Лазерная резка неметаллических материалов

Этот вид обработки позволяет резать материалы любой твердости, при этом обеспечиваются высокая точность и качество реза (малая ширина реза и параллельность кромок), малая зона нагрева, большая производительность, возможность точного, автоматизированного управления.

Таким способом обрабатываются: металлокерамика, стеклоуглерод, композиционные материалы на основе нитей бора и углерода, стеклоткань (со значительным улучшением условий труда по сравнению с механической резкой).

Большие преимущества дает лазерная резка в деревообрабатывающей промышленности. Например, при раскрое фанеры отсутствуют опилки, достигается малая ширина реза, чистая поверхность кромок, высокая точность при очень сложных формах раскроя. Отмечается резкое повышение производительности бумагорезательного производства при переходе на лазерный раскрой бумаги и картона.

К основным физико-химическим особенностям резки неметаллических материалов относятся:

• — малая температуропроводность, поэтому при высоких скоростях резки (V >10 мм/с) и диаметре сфокусированного излучения не более 0,5 мм пороговая плотность мощности, необходимая для начала резки практически не зависит от толщины разрезаемого элемента;
• — большая часть неметаллических материалов обладает высокой поглощательной способностью излучения СО_г — лазера. При незначительных тепловых потерях лазерного излучения и малой температуропроводности удается осуществлять резку больших толщин, например, полиметилметакрилат (ПММА) толщиной 25 мм режется лазером мощностью всего 500 Вт.

При воздействии лазера на органические материалы происходят химические реакции деструкции, испарения, сублимации, термической диссоциации с выделением газов. При резке дерева, каучука, бумаги и некоторых пластиков происходят образование свободного углерода, то есть сажи. Кроме газов в ряде случаев образуется аэрозоль в виде мелкодисперсных частиц испаренного материала.

При быстром испарении материала возникает эрозионный факел, который экранирует обрабатываемую поверхность, вызывает поглощение излучения и снижает интенсивность нагрева. В отличие от металлов, где в парогазовой среде может произойти оптический пробой, здесь поглощение значительно более сильное.

Для устранения влияния эрозионного факела в зону взаимодействия подается активный или нейтральный газ, который служит для удаления испарившихся частиц, плазмы и расплава. В ряде случаев разогревшийся поверхностный слой материала выдувают газовой струей, что способствует увеличению скорости заглубления и резки.

Рис. 17. Схемы управления лазерным лучом при обработке деталей. 1 — обрабатываемая деталь; 2 — лазерный луч; 3 — зеркало.

В настоящее время лазерная маркировка изделий получила широкое распространение. При воздействии лазерного излучения на металлы и неметаллы за короткий промежуток времени происходит нагрев поверхности до высокой температуры, при которой происходит плавление и испарение материала. Это приводит к появлению определенного следа или метки. Перемещая изделие относительно лазерного луча с определенной скоростью, можно получить на поверхности изображение в виде букв, линий, символов, знаков, цифр или рисунков. Для этого могут быть использованы импульсные лазеры с высокой частотой повторения импульсов. Различные схемы маркировки лазерным лучом приводятся ниже.

Рис. 18. Схема маркировки лазерным лучом.

1 — лазерное излучение; 2 — маска с изображением; 3 — фокусирующая линза; А — маркируемое изделие.

По сравнению с клеймением, гравированием и другими методами маркировки лазерная имеет ряд преимуществ:

• — высокая производительность;
• — отсутствие механического воздействия;
• — легкость управления и возможность полной автоматизации;
• — возможность обработки любых материалов.

В настоящее время используется два метода маркировки лазерным излучением: при первом методе излучение воздействует на неподвижную маску, соответствующую требуемому изображению (рис. 18). Изображение маски воспроизводится на поверхности изделия или детали с помощью фокусирующей линзы. Выбрав мощность лазерного излучения обеспечивают эффект испарения материала на той части поверхности детали, куда попадает излучение и тем самым на детали фиксируется изображение маски. При использовании лазеров с малой длительностью импульса можно осуществлять маркировку на движущихся деталях, расположенных, например, на конвейере.

Второй метод маркировки осуществляется нанесением с помощью сфокусированного лазерного излучения отдельных точек, которые образуются в результате испарения материала на поверхности. Для этого метода, используются обычно твердотельные лазеры на иттрийалюминиевом гранате или на кристаллах рубина. В установках применяют импульсы малой длительности с энергией в несколько миллиджоулей. Полученные метки на поверхности имеют незначительную глубину (несколько микрометров). Для получения более глубоких меток применяют импульсы большей длительности.

В настоящее время лазерная маркировка применяется для нанесения гравюр на валки полиграфических машин. Малый размер фокального пятна обеспечивает высокую разрешающую способность при высокой производительности. Обычно для таких работ используются газовые С0₂-лазеры мощностью 250 Вт. Скорость гравирования достигает 10 м/мин.

Важным свойством лазерной маркировки является то, что маркировка буквенно-цифровыми символами может легко считываться с помощью ЭВМ, что позволяет автоматизировать учет деталей, их сортировку, отбраковку, контроль и другие технологические операции.

В современном машиностроении к деталям предъявляются высокие требования, которые могут быть повышены за счет создания специальных износостойких покрытий. Они могут быть получены различными видами лазерной обработки: термической, глазурованием, амортизацией, ударным упрочнением, легированием и наплавкой. Лазерное легирование может осуществляться как неметаллическими компонентами, так и металлами.

Лазерное легирование азотом, углеродом, кремнием и бором заключается в нанесении на поверхность обмазок или паст с последующим оплавлением поверхности непрерывным или импульсным лазерным излучением. При этом средняя глубина легированного слоя при импульсной обработке составляет 0,3…0,4 мм, при использовании непрерывного излучения 0,3…0,4 мм, а при использовании непрерывного излучения 0,3…1,0 мм.

Лазерную цементацию осуществляют на основе растворов графита или сажи в ацетоне, спирте и других растворителях, с использованием активирующих добавок (бура, хлористый аммоний и др.).

Для повышения качества покрытия над обрабатываемой поверхностью необходимо создавать высокое давление (10 Мпа) газов.

Обрабатываемую деталь помещают в жидкость, содержащую углерод (толуол, гексан, минеральное масло и др.). При воздействии лазерного излучения в жидкости образуется парогазовый канал, через который излучение попадает на поверхность изделия. Над самой поверхностью изделия образуется куполообразная полость, которая насыщена парами углерода.

В зависимости от количества введенного углерода фазовый состав легированного участка поверхности и его микротвердость могут быть различными. Если в зону оплавления среднелегированной стали вводится небольшое количество углерода, то структура состоит из мартенсита и остаточного аустенита. Микротвердость при этом составляет 9000 МПа.

При введении большого количества углерода количество аустенита может заметно увеличиваться и микротвердость будет колебаться в широких пределах (4500…9000 МПа). Дальнейшее повышение содержания углерода ведет к появлению аустенита карбидов, что значительно повышает микротвердость (9000…14 000 МПа).

Схема лазерного напыления металла приведена ниже.

Рис. 19. Схема лазерного напыления металла.

Лазерную цементацию целесообразно использовать для повышения твердости углеродистых сталей.

Лазерное азотирование производят с применением паст на основе аммиачной соли, карбамида и др. Лазерное азотирование сталей затруднено, поскольку над обрабатываемой поверхностью необходимо создать давление азота порядка 9 МПа.

Легко осуществляется азотирование титана, циркория, гафния и сплавов на их основе. При азотировании титановых сплавов в поверхностном слое образуются нитриды титана с микротвердостью 17 000…20 000 МПа.

Лазерное азотирование следует применять для повышения теплостойкости, твердости и износостойкости.

Лазерное борирование проводят с использованием порошков бора, карбида бора, борного ангидрида, буры и ферробора.

Борирование может осуществляться оплавлением поверхностных слоев, напыленных плазмой. Если легирование осуществляется при небольшом содержании бора, то микротвердость поверхностного слоя составляет 6000.12 000 МПа. При увеличении концентрации бора микротвердость увеличивается до 21 000 МПа.

Лазерное борирование применяют для повышения твердости и износостойкости, а также снижения абразивного износа.

Лазерное легирование металлическими компонентами осуществляют путем подачи присадочного порошка, в зону обработки (рис. 19). Испаряемый порошок 4 подается из бункера 3 в охлаждаемый тигель 5, где под действием лазерного излучения 1 испаряется и осаждается на обрабатываемой детали 2. Этот процесс ведут с использованием непрерывного излучения. В результате в зоне обработки образуются пересыщенные твердые растворы, что приводит к повышению микротвердости.

Лазерное легирование чугуна и стали хромом приводит к увеличению коррозионной стойкости, ударной вязкости и износостойкости. Легирование хромом и углеродом низкоуглеродистой стали позволяет получать слой глубиной 1,25 мм с твердостью HRC 55. При этом повышаются износостойкость и теплостойкость.

Перспективным является лазерное легирование цветных металлов и сплавов железом, никелем, титаном феррованадием и др. Микротвердость алюминиевых сплавов при этом повышается до 3000 МПа, в ряде случаев до 8000…10 000 МПа.

Лазерное легирование титановых сплавов хромом позволяет повышать микротвердость обработанной поверхности до 6400 МПа. Большой эффект получается при лазерном легировании карбидами тугоплавких металлов (карбид титана, тантала, вольфрама и др.). Необходимо выдерживать такие режимы обработки, при которых эти карбиды не растворяются полностью. В результате микротвердость в зоне лазерного легирования соответствует микротвердости исходного карбида, что существенно повышает износостойкость. Лазерное легирование сталей с введением карбида кремния позволяет получить микротвердость в зоне обработки до 17 000 МПа. Лазерное легирование сталей ШХ15, У10 обеспечивает повышение их износостойкости в 2…5 раз.