Лазерная резка – фантастика или реальность?

18 Февраля 2013

Помните, насколько завораживающими были фантастические рассказы, в которых присутствовали различные лазерные технологии? Чего только стоят световые мечи или лазерные пушки? Человечество всегда стремилось к таким технологиям, где возможно было бы разрезать толстостенные преграды, подобно тому, как Вы разрезаете масло ножом. Реально ли это? Как на самом деле выглядит мощный лазер и что им можно резать, например, в промышленности?

Что же такое лазер?

Мы все настолько привыкли к слову JIA3EP, что уже и не предполагаем, что это всего лишь аббревиатура. На самом же деле, слово «лазер» («laser») составлено из начальных букв английского словосочетания «Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation», что в переводе на русский язык означает «усиление света с помощью стимулированного испускания излучения».

Кто же изобрел лазер?

Исторически считается, что лазер изобрели русские ученые Басов и Прохоров в 1958 году, за что и получили Нобелевскую премию в 1964 году, вместе с американцем Таунсом, чьи работы Прохоров использовал при разработке. Однако американцы первыми изготовили рубиновый лазер и наладили серийный выпуск, это была фирма Хьюз Эйркрафт. А ещё ранее, в 1916 году, Альберт Эйнштейн предсказывает саму возможность индуцирования внешним электромагнитным полем излучения атомов, на основе чего в дальнейшем и будут работать все лазеры.

Лазер сегодня

Изобретение лазера относится к одному из самых значительных открытий XX века. И оно, конечно, сильно повлияло на мир. В настоящее время области применения лазеров расширяются с каждым днем. После первого промышленного использования лазеров для получения отверстий в рубинах для часов эти устройства успешно применяются в самых различных областях, при этом используются различные типы лазеров.
Принято все лазерные системы делить на три основные группы: твердотельные лазеры, газовые и полупроводниковые лазеры. Некоторое время назад появились такие системы, как перестраиваемые лазеры на красителях, твердотельные лазеры на активированных стеклах.
Особое место среди этих систем занимает СО₂-лазер, относящийся к группе газовых лазеров. Эти типы лазеров способны выдавать мощность от нескольких ватт, до десятка киловатт. Так как для этих лазеров требуются такие широко применяемые газы, как Не, Аr и СО₂, они нашли массовое применение в промышленности. И хотя КПД этих лазеров не высокое, 5-10%, этого вполне достаточно, чтобы такие типы обработки, как лазерная резка, сварка и термообработка были конкурентоспособными.

Технология лазерной резки

Наиболее развитым из представленных процессов на сегодняшний день является лазерная резка. По сравнению с другими методами резки: кислородной, плазменной, лазерная резка обладает значительными преимуществами, такими как: высокая скорость и точность резки.
Однако сам технологический процесс не так прост, как, казалось бы, должен быть. Луч с помощью систем зеркал или оптоволокна подают строго вертикально по отношению к обрабатываемой поверхности и фокусируют с помощью линзы. Попадая на поверхность изделия, луч мгновенно доводит материал до температуры плавления и выше. Для обеспечения качественного процесса необходимо выдувать расплавленный материал, иначе процесс резки превратится в сварку. Обычно для этого используют кислород, азот и другие газы, которые через специальное сопло выдувают в место действия фокального пятна. Сопло диаметром не более 1,5 мм в процессе движения геометрически должно находиться в одном месте, для чего необходима специальная система, которая бы контролировала и давление, и необходимый зазор между поверхностью детали и соплом. Устройство, которое непосредственно включает в себя систему фокусировки и систему слежения называют режущей головкой (cutting head).
В итоге, для того, чтобы обеспечивать резку деталей по необходимому контуру, нужна трёхкоординатная система XYZ, где перемещение режущей головки по двум осям XY идёт по заданному контуру (по программе), а третья координата 2 автоматически отслеживает расстояние до поверхности или же настраивается вручную оператором. Наиболее распространёнными системами считаются координатные столы портального типа с «летающей оптикой» (Рис. 2).

Россия или Запад?

Комплексы по лазерной резке на сегодняшний день выпускает множество фирм таких стран, как Германия, США, Китай. В России таких фирм не так уж много. Причиной этому является недостаточно развитая система отношений между наукой и промышленностью и, конечно, экономический упадок отраслей.
Однако ряд Российских предприятий смогли наладить производство лазерных комплексов, используя те достижения науки, которые были сделаны в области лазерных технологий ещё во времена СССР. Используя современные рыночные отношения, лазерные комплексы оснащают современными электронными системами управления и комплектующими таких фирм, как Siemens, B&Q, Midler, IGUS, Alpha, Festo, SMC, Kamozzi, SBC, ФАМ и др. Сравнивая основные технические характеристики лазерных комплексов (см. табл.) , можно убедиться в том, что качество Российской техники находится на очень высоком уровне, при этом цены остаются приемлемыми для Российского рынка.
Хочется верить, что Российские лазерные технологии в дальнейшем будут развиваться и выйдут на мировой уровень, составив конкуренцию западным фирмам. Но для этого необходимо, чтобы Российская наука заработала на полную мощность. Именно сочетание научных разработок, не имеющих аналогов в мире, с развитой промышленностью позволит выйти на этот уровень.