В свое время Бернард Шоу сказал: <Вы видите вещи и задаете вопрос:
<Почему?> Я же думаю о вещах, которых никогда не было, и говорю: <А
почему бы и нет?> Это выражение как нельзя лучше отражает ситуацию,
когда ученые впервые предложили с помощью света обрабатывать материалы.
Действительно, а почему бы и нет?...
, Уже в первых опытах, исследуя возможности лазера, ученые прожигали
бумагу, металлические пластинки, обугливали дерево. Это натолкнуло их на
мысль заставить свет резать и сваривать материалы, сверлить отверстия.
Для этого следует только правильно подобрать режим работы лазера - его
мощность и длительность импульса. Для сварки подходят менее интенсивные
(105 Вт/см2), но в то же время длительные (10-2...10~ с) импульсы. А для
пробивания отверстий, когда важно испарить материал, нужны интенсивные
(106...107 Вт/см2), короткие (10~4... 10"5 с) импульсы. Резку производят
лазерами непрерывного действия или лазерами, генерирующими
последовательность световых импульсов с высокой частотой следования.
Лазерным лучом режут металлы и различные материалы: пластмассу,
стеклоткани, керамику, дерево, резину. Ширина линии реза не превышает 1
мм, что нельзя получить ни одним традиционным способом. Кроме того,
материал не испытывает механического воздействия. Лазерный робот, выполняющий эту работу, действует практически безынерционно
и с большой скоростью. За минуту лазер мощностью 400...600 Вт может
разрезать несколько метров металла, до 50 м текстиля, 600 м газетной
бумаги. Сейчас лазерные роботы широко используют в текстильной
промышленности. Робот раскраивает ткани по заранее определенной
программе. Экономисты подсчитали, что лазерная резка позволяет снизить
расход материала на 5,6 %. Еще один пример: луч лазера за 2...5 мин
разрезает алмаз толщиной 3,5 мм. Лазер легко режет пластмассу, керамику
и стекло толщиной до 50 мм.
Пионером лазерной резки является металлообрабатывающая промышленность.
Опыт показывает, что одинаково сложно резать металлические листы как
большой, так и очень малой толщины (менее 1 мм). Стремясь увеличить
глубину и скорость резания, в зону резки поддувают кислород. Струя
кислорода ускоряет процесс разрушения материала и выдувает продукты
горения. Таким способом удается разрезать металл толщиной до 10 мм.
Газолазерной резкой особенно широко пользуются в авиационной и
автомобильной промышленности.
Для резки, как правило, используют С02 лазеры непрерывного действия
мощностью в несколько сот ватт. Такие лазеры позволяют получать скорости
резания, значительно превышающие скорости при других способах резки, и
повышают производительность труда.
На установках для газолазерной резки можно также производить сварку.
Нужно только уменьшить мощность излучения, так как для сварки достаточно
разогреть материал до плавления. В машиностроении чаще пользуются
лазерами непрерывного действия, например, для сварки днища,
автомобильного кузова. Для выполнения более тонких операций применяют
импульсные лазеры. Ими производят пайку и сваривают элементы
интегральных схем. Направляя луч лазера сквозь стекло, можно сварить
элементы внутри герметически закрытого баллона или вакуумной
электронно-лучевой трубки. Лазерные роботы могут сваривать даже
разнородные металлы, а также проволоку диаметром менее 20 мкм.
Еще одна операция, выполняемая лазерным роботом,- сверление без сверла.
Не правда ли - это звучит парадоксально? Вместе с тем на практике это
означает, что нет груды изношенных и поломанных сверл и что можно
получить отверстие, соизмеримое с длиной волны. Напомним, сверлом едва
удается выполнить отверстие диаметром 0,25 мм, а с помощью лазера -
10... 15 мкм. Причем, диафрагмируя поток света, можно придавать
отверстию различную форму.
Сверлят лазером все: металлы, алмазы, рубины, ферриты, ситаллы,
керамику. От свойств материала зависит выбор лазера и режим его работы.
Чаще всего это мощные импульсные лазеры: рубиновые, на С02 и на
иттриевоалюминиевом гранате. Последний, например, дает импульсы с
частотой следования до 1000 Гц и мощностью до сотен киловатт. Особенно
сложно сверлить твердую и хрупкую керамику, к тому же если ее толщина
больше диаметра отверстия. И тем не менее для лазера отношение толщины к
диаметру составляет 11 : 1, в то время как для алмазного инструмента оно
не превышает 2:1. Однако и это не предел для лазера. Отдельные материалы
он сверлит при соотношении размеров 50 : 1. Эти данные убедительно
свидетельствуют о преимуществах лазерного сверления.
В последнее время лазерные роботы успешно применяются в часовой
промышленности. Раньше, чтобы просверлить рубин толщиной 0,5 мм,
требовалось 10... 15 мин. Сейчас на эту операцию затрачивают 3 мс.
Достаточно двух лазерных импульсов - и отверстие просверлено. За смену
рабочий обрабатывает не 2,5 тыс. заготовок, а 22 тыс., что дает годовой
экономический эффект около 1 млн. руб. При этом улучшились условия труда
и сократилось число рабочих.
Лазеры применяют для сверления отверстий в алмазных валках, используемых
при производстве проволоки. Раньше на эту операцию уходило от 2,5 до 7
ч. Лазеру же на пробивание отверстия требуется несколько импульсов
длительностью 0,5 мс и плотностью энергии 2,5 104 Дж/см2.
Однако в процессе лазерного сверления сталкиваются с рядом
трудностей. При сверлении может искривиться канал, вместо
цилиндрического отверстие получается конусным, на боковых поверхностях
застывает расплавленная масса. Приходится искать способы обработки,
которые позволяют не допускать брака. Например, искривление канала можно
предотвратить, увеличивая плотность лазерного излучения. С ростом
диаметра и глубины отверстия, наряду с мощностью, необходимо увеличить
количество импульсов. Цилиндрическое отверстие можно получить, если
материал перемещать в направлении излучения. В свою очередь, это
позволяет уменьшить количество импульсов, а значит, повысить
производительность труда. И, наконец, чтобы расплавленная масса не
осталась на детали, ее выдувают воздухом. 4 Если осветить лазером
поверхность стали, то она становится более прочной, увеличивается срок
службы изделия. С помощью луча лазера удаляют ржавчину с поверхности
металла, зачищают проводники от изоляции, а также впекают порошковый
материал в металлическую поверхность.
Мы рассмотрели только несколько примеров применения лазеров в технике. В
последующих главах читатель узнает о других областях применения лазеров.
