НОВЫЕ ЛАЗЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ

ИКУФ Nd:YAG 1064 нм 700 нм 400 нм 9.4 мкм 10.6 мкм СО 2 лазер Эксимерные ArF: 193 нм KrF: 248 нм XeCl: 308 нм Излучение Материалы Технологии Рекордно высокие мощности и энергии импульса лазерного излучения Стали и сплавы, особенно твердые и жаропрочные (иногда полупроводники и пластики) Начало лазерных технологий Резка, сварка, пробивка отверстий, упрочнение термообработкой, нанесение покрытий, наплавка

ИКУФ Nd:YAG 1064 нм 800 нм 1500 нм 700 нм 400 нм волоконные лазеры с диодной накачкой диодные лазеры 9.4 мкм 10.6 мкм СО 2 лазер Nd:YAG удвоение частоты 532 нм Nd:YAG утроение частоты 355 нм Эксимерные ArF: 193 нм KrF: 248 нм XeCl: 308 нм Современные технологии Излучение Материалы Технологии Расширение ближнего ИК диапазона, умножение частот Использование ультракоротких (нано- и пикосекундных) импульсов Плавное и точное регулирование мощности / энергии Стекло, пластики, керамика, полупроводники Технологии основаны на нетепловом воздействии лазерного излучения и нелинейных оптических эффектах

Лазерные технологии обработки неметаллических материалов

Лазерная сварка пластмасс 1 – частично прозрачный пластик 2 – поглощающий пластик 3 – лазерный пучок 4 – зона лазерного нагрева 5 – сварной шов ЛАЗЕРНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ ДАВЛЕНИЕ

черный прозрачный черный цветной цветной 1 цветной 2 цветной 1 прозрачный белый Возрастание сложности сварки пластмасс

Сварка пленок через маску – плотность выходной мощности оптического излучения более 1 к Вт/см 2 – плотность энергии оптического импульса до 0,5 Дж/см 2 – длительность оптического импульса до 0,5 мс Диодные линейки и диодные матрицы:

Сварка кварцевых труб контакт СТЕКЛО - СТЕКЛО контакт СТЕКЛО - МЕТАЛЛ Непрерывный СО 2 – лазер, мощность до 50 Вт Управление процессом за счет подбора скорости вращения деталей

Сварка стекла с высоким КТР ультракороткий лазерный импульс многофотонная ионизация, генерация плазмы нагрев и плавление стекла «рекристаллизация» расплава Сварка прозрачных материалов без поглощающих прослоек Возможна сварка разнородных материалов

Сварка стекла с высоким КТР Излучение Материалы Технологии Длительности импульса – 10 – 30 пс (10 – сек) Энергии импульса 0,5 – 3 мк Дж стекло + стекло стекло + кремний стекло + корундовая керамика Скорость сварки до 10 мм/с ограничена возможностями существующих установок

Сверление стекла СО 2 - лазером Толщина стекла 100 – 700 мкм Диаметр отверстий 400 мкм линза предварительный нагрев сверление длительность импульса

Сверление стекла излучением эксимерного лазера ArF эксимерный лазер с длиной волны 193 нм Диаметр отверстий 100 мкм Толщина пластинки боросиликатного стекла до 5 мм Формирование канала за импульсов

Резка стекла Материал боросиликатное стекло Толщина 100 мкм - 1 мм Длина волны излучения 355 нм Скорость резки 37.5 мм/сек - 20 мм/сек

Лазерное ударное упрочнение (Laser shock peening)

Принципиальная схема обработки Лазерный импульс Материал Ударная волна Непрозрачное покрытие Плазма Прозрачное покрытие (вода)

Тип установки: импульсный лазер Nd: стекло или Nd:YAG Параметры лазерного излучения: длина волны, λ 1064 нм энергия импульса, Е 1 ÷ 100 Дж плотность мощности, q 10 9 ÷ Вт/см 2 длительность импульса, τ 10 ÷ 50 нс размер лазерного пучка на поверхности, d 1 ÷ 10 мм давление ударной волны до 10 ГПа остаточные напряжения до 1 ГПа

Сжимающие напряжения в титановых сплавах после механической и лазерной ударной обработок

Обрабатываемые материалы алюминиевые сплавы титановые сплавы никелевые сплавы стали Применения лазерного ударного упрочнения компоненты авиационных двигателей; компоненты, критичные к усталости: бортовые переборки; узлы крепления крыла; тормозные элементы; шасси и т.д.; повышение надежности сварных титановых и алюминиевых компонентов; противодействие усталости, усталости вследствие фреттинг-коррозии, трещинообразованию от коррозии под напряжением для крепежных элементов и отверстий под крепеж; повышение выносливости приводных механизмов вертолетов

Зона лазерного воздействия на поверхности титанового сплава λ = 10,6 мкм Е = 4,5 Дж q = Вт/см 2 τ = 4 мкм d = 1,52 мм

Поверхность образца алюминия после лазерной обработки λ = 1064 нм Е = 600 м Дж q = 10 9 Вт/см 2 τ = 10 нс d = 1,5 мм F и = 20 Гц k = 0,2 мм

Распределение микротвердости по глубине поперечного шлифа сплав В95 сплав Д16Т

Установки для лазерного ударного упрочнения компании Metal Improvement Company

Установки для лазерного ударного упрочнения Шеньянский институт автоматизации λ = 1064 нм Е = 25 Дж τ = нс F и = 4 Гц

Laser shock forming

Nd:YAG лазер λ = 1064 нм Е = 33 ÷133 м Дж τ = 5-7 нс d = 43,3 мкм F и = 30 Гц абляционный материал: полиэстер, лента (0,07 мм) глубина: 0, мкм диаметр: 130 – 180 мкм Лазерное текстурирование поверхности

Селективное лазерное спекание Фунциональные биоимплантаты Керамика с градиентом электрофизических свойств Спеченный порошок Неспеченный порошок Лазерный пучок Система сканирования Лазер Система подачи порошка

Синтез каталитически активных материалов Способ получения Каталит. актив-сть, % Селектив- ность % Отжиг в муфельной печи Излучение СО 2 – лазера Р = 50 Вт, v = 16,7 мм/сек, 3 прохода Излучение СО 2 – лазера Р = 45 Вт, v = 3,3 мм/сек, 1 проход Ni(NO 3 ) 2 6H 2 O NiO x

Синтез каталитически активных материалов 2, град 4242,54343,54444,5 42,842,94343,143,243,343,443,543,6 гомологическое искажение структуры после лазерной обработки мало дефектная структура после термического отжига Деление линий на мультиплеты появляется только при обработке с оплавлением поверхности частиц. Количество линий в мультиплете зависит от типа исходной соли Ni. Количество линий в мультиплете различно для различны hkl. Количество линий в мультиплете не зависит от режима лазерной обработки. Расстояние между линиями в мультиплете зависит от режима лазерной обработки. Закономерности структурных изменений: Возможные объяснения: Систематические искажения решетки, связанные с понижением симметрии Появление новых нестехиометрических по составу фаз Упорядочение дефектов структуры