Файл: Применения лазеров..pdf

Ф и г . 11. Блок плексигласа, разрезанный сфокусированным лу­ чом С 02-лазера [37].

ной, и она является причиной образования кратера вокруг нагретой зоны.

Испарение связанной воды. Многие материалы, напри­ мер древесина и минералы, содержат связанную или крис­ таллизационную воду. Интенсивный нагрев разрушает молекулярные связи и может привести к испарению воды и других жидких компонентов. Эти легко испаряемые про­ дукты создают высокое внутреннее давление и приводят к образованию микротрещин и выбросу частиц материала.

Нагрев связанных газов. В пористых материалах со­ держится много газа, который при тепловом расширении создает высокое внутреннее давление. Эти силы необрати­ мо изменяют свойства материала. На фиг. 12 в качестве примера показано поперечное сечение деревянного бруса толщиной 18 мм, разрезанного со скоростью 20 см/мин сфо­ кусированным лучом С02-лазера.

Химические реакции. Интенсивный нагрев может сти­ мулировать необратимые химические реакции, которые приводят к уменьшению прочности или удалению части

Ф и г . 12. Поперечное сечение деревянного бруска, разрезанного лучом С 03-лазера [37].

материала. При окислении твердые тела и жидкости пре­ вращаются в летучие газы, которые легко удаляются из нагретой области. Экзотермическая реакция между сталью и струей кислорода, инициируемая концентрированным тепловым источником, позволила осуществить новый способ резания стали [2, 62]. Продукты химических реакций, как правило, имеют рыхлую структуру и больший объем, чем основной материал. Это приводит к термораскалыванию материала вследствие возникновения растягивающих на­ пряжений.

Фазовые превращения. Концентрированный нагрев мо­ жет вызвать фазовые превращения в структуре, например переход a -модификации кварца в ß-модификацию [13]. Эти изменения обычно сопровождаются ослаблением мате­ риала и значительными внутренними напряжениями.

Термонапряжения. Возникающие при локальном нагре­ ве градиенты температуры могут привести к термораскалы­ ванию материала. Это является следствием положительных значений коэффициентов теплового расширения для большей части твердых веществ. Термонапряжения могут быть ис­

300 Л. А. Вивер

комически вполне обоснованной. Среди них следует от­ метить микросварку, резку пластмасс, сверление алмазных фильер и подгонку номинала резисторов [23, 31].

На фиг. 13 показано еще одно применение лазеров: для устранения дефектов сборки электронных ламп путем сварки излучением импульсного рубинового лазера через стеклянный баллон (показано стрелкой). В этом случае проволока из ковара диаметром 0,75 мм была приварена к стальному наконечнику толщиной 0,25 мм без нарушения вакуума в лампе. В последние годы был разработан ряд заслуживающих особого внимания оригинальных и эффек­ тивных лазерных технологических процессов.

4. 1. Газолазерная резка

Уже в течение многих лет энергия экзотермических хими­ ческих реакций используется при резке металлов кислород­ но-ацетиленовым пламенем. При нагреве металла пламе­ нем горелки до температуры плавления и окисления ини­ циируется процесс управляемого горения, и резание мате­ риала осуществляется в основном за счет выделяющейся при окислении тепловой энергии. Газовая струя при этом выполняет важную функцию очищения зоны резания от окислов. Подобная комбинация лазерного нагрева и кисло­ родной струи была предложена в работе [62] для экзотер­ мической резки металлов СОа-лазером. Схема эксперимен­ тальной установки показана на фиг. 14. Излучение С02лазера на длине волны X — 10,6 мкм направляется на об­ рабатываемое изделие при помощи поворотного плоского зеркала и фокусирующей линзы. Линза является элемен­ том резака, в полость которого подается кислород. Излу­ чение лазера фокусируется на поверхности обрабатывае­ мого материала и с помощью соосного с лучом резака в зону нагрева подается кислород. Процесс резания проис­ ходит ' при перемещении детали относительно фокуса линзы. В металлах с низкой теплопроводностью могут достигаться температуры, превосходящие температуры плав­ ления окислов. В работе [2] показано, что это условие удовлетворяется для мягкой и нержавеющей сталей, тита­ на. Газолазерная резка этих материалов может осущест­ вляться С02-лазером мощностью 250—400 Вт. Скорости

резания менялись от 37,5 см/мин для нержавеющей стали до 250 см/мин для титана. В работе [67] удалось поднять скорость резания коммерческого чистого титана толщиной 0,5 мм до 15 м/мин при мощности С02-лазера 135 Вт.

Достоинством этого технологического процесса являет­ ся малая ширина резания, которая не превышала 0,4 мм на титане толщиной 0,5 мм. Зона термического влияния невелика (обычно менее 0,25 мм). Титан толщиной 10 мм

удавалось резать со скоростью 2,5 м/мин, а лист из сплава циркалой толщиной 0,25 мм — со скоростью 15 м/мин. Этим методом также удавалось сверлить отверстия в мате­ риалах, труднообрабатываемых обычными способами, на­ пример в композитных материалах на основе нитей бора толщиной до 3 мм [8].

Такие металлы, как медь и алюминий, имеют теплопро­ водность на порядок выше, чем у титана, и обработке этим

методом не поддаются1). Применение хлора в качестве ак­ тивного газа позволило осуществить газолазерную резку листов меди толщиной 0,25 мм [2]. Возможно также приме­ нение указанного метода обработки с использованием не­ реактивных газов, например азота или аргона [2, 67]. Это позволяет избежать обугливания материала в зоне реза­ ния и осуществлять раскрой тканей, пластиков, фанеры, бумаги. Струя инертного газа охлаждает кромки реза и удаляет частицы разрушенного материала.

Газолазерная резка материалов при помощи С 02лазеров с поддувом инертного и активного газов значитель­ но расширила области лазерной обработки материалов2).

4. 2. Лазерное термораскалывание

Многие хрупкие материалы разрушаются при резком изменении температуры (например, стекло при погружении в горячую воду). Для создания локальных градиентов температуры и управляемого термораскалывания мате­ риалов можно также использовать излучение С02-лазера [8, 31]. Раскол происходит вдоль линии нагрева лазерным лучом. При этом отпадает необходимость в удалении ма­ териала. Высокая степень концентрации тепла и возмож­ ность перемещения теплового источника (фокального пят­ на) по поверхности позволяют осуществлять контролируе­ мый раскол.

Этой обработке подвергаются материалы с низкой теп­ лопроводностью, большим коэффициентом линейного рас­ ширения и малой прочностью на разрыв. Под действием несфокусированного излучения С02-лазера мощностью 5 кВт было обнаружено снижение прочности некоторых минералов вследствие внутреннего термораскалывания [49]. Можно предположить, что снижение прочности происхо­ дит в результате испарения кристаллизационной воды и расширения выделяющихся газов. Кроме того, наблюда­ лось появление больших трещин в массивных образцах под действием градиентов температуры. Проводились так­

if При более высоком уровне мощности удается резать алюминий