Перспективы разработки лазерных технологических комплексов

 Министерство образования  и науки Российской Федерации

Федеральное государственное  бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

АМУРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  УНИВЕРСИТЕТ

(ФГБОУ ВПО «АмГУ»)

 

 

 

 

РЕФЕРАТ

 

На тему: Перспективы разработки лазерных технологических комплексов

По дисциплине: 

 

 

Выполнил:

Студент ….. группы      ………..

 

Проверил:                                                                      ……………..

 

 

 

Благовещенск 2012

Сейчас  актуально развитие наукоемких технологий и в то же время требуется повышение  надежности лазерных систем, увеличение мощности и качества излучения, снижение металлоемкости конструкций и, разумеется, - уменьшение стоимости АЛТК (автоматизированных лазерных технологических комплексов). В частности, актуально создание специальных оптических элементов и деталей резонаторов, работающих в условиях сильного механического и термического воздействия. Оптические элементы лазера должны быть точными, сохранять стабильность своих параметров в течение длительного времени. Например, деформация резонатора на метровой длине не должна превышать микрона при уровне мощности разряда около ста киловатт. Воздействие мощного лазерного излучения на вещество, лазерная обработка материалов вполне соответствует фундаментальной задаче о многофазном течении газа при интенсивном выделении энергии. Уникальные свойства лазерного излучения, фокусировка его в малые пространственные и временные масштабы, открывает возможность принципиально изменять свойства материалов. Развивающееся новое научное направление, названное "лазерной металлургией", открывает перспективу создания биметаллических структур с заранее заданными свойствами. Исследование, как теоретически - построением численных моделей, так и экспериментально - динамики вещества и теплопереноса при воздействии излучением с различными длинами волн (от 0,2 до 10 мкм) на материалы - позволит не только развить традиционные методы технологической обработки (резка, сварка, упрочнение поверхности), но создать новые, например, лазерное трехмерное фрезерование металлических деталей лазерных систем, увеличение мощности и качества излучения, снижение металлоемкости конструкций.

Автоматизированные технологические лазерные комплексы пред- лагаются для использования в промышленности. АЛТК   удовлетворяют спрос промышленных предприятий на гибкое, универсальное, наукоемкое технологическое оборудование и предназначены для эксплуатации   в   заводских условиях.

Отраслевая направленность АЛТК: автомобильная, авиационная, электротехническая, нефтегазовая, машино- и тракторостроительная, атомная и другие отрасли промышленности.

Автоматизированные  технологические лазерные комплексы     используются для:

- резки листовых материалов; 
- нанесения высокоэффективных покрытий; 
- сварки; 
- термообработки; 
- легирования; 
- плакирования; 
- наплавки; 
- гравировки. 

Уникальность  и конкурентоспособность продукции

Состав предлагаемых АТЛК: 
- единственные в мире СО2-лазеры мощностью от 1,5 до 15 кВт, с излучением высокого качества, близким к ТЕМ00-моде; 
- технологический стол с рабочим полем 1,5х2м, 2,5х6м и др.; 
- манипуляторы для термообработки, сварки и других операций; 
- рабочая смесь газов: углекислый газ и воздух, что резко снижает эксплуатационные расходы. 

Предлагаемые АЛТК применимы  для различных технологий            обработки материалов: металла, древесины, пластика, паронита, стекла,           керамики и иных.

При использовании АЛТК возможно регулирование параметров обработки в очень широком интервале режимов: легкость автоматизации процесса, возможность обработки на воздухе, исключение механического воздействия на обрабатываемый материал, отсутствие вредных отходов.             Прецизионность перемещения луча лазера в пространстве обеспечивает точность позиционирования от 1 до 100 микрон.

Лазерная резка – скорость резки до 50м/мин - 0,5м/мин для листовой стали толщиной 0,3-50 мм. Площадь раскроя до 2,5х6 м. Применение лазера в 10 раз дешевле по сравнению с традиционным способом производства.

Лазерная сварка - минимальное тепловое влияние, возможен прерывистый или сплошной шов любой конфигурации – толщина листов нержавеющей стали до 20мм. Высокоскоростная сварка, малые затраты на единицу длины шва, высококачественный шов не требует последующий обработки.

Лазерная термообработка - получение самозатачивающегося инструмента, закалка гильз цилиндров двигателей. В комплексе с механической обработкой лазерная термообработка применима для восстановления изношенных поверхностей валков прокатных станов

Лазерно-порошковая наплавка - изготовление режущего инструмента с режущими поверхностями высокой твердости. Твердость наплавляемого слоя - 66-72 HRC.

Применение лазерных технологий может играть существенную роль в развитии электротехнической промышленности России. Известно, что значительная часть оборудования энергетической системы страны выработала свой ресурс, то есть требует ремонта или замены. Необходимость поставки ряда мощных двигателей, генераторов, трансформаторов, не вписывающихся в серийные типоразмеры (как по требованию заказчиков, так и по условиям эксплуатации), определяет их как уникальные машины, выполняемые в малом количестве экземпляров. При традиционной технологии раскроя электротехнической стали - штамповке, необходимо изготовление комплекта новых штампов, стоимость которых сравнима (30 -50%) со стоимостью самой электрической машины. При изготовлении единичных экземпляров или малых серий это существенно увеличивает стоимость изделия и время его изготовления.

Лазеры открывают возможность  создания высокопроизводительной технологии и гибких технологических линий  для лазерного раскроя тонколистовой (0,2 - 0,7 мм) электротехнической стали, что обеспечивает сокращение времени подготовки производства и изготовления шихтованных сердечников электрических машин примерно в 10 раз по сравнению с традиционной технологией, при уменьшении примерно в 1,5 раза затрат на их производство.

Однако на пути внедрения АЛТК - типичная для нашей страны преграда -  отсутствие финансовых оборотных средств.

Но нашлись и заказчики - крупные  предприятия нашей страны и ближнего зарубежья. Например, Машиностроительный завод в Харькове, ПО "СредАзхиммаш" (г. Чирчик), Автобусный завод (г. Курган). Соответственно, заказчики смогли с выгодой для себя заниматься термоупрочнением гильз цилиндров дизельных двигателей. В другом случае - сваркой труб и трубных досок в котлах; и резкой бакелитовых деталей основания пола автобусов. Комплексы используются для резки стальных листовых материалов, для лазерно-порошковой наплавки, лазерно-механической обработки валков прокатных станов и различного инструмента. Это можно увидеть, например, на участке лазерных технологий АО "Запсибметкомбинат" в Новокузнецке.

Таким образом ученые нашли дополнительные средства для экспериментальных исследований, в которых использовались довольного дорогостоящие лазерные установки. Фактически, работа велась в двух направлениях. Наряду с научными исследованиями разворачивалось экспериментальное производство, выпускающее малые партии АЛТК. Как показали дальнейшие события, решение проблемы было более чем актуально.

ПРИМЕНЕНИЕ  ЛАЗЕРНОЙ РЕЗКИ В ПРОИЗВОДСТВЕ

Лазерная резка металла, это современный высокоэффективный  метод обработки позволяющий  получать высочайшее качество реза. Принцип  лазерной резки заключается в применении лазера для локального расплавления металла и его последующего выдувания из зоны обработки посредством технологического газа. При этом лазерное излучение должно достаточно точно фокусироваться на поверхности материала, поскольку данный тип излучения имеет достаточно высокую расходимость. Поставленная проблема решается при помощи современных систем слежения применяемых в лазерных комплексах. Вообще, портальный механизм лазерного комплекса это достаточно сложная конструкция по сравнению с механикой плазменного и газоплазменного раскройного комплекса. На сегодняшний день, станок лазерной резки – это высокотехнологичный комплекс позволяющий производить обработку с максимальной точностью и производительностью и позволяет значительно повысить эффективность всего производственного комплекса.

Лазерная резка наиболее эффективна для изготовления разного  рода фигурных изделий из тонко и  -средне листового металла. В данном случае технология лазерной обработки позволяет достигать высокой гибкости производства и обеспечивает высокое качество получаемых изделий. 
До недавних пор лазерные комплексы являлись достаточно неудобными устройствами в плане эксплуатации. Поскольку СО₂ и твердотельные лазерные источники требуют достаточно высоких эксплуатационных расходов и достаточно требовательны в обращении. Значительно более эффективны в обслуживании волоконные лазеры, стремительно набирающие популярность во всем мире и вытесняющие другие лазерные источники с рынка лазеров для обработки металла. Современные станки лазерной резки на основе волоконного лазерного источника это высокотехнологичные решения достаточно дешевые в эксплуатации и позволяющие получать наиболее качественные детали с возможностью гибкого изменения геометрии раскроя.

ДОКЛАДЫ РУССКИХ УЧЕНЫХ О  РАЗВИТИИ И ПЕРСПЕКТИВАХ   ИЗУЧЕНИЯ ЛАЗЕРНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ.

Выступление директора Научного центра волоконной оптики РАН академика Е.М. Дианова было посвящено развитию волоконно-оптической и лазерной индустрии. Отмечалась перспективность промышленного производства фемтосекундных волоконных лазеров, применяемых в прецизионных и компактных оптических часах, в биологии и медицине, для формирования микро- и нано структур, в астрофизике для определения скорости расширения Вселенной с точностью 1 см/с и  поиска экзо планет, а также для прецизионной обработки различных материалов.

Доклад лауреата Государственной  премии РФ в области науки и  технологий за 2009 год, заведующего лабораторией Института ядерной физики им. Г.И. Будкера Сибирского отделения РАН, д. ф.-м. н., профессора        Н.Н. Винокурова касался перспектив создания лазеров на свободных электронах (ЛСЭ). В работе, выполненной в соавторстве с академиками Г.Н. Кулипановым и А.Н. Скринским, проанализированы достижения и спрогнозированы перспективы развития лазерных технологий и представлены результаты новых научных исследований. Например, при абляции оргстекла несфокусированным излучением новосибирского ЛСЭ за 3 мин лазерный пучок без признаков горения материала просверлил отверстие длиной 5 см.

 Данный механизм может  также применяться при производстве  нано материалов.  В выступлении  академика-секретаря Отделения нано  технологий и информационных технологий РАН академика Е.П. Велихова была представлена ретроспектива и современные проблемы развития лазерных технологий. Отмечалось, что ускорению работ по созданию лазерного оружия способствовало создание первого лазера Т. Мейманом (T. Maiman) и первого СО₂-лазера К. Пателом. Данная проблема неоднократно обсуждалась на встречах министра обороны СССР Д.Ф. Устинова и президента АН СССР академика А.П. Александрова с ведущими экспертами в сфере физики мощных лазеров. 

Среди задач, требующих первоочередного  решения при создании лазерного оружия,  Е.П. Велиховым были отмечены: разработка технологии производства спецтехники, в том числе, специальной оптики для высокомощных световых потоков, создание ряда экспериментальных лазеров с энергией порядка 10 МДж и  мощностью от 1 МВт, оптимизация процессов взаимодействия лазерного излучения с материалами для достижения необходимых поражающих факторов, разработка систем наведения  лазерных пучков и высокоточных систем определения местоположения быстро перемещающихся мишеней. Для создания мощных лазеров были разработаны технологии выпуска "силовых" оптических компонентов, в  том числе, адаптивных, для обеспечивающих высокую стабильность качества лазерного пучка резонаторов и для систем вывода и управления излучением.

Сейчас очевидно одно –  массового появления по-настоящему мощных боевых лазеров на вооружении армий в ближайшие десятилетия  ждать не стоит. Но и прекращения  научных работ над созданием  боевых лазеров – тоже. К тому же, возможно, разработчики смогут решить те значительные проблемы, которые сейчас делают сферу использования боевых лазеров крайне узкой. Поэтому можно с уверенностью утверждать, что Россия тоже будет продолжать начатые работы как по созданию лазерных систем атаки, так и по разработке комплексных систем защиты от них.

Также были обоснованы методы получения активной среды в больших объемах, сконструированы высоконадежные эффективные оптические резонаторы и созданы теоретические модели с описанием свойств активной среды, электрического газового разряда и оптики резонаторов. Были представлены результаты разработки экспериментальных технологических CO₂-лазеров с быстрым потоком рабочей смеси мощностью 13  кВт, многолучевых СО₂-лазеров с  диффузионным охлаждением и накачкой без электродным разрядом переменного тока мощностью 3 кВт, технологических быстро поточных CO₂-лазеров с самостоятельным разрядом постоянного тока мощностью 3 кВт, импульсно-периодических лазеров для разделения изотопов и быстро поточных СО₂-лазеров мощностью 10 кВт с накачкой самостоятельным разрядом и прокачкой газа с  помощью турбины авиадвигателя для термической технологии.

Эти работы позволили внедрить в производство широкий спектр промышленных лазерных технологий, доработанных в настоящее время до нано метрового диапазона. Е.П.Велихов рассказал также об истории ведущего отраслевого Института проблем лазерных и информационных технологий (ИПЛИТ) РАН. Он  был создан по инициативе АН СССР и  при активной поддержке президента АН СССР академика А.П.Александрова в 1979 году как НИЦ по технологическим лазерам АН СССР и переименован в ИПЛИТ РАН в 1998 году. При решении задачи по разработке и производству комплексов на базе мощных CO₂-лазеров для обработки материалов в ИПЛИТ РАН была создана серия промышленных технологических лазеров, в том числе, лазерный технологический комплекс для резки листовых материалов (например, стали толщиной до 25 мм) на основе быстро проточного СО₂-лазера мощностью 6 кВт с применением само фильтрующего резонатора, СО₂-лазер с поперечной прокаткой 2,5 и  5  кВт и  многолучевой СО₂-лазер с диффузионным охлаждением рабочей смеси мощностью 4 кВт.