Лазерная лучевая обработка: типы, процессы и применение

Что такое лазерная лучевая обработка (Laser Beam Machining — LBM)?

Лазерная лучевая обработка (LBM) — вид обработки, использующий тепло направленного лазерного луча. Процесс использует тепловую энергию для удаления материала с металлических или неметаллических поверхностей. Высокая частота монохроматического света падает на поверхность, вызывая нагревание, плавление и испарение материала за счет поглощения фотонов.

LBM лучше всего подходит для хрупких материалов с низкой проводимостью, но применима к большинству материалов.

Лазерная обработка стекла возможна без плавления поверхности. С фотчувствительным стеклом луч меняет химическую структуру, позволяя выборочное травление. Такое стекло называется фотообрабатываемым.

Преимущество фотообрабатываемого стекла: точно вертикальные стенки, нативное стекло подходит для биологических применений (подложки для генетического анализа).

Определение лазерной лучевой обработки

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

Типы лазеров

Много типов: газовые, твердотельные, эксимерные.

Часто используемые газы: He-Ne, Ar, CO2-лазер.

Твердотельные лазеры создаются легированием редкого элемента в различные основные материалы. В отличие от газовых, накачиваются оптически вспышками или дуговыми лампами. Рубин — частый основной материал.

Рубиновый лазер — твердотельный, среда — синтетический рубиновый кристалл. Стержень оптически накачивается ксеноновой вспышковой лампой перед использованием как активная среда.

YAG — иттрий-алюминий-гранат, кристаллы для твердотельных лазеров. Nd:YAG — неодимовый донированный иттрий-алюминий-гранат, используемый как лазерная среда.

YAG-лазеры излучают высокоэнергетические световые волны. Nd:стекло — неодимовые усилительные среды из силикатных или фосфатных материалов для волоконных лазеров.

Конструкция / основные части LBM

1. Источник питания

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

2. Вспышковые лампы

Дают белый когерентный свет на очень короткое время.

3. Конденсатор

Накопляет и разряжает заряд. Используется в процессе вспышки.

4. Отражающее зеркало

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

5. Линза

Для визуализации. Увеличивает изображение для удобства операции над заготовкой.

6. Заготовка (Workpiece)

Объект, над которым выполняется операция. Например, если телу нужна лазерная операция — мы заготовка. В производстве — детали для сверления/отверстий.

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, помещенный в катушку вспышковой лампы ~1000 Вт. Вспышка моделируется высокоинтенсивным белым светом ксенона. Кристалл возбуждается и излучает лазерный луч, фокусируемый линзой на заготовку.

Луч экстремально узок, фокусируется в точку с плотностью мощности 1000 кВт/см². Высокое тепло плавляет и испаряет участок металла.

Применение лазерной лучевой обработки

Лазеры для сварки, наплавки, маркировки, обработки поверхностей, сверления, резки и др. Применяются в авто, судостроении, авиации, сталелитейной, электронной, медицинской отраслях для точной обработки сложных деталей.

Лазерная сварка: скорости до 100 мм/с, сварка разнородных металлов. Наплавка: покрытие дешевых/слабых деталей твердым материалом для улучшения поверхности. Сверление и резка: малое износ инструмента (нет контакта). Фрезерование лазером — 3D-процесс с двумя лазерами, резко снижает затраты. Лазеры меняют поверхностные свойства заготовки.

Применение варьируется по отраслям. Легкое производство: гравировка, сверление других металлов. Электронная: снятие изоляции, скейвинг цепей. Медицинская: косметическая хирургия, удаление волос.

Преимущества лазерной лучевой обработки

• Монохроматизм и параллельность луча (нулевой этендю) позволяют фокусировать в малый диаметр, давая до 100 МВт/мм².
• Способность гравировать/резать почти все материалы, где традиционные методы бессильны.
• Несколько типов лазеров с разными применениями.
• Умеренные затраты на обслуживание из-за низкого износа (нет физического контакта инструмента с заготовкой).
• Высокоточная обработка, часто не требует доводки.
• Лазерные лучи можно сочетать с газами для эффективности резки, минимизации окисления, удаления расплавленного/испаренного материала.

Недостатки лазерной лучевой обработки

• Высокая начальная стоимость оборудования. Много аксессуаров, важных как сам луч — стартовые затраты растут.
• Требует высококвалифицированных специалистов. Управление технически сложно, может потребоваться эксперт.
• Не предназначены для массового металлообработки.
• Высокое потребление энергии.
• Глубокие резы сложны для материалов с высокой т° плавления, обычно образуют конусность.

Часто задаваемые вопросы (FAQ)

Что такое лазерная лучевая обработка?

Вид обработки, использующий тепло лазерного луча. Тепловая энергия удаляет материал с металлических или неметаллических поверхностей.

Преимущество лазерной лучевой обработки?

Главные: легкость автоматизации сложных контуров, отсутствие износа и поломок инструмента, способность резать под малыми углами, высокая скорость. Бесконтактный процесс — передача энергии через облучение.

Какой лазер используется в LBM?

Газовые: CO2, эксимерные; твердотельные: Nd:YAG, YAG, фемтосекундные — самые популярные.

Принцип лазерной лучевой обработки?

Фокусировка луча на заготовку. При ударе луча в поверхность тепловая энергия передается поверхности. Нагрев, плавление, испарение — материал становится заготовкой.

Характеристики лазерного луча?

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

Какой лазерный материал используется в LBM?

Много типов твердотельных: Nd:YAG основной для LBM. Nd:YAG, рубин, Nd-стекло — для металлов. Nd:YAG также для керамики.

Что такое лазерное производство?

Применяется во многих отраслях для обработки материалов: керамика, полимеры, металлы. Прогресс лазерных технологий позволяет обрабатывать практически любой материал с беспрецедентной точностью и эффективностью.

Требует ли LBM вакуума на всей операции?

Нет. LBM универсален для металлов и неметаллов. Не требует вакуумной среды. Зона термического воздействия меньше, чем у других неконвенциональных процессов.

Типы лазеров?

По активной среде: 5 основных типов — газовые, твердотельные, волоконные, жидкие (красочные), полупроводниковые (диодные).

Основные свойства и применение лазерных лучей?

Устройство, проецирующее высококонцентрированный узкий луч, усиленный стимулированным излучением. 3 свойства: когерентность, коллимация, монохроматичность. Дают малый фокус с интенсивной мощностью.

Какие материалы можно обработать лазерным лучом?

LBM не зависит от электропроводности заготовки. Обрабатывает от пластиков до алмазов. Широкий спектр: сверление, резка, канавки, скрибинг, маркировка, очистка, точение.

Почему LBM нельзя для больших отверстий?

Лазерное излучение выше определенной плотности мощности вызывает плавление, испарение, выброс твердых частиц. С ростом диаметра и глубины выброшенные частицы плавятся и оседают на стенках и дне — не подходит для глубокого сверления.

Эксплуатационная стоимость станков LBM?

Обработка очень быстрая, наладка экономична.

Эксплуатационная стоимость станков в LBM?

Эксплуатационная стоимость низка, но стоимость самого оборудования высока.

Что делает лазерная технология?

Устройства используют свет для хранения, передачи, печати образов и текста; хирургия, вооружение. Когерентное излучение дает особую силу.

Что такое инверсия населенности в LBM?

Для лазерного действия население атомов в высшем энергетическом состоянии должно возрасти. Процесс увеличения населения высшего уровня (N2 > N1) — инверсия населенности. Метод достижения — накачка.

Применения лазерной обработки?

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

Используется ли электронный луч в LBM?

Нет. В LBM — луч лазера (когерентные фотоны). Электронно-лучевая обработка использует луч электронов.

Кто изобрел лазерный луч?

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

Что такое лазер класса 3?

Средней мощности, требуют мер контроля для предотвращения прямого взгляда в луч. Акцент на защите глаз от прямого или зеркально отраженного луча.

Является ли LBM ограничением?

Применимо только к тонким сечениям и малому объему удаляемого материала. Контроль размера отверстия сложен. Сверленные отверстия могут иметь легкую конусность — не для больших отверстий.

Когда изобретен лазерный луч?

Декабрь 1958: изобретение лазера. Научные прорывы, меняющие быт. Лазер = light amplification by stimulated emission of radiation.

Могут ли лазеры резать металл?

Да. Обычно углеродистая, низкоуглеродистая, нержавеющая сталь, стальные сплавы, алюминий.