Лазерные технологии в промышленности


Глеб Туричин о технологиях лазерной маркировки, эффекте глубокого проплавления и износостойкости новых материалов

Та промышленность, которая составляет сейчас основу нашей цивилизации, построена на обработке различных материалов. Обрабатываются эти материалы инструментами, и под инструментами все мы, как правило, имеем в виду резцы, сверла, может быть, молотки и гвозди. Но кроме таких зримых вещей крайне интересным, перспективным и, кстати, уже широко используемым инструментом является просто свет. Если этот свет сконцентрировать в пространстве так, что плотность потока энергии, которую свет переносит, станет равной хотя бы 100, а может быть, 1000 Вт/мм2, то, оказывается, свет сможет делать с материалами много всего: он сможет эти материалы нагревать, за счет термического нагрева расплавлять, сможет их испарять, раскалывать. И на таких достаточно простых и понятных физических принципах построено множество технологий. Эти технологии называются лазерными, потому что практически единственным источником света, который позволяет концентрировать себя в такой степени, нужной для обработки материалов, является лазер.

И поскольку лазеры существуют уже 60 с лишним лет, то за это время был создан целый спектр технологий, использующих лазерное излучение. Они называются лазерными технологиями. Они не единственные технологии, построенные на концентрации энергии излучения с такой высокой плотностью. Похожи и чуть старше электронно-лучевые технологии, но за счет того, что лазерный луч не требует вакуума для своего распространения в отличие от электронного луча, лазерные технологии значительно шире используются в промышленности и, по-видимому, будут использоваться еще шире, потому что возможности этих процессов на сегодняшний взгляд просто безграничны. Наиболее широко, наверное, во всем мире используется сейчас технология лазерной резки. Это самая массовая из технологий, использующих мощные лазеры, замечательная тем, что позволяет резать металл вплоть до достаточно больших толщин. Резать можно и несколько сантиметров лазерным лучом — вопрос будет в качестве того, что получается. Но при толщинах меньше 10 мм практически нет конкурентов по соотношению производительности процесса и качества реза у лазерных технологий. Резы с помощью лазера получаются узкими, ровными, они очень хорошо управляемы, потому что современные системы управления лазерными головками, построенные, как правило, либо на базе антропоморфных роботов, либо на базе двух- или трехмерных портальных систем, позволяют воспроизводить при резке любые траектории, всё, что только придет в голову конструктору или тому, кому нужно это вырезанное изделие.

Технология лазерной резки как промышленная технология существует уже порядка 40 лет, но только в последние годы, когда широко пошел на рынок новый тип лазеров, так называемые волоконные лазеры, эта технология получила не то чтобы второе дыхание, а максимально широкое распространение по миру. Дело в том, что волоконные лазеры (кстати, они производятся в мире по-настоящему сейчас только одной компанией, основанной выходцами из России, что приятно), в отличие от обычных лазерных систем, практически лишены сложной оптики внутри и больше похожи на электронный прибор, чем на оптическое устройство. Это чрезвычайным образом повышает их надежность, очень здорово повышает управляемость, и, хотя, конечно, лазерный источник — это дорогое устройство, их конструкция позволяет иметь цену, приемлемую для современной промышленности. С помощью лазерного излучения режутся стали, цветные металлы, пластики, керамика, практически невозможно придумать материал, который не режется с помощью лазера. Второй областью лазерных технологий, не столь широкой, но значительно более интересной с точки зрения науки, которая лежит в основании процесса, является технология лазерной сварки. Эти технологии построены, как правило, на эффекте глубокого проплавления.

Дело в том, что, когда лазерный луч падает на металл при высокой концентрации энергии (здесь нужно иметь уже не 103, а уровень концентрации энергии где-то порядка 106 Вт/см2), излучение с такой плотностью позволяет не только расплавить металл, но и нагреть его до температуры кипения и создать на его поверхности реактивную струю испаряющихся паров. Эта реактивная струя просто своим реактивным давлением отдачи продавливает расплавленный металл вглубь. Таким образом, под лазерным лучом создается узкий глубокий канал, заполненный парами металла. В качестве примера: лазер мощностью 20 кВт может создать такой канал при специальных условиях примерно на 4 см в глубину. На поверхности канала — температура кипения, где-то вокруг него в металле находится поверхность, нагретая до температуры плавления, между этими поверхностями — расплав, и, соответственно, если начать двигать лазерный луч, а вместе с ним будет двигаться по металлу весь этот объект, то после прохождения волны расплава сзади него будет оставаться закристаллизованный шов — тот самый сварной шов, который можно получить с помощью лазера. Он на самом деле уникален — уникален по глубине: ничто другое, кроме электронного луча, не позволяет сваривать металл на такую глубину. Но это не единственное уникальное свойство лазерного шва.

Дело в том, что такие швы можно получать как швы с параллельными стенками, а сварной шов с параллельными стенками обладает уникальной особенностью: он не индуцирует в конструкции угловых деформаций. Соответственно, после такой сварки плоское остается плоским, а круглое — круглым, что крайне важно, потому что очень сложно выровнять, скажем, двадцатиметровую судокорпусную секцию, сваренную из достаточно прочной двадцатимиллиметровой стали, если ее повело термическими деформациями. И наконец, лазерная сварка по производительности примерно в 3 раза лучше, чем дуговая, хотя, безусловно, стоимость единицы длины сварного шва при лазерной сварке выше опять же потому, что лазер — это дорогое изделие. Но те преимущества, о которых я сказал, тем не менее часто перебивают такую простую экономику, потому что эти узкие глубокие лазерные швы с маленьким тепловложением позволяют получать такие механические свойства шва, каких никаким другим способом не получишь, и там, где требования к качеству металла высоки, часто оказывается, что у лазерной сварки просто нет конкурентов. С помощью лазера так же, как и режутся, свариваются почти те же самые материалы, и, более того, часто те материалы, которые плохо свариваются другими методами сварки, с помощью лазера все-таки свариваются за счет эффекта глубокого проплавления, за счет низкого тепловложения.

Следующая по степени интересности и, кстати, превосходящая сварку по широте внедрения лазерная технология — это технология лазерной маркировки, технология нанесения с помощью лазера изображений на различные материалы. Эти технологии делятся на два класса. Первый класс — маркировка с удалением материала, когда лазерный луч испаряет тоненький поверхностный слой, оставляя за собой тоненькую канавку. Так называемая маркировка-гравировка, замечательная износостойкостью и управляемостью. При маркировке, как правило, лазерным лучом управляют с помощью колеблющихся зеркал, так называемых сканаторов. Эти сканаторы, управляемые компьютером, способны воспроизвести на изделии практически любую траекторию, любой рисунок, любую надпись, штрихкод, все что угодно. Технология очень быстрая, очень производительная, надо сказать, экономически крайне выгодная, потому что при использовании этой технологии не нужны расходные материалы. Конкурентами этой технологии являются разные технологии печати, но для печати нужны чернила, а для лазерной маркировки чернила не нужны.

А вторая технология маркировки — маркировка термовлиянием — замечательна тем, что она не портит форму поверхности. Изображение появляется за счет того, что на поверхности в нужном месте возникает слой окисла, который формирует изображение. Очень часто в изделиях нельзя портить поверхность. Например, это могут быть какие-то компоненты авиационных двигателей или внутренняя поверхность трубопроводов. Можно предложить много таких примеров, и там маркировка термовлиянием практически не имеет конкурентов. Чем еще хороша лазерная маркировка, так это тем, что изображение, которое она позволяет получить, допускает автоматическое считывание. То есть с помощью маркировки можно наносить штрихкоды, а эти штрихкоды можно считывать обычными сканерами вплоть до тех, которыми в магазинах считывают штрихкоды с продающихся там товаров. Поэтому на основе лазерного считывания строится современная система прослеживаемости на производствах, там, где после каждой технологической операции на само изделие наносится штрихкод, свидетельствующий о том, что с ним было сделано, и, когда это изделие приезжает на следующую операцию, она начнется только после того, как будет считан штрихкод с предыдущей. Таким образом, человечество идет к созданию полностью автоматических фабрик. Концепция Индустрия 4.0, о которой сейчас много говорят в мире, в очень значительной степени построена на лазерных технологиях, все они в ней присутствуют, но технология прослеживаемости присутствует в первую очередь. И в завершение разговора о лазерных технологиях нельзя не упомянуть о технологиях лазерной термообработки.

Лазерный лучик за счет того, что он действительно замечательно может управляться сканирующими зеркалами, позволяет закаливать не все изделие, как происходит при закалке либо при другой термообработке в печи, а позволяет осуществлять этот процесс локально, только там, где нам это нужно. Это экономия времени, соответственно, вместе со временем это экономия денег; это создание изделий с новыми свойствами, потому что там, где изделие было обработано лазером, свойства улучшены, а там, где нет, остались такими, как были. И точно так же, как и все лазерные технологии, эта технология относительно легко допускает полную автоматизацию. Вообще лазерные технологии с точки зрения автоматизации управления — это как раз путь к созданию безлюдных производств. И они еще замечательны тем, что лазер никогда не работает сам по себе, сам по себе лазер — это просто источник света.

Для того чтобы превратить лазер в технологическую машину, его нужно объединить либо с роботом, либо с портальной системой ЧПУ, к нему должно быть добавлено техническое зрение, пневматические, гидравлические системы, и только тогда все это превращается в технологический комплекс, который способен делать какое-то полезное дело. И это просто замечательно, потому что практически любой инженер из-за такой широты лазерных технологий и достаточно сложной структуры лазерных технологических машин способен найти себя в этой области. И, наверное, это и служит основанием для того, как быстро сейчас развивается эта область, почему замечательные слова «Сила света» не только являются слоганом ИЛИСТ теперь, а, как оказалось, используются очень многими институтами и компаниями в качестве своего слогана. Действительно, свет сейчас стал силой, которая обрабатывает материалы в промышленности.

turichin.jpg

доктор технических наук, профессор СПбПУ Петра Великого, директор научно-технологического комплекса «Лазерные и сварочные технологии»

Полный текст статьи читайте на Postnauka.ru