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.
Лазер — это генератор когерентного света.
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 машиностроении и приборостроении.
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.
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.[5,с.218]
. История создания лазера
Слово «лазер» составлено из начальных букв в английском словосочетании Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, что в переводе на русский язык означает: усиление света посредством вынужденного испускания. Таким образом, в самом термине лазер отражена та фундаментальная роль процессов вынужденного испускания, которую они играют в генераторах и усилителях когерентного света. Поэтому историю создания лазера следует начинать с 1917 г., когда Альберт Эйнштейн впервые ввел представление о вынужденном испускании. Это был первый шаг на пути к лазеру. Следующий шаг сделал советский физик В.А. Фабрикант, указавший в 1939 г. на возможность использования вынужденного испускания для усиления электромагнитного излучения при его прохождении через вещество. Идея, высказанная В.А. Фабрикантом, предполагала использование микросистем с инверсной заселенностью уровней.
Оптические квантовые генераторы. Лазеры
... создания первого в мире генератора квантов электромагнитного излучения на среде с инверсной населенностью, в котором вынужденное испускание ... физиком Т. Мейманом был запущен первый квантовый генератор оптического диапазона - лазер, в котором обратная связь осуществлялась с ... излучения. На возможность усиления света в среде с инверсной населенностью за счет вынужденного испускания впервые указал ...
В 1955 г. Н.Г. Басов и А.М. Прохоров обосновали применение метода оптической накачки для создания инверсной заселенности уровней. В 1957 г. Н.Г. Басов выдвинул идею использования полупроводников для создания квантовых генераторов; при этом он предложил использовать в качестве резонатора специально обработанные поверхности самого образца. В том же 1957 г. В.А. Фабрикант и Ф.А. Бутаева наблюдали эффект оптического квантового усиления в опытах с электрическим разрядом в смеси паров ртути и небольших количеств водорода и гелия. В 1958 г. А.М. Прохоров и независимо от него американские физики А. Шавлов и Ч. Таунс теоретически обосновали возможность применения явления вынужденного испускания в оптическом диапазоне; они (а также американец Д. Дикке) выдвинули идею применения в оптическом диапазоне не объемных (как в СВЧ диапазоне), а открытых резонаторов. Заметим, что конструктивно открытый резонатор отличается от объемного тем, что убраны боковые проводящие стенки (сохранены торцовые отражатели, фиксирующие в пространстве ось резонатора) и линейные размеры резонатора выбраны большими по сравнению с длиной волны излучения. В 1959 г. вышла в свет работа Н.Г. Басова, Б.М. Вула, Ю.М. Попова с теоретическим обоснованием идеи полупроводниковых квантовых генераторов и анализом условий их создания. Наконец, в 1960 г. появилась обстоятельная статья Н.Г. Басова, О.Н. Крохина, Ю.М. Попова, в которой были всесторонне рассмотрены принципы создания и теория квантовых генераторов и усилителей в инфракрасном и видимом диапазонах. В конце статьи авторы писали: «Отсутствие принципиальных ограничений позволяет надеяться на то, что в ближайшее время будут созданы генераторы и усилители в инфракрасном и оптическом диапазоне волн».[4,с.36-41]
. Виды лазеров
Газовые лазеры
Рабочее телоДлина волныИсточник накачкиПрименениеГелий-неоновый лазер632,8 нм (543,5; 593,9; 611,8 нм, 1,1523; 1,52; 3,3913 мкм)Электрический разрядИнтерферометрия, голография, спектроскопия, считывание штрих-кодов, демонстрация оптических эффектов.Аргоновый лазер488,0; 514,5 нм, (351; 465,8; 472,7; 528,7 нм)Электрический разрядЛечение сетчатки глаза, литография, накачка других лазеров.Криптоновыйлазер416; 530,9; 568,2; 647,1; 676,4; 752,5; 799,3 нмЭлектрический разрядНаучные исследования, в смеси с аргоном лазеры белого света, лазерные шоу.КсеноновыйлазерМножество спектральных линий по всему видимомуспектру и частично в УФ и ИКобластях.Электрический разрядНаучные исследования.Азотный лазер337,1 нм (316; 357 нм)Электрический разрядНакачка лазеров на красителях, исследование загрязнения атмосферы, научные исследования, учебные лазеры.Лазер на фтористом водороде2,7-2,9 мкм (Фтористый водород) 3,6-4,2 мкм (фторид дейтерия)Химическая реакция горения этилена и трёхфтористого азота (NF3), инициируемая электрическим разрядом (импульсный режим)Способен работать в постоянном режиме в области мегаваттных мощностей и в импульсном режиме в области тераваттных мощностей. Один из самых мощных лазеров. Лазерные вооружения. Лазерный термоядерный синтез (ЛТС).Химический лазер на кислороде и иоде (COIL)1,315 мкмХимическая реакция в пламенисинглетного кислорода и иодаСпособен работать в постоянном режиме в области мегаваттных мощностей. Также создан и импульсный вариант. Научные исследования, лазерные вооружения. Обработка материалов. Лазерный термоядерный синтез (ЛТС).
Применение лазеров в лазерном шоу
... фигуры. Поэтому выделяют три вида лазерных шоу: ·лазерная графика (laser grafic show), ·объемное лазерное шоу (laser beam show) ·смешанное лазерное шоу (laser mix show). .1.Лазерная графика Лазер рисует изображение, в данном ... гелия и неона, который повсеместно применяется и в наши дни. Научная ценность и практическая польза лазеров были настолько очевидны, что ими сразу занялись тысячи ученых ...
В перспективе: источник накачки неодимовых лазеров и рентгеновских лазерных систем.Углекислотный лазер (CO2)10,6 мкм, (9,6 мкм)Поперечный (большие мощности) или продольный (малые мощности) электрический разряд, химическая реакция (DF-CO2 лазер)Обработка материалов (резка, сварка), хирургия.Лазер на монооксиде углерода (CO)2,5-4,2 мкм, 4,8-8,3 мкмЭлектрический разряд; химическая реакцияОбработка материалов (гравировка, сварка и т. д.), фотоакустическая спектроскопия.Эксимерный лазер193 нм (ArF), 248 нм (KrF), 308 нм (XeCl), 353 нм (XeF)Рекомбинация эксимерных молекул при электрическом разрядеУльтрафиолетовая литография в полупроводниковой промышленности, лазерная хирургия, коррекция зрения.
Лазеры на красителях
Рабочее телоДлина волныИсточник накачкиПрименениеЛазер на красителях390-435 нм (Стильбен), 460-515 нм (Кумарин 102), 570-640 нм (Родамин 6G), другиеДругой лазер, импульсная лампа.Научные исследования, спектроскопия, косметическая хирургия, разделение изотопов. Рабочий диапазон определяется типом красителя.
Лазеры на парах металлов
Рабочее телоДлина волныИсточник накачкиПрименениеГелий-кадмиевый лазер на парах металлов440 нм, 325 нмЭлектрический разряд в смеси паров металла и гелия.Полиграфия, УФ детекторы валюты, научные исследования.Гелий-ртутный лазер на парах металлов567 нм, 615 нмЭлектрический разряд в смеси паров металла и гелия.Археология, научные исследования, учебные лазеры.Гелий-селеновый лазер на парах металловдо 24 спектральных полос от красного до УФЭлектрический разряд в смеси паров металла и гелия.Археология, научные исследования, учебные лазеры.Лазер на парах меди510,6 нм, 578,2 нмЭлектрический разрядДерматология, скоростная фотография, накачка лазеров на красителях.Лазер на парах золота627 нмЭлектрический разрядАрхеология, медицина.
Твердотельные лазеры
Рабочее телоДлина волныИсточник накачкиПрименениеРубиновый лазер694,3 нмИмпульсная лампаГолография, удаление татуировок. Первый представленный тип лазера (1960).Алюмо-иттриевые лазеры с легированием неодимом(Nd:YAG)1,064 мкм, (1,32 мкм)Импульсная лампа,лазерный диодОбработка материалов, лазерные дальномеры, лазерные целеуказатели, хирургия, научные исследования, накачка других лазеров. Один из самых распространённых лазеров высокой мощности. Обычно работает в импульсном режиме (доли наносекунд).
Лазерные технологии (2)
... полупроводниковыми материалами, определяющие возможности таких быстро развивающихся областей лазерной технологии, как лазерный отжиг полупроводников, лазерное легирование, геттерирование, напыление тонких эпитаксиальных пленок, а также ... этих лазеров в различных областях производства, включая и традиционные методы термического воздействия, направленные на изменение геометрии деталей (сварка, резка) и ...
Нередко используется в сочетании с удвоителем частоты. Известны конструкции с квазинепрерывным режимом излучения.Лазер на фториде иттрия-лития с легированиемнеодимом (Nd:YLF)1,047 и 1,053 мкмИмпульсная лампа,лазерный диодНаиболее часто используются для накачки титан-сапфировых лазеров, используя эффект удвоения частоты в нелинейной оптике.Лазер на ванадате иттрия(YVO4) с легированиемнеодимом (Nd:YVO)1,064 мкмЛазерные диодыНаиболее часто используются для накачки титан-сапфировых лазеров, используя эффект удвоения частоты в нелинейной оптике.Лазер на неодимовом стекле (Nd:Glass)~1,062 мкм (Силикатные стёкла), ~1,054 мкм (Фосфатные стёкла)Импульсная лампа,Лазерные диодыЛазеры сверхвысокой мощности (тераватты) и энергии (мегаджоули).
Обычно работают в нелинейном режиме утроения частоты до 351 нм в устройствах лазерной плавки. Лазерный термоядерный синтез (ЛТС).
Накачка рентгеновских лазеров.Титан-сапфировый лазер650-1100 нмДругой лазерСпектроскопия, лазерные дальномеры, научные исследования.Алюмо-иттриевые лазеры с легированием тулием(Tm:YAG)2,0 мкмЛазерные диодыЛазерные радарыАлюмо-иттриевые лазеры с легированием иттербием(Yb:YAG)1,03 мкмИмпульсная лампа,Лазерные диодыОбработка материалов, исследование сверхкоротких импульсов, мультифотонная микроскопия, лазерные дальномеры.Алюмо-иттриевые лазеры с легированием гольмием(Ho:YAG)2,1 мкмЛазерные диодыМедицинаЦерий-легированный литий-стронций (или кальций)-алюмо-фторидный лазер (Ce:LiSAF, Ce:LiCAF)~280-316 нмЛазер Nd:YAG с учетверением частоты,Эксимерный лазер, лазер на парах ртути.Исследование атмосферы, лазерные дальномеры, научные разработки.Лазер на александрите с легированием хромомНастраивается в диапазоне от 700 до 820 нмИмпульсная лампа,Лазерные диоды. Для непрерывного режима — дуговая ртутная лампаДерматология, лазерные дальномеры.Волоконный лазер лазер с легированием эрбием1,53-1,56 мкмЛазерные диодыОптические усилители в волоконно-оптических линиях связи, обработка металлов (резка, сварка, гравировка), термораскалывание стекла, медицина, косметология.Лазеры на фториде кальция, легированном ураном(U:CaF2)2,5 мкмИмпульсная лампаПервый 4-х уровневый твердотельный лазер, второй работающий тип лазера (после рубинового лазера Маймана), охлаждался жидким гелием, сегодня нигде не используется.
Полупроводниковые лазеры
Рабочее телоДлина волныИсточник накачкиПрименениеПолупроводниковыйлазерный диодДлина волны зависит от материала и структуры активной области: ближний УФ, фиолетовый, синий — полупроводниковые нитриды Ga, Al; красный, ближний ИК-диапазон — соединения на основе Al, Ga, As; ближний и средний ИК-диапазон — соединения, содержащие In, P, Sb; средний ИК — дальний ИК-диапазон — соли свинца; средний ИК — терагерцовый диапазон — полупроводниковые квантово-каскадные лазерыЭлектрический ток, оптическая накачкаТелекоммуникации, голография, лазерные целеуказатели, лазерные принтеры, накачка лазеров других типов. AlGaAs-лазеры (алюминий-арсенид-галлиевые), работающие в диапазоне 780 нм используются в проигрывателях компакт-дискови являются самыми распространёнными в мире.
Лазерная обработка металлов
... ПРОЦЕССА. УСЛОВИЯ ОБРАЗОВАНИЯ ОПАСНЫХ И ВРЕДНЫХ ФАКТОРОВ 1 Теория лазерной обработки Лазер - источник электромагнитного излучения, видимого инфракрасного и ультрафиолетового диапазонов, ... автоматическая лазерная сварка кузовов автомобилей, сварка листов титана и алюминия на судостроительных верфях, сварка газопроводов. Лазерная сварка успешно конкурирует с хорошо известными способами сварки. Она ...
Другие типы лазеров
Рабочее телоДлина волныИсточник накачкиПрименениеЛазер на свободных электронахДлина волны рентгеновского лазера варьируется в диапазоне 0,085-6 нм.Пучок релятивистских электроновИсследования атмосферы, материаловедение, медицина, противоракетная оборона.Псевдо-никелево-самариевыйлазерРентгеновское излучение 17,3 нмИзлучение в сверхгорячей плазмесамария, создаваемое двойными импульсами лазера на неодимовомстекле. [1]Первый демонстрационный лазер, работающий в области жесткого рентгеновского излучения. Может применяться в микроскопах сверхвысокого разрешения и голографии. Его излучение лежит в «окне прозрачности» воды и позволяет исследовать структуру ДНК, активность вирусов в клетках, действие лекарств.Лазер на центрах окраскиДлина волны 0,8 — 4 микрон.Оптическая (лампа вспышка, лазерная) электроновСпектроскопия, медицина.
2. Применение лазеров в машиностроении
Когда в конце XIX — начале XX века фантасты заговорили об изобретении будущего так называемых «световых лучах», предтечах современного лазера, они даже не предполагали, сколь значимым и распространенным станет применение этого физического феномена в жизни человека. Герберт Уэллс в романе «Война миров» и А. К. Толстой в «Гиперболоиде инженера Гарина» нашли лишь два способа применения «тепловых лучей»: в военных целях и при проведении геологических изысканий. Реальность оказалась существенно богаче и разносторонней самых смелых фантазий писателей ушедшего века. Сегодня, видимо, уже нет ни одной сферы человеческой деятельности, где бы ни применялись устройства на основе лазерных технологий. Особенно большое распространение и широкие перспективы лазеры находят в самых разных отраслях машиностроения.
Когерентный луч вместо пилы.
В поисках решения этих проблем в машиностроение пришли иные способы разделения материалов, основанные на электрохимическом, электрофизическом и физико-механическом воздействиях. Среди них высокоскоростная газовая и плазменная резка, плазменная резка проникающей дугой. Однако эти способы при высокой производительности отличаются низкой точностью, а также большими издержками в сфере термического влияния на металл, требуют дополнительных способов очистки и т.п. С другой стороны, применяется невероятно точная, позволяющая изготавливать детали любой геометрии электроэрозионная резка. Но эта методика отличается крайне низкой производительностью, высокой технологической сложностью.
Лазерная резка лишена многих вышеперечисленных проблем. Лазерное излучение, обеспечивая высокую концентрацию энергии, позволяет разделять практически любые металлы и сплавы независимо от их теплофизических свойств. При этом можно получать узкие разрезы с минимальной зоной термического влияния. При лазерной резке не требуется механическое воздействие на обрабатываемый металл, а возникающие деформации, как временные в процессе резки, так и остаточные после полного остывания, незначительны. Это позволяет осуществлять лазерную резку с высокой степенью точности. Благодаря большой плотности мощности лазерного излучения обеспечивается высокая производительность, сочетающаяся с высоким качеством поверхности реза.
Использование лазерных технологий в промышленности
... на лазерные. 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 ...
Основное преимущество лазерной резки — ее автоматизация и компьютеризация, возможность переходить с одного типа деталей любой геометрической сложности на другой тип без ощутимых затрат времени. Чтобы начать выпуск новой продукции, не нужно изготовление серии специальных инструментов для наладки линии, что значительно снижает затраты на вложения и собственно себестоимость выпускаемой продукции.
Освоение выпуска нового типа детали не занимает больше времени, чем составление самого чертежа и ввод его в компьютер, управляющий лазером. Качество изготавливаемой продукции позволяет совершать сварку встык без смещений кромок среза и предварительной обработки соединяемых сторон. Лазерная резка в отличие от круглого универсального инструмента позволяет выполнять острые углы, переходы без радиусов, тонкие перемычки (толщиной менее 1-2 мм), отверстия любого диаметра. В роботизированных системах луч лазера позволяет производить объемную резку с применением высокотехничных оптоволоконных систем. Использование лазера особенно выгодно в тех случаях, когда требуется изготовление сложных деталей малыми сериями и большой номенклатуры. А в современном машиностроении такие, еще вчера считавшиеся уникальными заказы становятся все более распространенными. Поэтому лазеры применяются для изготовления и испытания опытных образцов техники: корпусов автомобилей, оружия, беспилотных летательных аппаратов, деталей космических аппаратов и многого другого.
Сегодня наиболее дорогим видом инструмента являются штампы и пресс-формы, поэтому использование технологии лазерного раскроя вместо традиционной вырубки-высечки имеет очевидные преимущества. Лазерные раскройные комплексы позволяют производить раскрой тонколистовых материалов со скоростью 120 м/мин при точности 0,01 мм.
Лазер широко используют для прошивки отверстий. Применение лазера для сверления оказывается эффективным по сравнению с другими способами в некоторых случаях: сверление под углом, при соотношении глубины отверстия к диаметру больше единицы (глубокое отверстие), сверление в жаропрочных и твердых металлах. Даже применение электроэрозионных прошивочных станков не позволяет полностью избежать деформации и поломки инструмента (проволочного электрода) из-за увода оси отверстия при глубоком сверлении.
Для резки металлов в России и за рубежом применяются технологические установки на основе твердотельных и газовых СО2-лазеров, работающих как в непрерывном, так и в импульсно-периодическом режимах излучения. Следует отметить, что в сопоставлении с другими, применяемыми на производстве станками стоимость лазерного оборудования для резки достаточно высока. Но благодаря высокой производительности, точности изготавливаемых деталей, легкости перенастройки параметров резки под ту или иную задачу, а также возможности использования в тех областях, где традиционные подходы вызывают определенные трудности, лазерная резка является одним из самых перспективных и конкурентоспособных технологических процессов.
Без сварщика и электрода.
Еще одни важным направлением применения лазеров в машиностроении является лазерная сварка. Этот способ открыл новые перспективы в соединении металла. Теперь уже нет таких издержек производства, как при классической дуговой сварке. В прошлом почти все зависело от мастерства сварщика и его практических навыков, сегодня эти процессы автоматизированы. При лазерной сварке отсутствуют толстые швы, появляющиеся в старых видах сварки.
Проектирование операций механической обработки поверхностей детали
... 2 2.2 Определение операционных размеров С помощью планов обработки элементарных поверхностей определяют операционные размеры. Припуски на обработку выбираем по нормативам, руководствуясь ... КВ. Т Сверление 13 270 40 28,7 Растачивание черновое 10 70 25 0,8 29,5 Растачивание чистовое 9 43 20 0,5 30 Переходы ... № пов Разм. Точность Шероховатость Kyт Kyш nт nш nпр деталь заготовка Rz д Rz з кв т кв т 2 ...
Лазерную сварку производят как на воздухе, так и в среде защитных газов: аргона, СО2. Вакуум, как при электронно-лучевой сварке, здесь не нужен, поэтому лазерным лучом можно сваривать крупногабаритные конструкции. Лазерный луч легко управляется и регулируется, с помощью зеркальных оптических систем легко транспортируется и направляется в труднодоступные для других способов места. В отличие от электронного луча и электрической дуги на него не влияют магнитные поля, что обеспечивает стабильное формирование шва. Из-за высокой концентрации энергии (в пятне диаметром 0,1 мм и менее) в процессе лазерной сварки объем сварочной ванны небольшой, малая ширина зоны термического влияния, высокие скорости нагрева и охлаждения. Это обеспечивает высокую технологическую прочность сварных соединений, небольшие деформации сварных конструкций. Лазерная сварка вилки с карданным валом автомобиля по сравнению с дуговой сваркой увеличивает срок службы карданной передачи в три раза, потому что более чем вдвое уменьшается площадь сечения сварного шва, в несколько раз — время сварки. Деформации вилки, вызывающие преждевременный износ, практически отсутствуют.
Скорость лазерной сварки непрерывным излучением в несколько раз превышает скорости традиционных способов сварки плавлением. Например, стальной лист толщиной 20 мм электрической дугой сваривают со скоростью 15 м/ч за 5-8 проходов, ширина шва получается 20 мм. Непрерывным лазерным лучом этот лист сваривается со скоростью 100 м/ч за один проход, получают ширину шва 5 мм. В сварочных системах применяются как постоянные, так и импульсные лазеры. Постоянные лазеры сваривают гораздо быстрее традиционных методов. Лазерная сварка импульсным излучением по скорости сопоставима с традиционными способами сварки, но имеет и важные преимущества. При использовании импульсных лазеров практически отсутствуют явления перегрева как самой сварочной системы, так и, что особенно важно, свариваемой поверхности.
Лазерная сварка производится как со сквозным, так и с частичным проплавлением. Сварные швы одинаково хорошо формируются в любом пространственном положении. При толщине свариваемых кромок менее 0,1 мм и при сварке больших толщин с глубоким проплавлением по-разному происходит формирование шва и различны подходы к выбору параметров режима сварки. При сварке как непрерывным, так и импульсным излучением малых толщин используют более мягкие режимы, обеспечивающие лишь расплавление металла в стыке деталей без перегрева его до температуры интенсивного испарения. Сварку сталей и других относительно малоактивных металлов можно в этом случае выполнять без дополнительной защиты зоны нагрева, что существенно упрощает технологию, тогда как сварку с глубоким проплавлением ведут с защитой шва газом, состав которого подбирают в зависимости от свариваемого материала.
Статья : «Лазерная сварка»
... оборудования для лазерной сварки входит лазер, системы фокусировки излучения, газовой защиты изделия, перемещения луча и изделия. В сварке используют твердотельные и газовые лазеры. Твердотельные лазеры выполняют на ... - световой луч; 9 - фокусирующая линза; 10 - обрабатываемые детали. Твердотельный лазер представляет собой лазер, где в качестве активной среды При облучении ионы хрома переходят ...
Наиболее распространена лазерная сварка импульсным излучением в электронной и электротехнической промышленности, где сваривают угловые, нахлесточные и стыковые соединения тонкостенных деталей. Хорошее качество соединений обеспечивается сваркой лазерным лучом тонких деталей (0,05 — 0,5 мм) с массивными. В этом случае, если свариваемые детали значительно отличаются по толщине, в процессе сварки луч смещают на массивную деталь, чем выравнивают температурное поле и достигают равномерного проплавления обеих деталей. При лазерной сварке нагрев и плавление металла происходят так быстро, что деформация тонкой кромки может не успеть произойти до того, как металл затвердеет.
Применение лазерной сварки в отечественной промышленности получило широкое, но и еще не вполне достаточное для современного уровня машиностроения распространение. Причиной этого является как высокая стоимость технологических лазеров и особенно сварочных роботов, так и недостаточный опыт применения этих технологий. Однако, если применение традиционных способов не дает желаемых результатов либо технически неосуществимо, без лазерной сварки обойтись невозможно. К таким случаям относится необходимость получения прецизионной (высокоточной) конструкции, форма и размеры которой не должны меняться в результате сварки. Лазерная сварка целесообразна, когда она позволяет значительно упростить технологию изготовления сварных изделий, выполняя сварку как заключительную операцию без последующей правки или механической обработки. Экономически эффективна лазерная сварка, когда необходимо существенно повысить производительность, поскольку скорость ее может быть в несколько раз больше, чем у традиционных способов.
Однако оказалось, что и у классической лазерной сварки есть недостатки. В первую очередь это связано с низкой эффективностью нагрева металлов лазерным излучением, обусловленной их высокой отражательной способностью на частотах излучения, характерных для большинства технологических лазеров.
Другим фактором, снижающим эффективность использования мощных лазеров, является появляющаяся в момент воздействия лазером поверхностная плазма. Плазменный пар существенно уменьшает долю лазерной энергии, подаваемой на рабочую поверхность. В результате чего лазер остается недостаточно эффективным и весьма дорогостоящим инструментом для реализации большинства технологий обработки материалов. Также существует и ряд технических проблем, препятствующих внедрению лазерной сварки, такие как высокие требования к зазору между свариваемыми плоскостями и высокая твердость шва.
Исследования зарубежных и отечественных ученых помогли решить значительную часть этих проблем использованием гибридных способов сварки, например «лазер+дуга», «лазер+плазма». Однако, с другой стороны, при этих способах утрачиваются главные особенности, такие как кинжальность проплавления и малая зона термического влияния.
Помимо гибридных процессов лазерной сварки, где лазерный луч объединяется с совершенно иными технологиями, такими как дуга и плазма, большие возможности дала технология использования второго лазерного луча. С экономической точки зрения, использование двух лазеров мощностью до 10 кВт более выгодно, нежели одного: как по капитальным вложениям, так и по эксплуатационной стоимости использования лазера в час.
Восстановление деталей сваркой и наплавкой
... процесс восстановления деталей сваркой и наплавкой состоит из трех этапов: подготовки к сварке (наплавке), сварки (наплавки) и термообработки для снятия внутренних напряжений и улучшения свойств детали. Подготовка к сварке (наплавке) состоит в разделке кромок свариваемых деталей и тщательной очистке свариваемых поверхностей ...
Двухлучевая СО2-лазерная сварка позволила увеличить глубину проплавления, сохраняя классическую формулу 1 кВт на 1 мм проплавления. Технология двухлучевой лазерной сварки уменьшает требования к сборке образцов, также оказалось, что при двухлучевой лазерной сварке с присадочной проволокой твёрдость сварного шва сопоставима с основным металлом, что было недостижимо при однолучевой сварке.[1,с.45-46]
Малярные работы без кисти и валика.
Методы лазерной термообработки аналогичны обычным методам термической обработки сплавов. Для осуществления лазерной закалки (термоупрочнения) локальный участок поверхности массивной детали нагревают с помощью излучения до сверхкритических температур, а после прекращения действия излучения этот участок охлаждается за счет отвода теплоты во внутренние слои металла. Высокая скорость охлаждения приводит к образованию закалочных структур в сплавах и к высокой твердости поверхности.
В том случае, когда толщина обрабатываемой детали соизмерима с размерами зоны лазерного воздействия и условия ускоренного теплоотвода не обеспечиваются, имеет место лазерный отжиг. Такая технологическая операция нашла широкое применение в микроэлектронике для отжига полупроводниковых материалов, в особенности имплантированных на металлические подложки. Лазерный отжиг, заключающийся в нагреве лазером закаленных деталей до температур ниже критических, может быть использован для обработки мелких деталей в приборостроении, например, пружинных элементов и др.
Лазеры также применяются для окрашивания разных поверхностей. Для этого на металл наносятся специальные виды химических красителей, впоследствии закрепляемых лазерным излучением. При этом прочность окрашиваемой поверхности гораздо выше традиционной покраски.[2,с.63-64]
Термообработка поверхности.
Еще одним направлением в лазерной обработке материалов является оплавление поверхности. Эта технологическая операция начала развиваться с появлением лазерного излучения и другими методами практически не выполняется. При оплавлении для улучшения качества поверхности (уменьшения пористости или шероховатости) режимы обработки подбирают исходя из требований получения наилучшей микрогеометрии поверхности, скорость охлаждения в этом случае, как правило, не регламентируется. Методы получения поверхностных покрытий — легирование и наплавка — отличаются тем, что участок поверхности нагревается выше температуры плавления, в зону оплавления вводят легирующие компоненты, и в результате образуется поверхностный слой с химическим составом, отличным от основного металла. Вакуумно-лазерное напыление заключается в испарении материала участка поверхности под воздействием лазерного излучения в вакууме и конденсировании испарившихся продуктов на подложке. лазер машиностроение графика эксимерный
Инициирование поверхностных химических реакций на поверхности сплавов с помощью теплового воздействия лазерного излучения или с использованием плазменного облака вблизи поверхности преследует цель окисления или восстановления отдельных компонентов сплава или получения специальных соединений.
Основная цель лазерной закалки — повышение износостойкости деталей, работающих в условиях трения. Уменьшение износа деталей после лазерной закалки обусловлено рядом факторов: высокой твердостью поверхности, высокой дисперсностью структуры; увеличением несущих свойств поверхности; уменьшением коэффициента трения и др.[3,с.273]
Применение лазера в гравировке.
Технология лазерной гравировки основана на воздействии излучения непосредственно на поверхность материала. Благодаря высокой точности лазерной гравировки (толщина линии 25 микрон) можно наносить достаточно сложные изображения. Установки для лазерной гравировки управляются с обычного компьютера с возможностью импорта изображений из стандартных редакторов векторной графики или растровой графики.
Нанесенные лазером изображения не подвергаются опасности быть смытыми или затертыми, потому как сделаны из самого материала изделия. Современные станки лазерной гравировки имеют функции построчной гравировки, благодаря чему возможно нанесение сложных рисунков, фотографий с учетом полутонов и заливки.
Лазерная графика может наноситься не только на металл, но и на многие другие материалы: камень, резину, пластик, органическое стекло, ткань, кожу, шелк, керамику, акрил, бамбук, дерево, МДФ, ДСП, фанеру, шпон, гранит и другие.
Некоторые виды такой техники имеют поворотные оси, что позволяет гравировать бутылки, стеклянные изделия, елочные игрушки, всевозможные круглые и овальные, сферические изделия. Лазерная гравировка — один из самых распространенных методов нанесения изображений. Минимальное воздействие на поверхность материала, бесконтактная обработка позволяет не повреждать конечное изделие. После обработки качество материала остается тем же.[4,с.13-14]
Заключение
Лазеры решительно и притом широким фронтом вторгаются в нашу действительность. Они необычайно расширили наши возможности в самых различных областях— обработке материалов, медицине, измерениях, контроле, обработке и передачи информации, физических, химических и биологических исследованиях. Уже сегодня лазерный луч овладел множеством полезных и интересных профессий. Во многих случаях применение лазерного луча позволяет получать уникальные результаты. Можно не сомневаться, что в будущем луч лазера подарит нам новые возможности, представляющиеся сегодня фантастическими. Мы уже начали привыкать к мысли, что «лазер все может». Подчас это мешает трезво оценить реальные возможности лазерной техники на современном этапе ее развития. Неудивительно, что чрезмерные восторги по поводу возможностей лазерного луча иногда сменяются некоторым охлаждением к лазерам. Все это, однако, никак не может замаскировать основной факт — с изобретением лазера человек получил в свое распоряжение качественно новый, в высокой степени универсальный, очень эффективный «инструмент» для повседневной производственной и научной деятельности. С годами этот «инструмент» будет все более совершенствоваться, а вместе с этим будет непрерывно расширяться и область применения лазеров.
Нарастающие темпы исследований в области лазерной техники открывают возможности создания новых типов лазеров со значительно улучшенными характеристиками, позволяющими расширить области их применения в машино- и приборостроении. В настоящее время мы являемся свидетелями непрерывно увеличивающейся мощности излучения как твердотельных, так и газовых лазеров, работающих в постоянном режиме, что расширяет возможности их применения при различных технологических операциях: сварке деталей значительно больших габаритов, резке более толстых листов с большими скоростями, сверлении с увеличенными скоростями отверстий значительных диаметров и т.д. Открываются новые возможности в области упрочнения деталей машин и приборов, а также режущих инструментов. Дальнейшие успехи в этом направлении пока ограничиваются выходом из строя отдельных оптических элементов лазера: зеркал, выходных окон и др. — из-за их недостаточно высокой лучевой прочности. В области повышения лучевой прочности производятся обширные исследования. Одновременно открываются новые возможности применения лазеров в технологических операциях. Повышение стабильности работы лазеров позволяет поднять на новый уровень выполнение «тонких» операций доводки, размерной обработки локального характера. Для этой цели, по-видимому, наиболее перспективны лазеры, работающие в импульсном режиме, длительность импульсов излучения которых не превосходит нескольких десятков наносекунд.
Список использованной литературы
[Электронный ресурс]//URL: https://drprom.ru/referat/po-tehnologii-mashinostroeniya-lazeryi/
1.Тычинский, В.П.Применения лазеров./ В.П. Тычинский .-М.: Мир,1974.-230c.
2.Крылов,К.И. Применение лазеров в машиностроении и приборостроении./ И.К.Крылов, В.Т.Прокопенко, А.С.Митрофанов.-М.: Просвещение,1978.-346с.
.Тарасов Л.В.Лазеры и их применение./Л.В. Тарасов.Учебное пособие для ПТУ. М.: Радио и связь.-М.:Просвещение,1983.-129с.
.Тарасов Л.В.Лазеры: действительность и надежды./Л.В.Тарасов.- М.: Просвещение,1985.-326с.
