eng
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.
Теги: laser technologies laser treatment of materials лазерная обработка материалов лазерные технологии
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.
Пример использования пятикоординатного лазерного станка для финишной доводки керамических стержней – известная продукция ФГУП "САЛЮТ": рабочие лопатки авиационного двигателя, которые относятся к особо ответственным элементам конструкции. При изготовлении керамических стержней для отливки лопаток на отдельных элементах (по линии разъема пресс-формы) остается облой, который необходимо удалить. Пятикоординатный лазерный станок для финишной доводки керамических стержней обеспечивает не только обработку стержней, но и позволяет бесконтактным образом контролировать геометрию и размер элементов стержней, что важно для надежной эксплуатации охлаждаемых рабочих лопаток. Использование вентильных двигателей, цифровых приводов и высокоточной механики позволило добиться точности позиционирования 1 мкм при максимальной скорости перемещения до 50 мм/с. Лазерный станок оснащен современным лазером с выходной мощностью до 150 Вт и изменяемой формой выходного импульса (рис. 2).
ООО "Лазерный Центр", Санкт-Петербург, разработало и запустило 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 маркировки – 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 маркировки 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.
Другое крупное технологическое применение лазерных комплексов – это выращивание монокристаллических волокон (МКВ). Дело в том, что применение композиционных материалов в двигателях, энергетических и транспортных установках обеспечивает им скачок в увеличении производимой мощности, уменьшают массогабаритные характеристики машин и приборов. Монокристаллические волокна применяют при изготовлении композиционных материалов. Известно, что прочность композиционных материалов определяется свойствами армирующих волокон, а матрица в основном должна перераспределять напряжения между армирующими элементами. Поэтому прочность и модуль упругости волокон должны быть значительно больше, чем прочность и модуль упругости матрицы. Жесткие армирующие волокна воспринимают напряжения, возникающие в композиции при высоких нагрузках, придают ей прочность и жесткость в направлении ориентации волокон. Применение волокон оксидов алюминия позволит выйти на новый уровень физико-механических свойств композиционных материалов. Предел прочности МКВ оксида алюминия не изменяется до температуры 1600˚С. Сапфировое кристалличекое волокно (Al2O3) весьма полезно благодаря однородности своих физических свойств. Особую ценность волокна представляют его высокая температура плавления и практически нерастворимость в воде. Применение МКВ в широком круге оптических приборов обеспечивается его физическими свойствами и волнопроводящей способностью. Волокно способно передавать электромагнитное излучение широкого диапазона длин волн (300−4000 нм) и обладает высоким сопротивлением к любым химическим воздействиям. Поэтому такие волокна могут быть использованы в лазерах или в качестве датчиков в оборудовании, работающем при высоких температурах или в коррозионной среде, где традиционные сенсорные волокна не работают. В медицинской области они могут быть использованы в качестве проводников для передачи излучения к микрозонам. Специалисты прогнозируют в будущем высокую потребность промышленности в таких материалах.
Учитывая стратегическую важность технологии выращивания МКВ, создание лазерных комплексов для их производства на сегодняшний день является актуальной задачей. Однако пока идут только поиски оптимальных параметров этих процессов. Известна лазерная установка для выращивания сапфировых волокон в Стенфордском Университете [5,6]. В ней первичный генерированный лазерный луч, имеющий обычный гауссовский профиль распределения интенсивности излучения по поперечному сечению, трансформируется в лазерный луч с кольцевым профилем распределения интенсивности. Этот лазерный луч фокусируют на кончике твердого питающего материала, получая расплавленный питающий материал. Затравка подается в этот расплавленный питающий материал и вступает с ним в контакт. Когда затравка соединится с расплавленным питающим материалом, ее удаляют из расплава так, что расплавленный материал вытягивается в виде кристаллического волокна. Производство кристаллических волокон на этой установке осуществляется на воздухе при обычном атмосферном давлении. Для повышения качества сапфировых волокон в США и в разработанном нами оборудовании выращивание МКВ производится в вакуумной камере в среде инертного газа – гелия. В ИМАШ РАН разработан и изготовлен опытный образец оборудования для выращивания монокристаллических волокон (МКВ) оксида алюминия с использованием лазерного нагрева питателя и контроля процесса выращивания. Диаметр питателя отечественной установки может составлять 500–700 мкм, а получаемое сапфировое волокно 100–200 мкм [7]. На рис. 3. представлен процесс получения МКВ оксида алюминия.
Менее распространены лазерные методы наплавки, термоупрочнения и легирования. Однако эти технологии обещают в скором времени бурный рост, веерообразно распространяясь в широком круге промышленных производств. Еще одна перспективная лазерная технология, обещающая стать массовой производственной технологией, – это лазерная наплавка порошковых материалов. Технологию лазерной обработки используют для придания новым деталям фрикционных и защитных свойств и для восстановления изношенных деталей. В наших экспериментах мы наносили на поверхность образцов стали 20Х обмазку на водной основе (в ней смешаны оксиэтилцеллюлозы и порошок ФБХ6-2 с добавлением ультрадисперсного порошка алюминия). Затем оплавляли покрытие с помощью излучения СО2-лазера на установке "Комета-М" (мощность луча 1400 Вт, частота сканирования 225 Гц [8]). Результаты металлографического анализа показали, что ширина наплавленного слоя составила 0,9–1,1 мм. Исследование поверхностной твердости обнаружило, что твердость наплавленного слоя составляет 56–59 HRC, тогда как твердость цементованнного слоя до обработки составляла 55 HRC. В ИМАШ РАН разработана специализированная оснастка для машины трения МТУ-01 и проведены ее испытания на задиростойкость. Обнаружено, что слой, наплавленный лазером, обладает большей задиростойкостью в сравнении с объемно закаленным образцом (рис.4). Эта технология была разработана для восстановления осей подвески редуктора вагона метрополитена, но она может быть применена не только к телам вращения, но и к плоским поверхностям и деталям сложной пространственной формы.
И хотя существует множество лазерных технологий, мы рассмотрели лишь те из них, в которых достигнуты заметные успехи, повышающие конкурентоспособность выпускаемой продукции.
Литература
Овертон Г., Ноджи А., Бельфорте, Д.А., Холтон К. Лазерные рынки развиваются несмотря на "встречные ветры" в глобальной экономике. – Лазер-Информ.– М.: ЛАС.- 2013, №3, с.1-8.
Блинков В.В., Вайнштейн И.В., Малахов Б.Н., Кондратюк Д.И. Лазерный технологический комплекс для размерной обработки деталей сложной пространственной конфигурации из полимерных композиционных материалов. – В кн.: Ориентированные фундаментальные исследования – новые модели сотрудничества в инновационных процессах. Сборник научных трудов и инженерных разработок / Под. ред. Б.В. Гусева. – М.: Эксподизайн-холдинг, 2008, с.226–231.
Щербаков С.И. Пятикоординатный лазерный станок для финишной доводки керамических стержней. – В кн.: Ориентированные фундаментальные исследования – федеральные целевые программы, наукоемкое производство. Сборник научных трудов и инженерных разработок / Под ред.К.В. Фролова. – М.: Эксподизайн,2007, с. 85–87.
Горный С.Г., Поляков И.В.. Кузьмичев Д.В., Попков С.Е. Лазерная технологическая установка (ЛТУ) RX-20 для обработки материалов на базе волоконного лазера. – В кн.: Ориентированные фундаментальные исследования – новые модели сотрудничества в инновационных процессах. Сборник научных трудов и инженерных разработок / Под. ред. Б.В. Гусева. – М.: Эксподизайн-холдинг, 2008, с.252–257.
Jundt D.N., Fejer M.M., Byer R.L. Characterization of Crystal fibers for Optical Power Delivery Systems. – Applied Physics Department, University, Stanford, California 94305 (Received 11 Aug. 1989; accepted for publication 18 Sep. 1989).
Jundt D.N. et al. Characterization of single-crystal sapphire fibers for optical power delivery systems. – Appl. Phys. Lett., 1989, 55(21) 20 Nov.
Бирюков В.П. Лазерные системы и технологии в машиностроении. – В кн.: Современная техника и технологии. Лекции Всероссийской молодежной научной школы. – М.: ИМАШ РАН, 2012, с.3–17.
Бирюков В.П., Фишков А.А. Анализ отказов деталей вагонов метрополитена и восстановление их методом лазерной наплавки. – Тяжелое машиностроение, 2012, №10, с.14–17.
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.
Пример использования пятикоординатного лазерного станка для финишной доводки керамических стержней – известная продукция ФГУП "САЛЮТ": рабочие лопатки авиационного двигателя, которые относятся к особо ответственным элементам конструкции. При изготовлении керамических стержней для отливки лопаток на отдельных элементах (по линии разъема пресс-формы) остается облой, который необходимо удалить. Пятикоординатный лазерный станок для финишной доводки керамических стержней обеспечивает не только обработку стержней, но и позволяет бесконтактным образом контролировать геометрию и размер элементов стержней, что важно для надежной эксплуатации охлаждаемых рабочих лопаток. Использование вентильных двигателей, цифровых приводов и высокоточной механики позволило добиться точности позиционирования 1 мкм при максимальной скорости перемещения до 50 мм/с. Лазерный станок оснащен современным лазером с выходной мощностью до 150 Вт и изменяемой формой выходного импульса (рис. 2).
ООО "Лазерный Центр", Санкт-Петербург, разработало и запустило 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 маркировки – 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 маркировки 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.
Другое крупное технологическое применение лазерных комплексов – это выращивание монокристаллических волокон (МКВ). Дело в том, что применение композиционных материалов в двигателях, энергетических и транспортных установках обеспечивает им скачок в увеличении производимой мощности, уменьшают массогабаритные характеристики машин и приборов. Монокристаллические волокна применяют при изготовлении композиционных материалов. Известно, что прочность композиционных материалов определяется свойствами армирующих волокон, а матрица в основном должна перераспределять напряжения между армирующими элементами. Поэтому прочность и модуль упругости волокон должны быть значительно больше, чем прочность и модуль упругости матрицы. Жесткие армирующие волокна воспринимают напряжения, возникающие в композиции при высоких нагрузках, придают ей прочность и жесткость в направлении ориентации волокон. Применение волокон оксидов алюминия позволит выйти на новый уровень физико-механических свойств композиционных материалов. Предел прочности МКВ оксида алюминия не изменяется до температуры 1600˚С. Сапфировое кристалличекое волокно (Al2O3) весьма полезно благодаря однородности своих физических свойств. Особую ценность волокна представляют его высокая температура плавления и практически нерастворимость в воде. Применение МКВ в широком круге оптических приборов обеспечивается его физическими свойствами и волнопроводящей способностью. Волокно способно передавать электромагнитное излучение широкого диапазона длин волн (300−4000 нм) и обладает высоким сопротивлением к любым химическим воздействиям. Поэтому такие волокна могут быть использованы в лазерах или в качестве датчиков в оборудовании, работающем при высоких температурах или в коррозионной среде, где традиционные сенсорные волокна не работают. В медицинской области они могут быть использованы в качестве проводников для передачи излучения к микрозонам. Специалисты прогнозируют в будущем высокую потребность промышленности в таких материалах.
Учитывая стратегическую важность технологии выращивания МКВ, создание лазерных комплексов для их производства на сегодняшний день является актуальной задачей. Однако пока идут только поиски оптимальных параметров этих процессов. Известна лазерная установка для выращивания сапфировых волокон в Стенфордском Университете [5,6]. В ней первичный генерированный лазерный луч, имеющий обычный гауссовский профиль распределения интенсивности излучения по поперечному сечению, трансформируется в лазерный луч с кольцевым профилем распределения интенсивности. Этот лазерный луч фокусируют на кончике твердого питающего материала, получая расплавленный питающий материал. Затравка подается в этот расплавленный питающий материал и вступает с ним в контакт. Когда затравка соединится с расплавленным питающим материалом, ее удаляют из расплава так, что расплавленный материал вытягивается в виде кристаллического волокна. Производство кристаллических волокон на этой установке осуществляется на воздухе при обычном атмосферном давлении. Для повышения качества сапфировых волокон в США и в разработанном нами оборудовании выращивание МКВ производится в вакуумной камере в среде инертного газа – гелия. В ИМАШ РАН разработан и изготовлен опытный образец оборудования для выращивания монокристаллических волокон (МКВ) оксида алюминия с использованием лазерного нагрева питателя и контроля процесса выращивания. Диаметр питателя отечественной установки может составлять 500–700 мкм, а получаемое сапфировое волокно 100–200 мкм [7]. На рис. 3. представлен процесс получения МКВ оксида алюминия.
Менее распространены лазерные методы наплавки, термоупрочнения и легирования. Однако эти технологии обещают в скором времени бурный рост, веерообразно распространяясь в широком круге промышленных производств. Еще одна перспективная лазерная технология, обещающая стать массовой производственной технологией, – это лазерная наплавка порошковых материалов. Технологию лазерной обработки используют для придания новым деталям фрикционных и защитных свойств и для восстановления изношенных деталей. В наших экспериментах мы наносили на поверхность образцов стали 20Х обмазку на водной основе (в ней смешаны оксиэтилцеллюлозы и порошок ФБХ6-2 с добавлением ультрадисперсного порошка алюминия). Затем оплавляли покрытие с помощью излучения СО2-лазера на установке "Комета-М" (мощность луча 1400 Вт, частота сканирования 225 Гц [8]). Результаты металлографического анализа показали, что ширина наплавленного слоя составила 0,9–1,1 мм. Исследование поверхностной твердости обнаружило, что твердость наплавленного слоя составляет 56–59 HRC, тогда как твердость цементованнного слоя до обработки составляла 55 HRC. В ИМАШ РАН разработана специализированная оснастка для машины трения МТУ-01 и проведены ее испытания на задиростойкость. Обнаружено, что слой, наплавленный лазером, обладает большей задиростойкостью в сравнении с объемно закаленным образцом (рис.4). Эта технология была разработана для восстановления осей подвески редуктора вагона метрополитена, но она может быть применена не только к телам вращения, но и к плоским поверхностям и деталям сложной пространственной формы.
И хотя существует множество лазерных технологий, мы рассмотрели лишь те из них, в которых достигнуты заметные успехи, повышающие конкурентоспособность выпускаемой продукции.
Литература
Овертон Г., Ноджи А., Бельфорте, Д.А., Холтон К. Лазерные рынки развиваются несмотря на "встречные ветры" в глобальной экономике. – Лазер-Информ.– М.: ЛАС.- 2013, №3, с.1-8.
Блинков В.В., Вайнштейн И.В., Малахов Б.Н., Кондратюк Д.И. Лазерный технологический комплекс для размерной обработки деталей сложной пространственной конфигурации из полимерных композиционных материалов. – В кн.: Ориентированные фундаментальные исследования – новые модели сотрудничества в инновационных процессах. Сборник научных трудов и инженерных разработок / Под. ред. Б.В. Гусева. – М.: Эксподизайн-холдинг, 2008, с.226–231.
Щербаков С.И. Пятикоординатный лазерный станок для финишной доводки керамических стержней. – В кн.: Ориентированные фундаментальные исследования – федеральные целевые программы, наукоемкое производство. Сборник научных трудов и инженерных разработок / Под ред.К.В. Фролова. – М.: Эксподизайн,2007, с. 85–87.
Горный С.Г., Поляков И.В.. Кузьмичев Д.В., Попков С.Е. Лазерная технологическая установка (ЛТУ) RX-20 для обработки материалов на базе волоконного лазера. – В кн.: Ориентированные фундаментальные исследования – новые модели сотрудничества в инновационных процессах. Сборник научных трудов и инженерных разработок / Под. ред. Б.В. Гусева. – М.: Эксподизайн-холдинг, 2008, с.252–257.
Jundt D.N., Fejer M.M., Byer R.L. Characterization of Crystal fibers for Optical Power Delivery Systems. – Applied Physics Department, University, Stanford, California 94305 (Received 11 Aug. 1989; accepted for publication 18 Sep. 1989).
Jundt D.N. et al. Characterization of single-crystal sapphire fibers for optical power delivery systems. – Appl. Phys. Lett., 1989, 55(21) 20 Nov.
Бирюков В.П. Лазерные системы и технологии в машиностроении. – В кн.: Современная техника и технологии. Лекции Всероссийской молодежной научной школы. – М.: ИМАШ РАН, 2012, с.3–17.
Бирюков В.П., Фишков А.А. Анализ отказов деталей вагонов метрополитена и восстановление их методом лазерной наплавки. – Тяжелое машиностроение, 2012, №10, с.14–17.
Отзывы читателей
