Лазеры, как сверхинструмент человека, в настоящее время используются во многих областях человеческой деятельности, благодаря уникальности, которую скрывает в себе лазерное излучение.
К числу таких свойств можно отнести, в частности, монохроматичность — т. е. тот факт, что излучение имеет одинаковую длину волны, малую расходимость, что позволяет пропускать тонкий лазерный пучок на большое расстояние без существенного изменения геометрии его профиля.
В этой статье мы сосредоточимся на промышленных применениях лазеров.
Лазерная резка и сварка
Лазерный луч может передавать значительное количество энергии, и поэтому с помощью сфокусированного лазерного луча можно резать широкий спектр компонентов из различных материалов, таких как трубы, балки, металлические листы, пластмассы или дерево. Преимуществом является высокая точность, скорость и, прежде всего, чистый срез.
Для резки и сварки используются мощные CO2-лазеры (10,6 мкм) и лазеры Nd:YAG (1064 нм), где значение в скобках указывает на рабочую длину волны лазера.
Вырезанный материал локально расплавляется лазерным лучом, а затем выдувается соплом со вспомогательным газом, которым обычно является азот, кислород или аргон.
Лазерная сварка осуществляется так называемым методом замочной скважины, когда при начальном взаимодействии лазерного луча в процессе парообразования материала создается полость (замочная скважина), стенки которой выполнены из расплавленного материала. Этот расплавленный материал постепенно заполняет полость позади движущегося лазерного луча.
Лазерная резка использует комбинацию тепла и давления для создания разреза. В зависимости от типа разрезаемого материала он может гореть, плавиться или испаряться под действием тепла лазера.
Преимущества использования лазерной резки:
- Минимальная деформация материала,
- Точные разрезы и края с превосходной отделкой,
- Лазерный луч режет от очень маленьких деталей со сложным дизайном, до больших размеров,
- Материал для резки может быть жестким или гибким,
- Лазеры быстрые и поэтому экономят время в процессе резки сложных деталей,
- Помимо резки, лазер также может выполнять гравировку или маркировку на нужном материале.
Лазерная гравировка и микрообработка
Другой вариант заключается в том, что мы не хотим отделять материал напрямую, а лишь вносим определенные коррективы в его поверхность и таким образом улучшаем его свойства. К таким процессам относятся, например, лазерная гравировка и микрообработка.
При лазерной гравировке тонкий слой материала удаляется с поверхности путем испарения. Таким образом, лазером можно обрабатывать сталь, алюминий, нержавеющую сталь, медь, золото и другие металлы, а также дерево и стекло.
Это зависит только от настройки лазерного устройства, когда CO2-лазеры чаще всего снова используются для дерева и стекла, или лазеры Nd:YVO4 для пластмасс и многих металлов.
При использовании очень коротких лазерных импульсов порядка фемтосекунд возможен так называемый холодный процесс (Cold Processing), когда материал испаряется без вторичного нагрева. Так, например, можно выгравировать даже головку спички, не поджигая ее.
Лазерная гравировка
Микрообработка — это собирательное название технологий, направленных на точную обработку материалов, например, подготовку гидрофильных (смачивающих), гидрофобных (несмачивающих) и биосовместимых поверхностей, их текстурирование, модификацию коэффициента трения и т.д.
Лазерная очистка
Помимо вышеперечисленных способов, когда лазер используется для деформации поверхности, или непосредственно для резки и сварки, при использовании мощных коротких сфокусированных импульсов можно точно испарить лишь тонкий поверхностный слой примесей с металлической детали, не повреждая исходную поверхность. Таким образом, путем точной настройки плотности мощности лазерного луча можно добиться оптимальной очистки, недостижимой другими методами.
Лазеры Nd:YAG (1064 нм) или волоконные лазеры чаще всего используются для этой цели и используются для успешного удаления ржавчины, жирных загрязнений или для реставрации старых предметов искусства.
Станция обработки поверхности материалов лазером
Лазерная ударная обработка
Из предыдущего текста может показаться, что лазеры полезны в промышленной практике только тогда, когда необходимо удалить какую-то часть материала или иным образом модифицировать его, но даже в промышленности лазеры используются для нескольких других интересных целей.
Одним из примеров является метод лазерной ударной обработки (LSP), который представляет собой технологию, используемую для упрочнения нагруженных компонентов с целью продления их срока службы.
С помощью высокоэнергетического лазерного импульса на поверхности материала создается плазма, генерирующая ударную волну, которая распространяется в глубину и сжимает материал — оставляя в нем остаточное сжимающее напряжение.
Так как этот метод достаточно дорог, его применяют в промышленности, например, для упрочнения лопаток турбин, упрочнение сварных швов в парогенераторах и на атомных электростанциях и т. д.
Установка для лазерного упрочнения
Лазерное спекание
Одним из других разработанных приложений является метод 3D-печати из металла, или так называемое селективное лазерное спекание SLS (Selective laser sintering).
Лазерный луч локально расплавляет металлический порошок, создавая высокоточный продукт слой за слоем. По сути, этим методом можно печатать различные формы, которые в противном случае было бы очень сложно изготовить по классической технологии.