Индустрия 4.0

Лазерные технологии 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.
19 января 2009

Когерентный луч вместо пилы

Одним из основных процессов получения заготовок в машиностроении является резка металла. Для этого широкое применение находят самые разнообразные ее методы. Традиционно используются механические способы - резка ножовочными полотнами, ленточными пилами, фрезами. Для этого в производстве также используются станки общего и специального назначения для раскроя листовых, профильных и других заготовок из различных металлов и сплавов. При дешевизне традиционных способов у них немало родовых проблем, которые не могут быть решены технологически. Среди недостатков старых способов резки - невысокая производительность, малая стойкость режущего инструмента, а также проблематичность, а порой и полная невозможность разнофигурной резки по круглым и кривым контурам.

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.

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.

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.

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.

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.

Малярные работы без кисти и валика

Еще одним направлением применения промышленных лазеров является обработка поверхностей. Высокие плотности мощности лазерного излучения позволяют получать качественно новые свойства поверхностей, недоступные традиционным методам обработки материалов. Лазерная обработка поверхностей металлов и сплавов относится к локальным методам термической обработки с помощью высококонцентрированных источников нагрева. В этой связи лазерный луч как источник нагрева при термической обработке материалов имеет черты, свойственные всем другим высококонцентрированным источникам. Лазерное излучение позволяет производить обработку только поверхностного участка материала без нагрева остального объема и нарушения его структуры и свойств, что приводит к минимальному короблению деталей. В результате очевидны экономические и технологические преимущества. Лазерная обработка позволяет оперировать в широком интервале режимов. Это позволяет достигать необходимых физических свойств поверхности, таких как твердость, износостойкость, шероховатость, а также геометрические размеры обработанных участков. Отсутствие механических усилий на обрабатываемый материал дает возможность обрабатывать малопрочные и тонкостенные изделия.

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.

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.

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.

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.

Теги: