Лазерный мир

В. Бирюков // Журнал Фотоника, №2,2013, с:46-53

Лазерные технологии уже давно перешагнули стены лабораторий и вышли на промышленные просторы. Обработка металлов мощными лазерами превратилась в стандартный процесс. И теперь обработка материалов менее мощным лазерным пучком тоже превращается в стандартные технологии. Но есть ниши, где эффекты взаимодействия лазерного излучения с веществом пока находятся на стадии исследований. И хотя существует множество лазерных технологий, авторы остановили свое внимание на тех из них, в которых отечественные разработчики достигли определенных успехов.

Самые востребованные промышленностью лазерные методы обработки материалов – это резка, сварка и маркировка. При сварке сталей, которые могут выйти на структуру мартенсита, лучше использовать гибридную технологию сварки. Методы гибридной сварки обеспечивают большие времена термических циклов, по производительности опережают электродуговую сварку и удовлетворяют требованиям поточного производства. В основном их применяют в автомобилестроении. Лазерная сварка наиболее подходит аустенитным сталям. Использование сканирующих устройств, обеспечивающих колебание лазерного пучка, позволяет сваривать детали даже при больших зазорах, при неточной подгонке стыка.
Обработка металла излучением мощных СО2- или волоконных лазеров – наиболее емкая часть современного рынка лазерной обработки материалов, она формирует примерно 70% всего объема продаж лазеров. Лазерные системы для резки листового металла в прошлом году обеспечили 5 млрд. продаж. Среди мощных источников излучения на долю лазерных систем с волоконными лазерами приходится 20%, но доминирующую роль по-прежнему играют газовые лазеры [1]. Однако на отечественном рынке производителей лазерного оборудования для машиностроения становится тесновато. Параметры лазерных комплексов различных производителей сопоставимы друг с другом, соревнование идет в области сервисного обслуживания и скорости поставки запасных частей. Рассмотрим новинки отечественных лазерных технологических комплексов [2,3]. ОАО НИАТ и ООО «Рухсервомотор» (Минск) выпускают лазерное технологического оборудования для размерной обработки деталей из плоских листовых заготовок, лазерные комплексы для раскроя плоских деталей из металлических и неметаллических материалов. В моделях КЛР-2D производства ОАО НИАТ и LaserCUT-3015-3 производства ООО «Рухсервомотор» использованы волоконные лазеры ООО НТО «ИРЭ-Полюс» мощностью 2–4 кВт и линейные двигатели. Скорость холостого хода этих систем составляет соответственно 100 и 180 м/мин при погрешности повторного позиционирования 0,05 и 0,01 мм. Оборудование предназначено для раскроя углеродистых сталей толщиной до 25 мм, коррозионно-стойких – до 10 мм, алюминия – до 8 мм, латуни – до 5 мм. Кроме того, на КЛР-2D отработана технология резки органопластиков – до 8 мм; стеклопластиков – до 6 мм; углепластиков – до 4 мм.
Для размерной обработки деталей сложной пространственной конфигурации из полимерных композиционных материалов в ОАО НИАТ разработан лазерный технологический комплекс (модель ЛТК-3D). Он имеет наибольшие прямолинейные перемещения, максимальные координаты перемещения, измеренные в миллиметрах: траверсы (координата Х – 5000 мм), каретки (координата У – 2500 мм), ползуна (координата Z – 800 мм). Максимальные скорости прямолинейных перемещений, измеренные в единицах «метр в минуту», по координатам Х, У – 100 м/мин, по координате Z – 30 м/мин; максимальные скорости угловых перемещений по координатам А, С – 120 град/с. Комплекс оснащен волоконным лазером мощностью 3 кВт. Точность воспроизведения контура – 0,05 мм. Комплекс предназначен для лазерной резки деталей различного класса, в том числе ресурсных деталей для авиационной и космической промышленности, деталей из полимерных композиционных материалов (ПКМ) (углепластика, органопластика), а также из других материалов (углеродистых, нержавеющих и высокопрочных сталей, титановых и алюминиевых сплавов). На нем можно производить обрезку по внешнему контуру и вырезку отверстий. Максимальная толщина обрабатываемых деталей из углепластика – 4 мм, из органопластика – 8 мм. Габаритные размеры комплекса 8000×5000×2500 мм (рис. 1) [2, 3].
Сравнение параметров комплекса с зарубежными комплексами SG-510MK, Mazak, Япония, Domino 1325, Prima Industrie, Италия, L-3D, Trumpf, Германия, подтверждает его конкурентоспособность на внутреннем и внешнем рынках. Из многообразия используемых на предприятиях зарубежных лазерных комплексов оборудование ЛТК-3D выделяется своими широкими возможностями. Во-первых, эти комплексы не позволяют резать углепластики с необходимым качеством, а ведь их объем составляет почти 70% от общего объема ПКМ, используемых в машиностроении. Во-вторых, ЛТК-3D создан под обработку органо- и стеклопластиков, в 1,5–2 раза большей толщины, чем обрабатываемые на сравниваемых лазерных комплексах. Третье преимущество – на создаваемом оборудовании возможна обработка более крупных деталей с большими скоростями, четвертое – существенно снижаются эксплуатационные расходы за счет высокого КПД лазера и длительного срока службы его компонентов до – 50 000 часов.

Российский производитель лазерных станков — ООО «Лазерный Центр» разработал и запустил в серийное производство модель ЛТУ RX-20, предназначенную для резки тонколистовых материалов (толщиной до 0,5 мм) и глубокой гравировки [4]. Комплекс создан на базе 20-Вт волоконного лазера ИЛМИ-0.5-20 производства ООО НТО «ИРЭ-Полюс». Лазер работает в импульсном режиме с частотой следования импульсов f = 20 – 100кГц, длительность импульса τ ~ 120 нс. Энергия в импульсе до 1 мДж. Время гарантированной наработки лазера составляет не менее 30 000 часов, охлаждение воздушное, потребляемая мощность ~300 Вт, время выхода на рабочий режим не превышает 3 мин. Лазер не требует специального обслуживания и дополнительной системы охлаждения. Использовался двухкоординатный стол X–Y с шаговыми двигателями, размер поля обработки 250×250 мм, точность позиционирования 2,5 мкм. Для расширения технологических возможностей в RX-20 предусмотрена возможность установки вращателя для резки изделий с цилиндрической поверхностью. Программирование осуществляется в форматах AutoCAD и CorelDRAW, возможно также программирование в ручном режиме. Перечень областей, в которых возможно использование RX-20, очень велик: изготовление масок для нанесения паяльной пасты на печатные платы, направляющие для принтеров с игольчатой печатью, прижимы полупроводниковых лазеров, резка медицинских стентов из тонкостенных трубок нержавеющей стали. Еще одним важным направлением может стать применение RX-20 для глубокой лазерной гравировки. Дело в том, что в настоящее время для маркировки используют сканаторные системы, это «МиниМаркер 2«, в обычном исполнении или, с учетом всех требований Европейской безопасности, новое семейство скоростных маркеров «TurboMarker». Они обеспечивают скорость маркировки до нескольких метров в секунду. Однако при этом глубина маркировки относительно невелика и в основном не превышает 50–100 мкм. В то же время существует целый ряд задач, где глубина гравировки требуется существенно выше – до 0,5 мм. Простое увеличение мощности лазера не дает нужного эффекта в силу ряда причин. Вот как раз в этом случае можно использовать RX-20. Скорость маркировки при этом снижается, поскольку маркировка осуществляется за счет относительно медленного перемещения детали с помощью координатного стола, однако глубина маркировки существенно возрастает.

Полное содержание статьи: http://www.photonics.su/files/article_pdf/3/article_3650_182.pdf