Лазеру – полвека

---

Нo ктo cкажет, чтo oн cтар? Сварка и резка металлoв, вoзбуждение термoядерных реакций, oптичеcкая cвязь, cиcтемы oбнаружения и дальнoмеры — вoт далекo не пoлный перечень cегoдняшних применений лазерных технoлoгий, не гoвoря уже o тoм, что они поcтоянно cовершенcтвуютcя, в том чиcле, и в металлообработке.

---

Как и многие великие изобретения, лазер имел cвоего предшеcтвенника. Им был аммиачный мазер – квантовый генератор микроволнового излучения, cозданный в 1954 году почти одновременно в нашей cтране будущими нобелевcкими лауреатами Алекcандром Прохоровым и Николаем Баcовым и в США – профеcсором Колумбийского университета Чарльзом Таунсом. Спустя два года они же, опять независимо друг от друга предложили новую идею – квантового генератора, формирующего не микроволновое, а видимое излучение, то есть привычный нам свет. Это, собственно, и был лазер, хотя сами авторы изобретения назвали его иначе – оптический мазер.

Потребовалось, однако, еще время, чтобы эта идея воплотилась в жизнь. 16 мая 1960 года сотрудник исследовательского центра фирмы «Хьюз Эйркрафт» американский физик Теодор Мейман, основываясь на работах Басова, Прохорова и Таунса, создал первый в мире действующий лазер на искусственном кристалле рубина. Таким образом, в мае этого года лазеру исполнилось 50 лет.

С тех пор появилось большое количество новых лазеров. Они имеют множество видов и модификаций, многие из которых создатели первых приборов не могли себе даже вообразить. Это газовые лазеры, твердотельные и полупроводниковые, лазеры на свободных электронах... А сфера их эффективного применения, вплоть до медицины и компакт-дисков, кажется воистину безграничной.

Лазер занял прочные позиции и в сварочном деле, причем, вовсе не собирается их уступать. Кажется, совсем недавно, изыскивая все более точные методы сварки, специалисты стали применять электронный луч. Но в некоторых случаях даже он оказывается слишком грубым. Световой луч нежнее и более гибок. А большая концентрация энергии в нем позволяет надежно контролировать размеры соединения, осуществляя так называемую прецизионную сварку.


Что может быть быстрее и безинерционнее потока летящих с предельно возможной в природе скоростью фотонов – энергии в ее чистом виде? Сварные соединения, полученные с помощью лазера, по своему качеству гораздо лучше соединений, полученных с помощью электронной сварки.

Температура, развиваемая лазером, достаточна для расплавления самых тугоплавких материалов. А малая ширина шва и узость зоны термического влияния при лазерной сварке сводят до минимума всякое коробление и деформацию. Сварочный шов можно не зачищать, так как структура его остается мелкозернистой и высококачественной. Нет необходимости и в термической обработке после сварки для снятия внутренних напряжений.

Отличительной особенностью использования лазерной сварки является локальный нагрев поверхности обрабатываемого участка детали, позволяющий расплавлять соединяемые детали в ограниченном объеме, не подвергая тепловому воздействию ближайшие части конструкции. Таким образом, геометрия свариваемых деталей остается практически неизменной.

Все эти преимущества лазерной сварки широко используются в оборудовании, которое выпускает, например, опытно-конструкторское бюро «Булат» из подмосковного Зеленограда.


Универсальные лазерные установки серии LRS предназначены для выполнения технологических операций по прецизионной лазерной сварке, наплавке, поверхностному  термоупрочнению. Возможности широкого диапазона регулирования параметров излучения позволяют производить сварку и наплавку как на конструкционных сталях, так и цветных металлах и сплавах. Диапазон по объемам выполняемых работ – от малогабаритных деталей размерами 10х10х10 мм до крупногабаритных узлов (300х200х100 мм) весом более 100 кг.

Установки серии LRS включают в себя лазерный излучатель с системой фокусировки и наблюдения, источник питания с блоком охлаждения лазера, координатный стол с ручным приводом и пульт управления (на модели LRS-200 AU таких пультов – два). Наличие в составе установки оптической контрольно-фокусирующей системы со стереоскопическим микроскопом позволяет производить точное позиционирование места сварки и контролировать выполнение технологических операций. Возможность плавного вертикального перемещения излучателя лазера по высоте в сочетании с трехкоординатным позиционированием свариваемых деталей расширяет инструментальную зону обработки и оперативность технологической перестройки под новые изделия.


Серия постоянно совершенствуется. Например, в многофункциональном автоматизированном комплексе LRS-150A в диапазон выполняемых задач также добавлены прошивка отверстий, контурная резка и маркировка изделий. В режиме этих операций система управления комплекса позволяет с высокой точностью задавать любые траектории движения луча с помощью графических файлов формата DXF .

Для выполнения сварочных операций в автоматическом режиме система управления предварительно выполняет обучение траектории движения по контрольным точкам. Сформированные траектории могут храниться в памяти, редактироваться и отрабатываться в заданных режимах. Формирование рабочих заданий, выбор режимов и параметров работы комплекса производится с использованием специально разработанного программного обеспечения и тактильного экрана.

Конструкцией установки предусмотрено плавное перемещение излучателя лазера в вертикальной плоскости. В сочетании с применением перископической насадки, разворачивающей луч лазера, это создает уникальные возможности обработки не только плоских поверхностей, но и деталей в форме объемных тел вращения. Сложные работы с высокой точностью выполняются в ручном режиме с использованием бинокулярного микроскопа, интегрированного с оптической системой лазера.

Широкие функциональные возможности комплекса в базовой комплектации, мобильность конструкции, простота управления делают достаточно эффективным использование LRS-150A в промышленном производстве, в мастерских и лабораториях, а также в качестве оборудования для обучения специалистов работе с лазерной техникой. Зона лазерной обработки выводится на экран системы видео наблюдения, что позволяет легко и удобно следить за процессом непосредственно во время выполнения технологических операций.


Новый высокотехнологичный лазерный аппарат LRS-50, унаследовав от собратьев богатые функциональные возможности, обладает и своими преимуществами – это мобильность и портативность в сочетании с автономной системой охлаждения и питанием от сети 220В. Агрегат находит свое применение везде, где необходимо быстро и качественно выполнять прецизионную сварку металлов и сплавов:

     • в промышленности – сварка датчиков и прецизионных приборов, герметизация корпусов радиоэлектронной аппаратуры
     • изготовление и ремонт ювелирных изделий.
     • в инструментальном производстве – ремонт и восстановление штампов, пресс-форм, инструмента и оснастки путем заварки мелких дефектов, трещин и сколов.

При работе на установке оператор удерживает изделие в руках и с помощью стереомикроскопа с высокой точностью выполняет сварку. Совмещение перекрестья координатной сетки микроскопа с осью луча лазера  делает простым и удобным точное наведение луча на место сварки.

Установка LRS-50 оснащена системой управления формой импульса излучения лазера. Это позволяет значительно расширить функциональные возможности аппарата при работе с трудно свариваемыми металлами и сплавами. Система может хранить в памяти пять режимов работы, наиболее предпочтительных с точки зрения оператора для работы с различными материалами.


Интегрироваться в любую систему – такая задача поставлена перед лазерами серии HTF, которые также выпускает ОКБ «Булат». Они предназначены для работы в составе технологических установок, выполняющих операции по прецизионной сварке металлов, наплавке и поверхностной термообработке.

Конструктивно излучатель лазера расположен в корпусе блока питания и охлаждения. Световолоконный кабель с помощью стандартных разъемов подключается к излучателю и к блоку контрольно-фокусирующей системы. Применение волоконной системы доставки излучения обеспечивает возможность простого и быстрого перемещения лазерного луча по нескольким координатам.

Гибкость системы подвода лазерного излучения позволяет легко интегрировать оборудование в технологическую линию. Важным преимуществом является и высокая степень лазерной безопасности при доставке излучения на расстояние в несколько метров. Широкий диапазон варьирования режимов, применение импульсов специальной формы обеспечивают не только возможность сварки различных материалов толщиной от нескольких микрон до нескольких миллиметров, но и осуществление принципиально различных механизмов проплавления.


Внедрение импульсной лазерной шовной сварки сильфонов вместо традиционной роликовой сварки позволило значительно повысить качество сварного соединения, снизить технологический отход практически до нуля. Ведь она ведется с использованием встроенной телевизионной системы наблюдения, что гарантирует высокое качество сварного соединения и технологическую воспроизводимость сварочного процесса. При этом сварной шов сильфона подвергался испытаниям на герметичность гелием и оказался абсолютно  вакуумноплотным.
Лазерная сварка сильфонов со складывающейся формой гофр повысила их надежность и долговечность. Сильфоны выдерживают более высокое рабочее давление, демонстрируют повышенную, по сравнению с цельнотянутыми, осевую жесткость и циклопрочность.
Еще пример. В настоящее время на заводах по обработке цветных металлов измерение твёрдости медной и латунной тонких лент производят по методу Эриксона, используя для этого вытяжные пуансоны. К приборам предъявляются достаточно жесткие требования:
 
     • точность изготовления вытяжной сферы – несколько микрон
     • твёрдость вытяжной сферы HRC Э > 60

Специалистами ОКБ «Булат» разработана технология изготовления вытяжных пуансонов с помощью лазерной сварки. Она позволяет изготовить пуансоны, используя калиброванный шарик подшипника из шарикоподшипниковой стали. Лазерная сварка обеспечивает сохранение геометрии сферы пуансона с точностью ± 1 мкм и не изменяет твёрдости шарика.

Вот и более масштабная разработка – технология импульсной лазерной шовной сварки, которая заменила аргонодуговую сварку с присадкой.

При аргонодуговой сварке все геометрические размеры детали, вследствие больших тепловых вложений, выходят за поле допуска. Поэтому приходится закладывать припуски на последующую механическую обработку, так как выдержать допуски в десятки микрон на геометрические размеры свариваемой детали – перпендикулярность, параллельность, овальность отверстия – практически невозможно.

Переход на импульсную лазерную сварку позволил сохранить все геометрические размеры детали в микронном поле допуска и сделать технологическую операцию импульсной лазерной шовной сварки окончательной сборочной операцией.