Material processing

Laser cutting is carried out by heating the material due to the absorption of a focused laser beam. When the material reaches the melting point, the melt should be removed using a gas flow coaxially supplied to the cutting zone. As a result, a laser cut is formed and the material is separated.

Fiber lasers make it easy to control the radiation power level through dynamic adjustment. By using different optical configurations a wide range of spot sizes can be achieved. These capabilities allow the user to select the appropriate power density for cutting different materials and thicknesses.
IPG fiber lasers are the ideal solution for many laser cutting applications.

Сварка плавлением является наиболее универсальным способом соединения деталей, применяемых в изготовлении изделий во всех областях промышленности. Волоконный лазер это современный и надежный концентрированный источник тепла.

Лазерная сварка осуществляется сконцентрированным лазерным лучом, который имеет высокую плотность мощности (более 1МВт/см2), при этом размер фокусного пятна варьируется от 0,1 до 1 мм. Это дает возможность осуществлять сварку с глубоким проплавлением пропорционально количеству вкладываемой энергии (от 0,1 до 30 мм). При этом скорость сварки обычно превышает в несколько раз скорость сварки дуговой и плазменной сварки.

Лазерная сварка является универсальным процессом, способным сваривать углеродистые, низколегированные, высокопрочные, нержавеющие стали, сплавы алюминия и титана, пластмассы, а также различные разнородные материалы. Сварка обычно осуществляется в защитной газовой среде: аргона (Ar), гелия (He) и иногда азоте (N2), или различных смесей газов.
Качество сварных соединений выполненных лазерной сваркой является высоким и близким по своим физико-механическим свойствам основного материала. Лазерная сварка легко встраивается в производственные линии и может быть полностью автоматизирована.

Существуют различные виды лазерных сварных соединений: стыковой, внахлест, тавровый, торцевой, угловой. Обычно лазерная сварка осуществляется без разделки кромок за один проход.

При воздействии мощного сконцентрированного лазерного излучения на металл возникает эффект парогазового канала (keyhole). Считается, что парогазовый канал возникает под воздействием давления паров металла. Поглощение излучения в канале протекает не только за счет падения излучения на переднюю стенку канала, но и за счет плазменных процессов. Парогазовый канал является своеобразной оптической ловушкой для  лазерного излучения, излучение в котором за счет переотражения движется как по оптическому кабель каналу проникая глубже в металл. Благодаря феномену парогазового канала сварной шов имеет «кинжальную» форму проплавления.

К преимуществам лазерной сварки относится:

• Высокая скорость сварки (1-10 м/мин).
• Сварка за один проход без разделки кромок («кинжальность» проплавления).
• Минимальные термические поводки изделия.
• Минимальная зона термического влияния.
• Возможность сварки широкого спектра материалов.
• Гибкость процесса.
• Возможность автоматизация.
• Экономия электроэнергии и присадки.
• Комфортные условия труда, чистота

Присутствуют также и недостатки:

• Повышенные требования к сборке.
• Жесткость термических циклов нагрева и охлаждения.
• Сложность подбора технологических режимов.

На сегодняшний день помимо обычной лазерной сварки различают другие виды лазерной сварки:

• гибридная сварка: с одновременным воздействием двух источников тепла: лазер+дуга, лазер+плазма; лазер+ТВЧ
• комбинированная: с последующим воздействием двух и более источников тепла: лазер и дуга, лазер и свет, лазер и плазма и т.д.
• «клещевая» сварка: замена контактной сварки
• «роллерная» сварка: осуществляется с одновременным поджимом роликом внахлест
• удаленная сварка: сварка на воздухе с расстояния более 1 м.
• многолучевая: использование двух и более лазерных источников в одной сварочной ванне.
• микросварка: сварка импульсными маломощными лазерами глубиной до 1 мм

Все эти виды лазерной сварки представляют широкие технологические возможности, благодаря которым конструктора могут создавать новые виды конструкций, которые ранее было изготовить крайне сложно или вовсе невозможно.

Теоретические сведения

Лазерное излучение обеспечивает уникальные возможности для обработки различных материалов. Большинство материалов, в частности металлов и сплавов способны с высоким коэффициентом поглощать лазерное излучение. В зависимости от времени воздействия возникают различные термические циклы, которые позволяют получать различные физические явления, основывающиеся на быстром нагреве и охлаждении.

В большинстве случаев быстрое затвердевание разогретого металла вызывает отличные от основного материала структуры. На этом принципе построена такая технология модификации поверхности как лазерная закалка.

Разогрев металла до жидкого состояния и добавление присадочного материала позволяет наращивать тонкий поверхностный слой, который называется «плакированным».

Существуют два различных способов лазерной наплавки.

1. Двухступенчатый процесс: наплавляемый материал предварительно наносится на поверхность, которая затем сплавляется лазерным излучением.
2. Одноступенчатый процесс: присадочный материал подают в жидкую ванну расплава. Присадочный материал может быть в виде пасты, проволоки, ленты и порошка. Способ подачи может быть боковым и аксиальным.

Для лазерной наплавки используют те же наплавочные материалы (присадки), что и для традиционных методов. Порошковые материалы применяют чаще других, благодаря некоторым преимуществам. Они обладают большим коэффициентом поглощения лазерного излучения благодаря разветвлённой поверхности и многократному отражения луча от отдельных частиц, что позволяет в 1,5 раза снизить энергию необходимую для оплавления.

Использование порошков позволяет регулировать химический состав наплавляемого слоя, а также доставлять порошок в труднодоступные места простыми способами, что имеет значение при обработки деталей сложной формы.

В настоящее время широкое применение в лазерной наплавки нашли порошки на основе никеля, кобальта и железа. В зависимости от задач заказчика возможно получать различные по свойствам поверхности.

Лазерная наплавка имеет множество преимуществ по сравнению с обычными процессами нанесения покрытий, таких как дуговая сварка и плазменное напыление:

1. возможность формирования наплавленного слоя с малым коэффициентом перемешивания;
2. минимальное термическое воздействие на основной металл;
3. незначительные остаточные деформации наплавленных деталей;
4. возможность наплавки малых поверхностей, соизмеримых с диаметром пятна нагрева;
5. повышенные свойства наплавленных слоев;
6. улучшенная управляемость процессом;
7. сокращается время на последующую обработку.

Теоретические сведения

Компания VPG Photonics выпускает наиболее современные комплексы для маркировки, которые основаны на волоконных лазерах. Сами же волоконные лазеры являются более перспективными среди прочих, так как обладают следующими отличительными качествами:

1. Высокая стабильность излучения – нет необходимости постоянно подстраивать установку для оптимальной работы;
2. Способность работать в промышленных условиях и отсутствие расходных материалов, в отличие от газовых лазеров;
3. Работоспособность составляет не менее 100 000 часов непрерывной работы лазерного излучения.
4. Не большие габариты позволяют расположить эти установки в более удобном месте.

Рассмотрим, в чем же заключается, сам принцип работы лазерной маркировки:

Лазерная маркировка – это процесс изменения поверхности маркируемого материала с помощью лазерного излучения. Обычно используют мощные коротко импульсные лазеры для оплавления области воздействия материала, вследствие чего изменяются структура поверхности материала в месте воздействия лазерного излучения.

Лазерная гравировка – это процесс послойного испарения материала с поверхности с помощью лазерного излучения. При этой технологии применяются режимы при которых не допускается проплав поверхности, т.е. вся энергия в импульсе полностью поглощается верхним слоем материала и не проходит в нижние слои.

Лазерная цветная маркировка – это процесс создания побежалости на поверхность материала при воздействии лазерного излучения, вследствие чего изменяются оптико-физические свойства и обработанная поверхность приобретает определенный цвет илиоттенок.

Сам процесс маркировки может занимать от долей секунд до нескольких минут, в зависимости от размера и плотности изображения, например, для нанесения поверхностной маркировки изображения 10 Х 10 см2 уйдет около нескольких секунд. Таким образом, нанесенное изображение невозможно стереть и оно долговечно в отличие от других способов маркировки.

Other advantages include the flexibility to drill almost any material, the ability to simultaneously change hole size, shape and angle, low heat input into the base material and precise repeatability of hole sizes. In addition, the laser can drill holes of small diameters,
which is impossible using conventional drilling technology. Fiber laser technology allows you to drill holes in an area of ​​up to 10 microns.

Traditional technologies used in drilling are hammer drilling and core drilling. Impact drilling is a process
where multiple pulses are used to drill a hole to achieve the desired result. Live drilling is a series of impact drilling operations where the surface programmed for processing moves at high speed relative to the laser beam, and the laser constantly generates pulses to create holes.
Hole drilling is a process that allows you to cut holes with large diameters or complex tapered shapes. The taper of the holes can be precisely controlled during the annular drilling process.
Lasers can be easily switched from taper hole drilling to live impact drilling to create multiple holes of different diameters in a single workpiece.

The benefits of laser drilling were recognized many years ago in the aerospace industry.
Today, quasi-continuous fiber lasers are rapidly replacing older technologies based on the use of classical solid-state lasers in drilling large holes (0.2–1 mm). Such holes can be made in numerous aerospace components, such as nozzle guide vanes, blades,
cooling rings and combustion chambers. Quasi-CW fiber lasers have a unique combination of high peak power and high pulse energy, making them ideal for applications where sub-millisecond pulses are required.
Flexible quasi-continuous wave fiber lasers can also be quickly switched to continuous operation for cutting large parts.

In microelectronics, laser drilling is used for many purposes, such as drilling aluminum-ceramic substrates.
Drilling holes with small diameters (less than 10 microns) requires high speeds of up to several thousand holes per second. In this case, high peak power laser gated fiber lasers or fast pulse variation fiber lasers are used with pulse repetition rates up to 1 MHz and pulse lengths of less than 1.5 ns.