Лазер. История создания. Принцип действия

С помощью лазерного излучения  маркировочные знаки можно наносить на детали и изделия из неметаллических  материалов, бумаги, картона, стекла, различных  композитных и полимерных материалов.

В связи с расширением  использования высокооборотных  механизмов, машин, агрегатов, навигационных  и инерционных систем актуальность приобретает проблема совершенствования  процесса балансировки, повышения ее точности, производительности.

Применение лазерного  излучения для устранения дисбаланса в балансировочных установках позволяет  не только повысит: точность и производительность процесса, но и добиться полной автоматизации  этой сложной н трудоемкой операции. Лазерный способ уравновешивания даст возможность устранять дисбаланс в период вращения изделия за один его пуск, что значительно упрощает технологический процесс.

Одна из схем реализации процесса предполагает вращение балансируемой детали и фокусирующей системы с равной частотой. При такой схеме во время балансировки фактически воспроизводится процесс лазерной прошивки несквозных отверстий импульсным излучением при неподвижной детали. Возможен и другой путь достижения этого эффекта, но без сообщения дополнительного вращения фокусирующей системе. При этом длительность импульса подбирается настолько малой, что имитируется процесс обработки неподвижной детали. Такие длительности обеспечиваются при генерации излучения в режиме модулированной добротности. При E=35 Дж, t=:0,1 мс, q=3,51010 Вт/см2 съем на один импульс составляет для стали 18ХН9Т — 0,3 мг, латуни ЛЦ40С — 1,5 мг, дюралюминия Д16Т — 1,8 мг.

Задачи маркировки и гравирования решаются двумя путями: с помощью  проекционного метода и с помощью  гравирования и перфорирования символов на поверхности маркируемого изделия.

Фирма IBM Deutschland (ФРГ) использует проекционный метод маркировки. В качестве источника излучения в установку введен лазер на рубине с энергией в импульсе 20 Дж и частотой следования импульсов 1 Гц. Для формирования символа служит проекционная система, состоящая из телескопа с матовым стеклом, маски и фокусирующего объектива. Маска выполнена в виде диска из молибденовой фольги с прорезями в форме цифр и букв. По команде ЭВМ диск поворачивается на нужный угол и происходит засветка нужного символа. Фокусирующий объект передает изображение этого символа на маркируемую поверхность.

Реализуя второй метод, фирма  Siemens на основе АИГ лазера с выходной мощностью до 100 Вт создала лазерную систему Silamatik для нанесения надписей на материалы с помощью лазера посредством отклоняющей оптики и системы зеркал.

Фирмы Holobeam и Teradyne в своем оборудовании используют лазеры на АИГ с модуляцией добротности и непрерывной накачкой.

В СССР разработан лазерный гравировальный автомат, предназначенный  для прямого изготовления офсетных форм непосредственно с оригинала, минуя фоторепродукционные и  фотохимические процессы.

Оригинал со штриховым  или полутоновым изображением на непрозрачной или прозрачной основе закрепляется на одном цилиндре автомата, а формная пластинка — на другом цилиндре.

В качестве формного материала  используется гладкая алюминиевая  фольга с предварительно нанесенным лаковым подслоем, поглощающим лазерное излучение, и полимерным антиадгезионным покрытием.

Электрооптическая система  построчно считывает оригинал, преобразуя оптическое изображение в электрический  сигнал, который через модулятор  управляет лазерным лучом. В качестве источника излучения используется СО2-лазер, работающий в непрерывном режиме генерации.

Лазерное излучение можно  использовать для предварительного нагрева слоя материала на заготовке  перед последующим удалением  его режущим инструментом. При  нагреве улучшается обрабатываемость стали вследствие изменения механических характеристик материала в зоне стружкообразования, увеличения его  пластичности, снижения прочности и  твердости. Однако наиболее распространенный в настоящее время метод предварительного нагрева с помощью плазменной струи позволяет локализовать тепловое воздействие лишь до пятна диаметром 6—8 мм, что значительно превышает  подачу инструмента на оборот заготовки  и приводит к образованию ЗТВ  больших размеров. Поэтому применение плазменного нагрева ограничивается обдирочными, черновыми операциями механической обработки. Кроме того, установка плазмотрона загромождает зону обработки, а в случае образования  слив-нон стружки имеется опасность  короткого замыкания с корпусом плазмотрона. Эти недостатки устраняются  при лазерном нагреве. Лазерное воздействие  можно локализовать таким образом, чтобы нагреву подвергалась только зона стружкообразования (рис. 6, а). Эффективность 

Рнс. 6. Схема лазерного воздействия при механической обработке

использования лазерного  нагрева в значительной мере определяется плотностью мощности излучения. С увеличением  q наблюдается значительное уменьшение результирующей силы резания. Так, при q = 7*104 Вт/см2 возможно снижение результирующей силы резания на 75% (рис. 6, б). Большое влияние на процесс резания оказывает расстояние L от направления воздействия луча до режущей кромки инструмента. При заданной плотности мощности излучения и определенной скорости резаная значение L должно быть выбрано оптимальным. При Р=~ 1,2 кВт диаметре пятна фокусирования 3 мм, скорости резания инструмента тальной стали vрез=ЗО м/мин оптимальное значение L=8 мм.

При лазерно-механической обработке  жаропрочной стали снижается  примерно в 2 раза шероховатость обработанной поверхности по сравнению с обычным  резанием. Существенно, до 3 раз, может  быть повышена и производительность обработки.

2.6. Типовые операции лазерной  поверхностной обработки

Наиболее широкая область  применения лазерной поверхностной  обработки — инструментальное производство, например изготовление и эксплуатация режущего инструмента, элементов штамповой  оснастки.

Лазерное упрочнение позволяет  снизить в 3—4 раза износ инструмента  путем повышения его поверхностной  твердости при сохранении общей  высокой динамической прочности, повышения  теплостойкости, снижения коэффициента трения пары режущий инструмент —  заготовка. Упрочнение может проводиться  до передней или задней поверхности, а также одновременно по двум поверхностям.

Внедрение технологии лазерного  упрочнения инструмента из сталей с  пониженным содержанием вольфрама  позволяет помимо повышения его  стойкости значительно сократить  расход дефицитной быстрорежущей стали.

Лазерное упрочнение приводит к повышению износостойкости  штампов в 2 раза и более. Упрочнение пуансонов обычно проводиться по боковым поверхностям. При этом возможна многократная переточка пуансонов. При упрочнении по передней поверхности  после очередной переточки кромки требуется повторная лазерная обработка.

Эффективно применение лазерного  излучения для повышения работоспособности  породоразрушающего инструмента для машин горнодобывающей промышленности. Здесь применение лазерной обработки приводит к росту износостойкости резцов комбайнов в 2—3 раза.

Широкое применение лазерная поверхностная обработка находит  для повышения долговечности, надежности деталей различных машин и  приборов во многих отраслях промышленности: химическом машиностроении, автомобильной  промышленности, судостроении, авиастроении и т. д.

В автотракторостроении лазерное упрочнение применяется для повышения  износостойкости распредвалов, коленвалов, шестерен заднего моста, рабочих поверхностей клапанов, клапанных седел, поршневых канавок, компрессионных колец, рычагов и других деталей. В нефтепромысловом оборудовании лазерное упрочнение применяют для повышения усталостной прочности резьбовой час-ти замковых соединений.

Высокую эффективность показала лазерная поверхностная обработка  для повышения износостойкости внутренних рабочих участков длинномерной направляющей балки линий производства полимерной пленки (рис. 12). Возможность локального упрочнения направляющих лазерным излучением позволила отказаться от объемной термообработки, вызывающей значительные деформации и поэтому требующей дополнительной механической обработки (с назначением соответствующих припусков) для их устранения.

Глава III. Примеры  поверхностной лазерной обработки 

Технология лазерной наплавки позволяет восстанавливать изношенные детали автомобильной, дорожно-строительной, судовой, горнодобывающей, энергетической техники. При этом восстанавливаемые  детали, например, коленчатые валы большегрузных  автомобилей имеют ресурс работы нового коленчатого вала, а стоимость восстановления методом лазерной наплавки коленвала составляет 30-40% от стоимости нового коленвала.

Технология лазерной наплавки позволяет заменить классическую химико-термическую  технологию азотирования, борирования, цементации, нироцементации. При этом резко сокращается длительность технологического цикла изготовления, снижается себестоимость изготовления, улучшается экология производства.

Некоторые примеры применения технологии лазерной наплавки.

Рис.6 Закалка колец подшипников

Сталь 55СМ5ФА. Параметры обработки: Мощность лазерного излучения 2,8кВт  Скорость 1,8м/мин Диаметр фокусного  пятна 11мм

Рис.7 Гильза больших размеров.

Процесс лазерной закалки гильзы цилиндра турбокомпрессорного дизельного двигателя локомотива ведут наложением спиральной полосы шириной 3...4мм через 1...1,5мм при мощности излучения 5кВт в течение 15минут. Глубина зоны упрочнения достигает 1мм, износостойкость увеличивается в три раза.

 

Рис.8 Термообработка ножей

Промышленный нож для  мясорубки. Термообработка режущих  кромок позволяет уменьшить количество заточек. Т.к. твёрдость кромки повышается в несколько раз.

Рис. 9 Восстановление изношенных крестовин локомотивов железнодорожного транспорта методом лазерной наплавки.

Рис. 10 Технология повышения  коррозионной стойкости методом  лазерной обработки.

Технологию лазерной наплавки можно использовать для повышения  коррозионной стойкости.

10% - H2SO4 - 24 часа

10% - HCL - 24 часа

Т=3000К

Как видно из фотографии наплавленный слой практически не поддается травлению.

Области применения – химическая промышленность, нефтегазодобывающая  промышленность, нефтеперерабатывающая, судостроительная, промышленность.

Лазерная закалка

Рис.11 Инструментальное производство

Разработана технология лазерной закалки отрезных, прорезных фрез из быстрорежущих (инструментальных) сталей с целью повышения их стойкости  до 10 раз. Лазерная закалка позволяет  уменьшить налипание на фрезу (адгезионное схватывание) особенно при обработке цветных сплавов, увеличить скорость резания.

Лазерная гравировка

       

Рис.12 примеры лазерной гравировки

Сложность наносимого гравировкой  изображения может быть любой, вплоть до полутоновых фотографических  изображений и штрих-кодов, а созданное лазером изображение воспроизводится на изделии за несколько секунд.

Лазерная гравировка выполняется  на самых разнообразных материалах: металл, пластик, дерево, кожа, стекло, оргстекло, акрил, камень, бумага и прочее, а также на многослойных, покрытых и окрашенных поверхностях. Процесс лазерной гравировки максимально автоматизирован и не имеет промежуточных технологических этапов между компьютерной версткой и конечным изделием. Весь процесс гравировки происходит при полном отсутствии ручных процессов, что позволяет максимально снизить количество ошибок в технологическом процессе и свести время производства готового изделия до рекордных значений в 10-15 минут, а время гравировки готового изделия - до 0,3 минут. Отсканированные картинки, фото, клипарты, чертежи, и многое другое может использоваться для "печати" лазером. Лазер гравирует и режет такие материалы как дерево, оргстекло, пластик, кожа и много других неметаллических материалов.

Существует также гравировка внутри стекла - это выполнение объемных изображений в массе оптически  прозрачного материала (стекла), которое  основано на фокусировании излучения  не на поверхности материала, как  в случае резки, а в его толще. Под воздействием короткого импульса излучения в точке фокусировки  происходит микровзрыв, изменяющий однородность материала. Таким образом, формируется один из пикселов составляющих изображение. Область применения: рекламный ассортимент, архитектурные модели, награды, подарки, бизнес-сувениры, промышленность, предметы коллекционирования, офисное снабжение, фотография, обозначения, спортивные товары, музыкальные инструменты и обработка дерева.

Лазерная маркировка промышленных изделий

     

Рис. 13 Примеры промышленной маркировки

Метод лазерной гравировки позволяет  наносить на изделия промышленного  производства любую, даже мелкую, информацию: логотип и название производителя, технические данные, сквозную нумерацию  и штрих-код продукции, выходные параметры изделия, название детали и др.

Лазерная маркировка является одним из самых надёжных способов защиты продукции от подделки. Быстрота процесса, сконцентрированная мощь воздействия, высокое качество прорисовки, простота применения, нестираемость изображения - качества, делающие лазерную маркировку привлекательной для современных производителей.

А бесконтактность нанесения имеет огромное значение для изделий с повышенными требованиями к точности, хрупких, нежестких деталей, не допускающих ударного клеймения.

Примеры использования лазерной гравировки и маркировки:

* лазерная гравировка  резцов, метчиков, сверл и другого  инструмента из высокопрочных  закаленных сталей или твердых  сплавов;

* нанесение шкал и нониусов;