Лазерное оборудование для обработки материалов: компоненты, технологии, системы — ч. 1

В настоящее время ни одно из стратегически важнейших направлений в мире не обходится без использования лазерных технологий. Они достаточно активно применяются в области медицины, электронного машиностроения, автомобилестроения, атомной, космической, авиационной и судостроительной промышленности и практически во всех направлениях оборонного производства.

Лазерный способ обработки материалов в современном производстве закономерно пользуется большим спросом. И в крупной, и в малой промышленности этот метод позволяет повысить качество, производительность, снизить себестоимость, обеспечить экологическую чистоту производства, а по целому ряду направлений достигнуть технических и экономических результатов.

Преимущества метода:

  1. Чрезвычайная гибкость метода – данная технология одинаково легко оптимизируется как для мелкосерийного производства с большой номенклатурой деталей различных форм, так и для крупносерийного.
  2. Надежность и стабильность – риск выхода компонентов из строя минимален: контроль качества, например, при производстве волоконных лазеров осуществляется у 100% элементов – на самых ранних стадиях производства каждый элемент проходит жесткие испытания.
  3. Высокие показатели по энергосберегаемости – по сравнению с другими методами и при одинаковой производительности этот вариант существенно более экономичен.
  4. Многофункциональность – такое оборудование позволяет сочетать в одном процессе недостижимые для других технологий сочетания скорости, уникальной точности, формы обрабатываемых деталей, перенастраиваемости и т.д.
  5. Повышение качества продукции и снижение объема брака; увеличение производительности за счет воздействия только на участок, ограниченный размерами лазерного пятна без нагрева остального объема и нарушения его структуры и свойств. Высокая концентрация подводимой энергии позволяет провести нагрев и охлаждение обрабатываемого объема материала с большими скоростями при очень малом времени воздействия.

По своим возможностям и областям применения ЛТК можно разбить на два больших класса

В первом – в основном – используются энергетические возможности высокомощных лазеров. Их средняя мощность в этом случае составляет единицы киловатт. Основная область применения – машиностроение, раскрой металла, сварка, наплавка и т.п. Мощные лазеры используются для резки и сварки деталей кузова в автомобилестроении (например, для сварки алюминиевых панелей кузова (Audi A2, A3), раскроя листового металла в судостроении и вагоностроении; также они используются в самолетостроении при изготовлении каркасных силовых конструкций и панелей обшивки из алюминиевых сплавов и др.

Второй – это комплексы с менее мощными лазерами. В этом классе, кроме энергетических возможностей лазерного пучка, используются и другие свойства излучения и обрабатываемых материалов. Область применения ЛТК этого класса наиболее разнообразна: микрообработка, прецизионная резка и сварка различных материалов, сверление отверстий, маркировка, скрайбирование и множество других.

Примерное распределение по технологическим операциям и областям применения лазерных технологий в России и в мире показано на диаграмме. При этом, соотношение между сегментами и темпы их роста быстро меняются. Это связано с ростом различных отраслей и с прогрессом создания самих комплексов. Так, с появлением мощных волоконных лазеров появились новые возможности использования ЛТК в машиностроении и соответственно расширился сам сегмент отрасли, а расширение разработок новых источников энергии, методов управления и т.д. простимулировало мгновенное развитие направления в этой сфере.

Применение лазерной обработки материалов по отраслям Доля потребности в видах лазерной обработки

Составные элементы систем

Современный лазерный технологический комплекс представляет собой сложную автоматизированную систему и включает в себя:

  1. устройства внешней оптики – обеспечивают формирование пятна лазерного излучения, визуальный и параметрический контроль процесса;
  2. системы технологической привязки процесса и соединения ЛТК с прочим оборудованием в единую технологическую линейку;
  3. блоки питания, системы управления и контроля, охлаждения, пневматические блоки.

Основными же частями являются лазер и кинематические блоки (координатные столы и приводы, сканирующие системы, системы слежения за профилем детали и др.), необходимые для организации перемещений детали и пятна и обработки по заданному контуру (чертежу).

Кроме того современный ЛТК немыслим без средств цифровой обработки информации и специального ПО, позволяющего автоматически управлять процессом, осуществлять контроль и диагностику составных частей и комплекса в целом.

В ряде применений этот комплекс должен не только обеспечивать автоматическую обработку, управление и контроль за качеством процесса и изделия, но и уметь самостоятельно принимать решения и осуществлять меры по удержанию необходимого качества в случае отклонения технологических параметров.

Таким образом, в современных ЛТК используются достижения многих направлений высокотехнологичного производства и в то же время развитие лазерных технологий во многом определяет развитие практически всех отраслей современной промышленности. Это отражает мощь, статус и технологическое положение страны на мировом рынке и является одним из ключевых показателей состояния экономики и возможностей.

В настоящее время потенциалом, позволяющим разрабатывать и производить всю гамму современных технологических систем, обладает не более десятка стран, в том числе и Россия.

В следующем номере журнала «Металлообработка» будет дан краткий обзор ЛТК и технологий, которые предлагают Российские производители. В обзор будет включена информация по компонентам, разработанным и освоенным в серийном производстве за последние 5-8 лет за исключением систем и технологий, находящихся на стадии разработки или изготовленные в виде единичных образцов.