Cистемы для обработки материалов

Благодаря большой гибкости лазерных методов в последние 15-20 лет все стратегически важные технологические направления в мире не обходилось без использования этих технологий обработки современных материалов. Активно их применяют в автомобилестроении, судостроении, электронном машиностроении, космической, атомной и авиационной промышленности, а также медицине и во многих направлениях военного производства. Использование такой технологии обработки, безусловно, позволяет повысить производительность, качество продукции, создать условия для экологической чистоты производства, а по некоторым отраслям достичь экономических и технических результатов, которые нельзя было бы реализовать иными техническими средствами.

По своим возможностям и областям применения лазерные технологические комплексы для обработки можно разбить на два типа. Первый – это ЛТК, в которых в основном используются энергетические возможности высокомощных лазеров. Средняя мощность луча в комплексе этого типа составляет единицы киловатт. Главная область применения – машиностроение, например, раскрой листового металла в заготовительных производствах, резка и сварка корпусных и каркасных деталей, изготовление обшивок, панелей и т.д.

В настоящее время наибольшее распространение в этом классе ЛТК получили комплексы на СО2-лазерах. Длина их волны излучения составляет 10 мкм, и поэтому их можно использовать для резки и металлов, и неметаллов. Однако для резки металлов из-за высокого коэффициента отражения нужен достаточно большой уровень мощности (более 0,5-1,0 кВт).

Серийно производятся модели мощностью до 6 кВт, большинство поставляемых на российский рынок имеют этот показатель до 4 кВт, что позволяет резать стальной лист толщиной до 20-25 мм. Скорость реза низкоуглеродистой стали в 2 мм достигает 20 м/мин.

Серийные модели на СО2-лазерах имеют координатные столы портального типа с летающей оптикой. Размеры рабочей зоны от 1,2x2,4 до 3x7,8 м, что позволяет обрабатывать стандартные листы. Установки оснащены столами-спутниками для загрузки листов, они имеют высокую степень автоматизации и управляются ЧПУ.

Среди комплексов этого класса на российском рынке спросом пользуются зарубежные: Platino 1530/2040 от фирмы Prima Industrie, Trumatic L3030/L4030/L6030 от фирмы Trumpf, BYSPRINT от фирмы Bystronics. Среди российских производителей лидером в производстве на основе мощных СО2-установок является ЗАО «Лазерные комплексы» в г. Шатура.

Для ЛТК первого типа кроме СО2-лазеров применяют также мощные твердотельные лазеры с длиной волн 1 мкм. Они, в отличие от газовых, режут неметаллические материалы значительно хуже, однако имеют преимущества при резке металлов, т.к. излучение с длиной волн 1 микрон отражается металлами меньше. Среди твердотельных лазеров в диапазоне мощностей более 1-2 кВт особый интерес представляют появившиеся в последние годы волоконные. Пионером и бесспорным мировым лидером в разработках и производстве волоконных экземпляров является межнациональный концерн российского происхождения IPG Photonics Corporation, в состав которого входит НТО «ИРЭ-Полюс». Преимущества волоконных лазеров – высокий КПД и долговечность. Уже сейчас освоены агрегаты с выходной мощностью 10 кВт. Основной сдерживающий фактор внедрения их – пока еще высокая цена. Первые экспериментальные ЛТК с волоконными лазерами в России мощностью 1 кВт начали появляться в 2005 г. Появления на рынке серийных отечественных установок указанной модификации следует ожидать в самое ближайшее время.

Второй тип – это комплексы, в которых кроме энергетических возможностей используются и другие свойства лазерного излучения и задействованного при обработке материалов: спектральная селективность, возможность распределения энергии во времени и т.д. Средняя мощность лазеров в ЛТК этого типа обычно не выше около 500 Вт. ЛТК второго типа следует разделить на системы с лазерами непрерывного или квазинепрерывного (пиковая мощность примерно до 1-2 кВт) режима работы, генерирующие излучение в инфракрасном (ИК) диапазоне спектра (1–10 мкм) и ЛТК с импульсными лазерами, генерирующими излучение в ультрафиолетовом, видимом и ближнем ИК диапазоне (0,2–1 мкм). Самое большое распространение среди ЛТК с непрерывными (квазинепрерывными) лазерами получили комплексы на основе СО2-лазеров.

Эти комплексы используются в установках резки и маркировки дерева, оргстекла, пластмассы, кварца, системах термоскалывания и др. Применение для этих целей СО2-лазеров связано с тем, что эти материалы практически прозрачны для излучения 1 мкм, но хорошо поглощают излучение с длиной волны 10 мкм. На российском рынке это оборудование, как правило, представлено импортными моделями Тайваня, Китая, Австрии и др. Российские фирмы представлены на рынке несколькими моделями маркировщиков со сканерными системами (производства ООО «Лазерный центр», «Центр лазерных технологий»). ЛТК с непрерывными твердотельными лазерами с ламповой накачкой мощностью до 500 Вт используются для резки тонких металлов. В основном эти модели были выпущены в 80-е годы. Предложений ЛТК с волоконными непрерывными лазерами мощностью менее 500 Вт на российском рынке пока нет, хотя имеется ряд прикладных технологических задач, где комплексы с такими лазерами могли бы найти применение. Причина та же – высокая цена волоконных лазеров.

Область применения приспособлений второго вида с импульсными мощными лучами, генерирующими излучение в ультрафиолетовом, ближнем и видимом ИК диапазоне (0,2–1 мкм), наиболее разнообразна: это маркировка и гравировка, сварка и резка, наплавка, прецизионная обработка труднообрабатываемого и особо твердого материала, исполнение специальных операций (подгонка резисторов, скрайбирование, прошивка отверстий и т.д.). Такая широкая область применения этого оборудования объясняется тем, что тепло не успевает выйти из зоны обработки при импульсном воздействии.

Эта энергия идет в сам материал, поэтому объект не нагревается. Варьируя время воздействия, спектральный состав луча и энергию импульса, можно добиться плавки материала, дальнейшего испарения, изменения его структуры, разрыва межмолекулярных связей и т.д.