Лазерная обработка металлов: оборудование, технология, достоинства и недостатки

Лазерная наплавка и технологии сварки

Технология лазерной наплавки является эффективным методом восстановления старых деталей. Также она отлично подходит для повышения прочности новых. Такая технология имеет множество преимуществ.

К основным из них можно отнести:

• минимальные тепловые вложения;
• возможность формирования заданных функциональных свойств;
• отсутствие термических поводок;
• обработка крупногабаритных деталей;
• возможность сформировать защитный поверхностный слой и т.д.

Еще одними методами, которые заслуживает особого внимания, являются лазерные технологии сварки. В этом процессе главным источником является луч. Наиболее часто в их ходе применяются газовые и твердотельные лазеры. Применение этой технологии гарантирует высокое качество сварных соединений из материалов, которые не могут получиться в результате других подобных методов.

По сравнению с остальными способами сварки такая технология имеет множество преимуществ. Это:

• высокая скорость;
• обеспечение значительной прочности;
• низкое количество деформаций изделий или их полное отсутствие;
• сварные соединения не имеют пористостей.

Такая технология является более эффективной и результативной, чем обычная сварка металлов. С ее помощью можно минимизировать тепловые вложения в обрабатываемую деталь.

Применение

Как уже говорилось, оборудование на основе лазерного излучения нашло широкое применение и используется для резки и гравировки практически любых относительно твердых материалов.

Лидирующие места в длинном перечне занимают пластики, ткани, нетканые материалы, резина, фанера, и пенопласт. С некоторыми оговорками лазер работает и с металлами, но только при условии нанесения на поверхность заготовок специальной термопасты.

Именно благодаря такой универсальности в плане подходящего для обработки сырья и объясняется повсеместное использование лазера в различных производственных направлениях.

Как и в ситуации со списком материалов, перечисление всех сфер применения оборудования такого плана практически невозможно, поэтому укажем наиболее популярные:

Деревообработка — речь идет преимущественно о выпуске всех видов мебельной продукции (спальни, кухни, шкафы-купе, мебель для учреждений и офисов, торговая, выставочная и т. д.). На лазерном станке режут все элементы корпуса и накладки. Также с его помощью изготавливают также паркетную доску, кроят рейки, делают штык-пазы, выпускают фанерные макеты, пазлы и конструкторы и т. д.;

Рекламная деятельность — еще одна область, в которой лазерные технологии используются очень активно. Это резка световых коробов, букв из акрила для наружного и внутреннего размещения, штендеров, ростовых фигур из фанеры, рекламных макетов из пенопласта, раскрой виниловой пленки, производство визиток и многое другое;

Легкая и обувная промышленность — лазерный луч является прекрасным инструментом для многослойной резки тонких материалов, поэтому в раскройных цехах ателье и швейных фабрик станки для лазерной резки можно встретить также часто, как и на автомобильных заводах. Устройства используют для создания лекал, выкроек и нанесения декоративной перфорации на элементы одежды и обуви.

Сувенирно-подарочное производство — декоративная упаковка, открытки, календари, брелоки плоской формы, магниты и многое другое в большинстве случаев вырезается на лазерном станке, который позволяет выпускать большие объемы совершенно идентичной серийной продукции в кратчайшие сроки.

Изготовление штампов и печатей — продукция такого плана, выполненная при помощи лазерных технологий, считается одной из самых точных и долговечных, поэтому большинство печатей сегодня делают именно на станках, работающих по этому принципу;

Handmade — очень большой пласт изделий, создаваемых при помощи лазера. Сюда входят аппликации из ткани и нетканых материалов, подарочные и тематические фигурки из фанеры, картона, фетра, а также буквы из них, украшения и прочие изделия из кожи, поделки из акрила, изготовление кукольных домиков и т. д.

Перечисленные выше области применения лазера касались в первую очередь его возможностей в плане резки. Однако, как уже упоминалось, существует и другой вариант использования оборудования, не требующий сквозной обработки — это гравировка.

Лазерная гравировка — в зависимости от типа используемого оборудования может наноситься как на металлические изделия, так и на поверхности из других материалов.

Такая техника обработки используется преимущественно для декорирования товаров. На них гравируют надписи, орнаменты, вензеля, фотографии и рисунки.

Украсить таким образом можно любую вещь плоской или цилиндрической формы. Лазерную гравировку можно встретить на ювелирных украшениях, посуде, стрелковом и холодном оружии, канцтоварах, портсигарах, изделиях из кожи, наградной продукции, сувенирах, часах и т. д.

_____

Если у вас возникли вопросы или нужна помощь в выборе нужного оборудования — просто напишите нам или позвоните по бесплатному телефону +7 (800) 551-57-49.

Ваши специалисты Lasercut

Кем работать?

Студенты ВУЗовских факультетов «Лазерные технологии» получают базовую инженерную подготовку. Полученные теоретические и практические знания позволяют им в дальнейшем выбрать узкое направление и сосредоточиться на нем.

Несколько профессий, где могут реализовать свой потенциал дипломированные специалисты:

• инженер-проектировщик лазерной техники;
• инженер-конструктор;
• оптический техник;
• оператор лазерных систем;
• технолог;
• наладчик;
• научный сотрудник НИИ;
• радиофизик.

Начинающие специалисты часто устраиваются наладчиками или технологами, помощниками в научные лаборатории, набираются практического опыта и двигаются дальше в карьере.

Опытные инженеры востребованы в медицине и других сферах, непосредственно связанных с проектированием, внедрением и обслуживанием сложных приборов и установок на основе лазеров.

Немалая часть выпускников видит себя в науке. Они трудоустраиваются в НИИ, частные исследовательские центры, остаются на кафедрах университетов.

Оплата труда зависит от должности, опыта и направления работы. Наладчик без стажа получает 20-25 тысяч рублей. Инженер-конструктор или проектировщик – 40-80 тысяч (в Москве зарплата выше). Научные центры за рубежом предлагают перспективным сотрудникам оплату в 5-7 раз выше.

Есть так называемые «профессии будущего» — наиболее востребованные, с более высокой оплатой.

Преимущества лазерной методики

Эта методика выполняется посредством сквозного прожига листов металла с применением лазерных лучей. По сравнению с другими способами раскроя металлических изделий она обладает рядом таких преимуществ, некоторые из которых уже упоминались выше:

• благодаря отсутствию механического контакта таким методом можно обрабатывать даже хрупкие виды металла, а также те, что легко деформируются.
• можно обрабатывать изделия на основе твердых металлических сплавов.
• есть возможность высокоскоростной обработки тонколистной стали.
• когда речь идет о производстве ограниченных партий металлической продукции, то лазерный раскрой в этом случае — более предпочтительный вариант, чем изготавливать дорогие формы для литья или пресс-формы.
• чтобы обеспечить автоматизацию процесса, воспользуйтесь доступной чертежной программой для создания файла с рисунком. Затем файл перенесите на компьютер установки, способной выдержать погрешности даже при маленьких размерах.
• методика универсальна. С помощью лазера можно обрабатывать изделия из стали и других металлов разной степени сложности. Максимально допустимая погрешность составлять при этом будет не более 0,5 мм.
• термическая нагрузка на металл минимальная, что позволяет работать с материалами любого вида начиная от нержавейки и заканчивая цветными металлами.
• такой способ раскроя материалов исключает необходимость их дополнительной обработки, благодаря чему вы сэкономите и свое время и деньги.
• технология отличается высокой производительностью за счет высокой скорости обработки, а также грамотного расхода материала. Отходов получите минимум благодаря точной выкладке элементов на листовой заготовке.
• высокая точность работы — оборудование для лазерной резки оснащено рабочими головками с диаметром около одного миллиметра, что обеспечивает высокую точность размеров. Резка возможна даже тогда, когда речь идет даже о самых маленьких деталях.
• лазерная резка может быть выполнена в максимально сжатые сроки, высокое качество работы остается при этом неизменным. Мощность лазера настраивается каждый раз по-разному и учитывает особенности работы и тип материала.

Применение лазеров

Свойства лазерного излучения уникальны. Это превратило лазеры в незаменимый для самых различных областей науки и техники инструмент. Кроме этого, лазеры широко используются в медицине, в быту, в индустрии развлечений, в сфере транспорта.

Технологические лазеры

• Благодаря огромной мощности лазеры непрерывного действия активно используются для того, чтобы разрезать, сваривать или спаивать детали, изготовленные из самых различных материалов. При высокой температуре лазерного излучения становится возможным сваривать даже те материалы, которые нельзя соединить между собой другими методами. Например, сваривание металла и керамики для получения нового материала — металлокерамики, обладающего уникальными свойствами.
• Для того чтобы изготовить микросхемы, используется лазерный луч, который способен сфокусироваться в одну мизерную точку, имеющую диаметр порядка микрона.
• Еще одно замечательное свойство лазерного луча — его идеальная прямота. Это позволяет использовать его как самую точную линейку в строительстве. Также в строительстве и геодезии при помощи импульсных лазеров производят измерения огромных расстояний на местности, засекая время, за которое световой импульс продвигается от одной точки до другой.

Лазерная связь

Появившиеся лазеры вывели на принципиально новый уровень технику связи и записи информации.

Радиосвязь, развиваясь, постепенно переходила на все более короткие длины волн, поскольку было доказано, что высокие частоты (с наименьшей длиной волны) предоставляют каналу связи наибольшую пропускную способность. Настоящим прорывом стало понимание того, что свет — это такая же электромагнитная волна, просто короче во множество десятков тысяч раз. Следовательно, через лазерный луч возможно передавать объем информации, в десятки тысяч раз превосходящий объем, передаваемый высокочастотными радиоканалами. В результате этого были усовершенствованы различные виды связи по всему миру.

Также при помощи луча лазера записываются и воспроизводятся компакт-диски со звуками — музыкой, и изображениями — фото и фильмами. Индустрия звукозаписи, получив такой инструмент, сделала гигантский шаг вперед.

Применение лазеров в медицине

Лазерные технологии широко применяются как в хирургии, так и в терапевтических целях.

• Например, благодаря его уникальным возможностям, луч лазера возможно легко ввести сквозь глазной зрачок и «приварить» отслоившуюся сетчатку, исправить в труднодоступной области глазного дна существующие дефекты.
• В современной хирургии при сложных операциях используется лазерный скальпель, который минимизирует повреждение живых тканей.
• Лазерное излучение небольшой мощности ускоряет регенерацию поврежденных тканей. Оно также оказывает воздействие, по свойствам похожее на иглоукалывание, практикуемое восточной медициной, — лазерная акупунктура.
• В косметологии активно используются диодные и пикосекундные лазеры.

Что такое лазерное излучение

Лазерный луч образуется в результате концентрации электромагнитного и светового излучения. Специалисты называют эту разновидность излучения стимулированной. Под лазером физики понимают электромагнитные волны, распространяющиеся практически параллельно относительно друг друга. Именно поэтому он имеет строгую направленность. Также подобный луч характеризуется интенсивным воздействием на облучаемую поверхность и низким уровнем рассеивания. От обыкновенных лампочек накаливания лазер в первую очередь отличается спектральным диапазоном.

Виды технологий

Лазерные технологии (ЛТ) условно можно поделить на два вида. Первый выделяется тонкой фокусировкой луча и точнейшим дозированием энергии, слабой мощностью, как в импульсном, так и в беспрерывном режиме.

С помощью слабых лазеров была разработана технология сверления тоненьких отверстий в рубинах и алмазах и техника создания фильеров. Основная сфера применения слабых устройств связана:

• С резкой и сваркой небольших элементов в электронике и электровакуумной промышленности.
• С маркировкой элементов, выжиганием номеров, букв и так далее.

В последнее время в одной из важных областей электроники — фотолитографии, без которой нереально представить создание сверхминиатюрных плат для печати, интегральных схем и иных изделий микроэлектронной техники, стандартные световые источники заменяются на лазерные.

Второй вид ЛТ базируется на использовании устройств со средненькой и большой мощностью: от 1кВт и выше. Мощные устройства применяются в таких энергоемких работах как:

• Резка и сварка прочных листов стали, внешняя закалка, плавка и легирование крупных элементов.
• Очистка сооружений от грязи, резка мрамора, гранита, раскрой тканевых материалов, кожи и так далее.

При сварке металлов с помощью лазера достигается высочайшее качество шва и не требуется эксплуатация вакуумных камер. Мощная технология нашла свое место в автомобилестроении (машиностроении), судостроении, и промышленности стройматериалов. Она помогает не только улучшить качество обработки материалов, но и повысить технико-экономические показатели производства. Какой, бы не была модель лазера, главное, это мощность.

Опасность для организма

Негативное влияние лазерного излучения на организм человека уже давным-давно доказано. Облучение бывает отраженным, рассеянным и прямым. Пагубное влияние обусловлено термическими и световыми свойствами лазера. Интенсивность поражения определяется уровнем поглощения тканей, длиной волны и участком, на который направлено воздействие.

Больше остальных частей тела от лазера могут пострадать глазные яблоки. Роговица крайне чувствительна, потому она запросто получает ожоги. Из последствий можно выделить резкое снижение зрительной функции или абсолютную слепоту. Источниками излучения, как правило, являются инфракрасные лазерные излучатели. При поражении хрусталика, роговицы, сетчатки или радужки лазерным лучом могут наблюдаться следующие признаки:

• спазмы и боли в глазном яблоке;
• помутнение глазного хрусталика;
• кровоизлияния и отечность век.

Уязвима и человеческая кожа. В месте ее контакта с лазерным лучом увеличивается температура. Межтканевая и внутриклеточная жидкости начинают быстро закипать и испаряться. На кожном покрове появляется краснота. Через некоторое время на обожженном участке могут возникнуть омертвевшие участки. При мощном воздействии кожа обугливается практически мгновенно. Самый главный признак ожога лазером — строгие контуры поражения, а пузырьки формируются не под эпидермисом, а в нем.

Кроме того, влияние лазера на организм человека вызывает расстройства ССС и ЦНС (сердечно-сосудистой и центральной нервной системы соответственно). У пострадавшего при этом могут наблюдаться обильная потливость, замедление сердечного ритма, скачки давления и чувство раздражительности.

Современные лазерные технологии и лазерная техника на выставке

Области применения лазерных технологий охватывают почти все сферы человеческой жизни. Рекламный бизнес не исключение. Намечающуюся выставку обязаны посетить все, кто стремится развивать свое предприятие в правильном направлении.

Лучшие мировые производители предоставят всеобщему вниманию свою качественную продукцию. Лазерное оборудование нового поколения будет продемонстрировано на осенней экспозиции.

Приехав в столицу Российской Федерации, владельцы рекламных компаний смогут завести полезные знакомства, заключить договора с поставщиками качественного товара. Наличие иностранных компаньонов позволит как начинающим, так и опытным предпринимателям, вывести свою организацию на международную арену. Заявив о себе на мировом рынке, несложно увеличить объемы производства, продаж и приумножить доход фирмы.

Помимо демонстрационных павильонов на территории «Экспоцентра» расположено большое количество современных залов, обустроенных для проведения семинаров и пресс-конференций. Профессионалы, имеющие многолетний стаж работы в рекламной индустрии, готовы поделиться с молодыми бизнесменами бесценными знаниями.

Приехать на осеннюю выставку «Реклама» стоит как постоянным ее гостям, так и новым посетителям. Двери «Экспоцентра» открыты для всех, кому интересны современные тенденции рекламной индустрии.

Лазерная технология обработки материаловТехнология лазерной печати и сканированияРазрешение на установку и эксплуатацию рекламной конструкции

Охлаждение и потребление энергии

Сам лазер, а также его оптика, включая фокусирующие линзы, требуют охлаждения. В зависимости от модели установки и ее размера, избыточное тепло может отводиться посредством воздушного обдува или теплоносителей. Часто в роли теплоносителя выступает вода, которая проходит через холодильную установку или теплообменник.

Что же касается потребления энергии, то эффективность лазеров, используемых в производстве, составляет 5−15 процентов. Эффективность и энергопотребление зависят от следующих факторов:

• выходной мощности установки;
• рабочих параметров лазера;
• соответствия лазеру тому или иному типу работы.

Когда определяется целесообразность применения того или иного оборудования, нужно учитывать и его стоимость, а также стоимость его обслуживания и содержания. В настоящее время эксплуатационные издержки оптоволоконного оборудования составляют половину стоимости издержек углекислотного лазера.

А вот затрачиваемая мощность для осуществления резки зависит от следующих факторов:

• скорости работы;
• среды обработки;
• толщины материала;
• его типа.

ПРинцип работы лазера

Чтобы понять, как работает лазер, посмотрим на его структуру. Типичный лазер выглядит так: трубка, внутри которой размещен твердый кристалл, чаще всего рубин. С обоих торцов она закрыта зеркалами: прозрачным и не полностью прозрачным. Под воздействием электрической обмотки атомы кристалла генерируют световые волны. Эти волны перемещаются от одного зеркала к другому до того момента, пока не наберут интенсивность, достаточную для прохождения через не полностью прозрачное зеркало.

Как создается лазерный луч?

1-я стадия — выключенный лазер.

Электроны всех атомов (на картинке — черные точки на внутренних окружностях) занимают основной энергетический уровень.

2-я стадия — момент после включения.

Под действием энергии из разрядной трубки электроны перемещаются на более высокие энергетические орбиты (на картинке — внешние окружности).

3-я стадия — возникновение луча.

Электроны начинают покидать высокие энергетические орбиты и спускаться к основному уровню. При этом они начинают испускать свет и побуждают к этому остальные электроны. Образуется общий результирующий пучок света с одинаковой длиной волны у каждого источника. Чем больше новых электронов вернется к низким орбитам, тем мощнее свет лазера.

Резкость фокусировки

Длина световой волны в лазерном пучке только одна, следовательно, и цвет также один. Этот свет четко фокусируется линзой почти что полностью в одной точке.

(См. рисунок: слева — свет лазера, справа — естественный свет). Если сравнить свет лазера с естественным светом, то будет видно, что последний не способен иметь настолько резкий фокус. Благодаря концентрации в узком луче огромной энергии лазер способен передать этот луч на гигантские расстояния, избегая рассеяния и ослабления, присущих многоцветному свету — естественному. Эти качества лазера превращают его в незаменимый инструмент для человека.

Физическое обоснование

Разберем вышеописанный механизм работы лазера подробнее. Выясним, какие именно физические законы делают возможным его функционирование.

Активная среда

Для лазерного излучения необходима так называемая активная среда. Только в ней оно может происходить. Как же создается активная среда? Прежде всего, нужно специальное вещество, которое обычно состоит из кристаллов рубина или алюмоиттриевого граната. Собственно, это вещество и есть активная среда. Сформированный из него цилиндр или стержень вставляют в резонатор. Резонатор состоит из двух параллельных друг другу зеркал. Переднее зеркало наполовину прозрачно, а заднее не пропускает свет. Рядом с со стержнем (цилиндром) монтируется импульсная лампа. Цилиндр и импульсная лампа окружены зеркалом. Оно чаще всего изготовлено из кварца, на который нанесен слой металла. При помощи зеркала свет собирается на цилиндре.

Энергетические уровни атомов

Важный момент: состав активной среды таков, что у каждого ее атома есть как минимум три энергетических уровня. В спокойном состоянии атомы активной среды располагаются на низшем энергетическом уровне Е0. Как только включается лампа, атомы поглощают энергию ее света, поднимаются на уровень Е1 и довольно долго пребывают в таким возбужденном состоянии. Именно это и обеспечивает лазерный импульс.

Инверсная заселенность

Инверсная заселенность — фундаментальное физическое понятие. Это такое состояние среды, когда число частиц на каком-то верхнем энергетическом уровне атома (любом из существующих) больше, чем на нижнем. Собственно, активной и называется та среда, в которой уровни являются инверсно заселенными.

Фотоны и световой пучок

Электроны атома не располагаются хаотично. Они занимают определенные орбиты, окружающие ядро. Атом, получающий квант энергии, с огромной вероятностью переходит в состояние возбуждения, характеризующееся сменой орбиты электронами — с самой низкой (метастабильной или основной) на обладающую более высоким уровнем энергии. На такой орбите длительное нахождение электронов невозможно, поэтому происходит их самопроизвольное возвращение к основному уровню. В момент возвращения каждый электрон испускает волну света, называемую фотоном. Одним атомом запускается цепная реакция, и электроны многих других атомов также перемещаются на орбиты с более низкой энергией. Одинаковые световые волны движутся огромным потоком. Изменения этих волн согласованы во времени и в результате формируют общий мощный световой пучок. Этот пучок света и зовется лазерным лучом. Мощность луча у каких-то лазеров настолько огромна, что им можно разрезать камень или металл.

Кто изобрел лазер?

Первые открытия, подарившие человечеству лазер, были сделаны еще на заре XX века.

Эйнштейн

Еще в 1917 году Альберт Эйнштейн написал революционную работу, в которой заложил основы квантово-механического принципа действия лазера. Революционность заключалась в том, что автор предсказал абсолютно новое явление в физике — вынужденное излучение. Из теории Эйнштейна следует, что свет может излучаться и поглощаться не только спонтанно. Существует также возможность вынужденного (или стимулированного) излучения. Это значит, что возможно «принудить» электроны излучать свет необходимой длины волны в одно и то же время.

Майман

Реализовать эту идею на практике удалось только в 60-е годы двадцатого века. Самый первый лазер создал калифорнийский физик Теодор Майман 16 мая 1960 года. В работе этого лазера использовались кристалл рубина и резонатор Фабри — Перо. Лампа-вспышка являлась источником накачки. Работа лазера была импульсной, волна имела длину 694,3 нм.

Басов, Прохоров и Таунс

В 1952 году академики из СССР Николай Басов и Александр Прохоров рассказали всему миру, что возможно создание микроволнового лазера, работающего на аммиаке. Эта же идея параллельно и независимо развивалась физиком из Америки Чарлзом Таунсом. Он создал и показал, как работает такой лазер, в 1954 году. Спустя десятилетие, в 1964 году, все трое удостоились за эти достижения Нобелевской премии по физике.

Наши дни

Сегодня мы можем наблюдать очень интенсивное развитие лазеров. Практически ежегодно изобретаются новые их виды — химические, эксимерные, полупроводниковые, лазеры на свободных электронах.