Princip technologie laserového zpracování

Odhadovaná doba čtení: 30 minut

Laser je zkratka z anglického Light amplification bystimuled emise záření, což znamená „zesílení světla stimulovanou emisí záření“. Jako významný symbol rozvoje vědy a techniky ve 20. století a jeden z pilířů optoelektronických technologií v moderní informační společnosti byl rozvoj laserové techniky a příbuzných odvětví vysoce ceněn vyspělými zeměmi. Laserové zpracování je nejslibnější oblastí laserových aplikací. Zejména technologie laserového svařování, laserového řezání a laserového plátování se v posledních letech rychle rozvíjely a přinesly obrovské ekonomické a sociální výhody.

Principy, vlastnosti a technologie laserového zpracování

Technologie laserového zpracování je technologie, která využívá charakteristiky interakce mezi laserovým paprskem a látkou k řezání, svařování, povrchové úpravě, perforaci a zpracování emblémů na materiálech (včetně kovů a nekovů). Jako pokročilá výrobní technologie se laserové zpracování široce používá v automobilovém průmyslu, elektronických zařízeních, letectví, metalurgii, strojírenství a dalších průmyslových oborech. Hraje stále důležitější roli při zlepšování kvality produktů a produktivity práce, dosahování automatizace a bez znečištění a snižování spotřeby materiálu. účinek.

Princip laserového zpracování

Laserové zpracování je způsob zpracování, při kterém se jako zdroj tepla používá zaostřený laserový paprsek k bombardování obrobku k roztavení kovových nebo nekovových obrobků za účelem vytvoření malých otvorů, řezů, spojů, opláštění atd. Laserové zpracování je v podstatě proces interakce mezi laserem a neprůhledným materiálem. V mikroskopickém pohledu je to kvantový proces a v makroskopickém pohledu se odráží, absorbuje, zahřívá, taví, odpařuje a další jevy.

Při ozařování laserovými paprsky o různé hustotě výkonu dochází k různým změnám povrchu materiálu. Tyto změny zahrnují nárůst povrchové teploty, tání, odpařování, tvorbu malých děr a tvorbu fotoindukovaného plazmatu. Obrázek 1.1 ukazuje několik změn stavu kovového materiálu působením laserového záření s různou hustotou výkonu.

Když je hustota výkonu laseru menší než 104 W/cm²absorpce laserové energie kovem způsobí pouze zvýšení teploty povrchu materiálu, ale pevná fáze zůstává nezměněna. Lze jej použít pro povrchové tepelné zpracování, kalení se změnou fáze nebo pájení dílů.

Když je hustota výkonu laseru v řádu 104~106W/cm²dojde k ohřevu tepelné vodivosti a povrchová vrstva materiálu se roztaví. Může být použit pro přetavování kovových povrchů, legování, plátování a svařování tepelnou vodivostí (jako je vysokorychlostní svařování tenkých plechů a přesné svařování atd.).

Když hustota výkonu laseru dosáhne řádu 106W/cm², povrch materiálu je ozářen laserovým paprskem a teplota ohřevu laserového zdroje tepla dosáhne bodu varu kovu, tvoří se plazmová pára a prudce se odpařuje. Působením odpařovacího expanzního tlaku je povrch kapaliny zapuštěn směrem dolů. Hluboké pronikání malých otvorů, současně se působením laserového paprsku ionizuje kovová pára za vzniku fotoindukovaného plazmatu, které se používá hlavně pro laserové penetrační svařování, řezání a vrtání.

Když je hustota výkonu laseru větší než řádově 107 W/cm²se fotoindukované plazma bude šířit proti směru dopadu laserového paprsku a bude tvořit plazmový oblak a fenomén stínění laseru plazmatem bude využit pro vrtání pulzním laserem. Zpracování, jako je rázové kalení.

Laserové zpracování je použití laserového paprsku s vysokou hustotou výkonu k ozařování obrobku, aby se materiál roztavil a odpařil za účelem provedení speciálního zpracování, jako je perforace, řezání a svařování (viz obrázek 1.2.). Rané kondenzační zpracování se pro svůj nízký výkon většinou používalo pro vrtání malých otvorů a mikrosvařování. V 70. letech 20. století se vznikem vysoce výkonného CO₂ lasery, yttrium aluminium granát (YAG) lasery s vysokou opakovací frekvencí a hloubkový výzkum mechanismů a procesů laserového zpracování, technologie laserového zpracování udělala velký pokrok a rozsah použití se liší Rozšíření. Několik kilowattů zařízení pro laserové zpracování bylo použito pro vysokorychlostní řezání, hluboké penetrační svařování a povrchovou úpravu různých materiálů. Různá specializovaná zařízení pro laserové zpracování soutěží o to, aby se objevila, a v kombinaci s fotoelektrickým sledováním, počítačovým digitálním řízením, robotikou a dalšími technologiemi výrazně zlepšují úroveň automatizace a využívají funkce laserového zpracování.

Laser lze interpretovat jako zařízení, které přeměňuje surovou energii, jako je elektrická energie, chemická energie, tepelná energie, světelná energie nebo jaderná energie, na paprsky elektromagnetického záření o určitých specifických světelných frekvencích (ultrafialové světlo, viditelné světlo nebo infračervené světlo). Konverzní forma se snadno provádí v některých pevných, kapalných nebo plynných médiích. Když jsou tato média excitována ve formě atomů nebo molekul, vytvářejí laserové paprsky s téměř stejnou fází a téměř jediným dlouhým paprskem. Díky stejné fázi a jediné vlnové délce je rozdílový úhel velmi malý a vzdálenost, kterou lze přenášet, je poměrně dlouhá, než je vysoce koncentrovaná pro zajištění funkcí, jako je svařování, řezání a opláštění.

Zařízení pro laserové zpracování se skládá ze čtyř hlavních částí, jmenovitě laseru, optického systému, mechanického systému, řídicího a detekčního systému. Výstup laserového paprsku o vysoké intenzitě z laseru je zaostřen na obrobek přes čočku a hustota výkonu v ohnisku je až 106~1012 W/cm² (teplota je až 10 000 ℃) a jakýkoli materiál se okamžitě roztaví a vypaří. Laserové zpracování má využívat tepelného účinku této světelné energie k provádění svařování, vrtání a řezání materiálů. Lasery běžně používané pro zpracování jsou především pevnolátkové lasery YAG a CO₂ lasery, které mají výhody jednoduché struktury, velkého výstupního výkonu a vysoké účinnosti přeměny energie a mohou být široce používány pro laserové zpracování materiálů.

Vlastnosti laserového zpracování

První laserový paprsek na světě byl vyroben pomocí bleskové žárovky k vybuzení zrn rubínového krystalu v roce 1960. Kvůli omezení tepelné kapacity krystalu může produkovat pouze velmi krátký pulzní paprsek a frekvence je velmi nízká. I když okamžitá špičková energie pulzu může být až 106 W/cm², je to stále nízký energetický výdej.

Použití krystalových tyčinek z yttria hliníkového granátu (Nd: YAG) s číslem (Nd) jako excitačního prvku může produkovat spojitý paprsek o jedné vlnové délce 1~8Kw. YAG laser (vlnová délka je 13,06 pm) může být připojen k laserové zpracovatelské hlavě přes flexibilní optické vlákno. Uspořádání zařízení je flexibilní a vhodné pro svařování o tloušťce 0,5-6 mm. Pomocí CO₂ laser (vlnová délka 13,06 pm) s CO₂ jako budič může výstupní energie dosahovat 25kW a lze jej použít pro jednoprůchodové plné průvarové svařování plechů o tloušťce 2 mm. Je široce používán při zpracování kovů v průmyslu.

• Světelný bod je malý, energie je koncentrovaná a tepelně ovlivněná zóna je malá; laserový paprsek se snadno zaostřuje a vede, což je výhodné pro automatické ovládání.
• Nedotýká se zpracovávaného obrobku a nemá žádné znečištění obrobku; nepodléhá elektromagnetickému rušení a jeho použití je pohodlnější než zpracování elektronovým paprskem.
• Rozsah zpracování je široký, lze gravírovat a řezat téměř jakýkoli materiál. Vysokorychlostní gravírování a řezání lze provádět podle výstupu vzoru z počítače a rychlost řezání laserem je mnohem vyšší než rychlost řezání drátem.
• Bezpečné a spolehlivé: je použito bezkontaktní zpracování, které nezpůsobí mechanické vytlačování nebo mechanické namáhání části materiálu. Přesné a pečlivé; přesnost obrábění může dosáhnout 0,1 mm. Konzistentní efekt: zajistit, aby efekt zpracování stejné dávky obrobků byl téměř stejný.
• Řezný šev je malý; řezný šev laserového řezání je obecně 0,1 ~ 0,2 mm a řezná plocha je hladká: řezná plocha laserového řezání nemá žádné otřepy. Malé tepelné zkreslení: Laserové zpracování laserového řezání je tenké, rychlé a koncentrované na energii. Proto je teplo přenášené na řezaný materiál malé a deformace materiálu je také velmi malá.
• Je vhodný pro zpracování velkých výrobků. Náklady na výrobu forem u velkých výrobků jsou velmi vysoké. Laserové zpracování nevyžaduje žádné formy a laserové zpracování může zcela zabránit kolapsu materiálu, když je materiál děrován a řezán, což může snížit výrobní náklady podniku a zlepšit produkt. Ozubená kola.
• Nízké náklady: Není omezeno počtem zpracování, laserové zpracování je vhodnější pro služby malého dávkového zpracování.
• Úspora materiálu: laserové zpracování využívá počítačové programování, které dokáže řezat výrobky různých tvarů, což maximalizuje míru využití materiálů a výrazně snižuje náklady na materiály.

Technologie laserového zpracování

Laserová technologie je komplexní technologie zahrnující více oborů, jako je světlo, mechanika, elektřina, materiály a testování. Techniky laserového zpracování tradičně zahrnují řezání, svařování, povrchovou úpravu, plátování, děrování (označování), rýhování a další techniky zpracování. Požadavky různých metod zpracování materiálů na výkon laseru a kvalitu paprsku systému výroby laseru jsou znázorněny na obrázku 1.3.

Technologie laserového svařování

Laserové svařování je jedním z důležitých aspektů aplikace technologie laserového zpracování. Laserové záření ohřívá povrch obrobku a povrchové teplo je vedením tepla difundováno do vnitřku. Řízením šířky, energie, hustoty výkonu a frekvence opakování laserového pulsu se obrobek roztaví a vytvoří specifickou roztavenou lázeň. Pro své jedinečné přednosti se úspěšně používá při svařování malých a malých dílů. Vznik vysoce výkonného CO₂ lasery a vysokovýkonné vláknové lasery otevřely nový obor laserového svařování. Bylo získáno svařování hlubokým průvarem založené na efektu dírek a bylo široce používáno ve strojírenství, výrobě automobilů, oceli a dalších průmyslových odvětvích.

Laserové svařování dokáže svařovat těžko přístupné díly a provádět bezkontaktní svařování na velkou vzdálenost, které má velkou flexibilitu. Laserová technologie YAG využívá technologii přenosu optických vláken, díky čemuž je technologie laserového svařování širší. Laserový paprsek snadno rozdělí paprsek podle času a prostoru a dokáže zpracovat více paprsků současně, což poskytuje podmínky pro přesnější svařování. Lze jej například použít pro tlusté a tenké plechy karoserie automobilů, automobilové díly, lithiové baterie, kardiostimulátory, utěsněná relé atd. Různá zařízení a utěsněná zařízení neumožňují deformaci při svařování a kontaminaci.

Technologie laserového svařování má účinek čištění roztavené lázně, může získat čistý svarový kov a je vhodná pro svařování mezi stejnými a odlišnými kovovými materiály. Laserové svařování má vysokou hustotu energie, což je výhodné zejména pro svařování kovů s vysokým bodem tání, vysokou odrazivostí, vysokou tepelnou vodivostí a velmi rozdílnými fyzikálními vlastnostmi.

Hlavní výhody laserového svařování jsou vysoká rychlost, velký průvar, malá deformace a lze jej svařovat při pokojové teplotě nebo za speciálních podmínek. Když laser prochází elektromagnetickým polem, paprsek se neposune; laser lze svařovat ve vzduchu a určitých plynných prostředích a může svařovat sklo nebo materiály, které jsou pro paprsek průhledné. Po zaostření laseru je hustota výkonu vysoká a poměr stran během svařování může dosáhnout 5:1 až 10:1 a může svařovat žáruvzdorné materiály, jako je titan a křemen, a může svařovat různé materiály s dobrými výsledky. , jako je svařování dvou materiálů s různými vlastnostmi, mědi a tantalu, může dosáhnout rychlosti průchodu 100%. Lze také provádět mikrosvařování. Po zaostření laserového paprsku lze získat malý bod, který lze přesně umístit. Může být použit při montážním svařování mikro a malých součástek hromadné automatizované výroby, jako jsou vodiče integrovaných obvodů, hodinové vlásenky, montáž elektronových pistolí s obrazovou trubicí atd., Díky použití laserového svařování je efektivita výroby vysoká, tepelně ovlivněná zóna je malá a pájené spoje jsou bez znečištění, což výrazně zlepšuje kvalitu svařování.

Technologie řezání laserem

Řezání laserem je dosaženo aplikací energie s vysokou hustotou výkonu generované laserovým zaostřováním. Pod řízením počítače se laser vybíjí prostřednictvím pulsů a na výstupu je řízený opakující se vysokofrekvenční pulsní laser, který vytváří laserový paprsek s určitou frekvencí a určitou šířkou pulsu. Pulzní laserový paprsek je přenášen optickou dráhou, odráží se a zaostřuje na povrch zpracovávaného objektu přes skupinu zaostřovacích čoček, čímž vytváří malý bod s vysokou energetickou hustotou, ohnisko je umístěno blízko povrchu, který má být zpracován, a zpracovávaný materiál se taví nebo odpařuje při okamžité vysoké teplotě.

Vysokoenergetický laserový puls dokáže během okamžiku vytrysknout na povrch předmětu malou dírku. Laserová obráběcí hlava a zpracovávaný materiál vykonávají pod řízením počítače souvislý relativní pohyb podle předkreslené grafiky tak, aby byl předmět zpracován do požadovaného tvaru. Při řezání je proud vzduchu koaxiální s paprskem vystřikován z řezací hlavy a roztavený nebo odpařený materiál je odfukován ze spodní části řezu. Ve srovnání s tradičními metodami zpracování desek má řezání laserem výhody dobré kvality řezání (úzká šířka řezu, malá tepelně ovlivněná zóna, hladký řez), vysoká rychlost řezání, vysoká flexibilita (lze řezat jakýkoli tvar) a široký sortiment materiálu přizpůsobivost.

Technologie řezání laserem je široce používána při zpracování kovových a nekovových materiálů, což může výrazně zkrátit dobu zpracování, snížit náklady na zpracování a zlepšit kvalitu obrobku. Moderní technologie řezání laserem se stala mečem „řezným železem jako bláto“, který lidé v ideálním případě sledují.

Převzetí CO₂ laserový řezací stroj jako příklad, celé řezací zařízení se skládá z řídicího systému, pohybového systému, optického systému, systému vodního chlazení, systému ochrany vzduchu atd., pomocí pokročilého režimu CNC pro dosažení víceosého propojení a řezání laserovou energií bez ovlivnění rychlostí; Servomotor s vynikajícím výkonem a vodící strukturou převodovky mohou dosáhnout dobré přesnosti pohybu při vysoké rychlosti.

Laserové řezání lze použít v automobilové výrobě, počítačích, elektromechanice, kovových součástech a speciálních materiálech, kotoučových pilových kotoučích, pružných podložkách, měděných deskách pro elektronické součástky, plechových sítích, ocelových trubkách, bakelitu, plechech z hliníkové slitiny, křemenném skle, křemíku Pryž, keramický plech z oxidu hlinitého, slitina titanu atd. Používané lasery jsou lasery YAG a CO₂ lasery. Pulzní lasery jsou vhodné pro kovové materiály a kontinuální lasery jsou vhodné pro nekovové materiály. Posledně jmenovaný je důležitou aplikační oblastí technologie laserového řezání.

Technologie laserového plátování

Laserové plátování označuje současné tavení plátovacího materiálu a povrchové vrstvy substrátu ozařováním laserovým paprskem na povrch plátovaného substrátu různými způsoby a rychlé tuhnutí za vzniku tavení s extrémně nízkým ředěním a metalurgickou vazbou s substrát. Povlak, procesní metoda ke zlepšení odolnosti proti opotřebení, odolnosti proti korozi, tepelné odolnosti, odolnosti proti oxidaci a elektrických charakteristik povrchu základní vrstvy.

S využitím vysoké hustoty výkonu laserového paprsku, přidání samotavného slitinového prášku specifického složení (jako jsou slitiny na bázi niklu, kobaltu a železa atd.) vytvoří na povrchu velmi tenkou krycí vrstvu. substrát, aby byly stejnoměrné v roztaveném stavu Rozprostřete se na povrch součásti a dosáhněte předem stanovené tloušťky a vytvořte dobrou metalurgickou vazbu s mikrotavnou matricí a existuje pouze malý stupeň vzájemného zředění. Při následném rychlém procesu tuhnutí je povrch dílu zcela odlišný od podkladu. Funkční vrstva obkladového materiálu se speciálními vlastnostmi. Laserové plátování může zcela změnit povrchové vlastnosti materiálů a zajistit, aby povrch levných materiálů získal extrémně vysokou odolnost proti opotřebení, odolnost proti korozi, odolnost proti vysokým teplotám a další vlastnosti.

Laserové plátování může dosáhnout účelu úpravy povrchu, opravy nebo repasování. Dokáže opravit díry a praskliny na povrchu materiálu, obnovit geometrickou velikost a výkon opotřebovaných dílů, splnit požadavky na konkrétní výkon povrchu materiálu a ušetřit spoustu drahých kovů. Ve srovnání s nanášením na povrch, stříkáním, galvanickým pokovováním a napařováním má laserové plátování vlastnosti nízké rychlosti ředění, hustou strukturu a dobrou kombinaci plátovací vrstvy a substrátu. Je široce používán v leteckém, formovacím a elektromechanickém průmyslu. V současné době jsou lasery používané v laserovém plátování hlavně vysokovýkonné YAG lasery a CO₂ lasery.

Laserové tepelné zpracování

Laserový paprsek s vysokou hustotou výkonu se používá k ohřevu povrchu kovového obrobku, aby se dosáhlo úpravy povrchu (to znamená zlepšení tvrdosti povrchu, odolnosti proti opotřebení a odolnosti obrobku proti korozi) tepelného zpracování. Laserový paprsek lze lokálně selektivně kalit podle požadavků a napětí a deformace obrobku jsou malé. Tato technologie je široce používána v automobilovém průmyslu, jako je laserové tepelné zpracování vložek válců, klikových hřídelí, pístních kroužků, komutátorů, ozubených kol a dalších dílů, a je také široce používána v leteckém průmyslu, průmyslu obráběcích strojů a strojírenství. Aplikace laserového tepelného zpracování v mé zemi je mnohem širší než v zahraničí. V současnosti se používají hlavně lasery YAG a CO₂ lasery.

Laserovým tepelným zpracováním lze dosáhnout fázové transformace kalení (nebo kalení povrchu, amorfizace povrchu, kalení s remitentním povrchem), legování povrchu a další úpravy povrchové úpravy na kovovém povrchu, což má za následek vlastnosti složení a struktury povrchu, kterých nelze dosáhnout kalením na velkém povrchu. Laserové transformační kalení je nejstarší, nejvíce studovaný a nejrozšířenější proces v laserovém tepelném zpracování. Je vhodný pro většinu materiálů a různé části dílů s různými tvary a může zlepšit odolnost proti opotřebení a únavovou pevnost dílů. Po laserovém tepelném zpracování může povrchová tvrdost litiny dosáhnout více než 60 HRC a povrchová tvrdost středně uhlíkové oceli a vysoce uhlíkové oceli může dosáhnout více než 70 HRC, což zlepšuje odolnost proti opotřebení, odolnost proti korozi a oxidaci materiálu. a prodlužuje životnost obrobku.

Technologie laserového žíhání je proces zpracování polovodičů a efekt je mnohem lepší než u běžného žíhání za tepla. Po laserovém žíhání může míra výměny nečistot dosáhnout 98%~99%, což může snížit měrný odpor polysilikonu o 40%~50%, což může výrazně zlepšit integraci integrovaných obvodů a snížit vzdálenost mezi prvky obvodu na 0,5μm.

Technologie rychlého laserového prototypování

Technologie rychlého laserového prototypování je tvořena kombinací technologie laserového zpracování s technologií počítačového numerického řízení a flexibilní výrobní technologií a používá se většinou ve výrobě forem a modelů. V současnosti se používají hlavně lasery YAG, CO₂ lasery a vláknové lasery. Technologie rychlého laserového prototypování integruje nejnovější úspěchy laserové technologie, technologie CAD/CAM, řídicí technologie a technologie materiálů. Podle CAD modelu dílu je fotocitlivý polymerní materiál vytvrzen vrstvou po vrstvě laserovým paprskem a vzorek je přesně naskládán do vzorku bez forem a Nástroj může rychle a přesně vyrábět díly se složitými tvary. Tato technologie je široce používána v letectví, elektronice, dopravních prostředcích a dalších průmyslových oborech.

Technologie laserového vrtání

Technologie laserového vrtání má výhody vysoké přesnosti, silné všestrannosti, vysoké účinnosti, nízkých nákladů a významných komplexních technických a ekonomických výhod. Stala se jednou z klíčových technologií v moderní výrobní oblasti. Před vznikem laserů lze používat pouze materiály s větší tvrdostí. Je extrémně obtížné vrtat otvory do materiálu s menší tvrdostí, takže je extrémně obtížné vrtat otvory do diamantu s vysokou tvrdostí. Po nástupu laseru je tento typ operace rychlý a bezpečný, ale otvor vyvrtaný laserem je místo válcového tvaru mechanického vrtání kuželový, což je místy nepohodlné (viz obrázek 1.4).

Laserové vrtání se používá hlavně v leteckém, automobilovém, elektronickém, chemickém a jiném průmyslu. Rychlý rozvoj laserového vrtání se odráží hlavně ve výstupním výkonu YAG laseru používaného pro vrtání se zvýšil ze 400 W na 800 W nebo dokonce 1 000 W a špičkový výkon vrtání až 30 ~ 50 kW, šířka pulsu použitá pro děrování je se zužuje, opakovací frekvence je stále vyšší a vyšší, zlepšují se výstupní parametry laseru, zlepšuje se kvalita děrování, zvyšuje se rychlost děrování a také se rozšiřuje rozsah použití laserového děrování. Relativně vyspělé uplatnění laserového vrtání v Číně je ve výrobě syntetických diamantů a přírodních diamantových rýhovacích forem, stejně jako v průmyslu hodin, přístrojů, lopatek letadel a desek plošných spojů. V současnosti používané lasery jsou CO₂. Hlavní jsou lasery a YAG lasery, dále se používají excimerové lasery, izotopové lasery a lasery s polovodičovými pumpami.

Technologie laserového značení

Laserové značení je metoda značení, která využívá laserový paprsek s vysokou energetickou hustotou k místnímu ozáření obrobku, aby se odpařil nebo změnil barvu povrchového materiálu, čímž zanechá trvalou stopu. Laserové značení může vytvářet různé znaky, symboly a vzory atd. a velikost znaků se může pohybovat od milimetrů do mikrometrů, což má zvláštní význam pro ochranu výrobků proti padělání. Po zaostření je extrémně tenký laserový paprsek jako nástroj, který dokáže bod po bodu odstraňovat povrchový materiál objektu. Pokročilá povaha technologie laserového značení spočívá v tom, že proces značení je bezkontaktní zpracování, které nevytváří mechanické vytlačování nebo mechanické namáhání a nepoškozuje zpracovávané položky. Velikost zaostřeného laserového paprsku je malá, tepelně ovlivněná zóna je malá a zpracování je v pořádku, což může dokončit proces, kterého nelze dosáhnout běžnými metodami.

„Nástroj“ používaný při laserovém značení je zaostřený paprsek, není potřeba žádné další vybavení a materiály. Dokud může laser pracovat normálně, může být nepřetržitě zpracováván po dlouhou dobu. Laserové značení má vysokou rychlost zpracování a nízkou cenu. Je automaticky řízen počítačem a při výrobě nevyžaduje zásah člověka. Excimerové laserové značení je nová technologie vyvinutá v posledních letech. Je zvláště vhodný pro značení kovů a může dosáhnout submikronového značení. Je široce používán v mikroelektronickém průmyslu a bioinženýrství.

Jaké informace, které může laser označit, souvisí s obsahem návrhu počítače? Pokud systém značení uměleckých děl navržený počítačem dokáže identifikovat, může označovací stroj přesně obnovit informace o designu na vhodném nosiči. Funkce laserového značkovacího softwaru tedy vlastně do značné míry určuje funkci laserového značkovacího systému. Tato technologie byla aplikována v různých materiálech a téměř ve všech průmyslových odvětvích. Mezi používané lasery patří lasery YAG, CO₂ lasery a lasery s polovodičovými čerpadly.

Laserové zpevnění a legování povrchu

Laserové zpevnění povrchu je použití zahřívání laserovým paprskem s vysokou hustotou výkonu, aby se tenká vrstva povrchu obrobku spojila a změnila se fáze, a pak samobuzení a rychlé ochlazení za vzniku mikrokrystalické nebo amorfní struktury. Laserové povrchové legování je použití laseru k zahřátí kovu, slitiny nebo sloučeniny potažené na povrchu obrobku a rychlého roztavení se základním kovem, aby se vytvořila nová slitinová vrstva nebo vrstva sloučeniny na povrchu obrobku, aby se dosáhlo účel povrchové úpravy materiálu. Můžete také použít laserový paprsek k zahřátí základního kovu a procházejícího plynu k vyvolání chemických metalurgických reakcí (jako je povrchové napařování) k vytvoření tenkého filmu s požadovanou fázovou strukturou na kovovém povrchu, aby se změnily povrchové vlastnosti obrobku. . Laserové zpevnění a legování povrchu jsou vhodné pro díly, které potřebují zlepšit odolnost proti opotřebení, odolnost proti korozi, odolnost proti vysokým teplotám a další vlastnosti v letectví, zbrojním průmyslu, jaderném průmyslu a výrobě automobilů.

jiný

Kromě výše uvedené technologie laserového zpracování zahrnuje vyspělá technologie laserového zpracování také technologii laserového leptání, technologii laserového jemného ladění, technologii laserového ukládání, technologii laserového rýhování, technologii laserového čištění, technologii laserového galvanického pokovování, technologii laserového zasklení atd.

Technologie fotoleptání je jednodušší než tradiční technologie chemického leptání, která může výrazně snížit výrobní náklady a dokáže zpracovat 0,125~1μm širokou linku, je vhodná pro výrobu velmi rozsáhlých integrovaných obvodů.

Technologie jemného laserového ladění dokáže automaticky doladit specifikovaný odpor s přesností 0,01%~0,002%, což je nižší přesnost, účinnost a náklady než tradiční metody zpracování. Laserové jemné ladění zahrnuje tenkovrstvé rezistory (tloušťka 0,01~0,64 m) a tlustovrstvé jemné ladění odporu (tloušťka 20-50 μm), jemné ladění kapacity a jemné ladění hybridních integrovaných obvodů.

Technologie laserového ukládání využívá lasery k záznamu videa, zvuku, textových dat a počítačových informací, což je jedna z podpůrných technologií v informačním věku.

Technologie laserového rýhování je klíčovou technologií pro výrobu integrovaných obvodů. Má jemné rýhování, vysokou přesnost (šířka čáry 15–25 μm, hloubka výsadby 5–200 μm), vysokou rychlost zpracování (až 200 mm/s) a výtěžnost až 99,51 TP1T nebo více.

Použití technologie laserového čištění může výrazně snížit znečištění zpracovávaných zařízení částicemi a zlepšit výtěžnost přesných zařízení.

Technologie galvanického pokovování pomocí laseru může zvýšit rychlost nanášení kovů a rychlost je 1000krát rychlejší než rychlost bez laserového ozařování. Má velký význam pro výrobu a opravy mikrospínačů, přesných přístrojových dílů, mikroelektronických zařízení a rozsáhlých integrovaných obvodů. Vylepšená technologie může zvýšit pevnost galvanizované vrstvy 100-1000krát.

Technologie laserového zasklení má slibnou budoucnost pro úpravu materiálů. Jeho nízká cena, snadné ovládání a kopírování přispívají k vývoji nových materiálů. Laserové glazování kombinované s nástřikem plamenem, plazmovým nástřikem, iontovou depozicí a dalšími technologiemi má široké uplatnění při řízení organizace a zlepšování odolnosti proti opotřebení povrchu a odolnosti proti korozi. Elektronické materiály, elektromagnetické materiály a další elektrické materiály se ideálně používají v měřicích přístrojích po laserovém zasklení.

Současný stav a trend vývoje technologie laserového zpracování

Po více než 30 letech vývoje v mé zemi dosáhla laserová technologie vědeckých a technologických úspěchů vysoké úrovně. Mnohé byly použity ve výrobních postupech. Výkon zařízení pro laserové zpracování se zvyšoval průměrným ročním tempem 20%, což vyřešilo technologickou transformaci tradičních průmyslových odvětví a zlepšení kvality výrobků. mnoho otázek. Například technologie chemických vláken z laserové vlny se prosazuje ve velkých ocelárnách, jako je Baosteel a Benxi Iron and Steel, což změní stav závislosti mé země na dovozu ocelových plechů pro automatické potahy; kvalita, funkce a cena laserových značkovacích strojů a zařízení pro laserové svařování splňují potřeby domácího trhu a podíl na trhu Míra přesahuje 80%.

Současný stav technologie laserového zpracování

Laserové zpracování je největším projektem v zahraničních laserových aplikacích a je také důležitým prostředkem transformace tradičních průmyslových odvětví. Je to hlavně 1~10KW CO₂ lasery, 100W až kilowattové YAG lasery a vysokovýkonné vláknové lasery pro realizaci řezání různých materiálů, svařování, děrování, opláštění a povrchové úpravy atd. Podle přehledu a prognózy trhu s lasery v posledních letech je aplikace laserů zaujímá první místo v oblasti zpracování materiálů a lékařské lasery jsou druhou největší aplikační oblastí v zahraničí.

V oblasti aplikací laserového zpracování, CO₂ lasery jsou nejrozšířenější při řezání a svařování, představují 70% a 20%, a povrchová úprava je menší než 10%. Použití YAG laserů je svařování, značení (50%) a řezání (15%). Hlavně. Ve Spojených státech a Evropě, CO₂ lasery představují 70% až 80%. V laserovém zpracování v mé zemi se řezání používá hlavně pro 10%, z toho více než 98% CO₂ výkon laseru je v rozmezí 1,5~3KW; asi 15% z toho jsou hlavně povrchové úpravy, většina z nich jsou laserové povrchové úpravy vložek válců automobilových motorů. Ekonomické a sociální přínosy technologie laserového zpracování jsou velmi vysoké a existuje velká perspektiva trhu.

V automobilovém průmyslu poskytuje technologie laserového zpracování plnou hru svým pokročilým, rychlým a flexibilním zpracovatelským vlastnostem. Například v automobilových prototypech a malosériové výrobě se používá velké množství trojrozměrných laserových řezacích strojů, což nejen šetří prototypy a nástrojové vybavení, ale také výrazně zkracuje výrobní cyklus; laserový paprsek vytváří malé otvory ve vysoce tvrdých materiálech a složitých a zakřivených površích, které jsou rychlé a nedochází k poškození; laserové svařování se stalo standardním procesem v automobilovém průmyslu. Toyota Motor Corporation of Japan použila laserovou technologii pro svařování panelů karoserie, svařování kovových plátů různých tlouštěk a různých povrchových úprav dohromady a následné lisování.

Přestože laserová povrchová úprava není v zahraničí tak běžná jako svařování a řezání, stále se hojně využívá v automobilovém průmyslu, jako je povrchová úprava vložek válců, klikových hřídelí, pístních kroužků, komutátorů, ozubených kol a dalších dílů. V průmyslově vyspělých zemích je technologie laserového zpracování kombinována s technologií počítačového numerického řízení a flexibilní výrobní technologií k odvození technologie laserového rychlého prototypování. Tato technologie dokáže nejen rychle vyrábět modely, ale také přímo tavit kovové prášky a 3D tisk vyrábět kovové formy.

Obrázek 1.5 ukazuje proces použití laserového svařování k nahrazení odporového svařování v sestavě karoserie, takže design vozu může svobodně uplatnit svou představivost a kreativitu při navrhování jedinečného stylu vozu. Technologie laserového svařování má zároveň vyšší účinnost než odporové bodové svařování, lepší výkon spoje, menší spotřebu materiálu a další výhody.

Vzhledem k výhodám technologie laserového zpracování přijali všichni evropští výrobci automobilů technologii laserového zpracování bez výjimky ve velkém množství. Například německá společnost Volkswagen kdysi objednala 4kw vysoce výkonné YAG lasery pro 260 sad, které se používají hlavně pro svařování karoserií a zpracování dílů. Na výrobní lince společnosti Bosch v Německu bylo instalováno více než 400 sad různých typů zařízení pro vysokovýkonné laserové zpracování, které se používají především pro zpracování a svařování automobilových dílů. Šíře a hloubka aplikace technologie laserového zpracování v automobilové výrobě se stala důležitým symbolem pokroku v automobilovém průmyslu.

V oblasti letectví a kosmonautiky se před 70. léty, protože neexistoval vysokovýkonný kontinuální laser, pulzní laserové svařování používalo hlavně pro bodové svařování malých přesných dílů, nebo svary tvořené překrýváním jednotlivých svařovacích bodů. Po 70. letech 20. století s rozvojem CO₂ technologie laserového svařování několika suchých wattů, situace prošla zásadní změnou. Ocelové plechy o tloušťce několika milimetrů lze provařit najednou a výsledný svar je podobný svařování elektronovým paprskem, což ukazuje velký potenciál vysokovýkonného laserového svařování. Například hlavním důvodem, proč prázdný název A80 může výrazně snížit hmotnost letadla, snížit spotřebu paliva a snížit provozní náklady, je použití technologie laserového svařování na spojení trupu, vnitřní přepážky křídla a výztuhy ( Obrázek 1.6), namísto Původní nýtovací proces byl německým leteckým průmyslem označen za velkou technologickou revoluci v leteckém zpracovatelském průmyslu.

Od 21. století hrají lasery YAG stále důležitější roli při svařování, řezání, vrtání a značení. Obecně se má za to, že řezání laserem YAG může získat dobrou kvalitu řezání a vysokou přesnost řezání, ale rychlost řezání je omezená. Se zlepšením výstupního výkonu laseru YAG a kvality paprsku se laser YAG vtlačil do kilowattů CO₂, trh řezání laserem. Lasery YAG jsou zvláště vhodné pro mikrozařízení, která neumožňují tepelnou deformaci a kontaminaci svařováním, jako jsou lithiové baterie, kardiostimulátory a hermeticky uzavřená relé.

Vláknový laser je nový typ laserového zařízení vyvinutý v posledních letech a je také jednou z hotspot technologií v oblasti optoelektronického informačního výzkumu doma i v zahraničí. Pro své výhody v optických režimech a životnosti se vláknové lasery staly zástupcem nové generace pevnolátkových laserů. Byly rozsáhle studovány a rychle vyvíjeny doma i v zahraničí a mají široké uplatnění.

Trend vývoje technologie laserového zpracování

Laser je jedním z hlavních vynálezů 20. století a má obrovský technologický potenciál. Odborníci se domnívají, že nyní je rozkvět elektronických technologií, hlavním hrdinou je počítač, další generací bude éra optických technologií a hlavním hrdinou je laser. Laser je zvláště vhodný pro zpracování materiálů pro své tři vlastnosti: unisexualitu, koherenci a paralelismus. Laserové zpracování je nejslibnější oblastí laserových aplikací a v zahraničí bylo vyvinuto více než 20 technologií laserového zpracování. Prostorové a časové řízení laseru je velmi dobré a materiál, tvar, velikost a prostředí zpracování zpracovávaného objektu mají velkou volnost a je zvláště vhodné pro automatické zpracování. Kombinace systému laserového zpracování a technologie počítačového numerického řízení může vytvořit vysoce účinné zařízení pro automatické zpracování, které otevírá široké vyhlídky na vysoce kvalitní, vysoce účinné a levné zpracování a výrobu.

Technologie laserového zpracování je jednou z důležitých podpůrných technologií zelené výrobní technologie, která je v souladu s národní strategií udržitelného rozvoje. Trend vývoje technologie laserového zpracování se odráží především v následujících aspektech.

• Z hlediska materiálového výzkumu a vývoje jsou podle typů materiálů pro laserové svařování a plátování vyvíjeny resp. laserové svařování a plátovací materiály z různých materiálů.
• Pokud jde o procesní řízení, pro procesy astigmatistického svařování a plátování je vývojovým trendem vývoj online monitorovacího systému založeného na laserovém svařování a plátování pro monitorování procesu laserového svařování a plátování v reálném čase. Výzkum a vývoj kompozitních procesů (jako je laserový obloukový kompozit atd.), které jsou kompatibilní s laserovým svařováním a plátováním, aby se zlepšila účinnost laserového svařování a plátování.
• Při řízení a robotizaci zpracovatelských systémů není systémovou integrací pouze samotné zpracování, ale také detekce a zpracování zpětné vazby v reálném čase. Se zavedením expertních systémů se inteligence systému zpracování stala nevyhnutelným vývojovým trendem. Pro zvýšení efektivity laserového svařování, řezání a plátování byly vyvinuty a postupně popularizovány a aplikovány levné inteligentní roboty.
• Výzkum nové generace průmyslových laserů se v současné době nachází v období technologické aktualizace, které je poznamenáno vývojem a aplikací diodově čerpaných celopevnolátkových laserů.

Kompletní sada zařízení pro laserové zpracování zahrnuje laserový generátor, numerický řídicí systém, obráběcí stroj atd., které tvoří flexibilní výrobní systém laserového zpracování. V současné době lze zaměření výzkumu a vývoje technologie laserového zpracování shrnout do následujících aspektů

• Numerické řízení a integrace. Trendem ve vývoji technologie laserového zpracování se stalo spojení laserů s technologií počítačového numerického řízení, pokročilými optickými systémy a vysoce přesným a automatizovaným polohováním obrobků do výzkumného a výrobního zpracovatelského centra.
• Miniaturizace a kombinace. Dva způsoby zpracování laserového řezání a lisování byly zkombinovány na obráběcím stroji v cizích zemích, aby vznikl laserový děrovací stroj. Vyznačuje se jak všestranností laserového řezání, tak vysokorychlostními a vysoce účinnými vlastnostmi lisovacího zpracování. Řezání složitých tvarů, děrování, značení, rytí a další zpracování.
• Vysoká frekvence a vysoká spolehlivost. V současné době dosáhla rychlost opakování YAG laserů v zahraničí 2000 krát/s a průměrná doba údržby YAG laserů čerpaných diodovým polem se zvýšila z původních několika set hodin na (1~2) milionů hodin.
• Pro zpracování kovů použijte excimerový laser. Jedná se o nový předmět zahraničního laserového zpracování. Excimerové lasery mohou emitovat ultrafialové lasery s vlnovými délkami 157 až 350 nm. Většina kovů má pro tento laser nízkou odrazivost a odpovídající vysokou míru absorpce. Proto má tento druh laseru velkou aplikační hodnotu v oblasti zpracování kovů.

Stávající problémy a výhled trhu

Hlavní problémy

• Schopnost transformovat výsledky vědeckého výzkumu do produktivity je slabá a mnoho slibných výsledků technologie laserového zpracování zůstává ve stádiu prototypu laboratoře.
• Hlavní součást systému laserového zpracování, laser má málo druhů a nízkou spolehlivost. V zahraničí byly ve výrobním procesu použity nejen diodově čerpané celopevnolátkové lasery, ale také diodové lasery. Diodově čerpané polovodičové lasery v mé zemi jsou stále ve fázi výzkumu a vývoje.
• Výzkum a vývoj technologie jemného laserového zpracování je relativně slabý a méně výzkumů v oblasti zpracování ultrafialovým laserem.
• Spolehlivost, bezpečnost, udržovatelnost a přizpůsobení zařízení pro laserové zpracování jsou nízké a stále je obtížné uspokojit potřeby průmyslové výroby ve velkém měřítku.

Výhled trhu

Technologie laserového zpracování výrazně zlepšila úroveň tradiční výroby, přinesla velké změny v designu produktu, výrobní technologii a výrobních konceptech a spustila revoluci ve výrobní technologii. Ve srovnání s mezinárodním pokročilým systémem laserového zpracování má systém laserového zpracování v mé zemi velkou mezeru (statistiky údajů ukazují, že představuje pouze asi 21 TP1T celosvětového prodeje). Hlavními projevy je, že existuje málo špičkových laserových zpracovatelských systémů, přední lasery nejsou vypnuty a zařízení pro mikrolaserové zpracování má velkou mezeru.

Výrobci zařízení pro laserové zpracování v mé zemi se neustále rozvíjejí a domácí trh s laserovými aplikacemi má velký prostor pro rozvoj. V příštích několika letech budou mít podniky vyrábějící laserové zpracování rychlejší rozvoj, což je způsobeno především následujícími aspekty.

• Stát tomu přikládá velký význam. Vládní resorty na všech úrovních aktivně věnují pozornost, plánují a zakládají projekty. Vkládá se mnoho finančních prostředků, což podporuje nezávislé inovace a technologické vylepšování podnikových produktů.
• Přijetí technologie laserového zpracování v různých domácích výrobních odvětvích může zvýšit technický obsah jejich produktů a urychlit modernizaci produktu. Použití pokročilé technologie laserového zpracování může dosáhnout úrovně „agilní výroby“ a splnit požadavky trhu na personalizované produkty.
• Postupně se postupně vytvořila průmyslová skupina podniků podporujících laserové díly a postupně se etablovali různí výrazní výrobci systémů pro laserové zpracování. V současné době byla vytvořena čtyři zařízení pro laserové zpracování vyrábějící průmyslové pásy, distribuovaná hlavně ve střední Číně, v deltě Perlové řeky, deltě řeky Yangtze a deltě řeky Yangtze. Peking-Tianjin Rim Bohai Ekonomicky rozvinutá oblast.
• Výzkum a vývoj předních domácích laserů vstoupil do fáze tržní aplikace, jako je například vysoce výkonný axiální CO₂ lasery, malá a středně výkonná kovová dutina RF CO₂ lasery, polovodičově čerpané celopevnolátkové lasery, vláknové lasery, ale i frekvenčně zdvojené DPL, vysokovýkonové diodové moduly atd. Vstupem do fáze komercializace je připraven pozitivní vývoj vytvářející podmínky pro uplatnění domácích zařízení pro laserové zpracování.