Лазерная лучевая обработка: полное руководство по определению, компонентам, принципам, преимуществам и применению

Определение лазерной лучевой обработки

Лазерная лучевая обработка (ЛЛО) — это нетрадиционный метод обработки, при котором материал удаляется с детали с помощью фокусированного лазерного луча. Процесс основан на использовании тепловой энергии для плавления, испарения и удаления материала.

LASER расшифровывается как Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (Усиление света за счет стимулированного излучения излучения).

Существует три основных типа лазеров: твердотельные, газовые и полупроводниковые. Для высокомощных приложений (обработка, сварка) чаще всего используются твердотельные лазеры.

Основные компоненты (конструкция) установки ЛЛО

Установка лазерной лучевой обработки состоит из следующих главных узлов:

• Источник питания (высоковольтный блок)
• Конденсаторный банк
• Световспышки (лампы накачки)
• Резонатор (внутренние и внешние зеркала)
• Активный элемент (рубиновый кристалл / стержень)
• Фокусирующая оптика (линзы)
• Обрабатываемая деталь (заготовка)

Источник питания

Обеспечивает высокое напряжение для инициирования разряда в лампы накачки. Высокое напряжение позволяет легко формировать импульсы.

Конденсаторный банк

Накопляет энергию в течение большей части цикла и разряжает её во время вспышки. Работает в импульсном режиме заряда-разряда.

Световспышки (лампы накачки)

Дуговые лампы, создающие интенсивный белый свет для накачки активного среды. Заполнены газом, который ионизируется, образуя высокоэнергетическую плазму.

Резонатор (отражающие зеркала)

Состоит из двух зеркал: одного полностью отражающего, другого — частично пропускающего. Внутренние зеркала формируют оптический резонатор, поддерживающий и усиливающий генерацию лазерного излучения. Внешние зеркала направляют луч на заготовку.

Лазерный луч

Светообразное излучение, возникшее в результате оптического усиления на основе когерентности света, создаваемой бомбардировкой активного вещества.

Рубиновый кристалл (активная среда)

Рубиновый лазер генерирует серию когерентных импульсов темно-красного цвета. Работает на принципе инверсии населенности — это трёхуровневый твердотельный лазер.

Фокусирующая система (линзы)

Луч проходит через расширяющую линзу, затем через коллимирующую, делающую лучи параллельными. Расширяющая линза приводит луч к требуемому диаметру перед фокусировкой на детали.

Заготовка

Может быть металлической или неметаллической. Лазерная обработка применима практически к любому материалу.

Принцип работы лазерной лучевой обработки

Процесс основан на преобразовании: электрическая энергия → световая энергия → тепловая энергия.

Электроны в атоме поглощают энергию и переходят на более высокие энергетические уровни. При обратном переходе происходит стимулированное излучение фотонов. В резонаторе фотоны многократно отражаются, вызывая лавиннообразное умножение когерентного излучения.

Частично прозрачное зеркало выводит часть фотонов, формируя рабочий луч. Луч фокусируется на поверхности заготовки. Плотность потока тепла вызывает нагрев, плавление, испарение и удаление материала. ЛЛО — это термический процесс удаления материала с высокой точностью.

Скорость удаления материала (MRR) зависит от длины волны лазера, определяющей энергию, поглощаемую материалом.

Применение лазерной лучевой обработки

• Сверление микропорий, сварка непроводящих и рефрактерных материалов.
• Обработка хрупких материалов с низкой теплопроводностью: керамика, ткань, дерево.
• Хирургия, микросверление.
• Спектроскопия и фотография в медицине.
• Массовое производство (макромеханическая обработка).
• Резка сложных профилей тонких и твердых материалов.
• Изготовление микропорий (например, соски детских бутылочек).

Преимущества ЛЛО

• Обработка любых материалов, включая неметаллы.
• Сверление сверхмалых отверстий с высокой точностью.
• Минимальный износ инструмента (нет контакта).
• Отсутствие механических сил, действующих на заготовку.
• Легкая обработка мягких материалов (пластик, резина).
• Высокая гибкость и простота автоматизации.
• Малая зона термического влияния.
• Качественная чистовая поверхность.
• Сварка закалённых и магнитных материалов без потери свойств.
• Точное позиционирование на заготовке.

Недостатки ЛЛО

• Невозможно получить слепые и глубокие отверстия.
• Форма отверстий неидеальна (некруглые, непрямые).
• Высокая капитальная стоимость и обслуживание.
• Проблемы безопасности (лазерное излучение).
• Низкий общий КПД процесса.
• Ограничение по толщине листового материала.
• Низкая производительность по удалению металла.
• Короткий ресурс ламп накачки.
• Ограниченный объём удаляемого металла за проход.