Лазерна технологія

Визначення і загальна характеристика

ЛА́ЗЕРНА ТЕХНОЛО́ГІЯ — сукупність технологічних при­йомів і способів обробле­н­ня ма­теріалів з викори­ста­н­ням лазерів. Л. т. зародилася на поч. 1960-х рр. За кілька років до того зʼявилися перші лазери, почалися швид­кий роз­виток і виробництво лазер. систем. Уже на початку «лазер. ери» ви­значилася значна кількість потенцій. за­стосувань лазерного ви­промінюва­н­ня в різних галузях людської діяльності. Найбільшого пошире­н­ня воно набуло у промисловості (indus­trial laser applications). Влас­не поня­т­тя «Л. т.» нині за­звичай охоплює саме пром. за­стосува­н­ня. В основі цих технологій лежать різні фіз.-хім. процеси взаємодії лазер. ви­промінюван­ня з речовиною — локал. на­гріва­н­ня, роз­плавле­н­ня, випарову­ва­н­ня, вибух. руйнува­н­ня, нане­се­н­ня або зчитува­н­ня інформації, абляція тощо. Вони можуть фак­тично пере­ходити від однієї опе­рації до ін. шляхом зміни одного–трьох параметрів лазер. ви­промінюва­н­ня — потужності або густини потужності, тривалості дії на матеріал, довжини хвилі. Завдяки забезпечен­ню високої локальності дії на виробництві досягають над­звичай. точності та якості обробле­н­ня, виконують унікал. мікро- та нанооперації. Крім того, по­єд­на­н­ня Л. т. з інформаційними технологіями до­зволяє керувати зміною сфокусов. лазер. ви­промінюва­н­ня у часі та просторі, що від­криває унікал. можливості для викона­н­ня великого роз­маї­т­тя технол. зав­дань. До Л. т. належать: прошива­н­ня отворів, різання, зварювання, модифікува­н­ня, про­­грамов. термодеформува­н­ня, маркува­н­ня та гравіюва­н­ня, балансува­н­ня, вирощува­н­ня три­мір. виробів, текс­турува­н­ня мік­рорельєфу поверх­ні, поверх­неве очище­н­ня тощо. Прошива­н­ня отворів малих роз­мірів (10+ мкм) за­стосовують при ви­готовлен­ні діафрагм, сит та ін. деталей у машино- та приладобудуван­ні. При цьому забезпечують регулюва­н­ня форми отво­рів від циліндрич. до конічної та навіть гранованої. Гол. обмеже­н­ням під час виготовле­н­ня якіс. отворів є товщина матеріалу (до 5–10 мм). Продуктивність прошива­н­ня малих отворів може досягати десятків і навіть тисяч на сек. Особливо ефектив. є обробле­н­ня мікро- та наноотворів у деталях із надтвердих матеріалів — діаманта, сапфіра, рубіна, новіт. композитів тощо. Прошива­н­ня отворів виконують пере­важно завдяки викори­стан­ню густини потужності, що спричиняє не тільки роз­плавле­н­ня, але і випаровува­н­ня та навіть вибух. вики­да­н­ня матеріалу з зони дії сфокусов. лазер. ви­промінюва­н­ня. На деяких режимах ініціюється процес локал. руйнува­н­ня матеріалу — абляція (сублімація), що до­зволяє отримати більш високу якість обробле­н­ня. Діапазон густини потужності для цієї операції складає 10⁶–10⁹ Вт/см². Різан­ня матеріалів спочатку роз­­гля­далося лише як специф. опе­ра­ція для роз­діле­н­ня надтвердих кри­сталіч. та аморф. матеріалів шляхом генерува­н­ня локал. напруг з подальшим крих- ким терморозколюва­н­ням матеріалу в напрямку дії лазер. ви­промінюва­н­ня. Різновидом такої операції стало виготовле­н­ня мікрощілин і мікропазів у матеріалах, що важко або зовсім неможливо було обробляти традиц. методами. З появою нових ефективніших лазер. сис­тем стало можливим використовувати лазерне ви­промінюва­н­ня для роз­крою габарит. де­талей із лист. матеріалів для різних маш.-буд. галузей — автомобілебудува­н­ня, авіакосміч. промисловості, суднобудува­н­ня, енер­гет. комплексу тощо. Швидкість роз­різа­н­ня таких матеріалів може досягати залежно від товщини матеріалу до кількох десятків метрів на хвилину при забезпечен­ні високої якості та точності і знач. економії. Густина потуж. сфокусов. ви­промінюва­н­ня складає 108–109 Вт/см². Лазерне зварюва­н­ня матеріалів стало вже майже традиційним у аерокосміч. комплексі, енергетиці, автомобілебудуван­ні, електроніці та ін. вироб. галузях. Широке за­стосува­н­ня цієї нової технології сталося завдяки високій якості обробле­н­ня, можливості досягне­н­ня знач. швидкості, особливо в умовах автоматизації процесу, зʼєд­нан­ня різних за властивостями матеріалів. Зварюва­н­ня проводять із забезпече­н­ням густини потуж. сфокусов. лазер. ви­промінюван­ня на рівні 10⁴–10⁵ Вт/см², до­статньому для роз­плавле­н­ня матеріалу. Модифікува­н­ня матеріалу є результатом терміч. впливу на нього. Воно проявляється у ви­гляді різних металогр. структур. пере­творень під дією локалізов. на­гріва­н­ня та надшвидкіс. охолодже­н­ня за рахунок високої тепло­провід­ності метал. матеріалів. Такі процеси протікають в умовах опроміне­н­ня ме­тал. матеріалів лазер. променем з густиною потуж. 10³–10⁴ Вт/см². Серед різновидів модифікува­н­ня — поверх­неве зміцне­н­ня та поверх­неве легування. Можливість отримувати вироби склад. простор. форми з листов. матеріалу деформува­н­ням лазер. ви­промінюва­н­ням зʼявилася по­рівняно недавно. Така технологія гнучка та не потребує спец. важкого обладна­н­ня. Її реалізують у результаті сканува­н­ня фо­кусуючого лазер. променя згідно за­даної про­грами. Технологію за­стосовують у хім. промисловості, виробництві електрич. і електрон. приладів. Одна з найпоширеніших Л. т. у різних галузях — маркува­н­ня та гравіюва­н­ня. Її особливість, на від­міну від традиц. методів, — без­контактність, велика швидкість нанесе­н­ня та зчитува­н­ня інформації, можливість нанесе­н­ня інформації на носії з будь-яких матеріалів. Зав­дяки цій технології глобал. роз­по­всюдже­н­ня набуло штрих-ко­дува­н­ня виробів майже в усіх галузях виробництва. Гол. механізми нанесе­н­ня знаків: випаровува­н­ня, роз­плавле­н­ня, абляція (для від­повід­ал. виробів електрон. приладів) тощо. Балансува­н­ня виробів лазер. ви­промінюва­н­ням — специф. операція, яка виконується під час виготовле­н­ня прециз. виробів, що обер­таються з над­звичайно високою швидкістю (до кількох тисяч обер­тів на хвилину). У місці дисбалансу деталі за допомогою лазер. ви­промінюва­н­ня видаляють зайвий матеріал з точністю до тисячних часток мілі­грама без зупинки оберта­н­ня деталі. Вирощува­н­ня тримір. виробів у спец. літературі нині ві­доме під різними на­звами: 3D printing, Rapid Prototyping, Selective Laser Sin­tering, Free Form Fabrication, Additive Manufacturing, Laser Ste­reolitography, 3D Object Sinte­ring та ін. Гол. принцип виготовле­н­ня обʼєкта полягає в пошар. від­творен­ні за­проектов. виробу за допомогою лазер. ви­промінюва­н­ня, що сканує у просторі згідно за­даної про­грами. Для цього використовують метал. порошк. суміш або фоторе­активну полімерну рідину (для Laser Stereolitography). Ці методи дають можливість виготовляти деталі склад. простор. форми без викори­ста­н­ня коштов. традиц. технологій та обладна­н­ня. Текс­турува­н­ням поверх­ні матеріалу отримують за­­даний дизайн мікрорельєфу по­верх­ні виробу для на­да­н­ня їй спец. екс­плуатац. якостей. Це новий напрям, що активно роз­вивається для створе­н­ня пер­спектив. кон­струкцій машин і приладів для аерокосміч., елек­трон. та ін. сучас. галузей. Поверх­неве очище­н­ня виробів за допомогою лазер. ви­промінюва­н­ня використовують для видале­н­ня різних типів мікро­скопіч. за­бруднень з від­повід­ал. ви­робів у електрон. техніці, медицині, біо­логії тощо.

Літ.: Картавов С. А., Коваленко В. С. Применение оптических квантовых генераторов для технологических целей. К., 1967; H. A. Elion. Laser Systems and Applications. London; Edingburg, 1967; Гаращук В. П. Лазерная сварка тугоплавких метал­лов // АС. 1969. № 2; Коваленко В. С. Обработка материалов импульсным излучением лазеров. К., 1977; Реди Дж. Промышлен­ные при­менения лазеров / Пер. с англ. Москва, 1981; Коваленко В. С., Верхотуров А. Д., Головко Л. Ф., Подчерняева И. А. Лазерное и электро-эрозион­ное упрочнение материалов. Москва, 1986; V. S. Ko­valenko et all. Laser Surface Hardening and Electric-spark Surface Hardening of Materials. New York, 1988; Коваленко В. С. Лазерная технология. К., 1989; Його ж. Modern Trends in Production Engine­ering High Technologies Development // Proc. of the Int. Conf. «3E-Security». Bel­grade, 2009.

В. С. Коваленко

Завантажити статтю