Лазерные технологии обработки материалов - История изменений

EvgBot в 12:08, 23 июля 2008

2008-07-23T12:08:20Z

Evgen в 13:37, 15 июля 2008

2008-07-15T13:37:06Z

EvgBot: /* Лазерная сварка */

2007-08-12T10:43:50Z

‎Лазерная сварка

EvgBot: восстановлено из архива

2007-07-26T09:43:31Z

восстановлено из архива

Новая страница

{{Черновик}}
'''Лазерные технологии обработки материалов'''

(состояние разработок и внедрения; актуальные проблемы
фундаментальных исследований)

Авторы: Панченко Владислав Яковлевич, [http://www.laser.ru/personal/golubev/index.html Голубев Владимир Сергеевич].
== Введение ==
В настоящей главе представлен анализ современного состояния и перспектив развития индустриальных лазерных технологий макромасштабной обработки материалов и изделий (резки, сварки, модификации поверхности, селективного лазерного спекания). Целью анализа является выявление главных проблем названных технологий, требующих продолжения и углубления физических исследований процессов, лежащих в основе лазерной обработки, а также тенденций развития традиционных и новых видов процессов, соответствующей лазерной техники и перспективных типов лазеров большой мощности.
Основное внимание уделяется проблемам фундаментальных исследований и разработок технологических процессов с глубоким каналированным проникновением лазерного излучения в материал, явления, лежащего в основе технологий лазерной резки и сварки материалов больших толщин; гидродинамических неустойчивостей и турбулентных течений расплава при лазерной сварке и резке; механизмам поглощения энергии высокоинтенсивного лазерного излучения расплавами металлов; взаимодействию [[плазма|плазмы]] [[лазерный пробой|лазерного пробоя]] с лазерным излучением и обрабатываемым материалом; взаимодействию лазерного излучения с микро- и нанопорошками в процессах селективного лазерного спекания.
Названные проблемы требуют развития широкого фронта исследований физики процессов лазерной макрообработки материалов, с целью повышения технологического качества обработанных материалов и созданных изделий, энергетической и экономической эффективности этих процессов, а также их экологической безопасности.

Лазерная технология в настоящее время стала одной из приоритетных технологий в обработке материалов, связи, обработке информации, в [[оптоэлектроника|оптоэлектронике]], в биологии и [[медицина|медицине]], а также в измерениях и научных исследованиях. Причина активного внедрения лазерной технологии во все сферы современной цивилизации состоит в том, что эта технология является высокой, «критической», определяя, наряду с компьютерной и коммуникационной технологиями, общий уровень технологического развития страны. Ежегодные темпы роста мирового рынка лазерных технологий устойчиво держатся на уровне 10-15% [1-3]; прогнозируется [4] сохранение этих темпов на обозримый период до 2010 гг.

Основными областями применения лазеров в мире являются: телекоммуникации, [[оптическая память]] и обработка информации (67% мирового рынка), обработка материалов (25%), медицина (8%). На период до 2010 г. и далее ожидается расширение применения лазерной технологии в машиностроении (лазерная обработка материалов), фотохимии, микро- и нанотехнологии, телекоммуникациях, оптической обработке и записи информации, медицинской диагностике, хирургии и в экологическом мониторинге [2].

Лазерная макрообработка материалов ([[ЛММ]]) (резка, сварка, сверление отверстий, маркировка, модификация поверхности) в настоящее время достигла высокого уровня применения в индустрии [1-3,5,6,7,8,9,10-17,18,19]. Мировой рынок комплексного лазерного технологического оборудования для макрообработки материалов в 2005г. достигал, по данным [20], около 4 млрд. евро. Это соответствует большому числу производственных ниш, где ЛММ применяется в силу своей технико-экономической целесообразности и интегрированности в технологическую цепочку, несмотря на относительно высокую стоимость этой технологии.

Лазерная обработка материалов имеет ряд существенных преимуществ:
# Высокая концентрация подводимой [[энергия|энергии]] и локальность позволяют производить обработку только поверхности участка материала без нагрева остального объема и нарушения структуры и свойств, что приводит к минимальному короблению деталей. Кроме того, высокая концентрация подводимой энергии позволяет провести нагрев и охлаждение обрабатываемого объема материала с большими скоростями при очень малом времени воздействия.
# Возможность регулирования параметров лазерной обработки в широком интервале режимов позволяет разработать обширный ряд методов поверхностной обработки, регулировать структуру поверхностного слоя.
# Отсутствие механических усилий на обрабатываемый образец дает возможность обрабатывать хрупкие и ажурные конструкции.
# Возможность обработки на воздухе, легкость автоматизации процессов, отсутствие вредных отходов при обработке определяет высокую технологичность лазерного луча.
# Возможность транспортировать излучение на значительные расстояния и подвод его с помощью специальных оптических систем в труднодоступные места позволяет производить обработку в тех случаях, когда другие методы применить невозможно.
# Высокая производительность процессов.
# Быстрая окупаемость капитальных затрат на оборудование (0,5 – 1 год).

Лазерные технологии обработки материалов продолжают развиваться в направлениях:
* Расширение видов обрабатываемых материалов (спецсплавы и неметаллические материалы для атомной энергетики, аэрокосмической, судостроительной, машиностроительной отраслей), и в целом материалов, работающих в экстремальных условиях эксплуатации-при высоких температурах (2500К и более), стойких в химически агрессивных и радиационно нагруженных средах.
* Рост диапазона толщин материалов, особенно в связи с задачами сварки в энергомашиностроении, резки и сварки в задачах утилизации крупнотоннажного энергетического, транспортного и оборонного оборудования, в задачах строительства или утилизации объектов морских оффшорных сооружений, а также подземных сооружений (тоннелей, скважин и шахт);
* Повышение технологического качества обработанных материалов и созданных изделий (снижение амплитуд шероховатостей, уровня термических деформаций, толщин поверхностных слоев, неточностей соблюдения геометрии реза, шва, слоя, или трехмерного изделия);
* разработка, создание и доведение до уровня индустриального серийного применения новых видов процессов (селективное лазерное спекание; лазерно-электродуговая и плазменная обработка: сварка, модификация поверхности; механические виды обработки (гибка, фрезерование, обточка) с участием лазерного нагрева).

Наряду с расширением диапазона параметров традиционных технологий (виды материалов, геометрия и скорость обработки, технологическое качество процесса) постоянно появляются, исследуются и внедряются новые виды процессов. Наиболее активно развиваются: прямая лазерная фабрикация изделий из металлических и керамических микро- и нанопорошков методом селективного лазерного спекания [21-24,25]; лазерная гибка пластиков [26]; гибридные технологии – комбинации лазерной и традиционных (электродуговых, ВЧ, ультразвуковых) видов обработки [27-32]; дистанционная разделка и сварка крупногабаритных изделий в энергетике, судостроении, строительстве; сверление и резка минералов, горных пород [3,33,34,35,5,6,36, 7,37,38,39,40,41,42,43].
Начаты исследования перспективных процессов ЛММ, таких, как: сварка [36,44] и резка [45] под водой, лазерная перфорация сверхкороткими (10-8 -10-13 с) лазерными импульсами [46,47,48,49,50,51,52].

Развитие традиционных и нарождающихся видов ЛММ сопровождается фундаментальными и прикладными исследованиями физики процессов воздействия лазерного излучения на материалы, разработкой и совершенствованием индустриальных лазеров и периферийного оборудования (адаптивных и интеллектуальных компьютерных систем, новых методов и приборов диагностики и мониторинга процессов ЛММ) не только в научных лабораториях, но и в условиях промышленного применения. Углубление понимания физики процессов ЛММ при высоких мощностях лазерного излучения с глубоким (каналированным) проникновением излучения в материал и создание индустриальных лазеров с высоким оптическим качеством излучения позволило приступить к освоению лазерной сварки и резки материалов больших тoлщин.
[[Изображение:Лазерное воздействие на вещество.png|thumb|520px|Рис.1 Лазерное воздействие на вещество.
Современный диапазон интенсивности лазерного излучения в процессах лазерной обработки материалов находится в пределах 1041012Вт/см2; диапазон времени воздействия в этих процессах от 1 до 10-14 с.
]]
Развитие физики мощных ультракоротких лазерных импульсов привело к расширению известной диаграммы «длительность воздействия – интенсивность лазерного излучения » (рис.1) в сторону сверхмалых времен (от 10-8 с к 10-14 с) и сверхвысоких интенсивностей (от 1010 Вт/см2 к 1014Вт/см2). Это привело к созданию новых видов процессов [46,47,48,49,50]– прецизионного сверления и абляции материала с поверхности без теплового воздействия, при непосредственном разрыве межмолекулярных связей лазерным излучением.

Остается актуальным продолжение исследований физики процессов воздействия на материалы интенсивного лазерного излучения высокой мощности (103-104 Вт), применяемого при лазерной обработке материалов. Актуальность данной задачи, разрабатываемой уже несколько десятилетий [1,53,54-58], вызвана следующими причинами:
* Непрерывно улучшаются параметры излучения индустриальных лазеров: растет их средняя мощность, (до 104-105 Вт) и энергетическая эффективность (до 20-50%), повышается оптическое качество лазерного пучка, расширяется диапазон длин волн излучения (в сторону коротких волн, до 0,3-0,2 мкм), достигаются ультракороткие длительности лазерных импульсов (10-13 - 10-15 с).
* Идет постоянное совершенствование технических параметров индустриальных лазеров: возрастает энергетическая эффективность генерации излучения (до 20-50%); улучшается компактность блока генерации (до 10 [[дм]]3/[[кВт]]); развиваются гибкие оптоволоконные системы доставки лазерного излучения к обрабатываемому материалу.
* Улучшение параметров излучения и технических характеристик индустриальных лазеров находится в «диалоговом режиме» с расширением диапазона параметров процесса традиционных видов [[ЛММ]] (прежде всего, роста толщин материала и скорости обработки при резке и сварке, а также расширением ассортимента типов материалов, особенно материалов, предназначенных для экстремальных условий эксплуатации), а также с процессом возникновения и развития новых видов ЛММ.

Как все высокие технологии, лазерная технология отличается большой наукоемкостью и поэтому требует адекватных затрат государственных и частных структур на ее развитие. Так, ведущие лазерные фирмы мира вкладывают в разработку лазерной техники до 8% объема реализации своей продукции. В то же время до 40% от общего объема затрат на разработку лазерной техники (гражданского назначения) в ведущих странах Запада поступает за счет государственных (национальных) и межгосударственных программ и через организацию национальных (межнациональных) лазерных центров.
Благодаря активной государственной поддержке наукоемких технологий (в том числе лазерной), страны Западной Европы и Япония за последние годы уверенно конкурируют с [[США]] на мировом рынке высоких технологий. В Германии выполняется лазерная национальная программа - "Лазер 2000". Она нацелена на поддержание высокой конкурентоспособности немецких производителей лазерной техники, устранению научных и технологических барьеров на пути широкого практического освоения такой техники в промышленности страны и созданию научно-технической базы для разработки лазерных технологий XXI века.
На реализацию это программы Федеральное министерство науки и новых технологий Германии ассигновало 275,3 млн. [[DМ]]. Серьезным примером государственной поддержки развития высоких технологий является выполнение в Японии в начале 90-х гг. восьмилетней национальной программы разработок технологических лазеров и комплексов лазерной обработки материалов. В результате выполнения этой программы Япония в настоящее время заняла лидирующее положение на мировом рынке лазерной обработки материалов, что позволило ей, в частности, оказаться вне конкуренции в области автомобилестроения.
Западноевропейские страны [[ЕС]] осуществляют господдержку развития новых технологий, в число которых входит и лазерная обработка материалов, в основном через международные программы "BRITE EURAME" и "EUREKA". В рамках "BRITE EURAME" выполнено 20 проектов с объемом финансирования 37 млн. экю по развитию технологий лазерной обработки материалов и мощных технологических лазеров. Программа "EUREKA", лазерной частью которой является "ЕUROLAS," выполняется по настоящее время. Основная цель проекта "EUREKA" состоит в увеличении размера инвестиций в исследования и разработки до уровня 3% [[ВВП]] стран ЕС (т.е.
около 300 млрд. евро) к 2010 году. До [[2005]] года по программе "ЕUROLAS" было профинансировано 12 крупных проектов на общую сумму более 300 млн. экю. Главной задачей программы "ЕUROLAS" является создание технологических лазеров большой мощности и разработка процессов обработки материалов на их основе преимущественно в таких отраслях, как тяжелое машиностроение, химическая промышленность, транспортное машиностроение. При этом предусмотрено создание СО2-лазеров мощностью до 25 кВт и более, твердотельных лазеров - до 5 кВт. Большое значение в рамках этой программы придается созданию Европейского электронного банка данных по промышленному применению лазеров, взаимной передаче "ноу-хау" между партнерами, созданию и сертификации общеевропейских стандартов на лазерные технологические процессы.
В 2005 году по программе "ЕUROLAS" выполнялось 16 проектов с текущим годовым объемом финансирования 33,65 млн. евро. В этих проектах участвует 122 организации, в том числе 30 крупных компаний, 33 НИИ, 28 университетов.

== Индустриальные лазеры (ИЛ) для обработки материалов ==
=== СО2-лазеры ===
=== Твердотельные лазеры (ТТЛ) ===

== Состояние и прогноз развития лазерной технологии обработки материалов ==
=== Лазерная резка (ЛР) ===
=== Лазерная сварка ===
=== Лазерная модификация поверхности ===
=== Прямое изготовление изделий методом селективного лазерного спекания микро- и нанопорошков (СЛС) ===

== Развитие лазерной технологии обработки материалов в России. ==

== Энергетическая эффективность процессов лазерной обработки материалов ==
== Проблемы фундаментальных исследований процессов лазерной обработки материалов ==
=== Актуальность проблем ===
=== Задачи исследований физических механизмов лазерной резки ===
=== Задачи физических исследований процесса лазерной сварки при каналированном проникновении лазерного излучения в материал ===
== Заключение ==
== Литература ==
Список литературы смотри в [[Лазерные технологии обработки материалов/Литература]]

[[Категория:Лазеры]]
[[Категория:Технологии]]

@@ Строка 1: / Строка 1: @@
 '''Лазерные технологии обработки материалов'''
@@ Строка 5: / Строка 4: @@
 фундаментальных исследований)
-Авторы: Панченко Владислав Яковлевич, [http://www.laser.ru/personal/golubev/index.html Голубев Владимир Сергеевич].
+Авторы: [[Панченко Владислав Яковлевич]], [http://www.laser.ru/personal/golubev/index.html Голубев Владимир Сергеевич].
 == Введение ==
 В настоящей главе представлен анализ современного состояния и перспектив развития индустриальных лазерных технологий макромасштабной обработки материалов и изделий (резки, сварки, модификации поверхности, селективного лазерного спекания). Целью анализа является выявление главных проблем названных технологий, требующих продолжения и углубления физических исследований процессов, лежащих в основе лазерной обработки, а также тенденций развития традиционных и новых видов процессов, соответствующей лазерной техники и перспективных типов лазеров большой мощности.
 Основное внимание уделяется проблемам  фундаментальных исследований и разработок технологических процессов с глубоким каналированным проникновением лазерного излучения в материал, явления, лежащего в основе технологий лазерной резки и сварки материалов больших толщин; гидродинамических неустойчивостей и турбулентных течений расплава при лазерной сварке и резке; механизмам поглощения энергии высокоинтенсивного лазерного излучения расплавами металлов; взаимодействию [[плазма|плазмы]] [[лазерный пробой|лазерного пробоя]] с лазерным излучением и обрабатываемым материалом; взаимодействию лазерного излучения с микро- и нанопорошками в процессах селективного лазерного спекания.
 Названные проблемы требуют развития широкого фронта исследований физики процессов лазерной макрообработки материалов, с целью повышения технологического качества обработанных материалов и созданных изделий, энергетической и экономической эффективности этих процессов, а также их экологической безопасности.
@@ Строка 37: / Строка 37: @@
 Развитие традиционных и нарождающихся видов ЛММ сопровождается фундаментальными и прикладными исследованиями физики процессов воздействия лазерного излучения на материалы, разработкой и совершенствованием индустриальных лазеров и периферийного оборудования (адаптивных и интеллектуальных компьютерных систем, новых методов и приборов диагностики и мониторинга процессов ЛММ) не только в научных лабораториях, но и в условиях промышленного применения. Углубление понимания физики процессов ЛММ при высоких мощностях лазерного излучения с глубоким (каналированным) проникновением излучения в материал и создание индустриальных лазеров с высоким оптическим качеством излучения позволило приступить к освоению лазерной сварки и резки материалов больших тoлщин.
 [[Изображение:Лазерное воздействие на вещество.png|thumb|520px|Рис.1 Лазерное воздействие на вещество.
-Современный диапазон интенсивности лазерного излучения в процессах лазерной обработки материалов находится в пределах 10<sup>4</sup>10<sup>12</sup>Вт/см<sup>2</sup>; диапазон времени воздействия в этих процессах от 1 до 10<sup>-14</sup> с.
+Современный диапазон интенсивности лазерного излучения в процессах лазерной обработки материалов находится в пределах 10<sup>4</sup>10<sup>12</sup>Вт/см<sup>2</sup>; диапазон времени воздействия в этих процессах от 1 до 10<sup>-14</sup> с.]]
 ]]
 Развитие физики мощных ультракоротких лазерных импульсов привело к расширению известной диаграммы «длительность воздействия – интенсивность лазерного излучения » (рис.1) в сторону сверхмалых времен (от 10<sup>-8</sup> с к 10<sup>-14</sup> с) и сверхвысоких интенсивностей (от 10<sup>10</sup> Вт/см2 к 10<sup>14</sup>Вт/см2). Это привело к созданию новых видов процессов [46,47,48,49,50]– прецизионного сверления и абляции материала с поверхности без теплового воздействия, при непосредственном разрыве межмолекулярных связей лазерным излучением.
@@ Строка 47: / Строка 46: @@
 Как все высокие технологии, лазерная технология отличается большой наукоемкостью и поэтому требует адекватных затрат государственных и частных структур на ее развитие. Так, ведущие лазерные фирмы мира вкладывают в разработку лазерной техники до 8% объема реализации своей продукции. В то же время до 40% от общего объема затрат на разработку лазерной техники (гражданского назначения) в ведущих странах Запада поступает за счет государственных (национальных) и межгосударственных программ и через организацию национальных (межнациональных) лазерных центров.
 Благодаря активной государственной поддержке наукоемких технологий (в том числе лазерной), страны Западной Европы и Япония за последние годы уверенно конкурируют с [[США]] на мировом рынке высоких технологий. В Германии выполняется лазерная национальная программа - "Лазер 2000". Она нацелена на поддержание высокой конкурентоспособности немецких производителей лазерной техники, устранению научных и технологических барьеров на пути широкого практического освоения такой техники в промышленности страны и созданию научно-технической базы для разработки лазерных технологий XXI века.
 На реализацию это программы Федеральное министерство науки и новых технологий Германии ассигновало 275,3 млн. [[DМ]]. Серьезным примером государственной поддержки развития высоких технологий является выполнение в Японии в начале 90-х гг. восьмилетней национальной программы разработок технологических лазеров и комплексов лазерной обработки материалов. В результате выполнения этой программы Япония в настоящее время заняла лидирующее положение на мировом рынке лазерной обработки материалов, что позволило ей, в частности, оказаться вне конкуренции в области автомобилестроения.
 Западноевропейские страны [[ЕС]] осуществляют господдержку развития новых технологий, в число которых входит и лазерная обработка материалов, в основном через международные программы "BRITE EURAME" и "EUREKA". В рамках "BRITE EURAME" выполнено 20 проектов с объемом финансирования 37 млн. экю по развитию технологий лазерной обработки материалов и мощных технологических лазеров. Программа "EUREKA", лазерной частью которой является "ЕUROLAS," выполняется по настоящее время. Основная цель проекта "EUREKA" состоит в увеличении размера инвестиций в исследования и разработки до уровня 3% [[ВВП]] стран ЕС (т.е.
 около 300 млрд. евро) к 2010 году. До [[2005]] года по программе "ЕUROLAS" было профинансировано 12 крупных проектов на общую сумму более 300 млн. экю. Главной задачей программы "ЕUROLAS" является создание технологических лазеров большой мощности и разработка процессов обработки материалов на их основе преимущественно в таких отраслях, как тяжелое машиностроение, химическая промышленность, транспортное машиностроение. При этом предусмотрено создание СО<sub>2</sub>-лазеров мощностью до 25 кВт и более, твердотельных лазеров - до 5 кВт. Большое значение в рамках этой программы придается созданию Европейского электронного банка данных по промышленному применению лазеров, взаимной передаче "ноу-хау" между партнерами, созданию и сертификации общеевропейских стандартов на лазерные технологические процессы.
@@ Строка 80: / Строка 81: @@
 [[Категория:Лазеры]]
 [[Категория:Технологии]]

@@ Строка 75: / Строка 75: @@
 Список литературы смотри в [[Лазерные технологии обработки материалов/Литература]]
+== См. также ==
 [[Категория:Лазеры]]
 [[Категория:Технологии]]

@@ Строка 59: / Строка 59: @@
 == Состояние и прогноз развития лазерной технологии обработки материалов ==
 === Лазерная резка (ЛР) ===
-=== Лазерная сварка ===
+=== [[Лазерная сварка]] ===
 === Лазерная модификация поверхности ===
 === Прямое изготовление изделий методом селективного лазерного спекания микро- и нанопорошков (СЛС) ===