Лазерная обработка

Лазеры — источники мощного светового монохроматического излучения, появились в начале 60-х годов XX в. и сразу же стали находить применение в технологических процессах.

Основными элементами лазера являются рабочее тело и система возбуждения излучения. В зависимости от материала активного элемента лазеры подразделяются на твердотельные (обычно рабочее тело — монокристаллы рубина), газовые (работают на смеси углекислого газа с азотом), полупроводниковые и жидкостные. В технологических процессах в основном используются наиболее мощные твердотельные и газовые лазеры.

Атомы или молекулы рабочего тела должны обязательно иметь расщепленный верхний энергетический уровень. Это достигается введением примесей в основное вещество (атомов хрома в рубине, красителей в жидкости и т. п.). Когда под импульсным или непрерывным возбуждением (в твердотельных лазерах — излучением лампы «накачки») на верхнем возбужденном энергетическом уровне окажется больше атомов, чем на нижнем, атомы лавинообразно переместятся на промежуточный энергетический уровень, излучая кванты световой энергии. Излучаемые кванты абсолютно тождественны по частоте. Усиление лазерного излучения достигается благодаря концентрации излучаемой энергии со всего объема рабочего тела в узкий пучок.

Лазеры подразделяются по мощности излучения на две группы: маломощные (до 1 кВт) и мощные (свыше 1 кВт). К первой группе относятся в основном твердотельные лазеры, а также небольшие газовые лазеры, ко второй группе — в основном газовые лазеры.

Лазерный луч обеспечивает концентрацию энергии с плотностью до 1014 Вт/см2 и может быть сфокусирован до пятна диаметром 1 мкм. Такая концентрация энергии позволяет достичь на поверхности материала температуры в несколько тысяч градусов. В результате материал мгновенно расплавляется и частично испаряется, выплескиваясь из зоны действия лазерного луча.

Лазерный луч предоставляет технологам возможность воздействия на материал без механических нагрузок, что позволяет достичь высокой точности обработки. С помощью лазерного излучения можно изготовлять отверстия диаметром 0,03 — 3 мм и глубиной в несколько миллиметров с производительностью до 60 отверстий в минуту. Отверстия изготовляются в твердых сплавах, керамике, часовых камнях, алмазах и т. п. Погрешность размеров отверстий небольших диаметров не превышает

±0,01 мм.

Перемещая обрабатываемую деталь и используя мощные газовые лазеры непрерывного действия, можно вырезать контур детали в листе металла толщиной до 10

Импульсная сварка с помощью твердотельных лазеров нашла широкое применение в радиоэлектронной промышленности при сварке элементов полупроводниковых приборов.

Лазерным лучом можно упрочнять поверхность металла (по принципу термообработки). При этом стойкость штамповой оснастки увеличивается в 2 — 5 раз.

Представляет интерес использование светогидравлического удара, создаваемого в жидкости лазерным лучом, для очистки поверхности деталей, удаления облоя, штамповки, создания неразъемных соединений обжимкой.

Главным недостатком лазера является довольно низкий КПД, который для твердотелых лазеров составляет примерно 2 %.