Лазерное излучение и его применение

     «Как отметил глава Агентства генерал-лейтенант Генри Оберинг, испытание, проведенное 1 мая, стало важным шагом в реализации программы создания лазерного элемента противоракетного щита. Предполагается, что "лазерная пушка" на Boeing сможет поражать баллистические ракеты на разгонном участке их траекторий полета».

     Уничтожать  баллистические ракеты будет высокоэнергетический химический лазер мегаваттного класса. Его наземные испытания прошли в декабре 2005 года. Лазер преодолел 10-секундный порог продолжительности работы, который необходим для разрушения ракет.

     Лазерный  целеуказатель (ЛЦУ) — портативное устройство, генерирующее лазерное излучение в видимом или инфракрасном диапазоне спектра. Совместно с оптическим прицелом используется для ускорения и облегчения прицеливания на коротких и средних дистанциях стрельбы.

     Лазерный  луч формирует на цели яркую точку, соответствующую месту попадания пули, как если бы та двигалась прямолинейно, а не по баллистической траектории. Как правило, на дистанциях стрельбы от 50 до 300 метров (в зависимости от типа оружия) пуля движется практически прямолинейно, что позволяет с достаточно малой погрешностью приравнять место нахождения создаваемой ЛЦУ светящейся точки к месту попадания пули. Лазерными целеуказателями комплектуется служебное стрелковое оружие, так же охотничье оружие и арбалеты.

     6.4 Лазеры в промышленности. Обработка материалов и сварка.

     Обработка материалов с помощью лазеров получила название лазерной технологии. Вот что говорил об этом направлении академик Н. Г. Басов: «Лазерный луч — это уникальный тепловой источник, способный нагреть облучаемый участок детали до высоких температур за столь малое время, в течение которого тепло не успевает «растрескаться». Нагреваемый участок может быть при этом размягчен, рекристаллизован, расплавлен, наконец, его можно испарить. Дозируя тепловые нагрузки путем регулирования мощности и продолжительности лазерного облучения, можно обеспечить практически любой температурный режим и реализовать различные виды термообработки. Лазерный нагрев используется для поверхностной закалки и легирования металлов, для плавления при сварке, для плавления и испарения с выбросом паров при резке и сверлении» [13].

     Как же проходят физические процессы при  этом?

     Если  направить на металл лазерный луч  и изменять его мощность, то при значении облученности в 10⁵ Вт/см² начнется плавление. Вблизи поверхности под световым пятном возникает область расплавленного металла. Поверхность расплава начнет перемещаться вглубь металла по мере поглощения световой энергии. Площадь расплава будет расти, теплота начнет более интенсивно проникать в глубину. В конце концов установится неизменная поверхность расплава. Увеличим мощность лазера, пусть облученность достигнет 10⁷ Вт/см². В этом случае вместе с плавлением    будет    происходить    кипение металла и его испарение. На поверхности образуется лунка, которая начнет изменяться в размерах. Еще увеличим мощность лазера — пусть облученность достигнет Ю⁹ Вт/см². В этом случае свет начнет ионизировать пары вещества, превращая их в плазму. Известно, что плазма интенсивно поглощает свет, поэтому доступ энергии к металлу прекратится.

     В импульсном режиме работы лазера картина будет несколько иная. Если облученности достаточно, чтобы материал не только плавился, но и кипел, а длительность импульса мала - около 10^-7 с, то в металле поглотится значительная часть энергии. Но за короткое время тепло не проникнет внутрь, поверхность расплава не увеличится и начнется интенсивное испарение. Следовательно, в данном случае основная часть энергии тратится на испарение, а не на плавление.

     Таким образом, могут быть предложены следующие  рекомендации по использованию лазеров для обработки металлов. Для сварки желательны импульсы порядка 10^-2..10^-4с, а для пробивания отверстий — 10^-5... 10^-6с при требуемой облученности, которая для каждого материала должна быть определенной.

     Например, для того чтобы сделать отверстие  в стальной пластине толщиной в 1 мм лучом лазера, необходимо иметь длительность импульса 10^-3 с и энергию около 0,5 Дж. В результате получим отверстие 0,1...0,2 мм. Чтобы получить отверстие в стальной пластине толщиной в 5 мм, нужен импульс с энергией от 20 до 100 Дж.

     Очень существенного эффекта можно достигнуть при обработке сверхтвердых сплавов и таких материалов, как рубиновые камни, алмазы и т. п. В камне при толщине заголовки 0,5...1 мм отверстие пробивается серией импульсов, имеющих энергию 0,1...0,5 Дж при длительности 10^-4 с. Это обеспечивает производительность в 1000 раз большую, чем при механическом сверлении отверстий.

     И, наконец, лазеры дают принципиально  новый эффект при обработке материалов, отличающихся повышенной хрупкостью, таких как подложки микросхем, изготавливаемые из глиноземной керамики. Из-за высокой хрупкости механическое сверление отверстий в ней выполняют, как правило, «на сыром материале». Обжигает керамику уже после сверления. При этом происходит некоторая деформация изделия, искажается взаимное расположение высверленных отверстий. Использование лазерного метода обработки снимает эту проблему, причем можно получать отверстия диаметром всего в 10 мкм.

     Лазерным  лучом можно резать любой материал: ткань, дерево, резину, пластмассу, керамику, стекло, листы металла. И не просто резать, а получать аккуратные разрезы по сложным профилям. Для резки используются лазеры, дающие высокую последовательность импульсов, либо генерирующие энергию непрерывно. Требуемая мощность в этом случае зависит от материала и толщины заготовки. Так, например, для резки досок толщиной 50 мм применялся газовый лазер на СО₂ мощностью 200 Вт, при этом ширина разреза составляла 0,7 мм. Для резки фанеры толщиной 25 мм необходима была мощность 8 кВт, скорость резания 1,5 м/мин. Для резки стекла толщиной 10 мм требовалась мощность 20 кВт.

     Интересный  эффект можно получить, если использовать «газолазерную резку», т. е. в процессе резки обдувать металл струей кислорода. Тогда значительная часть энергии, затрачиваемая на процесс резания, получается за счет экзотермических реакций, в которые вступает металл и кислород. При этом использование струи кислорода не только снижает требование к мощности, но и увеличивает скорость и глубину резания, а также, позволяет получить высококачественную кромку разреза, поскольку струя кислорода уносит из зоны резания расплав и продукты сгорания металла.

        При резке металлов используется поддув кислорода, при резке неметаллов - поддув аргона, 
 
 
 
 

     В авиационной промышленности налажено автоматизированное резание листов титана, стали, алюминия. С помощью лазера на С0₂ мощностью 3 кВт лист титана при толщине в 5 мм разрезается со скоростью 3,5 м/мин, а при толщине в 50 мм - со скоростью 0,5 м/мин. Отмечается, что использование кислородной струи даст уменьшение мощности лазера до 100...300Вт при достижении того же эффекта.

     Можно сформулировать основные достоинства, которые имеет лазерная обработка материалов:

     во-первых, большое разнообразие процессов  обработки самых различных видов материалов (и даже таких, которые не поддаются механической обработке);

     во-вторых, высокая скорость выполнения операций по обработке (иногда в 1000 раз большая, чем при механической) ;

     в-третьих, высокое качество обработки (гладкость  срезов, прочность сварных швов, чистота обработки и др.);

     в-четвертых, возможность высокоточной прецизионной обработки (изготовление фильер в алмазе, необходимых для волочения проволоки, изготовление отверстий в рубиновых камнях, необходимых для изготовления часовых  механизмов  и  др.);

     в-пятых, селективность воздействия на отдельные участки обрабатываемой поверхности и возможность дистанционной обработки (в том числе и поверхностей, расположенных за стеклянной перегородкой);

     в-шестых, сравнительная легкость автоматизации  операций, способствующая существенному повышению производительности труда.

     Эти достоинства лазерной технологии, рассмотренные учеными еще на заре развития лазерной техники или предсказанные ими, привели к созданию целого ряда лазерных установок, которые широко используются в промышленности.

     Особенности лазерной сварки. Можно отметить два  этапа в развитии лазерной сварки. Сначала появилась точечная сварка. Для нее использовались рубиновые лазеры и лазеры на стекле с неодимом. Примерами применения точечной сварки служит соединение никелевого контакта с клеммой из никелевого сплава в основании транзистора, приваривание тонких медных проводов друг к другу или к клеммам, взаимное соединение микроэлектронных компонентов.

     Шовная сварка возникла с появлением газовых лазеров на С0₂, мощность которых составляла 100 Вт. Она использовалась для герметизации корпусов приборов, приваривания наконечников к лопастям газовых турбин, приварки режущих кромок из закаленной стали к полотнам металлорежущих пил.

     Дальнейшее  развитие лазерной техники, позволившее  получать  выходную  мощность   1...10 кВт, дало  возможность осуществлять автоматическую сварку кузовов автомобилей, сварку листов титана на судостроительных верфях, сварку газопроводов, сварку карданных валов автомобилей. Результаты испытаний показали, что прочность сварных соединений достигает уровня прочности свариваемого материала. Из данных, полученных в лаборатории лазерной обработки Автозавода имени Лихачева, следует, что скорость электродуговой сварки составляет 15 м/ч, а скорость лазерной сварки 100 м/ч. Более того, если при электродуговой сварке необходимо выполнить 6-8 проходов, то при лазерной сварке хороший шов получается при одном проходе. Да и ширина шва лазерной сварки имеет более аккуратный вид — всего 6 мм, в отличие от электродуговой — 20 мм.