Лазерные технологии обработки материалов

Лазерные технологии обработки материалов

(состояние разработок и внедрения; актуальные проблемы фундаментальных исследований)

Авторы: Панченко Владислав Яковлевич, Голубев Владимир Сергеевич.

Введение

В настоящей главе представлен анализ современного состояния и перспектив развития индустриальных лазерных технологий макромасштабной обработки материалов и изделий (резки, сварки, модификации поверхности, селективного лазерного спекания). Целью анализа является выявление главных проблем названных технологий, требующих продолжения и углубления физических исследований процессов, лежащих в основе лазерной обработки, а также тенденций развития традиционных и новых видов процессов, соответствующей лазерной техники и перспективных типов лазеров большой мощности.

Основное внимание уделяется проблемам фундаментальных исследований и разработок технологических процессов с глубоким каналированным проникновением лазерного излучения в материал, явления, лежащего в основе технологий лазерной резки и сварки материалов больших толщин; гидродинамических неустойчивостей и турбулентных течений расплава при лазерной сварке и резке; механизмам поглощения энергии высокоинтенсивного лазерного излучения расплавами металлов; взаимодействию плазмы лазерного пробоя с лазерным излучением и обрабатываемым материалом; взаимодействию лазерного излучения с микро- и нанопорошками в процессах селективного лазерного спекания. Названные проблемы требуют развития широкого фронта исследований физики процессов лазерной макрообработки материалов, с целью повышения технологического качества обработанных материалов и созданных изделий, энергетической и экономической эффективности этих процессов, а также их экологической безопасности.

Лазерная технология в настоящее время стала одной из приоритетных технологий в обработке материалов, связи, обработке информации, в оптоэлектронике, в биологии и медицине, а также в измерениях и научных исследованиях. Причина активного внедрения лазерной технологии во все сферы современной цивилизации состоит в том, что эта технология является высокой, «критической», определяя, наряду с компьютерной и коммуникационной технологиями, общий уровень технологического развития страны. Ежегодные темпы роста мирового рынка лазерных технологий устойчиво держатся на уровне 10-15% [1-3]; прогнозируется [4] сохранение этих темпов на обозримый период до 2010 гг.

Основными областями применения лазеров в мире являются: телекоммуникации, оптическая память и обработка информации (67% мирового рынка), обработка материалов (25%), медицина (8%). На период до 2010 г. и далее ожидается расширение применения лазерной технологии в машиностроении (лазерная обработка материалов), фотохимии, микро- и нанотехнологии, телекоммуникациях, оптической обработке и записи информации, медицинской диагностике, хирургии и в экологическом мониторинге [2].

Лазерная макрообработка материалов (ЛММ) (резка, сварка, сверление отверстий, маркировка, модификация поверхности) в настоящее время достигла высокого уровня применения в индустрии [1-3,5,6,7,8,9,10-17,18,19]. Мировой рынок комплексного лазерного технологического оборудования для макрообработки материалов в 2005г. достигал, по данным [20], около 4 млрд. евро. Это соответствует большому числу производственных ниш, где ЛММ применяется в силу своей технико-экономической целесообразности и интегрированности в технологическую цепочку, несмотря на относительно высокую стоимость этой технологии.

Лазерная обработка материалов имеет ряд существенных преимуществ:

1. Высокая концентрация подводимой энергии и локальность позволяют производить обработку только поверхности участка материала без нагрева остального объема и нарушения структуры и свойств, что приводит к минимальному короблению деталей. Кроме того, высокая концентрация подводимой энергии позволяет провести нагрев и охлаждение обрабатываемого объема материала с большими скоростями при очень малом времени воздействия.
2. Возможность регулирования параметров лазерной обработки в широком интервале режимов позволяет разработать обширный ряд методов поверхностной обработки, регулировать структуру поверхностного слоя.
3. Отсутствие механических усилий на обрабатываемый образец дает возможность обрабатывать хрупкие и ажурные конструкции.
4. Возможность обработки на воздухе, легкость автоматизации процессов, отсутствие вредных отходов при обработке определяет высокую технологичность лазерного луча.
5. Возможность транспортировать излучение на значительные расстояния и подвод его с помощью специальных оптических систем в труднодоступные места позволяет производить обработку в тех случаях, когда другие методы применить невозможно.
6. Высокая производительность процессов.
7. Быстрая окупаемость капитальных затрат на оборудование (0,5 – 1 год).

Лазерные технологии обработки материалов продолжают развиваться в направлениях:

• Расширение видов обрабатываемых материалов (спецсплавы и неметаллические материалы для атомной энергетики, аэрокосмической, судостроительной, машиностроительной отраслей), и в целом материалов, работающих в экстремальных условиях эксплуатации-при высоких температурах (2500К и более), стойких в химически агрессивных и радиационно нагруженных средах.
• Рост диапазона толщин материалов, особенно в связи с задачами сварки в энергомашиностроении, резки и сварки в задачах утилизации крупнотоннажного энергетического, транспортного и оборонного оборудования, в задачах строительства или утилизации объектов морских оффшорных сооружений, а также подземных сооружений (тоннелей, скважин и шахт);
• Повышение технологического качества обработанных материалов и созданных изделий (снижение амплитуд шероховатостей, уровня термических деформаций, толщин поверхностных слоев, неточностей соблюдения геометрии реза, шва, слоя, или трехмерного изделия);
• разработка, создание и доведение до уровня индустриального серийного применения новых видов процессов (селективное лазерное спекание; лазерно-электродуговая и плазменная обработка: сварка, модификация поверхности; механические виды обработки (гибка, фрезерование, обточка) с участием лазерного нагрева).

Наряду с расширением диапазона параметров традиционных технологий (виды материалов, геометрия и скорость обработки, технологическое качество процесса) постоянно появляются, исследуются и внедряются новые виды процессов. Наиболее активно развиваются: прямая лазерная фабрикация изделий из металлических и керамических микро- и нанопорошков методом селективного лазерного спекания [21-24,25]; лазерная гибка пластиков [26]; гибридные технологии – комбинации лазерной и традиционных (электродуговых, ВЧ, ультразвуковых) видов обработки [27-32]; дистанционная разделка и сварка крупногабаритных изделий в энергетике, судостроении, строительстве; сверление и резка минералов, горных пород [3,33,34,35,5,6,36, 7,37,38,39,40,41,42,43]. Начаты исследования перспективных процессов ЛММ, таких, как: сварка [36,44] и резка [45] под водой, лазерная перфорация сверхкороткими (10^-8 -10^-13 с) лазерными импульсами [46,47,48,49,50,51,52].

Развитие традиционных и нарождающихся видов ЛММ сопровождается фундаментальными и прикладными исследованиями физики процессов воздействия лазерного излучения на материалы, разработкой и совершенствованием индустриальных лазеров и периферийного оборудования (адаптивных и интеллектуальных компьютерных систем, новых методов и приборов диагностики и мониторинга процессов ЛММ) не только в научных лабораториях, но и в условиях промышленного применения. Углубление понимания физики процессов ЛММ при высоких мощностях лазерного излучения с глубоким (каналированным) проникновением излучения в материал и создание индустриальных лазеров с высоким оптическим качеством излучения позволило приступить к освоению лазерной сварки и резки материалов больших тoлщин.

Рис.1 Лазерное воздействие на вещество. Современный диапазон интенсивности лазерного излучения в процессах лазерной обработки материалов находится в пределах 10⁴10¹²Вт/см²; диапазон времени воздействия в этих процессах от 1 до 10^-14 с.

Развитие физики мощных ультракоротких лазерных импульсов привело к расширению известной диаграммы «длительность воздействия – интенсивность лазерного излучения » (рис.1) в сторону сверхмалых времен (от 10^-8 с к 10^-14 с) и сверхвысоких интенсивностей (от 10¹⁰ Вт/см2 к 10¹⁴Вт/см2). Это привело к созданию новых видов процессов [46,47,48,49,50]– прецизионного сверления и абляции материала с поверхности без теплового воздействия, при непосредственном разрыве межмолекулярных связей лазерным излучением.

Остается актуальным продолжение исследований физики процессов воздействия на материалы интенсивного лазерного излучения высокой мощности (10³-10⁴ Вт), применяемого при лазерной обработке материалов. Актуальность данной задачи, разрабатываемой уже несколько десятилетий [1,53,54-58], вызвана следующими причинами:

• Непрерывно улучшаются параметры излучения индустриальных лазеров: растет их средняя мощность, (до 104-105 Вт) и энергетическая эффективность (до 20-50%), повышается оптическое качество лазерного пучка, расширяется диапазон длин волн излучения (в сторону коротких волн, до 0,3-0,2 мкм), достигаются ультракороткие длительности лазерных импульсов (10^-13 - 10^-15 с).
• Идет постоянное совершенствование технических параметров индустриальных лазеров: возрастает энергетическая эффективность генерации излучения (до 20-50%); улучшается компактность блока генерации (до 10 дм³/кВт); развиваются гибкие оптоволоконные системы доставки лазерного излучения к обрабатываемому материалу.
• Улучшение параметров излучения и технических характеристик индустриальных лазеров находится в «диалоговом режиме» с расширением диапазона параметров процесса традиционных видов ЛММ (прежде всего, роста толщин материала и скорости обработки при резке и сварке, а также расширением ассортимента типов материалов, особенно материалов, предназначенных для экстремальных условий эксплуатации), а также с процессом возникновения и развития новых видов ЛММ.

Как все высокие технологии, лазерная технология отличается большой наукоемкостью и поэтому требует адекватных затрат государственных и частных структур на ее развитие. Так, ведущие лазерные фирмы мира вкладывают в разработку лазерной техники до 8% объема реализации своей продукции. В то же время до 40% от общего объема затрат на разработку лазерной техники (гражданского назначения) в ведущих странах Запада поступает за счет государственных (национальных) и межгосударственных программ и через организацию национальных (межнациональных) лазерных центров.

Благодаря активной государственной поддержке наукоемких технологий (в том числе лазерной), страны Западной Европы и Япония за последние годы уверенно конкурируют с США на мировом рынке высоких технологий. В Германии выполняется лазерная национальная программа - "Лазер 2000". Она нацелена на поддержание высокой конкурентоспособности немецких производителей лазерной техники, устранению научных и технологических барьеров на пути широкого практического освоения такой техники в промышленности страны и созданию научно-технической базы для разработки лазерных технологий XXI века. На реализацию это программы Федеральное министерство науки и новых технологий Германии ассигновало 275,3 млн. DМ. Серьезным примером государственной поддержки развития высоких технологий является выполнение в Японии в начале 90-х гг. восьмилетней национальной программы разработок технологических лазеров и комплексов лазерной обработки материалов. В результате выполнения этой программы Япония в настоящее время заняла лидирующее положение на мировом рынке лазерной обработки материалов, что позволило ей, в частности, оказаться вне конкуренции в области автомобилестроения.

Западноевропейские страны ЕС осуществляют господдержку развития новых технологий, в число которых входит и лазерная обработка материалов, в основном через международные программы "BRITE EURAME" и "EUREKA". В рамках "BRITE EURAME" выполнено 20 проектов с объемом финансирования 37 млн. экю по развитию технологий лазерной обработки материалов и мощных технологических лазеров. Программа "EUREKA", лазерной частью которой является "ЕUROLAS," выполняется по настоящее время. Основная цель проекта "EUREKA" состоит в увеличении размера инвестиций в исследования и разработки до уровня 3% ВВП стран ЕС (т.е. около 300 млрд. евро) к 2010 году. До 2005 года по программе "ЕUROLAS" было профинансировано 12 крупных проектов на общую сумму более 300 млн. экю. Главной задачей программы "ЕUROLAS" является создание технологических лазеров большой мощности и разработка процессов обработки материалов на их основе преимущественно в таких отраслях, как тяжелое машиностроение, химическая промышленность, транспортное машиностроение. При этом предусмотрено создание СО₂-лазеров мощностью до 25 кВт и более, твердотельных лазеров - до 5 кВт. Большое значение в рамках этой программы придается созданию Европейского электронного банка данных по промышленному применению лазеров, взаимной передаче "ноу-хау" между партнерами, созданию и сертификации общеевропейских стандартов на лазерные технологические процессы. В 2005 году по программе "ЕUROLAS" выполнялось 16 проектов с текущим годовым объемом финансирования 33,65 млн. евро. В этих проектах участвует 122 организации, в том числе 30 крупных компаний, 33 НИИ, 28 университетов.

Литература

Список литературы смотри в Лазерные технологии обработки материалов/Литература

См. также

• Воздействие лазерного излучения на материалы

Это черновик статьи. Вероятно, статья находится в процессе написания.