Лазерная лучевая обработка: типы, процесс и применение

Что такое лазерная лучевая обработка?

Лазерная лучевая обработка (ЛЛО) — метод обработки теплом сфокусированного лазерного луча. Использует тепловую энергию для удаления материала с металлических или неметаллических поверхностей. Высокочастотный монохроматический свет падает на поверхность, нагрев, плавление и испарение материала происходят под действием фотонов.

ЛЛО лучше всего подходит для хрупких материалов с низкой теплопроводностью, но применима к большинству материалов.

Можно обрабатывать стекло без плавления поверхности. С фоточувствительным стеклом луч меняет химическую структуру, позволяя выборочно травлить. Такое стекло называют фотообрабатываемым. Преимущество: идеально вертикальные стенки, нативное стекло подходит для биологических применений (подложки для генетического анализа).

Определение лазерной лучевой обработки

Нестандартный метод обработки, где операция выполняется лазерным светом. Луч с максимальной температурой попадает на заготовку, из-за высокой температуры заготовка плавится. Процесс использует тепловую энергию для удаления материала с металлической поверхности.

Типы лазеров

Много типов: газовые, твердотельные, эксимерные.

Частые газы: He-Ne, Ar, CO₂ (углекислый газ).

Твердотельные лазеры: легирование редкоземельным элементом в матрицу. В отличие от газовых, накачиваются оптически — вспышками или дуговыми лампами. Рубин — частая матрица.

Рубиновый лазер — твердотельный, активная среда — синтетический рубиновый стержень. Оптический насос — ксеноновая вспышка.

YAG — иттрий-алюминий-гранат (кристаллы для твердотельных лазеров). Nd:YAG — неодимовый иттрий-алюминий-гранат, лазерная среда в твердотельных лазерах.

YAG-лазеры излучают высокоэнергические световые волны. Nd:стекло — неодимовая активная среда из силиката или фосфата для волоконных лазеров.

Основные узлы лазерной установки

1. Блок питания

Требуется высокое напряжение. Питание для возбуждения электронов. При подаче питания электроны переходят в возбуждённое состояние — готовы к работе.

2. Вспышечные лампы

Дают белый когерентный свет на очень короткое время.

3. Конденсатор

Накопляет и разряжает заряд. Используется во время вспышки.

4. Отражающее зеркало

Направляет свет прямо на заготовку. Два типа: внутреннее и внешнее.

5. Линза

Для визуализации. Увеличивает изображение для удобства операции над меткой на заготовке.

6. Заготовка

Объект обработки. Если организму нужна лазерная операция — мы заготовка. В производстве — деталь, которую нужно просверлить/прорезать.

Принцип работы лазерной лучевой обработки

Лазерный луч (монохроматический свет) фокусируется линзой на заготовку, создавая экстремально высокую плотность энергии для плавления и испарения любого материала.

Лазерный кристалл (рубин) — цилиндр с плоскими отражающими концами, помещён в катушку вспышечной лампы ~1000 Вт.

Вспышка моделируется высокоинтенсивным белым светом ксенона. Кристалл возбуждается, излучает лазерный луч, фокусируемый линзой на заготовку.

Луч экстремально узкий, фокусируется в точку с плотностью мощности 1000 кВт/см². Высокая теплота плавит и испаряет участок металла.

Применение лазерной лучевой обработки

Сварка, наплавление, маркировка, термообработка поверхности, сверление, резка. Автомобилестроение, судостроение, авиация, сталь, электроника, медицина — точная обработка сложных деталей.

Лазерная сварка: скорость до 100 мм/с, сварка несходных металлов. Наплавление: покрытие дешёвых/слабых деталей твёрдым материалом для улучшения поверхности. Сверление и резка: нет износа режущего инструмента (нет контакта).

Фрезерование лазером — 3D-процесс, требует двух лазеров, но резко снижает затраты. Лазеры меняют поверхностные свойства заготовки.

Применение зависит от отрасли. Лёгкое производство: гравюра, сверление металлов. Электроника: стриpping проводов, скользящие цепи. Медицина: пластическая хирургия, лазерная эпиляция.

Преимущества лазерной лучевой обработки

• Монохроматизм и параллельность луча (нулевой этендю) — фокус в малую точку, до 100 МВт/мм².
• Гравюра/резка почти любых материалов, где традиционные методы бессильны.
• Разнообразие типов лазеров под разные задачи.
• Умеренные затраты на обслуживание: низкий износ (нет контакта инструмент-заготовка).
• Высокая точность, часто не требуется доп. чистовая обработка.
• Лазер можно совмещать с газами для эффективности резания, минимизации окисления, удаления расплава/пара с поверхности.

Недостатки лазерной лучевой обработки

• Высокая начальная стоимость оборудования и аксессуаров (многие аксессуары так же важны, как сам лазер).
• Требуются высококвалифицированные специалисты. Управление технически сложно, нужны эксперты.
• Не для массовой обработки металла.
• Высокое энергопотребление.
• Глубокие резы сложны для высокоплавких материалов — обычно образуется конусность.

Часто задаваемые вопросы

Что такое лазерная лучевая обработка?

Обработка теплом лазерного луча. Тепловая энергия удаляет материал с металлических/неметаллических поверхностей.

В чём преимущество лазерной лучевой обработки?

Автоматизация сложных контуров, отсутствие износа и ломки инструмента, резка под малыми углами, высокая скорость. Бесконтактный процесс — передача энергии облучением.

Какой лазер используется в ЛЛО?

Газовые: CO₂, эксимерные; твердотельные: Nd:YAG, YAG; фемтосекундные.

Каков принцип лазерной лучевой обработки?

Луч фокусируется на заготовку. При попадании тепловая энергия передаётся поверхности: нагрев, плавление, испарение, удаление материала.

Характеристики лазерного луча?

Монохроматичность, когерентность (пространственная и временная), направленность, яркость.

Какой лазерный материал используется в ЛЛО?

В твердотельной категории Nd:YAG — основной для ЛЛО. Рубин, Nd:стекло — для металлов. Nd:YAG — также для керамики.

Что такое лазерное производство?

Применяется во многих отраслях для обработки керамики, полимеров, металлов. Прогресс лазерных технологий позволяет обрабатывать практически любой материал с беспрецедентной точностью и эффективностью.

Требует ли ЛЛО вакуума на всей операции?

Нет. ЛЛО универсальнее — для металлов и неметаллов. Не требует вакуумной среды. Зона термического воздействия меньше, чем у других нестандартных методов.

Каковы типы лазеров?

По активной среде: газовые, твердотельные, волоконные, жидкие (красочные), полупроводниковые (диодные).

Основные свойства и применение лазерных лучей?

Устройство, создающее высококонцентрированный узкий луч, усиливаемый стимулированным излучением. Три свойства: когерентность, коллимация, монохроматичность. Дают малый фокус с интенсивной мощностью.

Какие материалы можно обработать лазерным лучом?

Независимо от электропроводности заготовки. От пластиков до алмазов. Широкий спектр: сверление, резка, нарезание канавок, скрибинг, маркировка, очистка, точение и др.

Почему ЛЛО нельзя использовать для больших отверстий?

При превышении пороговой плотности мощности: плавление, испарение, выброс твёрдых частиц. С ростом диаметра и глубины выброшенные частицы плавятся и оседают на стенках и дне — не для глубокого сверления.

Какова операционная стоимость станков ЛЛО?

Обработка очень быстрая, наладка экономична.

Какова операционная стоимость станков ЛЛО? (повтор)

Эксплуатационные расходы низкие, но стоимость оборудования высока.

Что делает лазерная технология?

Устройства используют свет для хранения, передачи, печати изображений/текста; хирургия, вооружение. Когерентное излучение даёт особую силу.

Что такое инверсия населенности в ЛЛО?

• Для лазерного действия население атомов на верхнем уровне должно возрасти. Процесс увеличения N₂ > N₁ — инверсия населенности.
• Метод достижения — накачка (пампинг).

Применение лазерной обработки?

Сварка, наплавление, маркировка, термообработка, сверление, резка. Авто, судостроение, авиация, сталь, электроника, медицина — точная обработка сложных деталей.

Используется ли электронный луч в ЛЛО?

Нет. Электронно-лучевая обработка — пучок электронов. ЛЛО — пучок лазера (когерентные фотоны).

Кто изобрёл лазерный луч?

Теодор Мейман (Hughes Research Laboratories) — первый работающий лазер, 1960 г. Статья в Nature через 3 месяца.

Что такое лазер 3-го класса?

Средней мощности, требуют мер контроля для предотвращения прямого попадания луча в глаз. Акцент — защита глаза от прямого или зеркально отражённого луча.

Является ли ЛЛО ограничением?

Применима только для тонких сечений и малого объёма удаления. Контроль размера отверстия сложен. Сверленные отверстия могут иметь лёгкую конусность — не для больших отверстий.

Когда изобретён лазерный луч?

Декабрь 1958: изобретение лазера. Научное открытие с революционным влиянием на быт. Лазер = light amplification by stimulated emission of radiation.

Могут ли лазеры резать металл?

Да, режут многие материалы, типично: углеродистая, низкоуглеродистая, нержавеющая сталь, стальные сплавы, алюминий.