Лазерная обработка материалов

Принципы лазерной обработки материалов

Физические основы взаимодействия лазерного излучения с веществом

При лазерной обработке материалов ключевое значение имеет природа взаимодействия электромагнитного излучения с веществом. При поглощении лазерной энергии в веществе происходят процессы, определяемые длиной волны излучения, мощностью, длительностью импульса и свойствами материала. Основными механизмами взаимодействия являются фототермические, фотохимические и фотомеханические процессы.

В фототермическом механизме энергия фотонов преобразуется в тепловую энергию, вызывая локальный нагрев, плавление и испарение материала. Фотохимические эффекты включают разрыв химических связей под действием фотонов (чаще всего в ультрафиолетовом диапазоне). Фотомеханические процессы проявляются в виде ударных волн и микровзрывов, возникающих в результате быстрого расширения нагретого материала.

Классификация лазерных технологий обработки

Лазерная обработка материалов подразделяется на ряд технологических процессов в зависимости от режима воздействия:

• Лазерная резка — удаление материала путём локального плавления или испарения вдоль заданной траектории.
• Лазерная сварка — локальное сплавление краёв соединяемых деталей за счёт тепла от лазерного излучения.
• Лазерная поверхностная обработка — термическое упрочнение, легирование, плавление поверхности без изменения формы детали.
• Лазерная перфорация — создание отверстий в материале высокой точности.
• Лазерное микрообработка и наноструктурирование — управление микрогеометрией и наномасштабной структурой поверхности.
• Лазерная абляция — удаление тонких слоёв материала без оплавления подложки.
• Лазерная гравировка и маркировка — создание устойчивых к износу изображений, текстов и кодов.

Выбор параметров лазерного излучения

Процесс лазерной обработки напрямую зависит от параметров излучения:

• Длина волны: определяет степень поглощения материалом. Например, металлы лучше поглощают инфракрасное излучение CO₂- и YAG-лазеров, а диэлектрики — ультрафиолетовое.
• Мощность и плотность энергии: высокие значения необходимы для испарения материала (резка, сверление), более низкие — для упрочнения или маркировки.
• Длительность импульса: наносекундные, пикосекундные и фемтосекундные импульсы позволяют управлять точностью обработки, снижать тепловое влияние и зону термического повреждения.
• Частота повторения импульсов: влияет на производительность и теплоотведение.

Режимы термического воздействия

Различают следующие основные режимы термического воздействия:

• Плавление: температура в зоне воздействия достигает точки плавления, происходит локальное изменение агрегатного состояния.
• Испарение: при достаточной плотности мощности лазерного пучка вещество быстро испаряется с поверхности, позволяя осуществлять резку и абляцию.
• Сублимация: прямой переход из твердого состояния в газообразное наблюдается при кратковременных высокоинтенсивных воздействиях, особенно в фемтосекундном диапазоне.

Важно учитывать глубину проникновения излучения, зависящую от длины волны и коэффициента поглощения. Она определяет толщину слоя, вовлечённого в обработку.

Особенности обработки различных материалов

• Металлы: обладают высокой отражающей способностью, особенно в видимом и ближнем ИК-диапазоне. Для эффективной обработки используют волны с длиной 1–10 мкм и короткие импульсы. Обработка возможна в атмосферной среде или с защитным газом (аргон, азот, гелий).
• Полимеры: хорошо поглощают УФ-излучение, что позволяет их обрабатывать без значительного теплового повреждения. Возможна абляция с высокой точностью.
• Керамика и стекло: хрупкие материалы, склонные к растрескиванию при термическом воздействии. Использование ультракоротких импульсов и фокусировка позволяет добиться бездефектной обработки.
• Полупроводники: требуют тонкой настройки параметров излучения для избежания структурных повреждений.

Преимущества лазерной обработки

• Высокая точность и локальность воздействия — минимальные зоны термического влияния позволяют обрабатывать микроструктуры.
• Бесконтактность — отсутствует механическое воздействие на заготовку.
• Гибкость — возможность изменения режима без замены инструмента.
• Автоматизация — хорошо интегрируется в системы числового программного управления.
• Минимальное загрязнение — в отличие от механической обработки, лазер не образует стружку и не требует смазочно-охлаждающих жидкостей.

Проблемы и ограничения

• Отражательная способность некоторых материалов снижает КПД обработки.
• Ограничения по толщине: для толстых заготовок требуется мощное оборудование.
• Образование оксидных плёнок при работе в атмосфере воздуха может требовать последующей очистки.
• Необходимость точного позиционирования: требует высокоточных систем перемещения и фокусировки.

Импульсная и непрерывная обработка

В зависимости от типа лазера, можно использовать непрерывное или импульсное излучение:

• Непрерывное излучение предпочтительно при резке толстых материалов, сварке, нагреве больших зон.
• Импульсное излучение (наносекундные, пикосекундные, фемтосекундные режимы) применяется для микрообработки, сверления, формирования поверхностных структур. Оно обеспечивает минимальную зону теплового влияния и высокую точность.

Примеры современных технологий

• Фемтосекундная лазерная обработка: обеспечивает почти «холодную» обработку без плавления. Используется для прецизионной микрообработки, создания волноводных структур, резки прозрачных материалов.
• Лазерная аддитивная технология (SLM, SLS): создание 3D-объектов послойным спеканием порошков. Позволяет изготавливать детали сложной формы, недоступные традиционным методам.
• Лазерное текстурирование поверхности: создание регулярных микроструктур на поверхности, изменяющих оптические, трибологические и гидрофобные свойства.

Системы управления лазерной обработкой

Современные лазерные установки оснащаются:

• высокоточной оптической системой фокусировки (обычно с использованием сканирующих зеркал и линз);
• системами ЧПУ для пространственного перемещения заготовки или пучка;
• обратной связью по температуре, излучению и акустическим сигналам для контроля качества процесса;
• интерфейсами интеграции с роботизированными комплексами.

Безопасность при лазерной обработке

Лазерное излучение может быть опасно для глаз и кожи. При работе необходимо соблюдать меры защиты:

• использование защитных очков, соответствующих длине волны;
• экранирование рабочей зоны;
• вытяжная вентиляция для удаления аэрозолей и продуктов абляции;
• системы блокировки и аварийного отключения.

Закономерности масштабирования и повышения эффективности

Для повышения производительности масштабируют систему несколькими способами:

• увеличение средней мощности излучения;
• параллельная обработка несколькими пучками;
• сканирование пучка с высокой скоростью (Galvo-сканеры);
• адаптивное управление фокусировкой и мощностью в реальном времени.

Вопросы оптимизации сводятся к балансу между производительностью, качеством, затратами энергии и сроком службы оборудования. Лазерная обработка уверенно занимает ключевое место в современной технологии обработки материалов, объединяя в себе высокую точность, универсальность и автоматизируемость.