Применение лазерной технологии для обработки резины, сборки металлов и интенсификации химических реакций

Основы технологии лазерной обработки

В настоящее время разработаны следующие технологические про­цессы с использованием мощных лазеров:

- лазерная поверхностная термоообработка;

- лазерная сварка;

- лазерная размерная обработка;

- измерительная лазерная технология;

-лазерная интенсификация химических реакций.

Технология лазерной термо­обработки

Лазерная термообработка включает в себя процессы лазерной за­калки поверхностного слоя материалов (термоупрочнение), лазерного отжига и отпуска, лазерного легирования, лазерной амортизации (остекловывания), лазерной наплавки.

Лазерная закалка - высокотемпературный лазерный нагрев поверх­ности изделия и после дующее быстрое охлаждение. Упрочнение проис­ходит при воздействии как импульсного, так и непрерывного лазер­ного излучения, при этом термообработка может осуществляться с оплавленном и без оплавления поверхностного слоя.

Лазерная термообработка отличается от обычной более высокой производительностью, сочетанием высоких скоростей нагрева и охлаж­дения. В этих условиях в обрабатываемых материалах образуются струк­туры с повышенной микротвердостью и износостойкостью поверхности, Глубина термообработанного слоя может доходить до I мм. Увеличе­ние глубины воздействия достигается увеличением энергии и длитель­ности импульсаЛазерный отжиг имеет место, если толщина обрабатываемого изделия сравнима с размерами зоны теплового влияния. Лазерный отжиг ши­роко используется в микроэлектронике для отжига дефектов в полупро­водниках, лазерным лучом можно отжигать мелкие металлические детали.

Лазерный отпуск применяется при необходимости локального уве­личения пластичности или ударной вязкости, например, в местах крепления различных деталей. Лазерный отпуск проводится только в режи­ме без оплавления поверхности. Сталь после лазерного отпуска имеет большую прочность, твердость, ударную вязкость, чем после традицион­ной технологии отпуска.

Лазерное легирование относится к процессам создания на поверх­ности обрабатываемого материала покрытий с высокими эксплуатацион­ными характеристиками.

Лазерное легирование металлами (хромом, никелем, молибденом, вольфрамом и др.) позволяет заменить дорогостоящие детали, цели­ком изготовленные из легированных сталей на детали из дешевых уг­леродистых сталей с поверхностным легированным слоем. При этом на поверхность детали наносят легирующие добавки в виде порошка и связую­щей основы. Этот слой расплавляют лазерным лучом, при этом легирующие добавки за счет диффузии насыщают поверхностный слой обра­батываемой детали. Последующее быстрое остывание обеспечивает од­нородный по структуре слой основного материала с легирующими ком­понентами.

Технология лазерной амортизации (остекловывааил) является одним аз направлений модификации поверхностей обрабатываемых изделий. Создание аморфных слоев является весьма перспективным, так как такие слои обладают высокой твердостью, коррозионной стойкостью, износостойкостью. Обычно аморфизации подвергаются сплавы металлов. Наиболее перспективна лазерная аморфизация углеродистых сталей и чугунов с одновременным легированием поверхности. Легирующие до­бавки (бор, кремний) препятствуют кристаллизации поверхностного слоя, способствуют его аморфизации.

Лазерная наплавка используется с целью восстановления изношен­ных деталей. Обычно в процессе эксплуатации детали износу подвер­гается поверхностный слой детали толщиной не более одного милли­метра. Если восстановить этот слой, то деталь будет опять пригод­на для использования.

При этом по сравнению о традиционными технологиями наплавления (электросваркой. газовой сваркой и т.д.) лазерное наплавление имеет более высокую производительность, лучшее качество, наплавление происходит без нагрева основной массы детали, деталь не деформируется, не требует последующей механической обработки.

Технология лазерной сварки

Лазерная сварка в настоящее время является наиболее перспектив­ной для промышленного использования технологией в связи с разработ­кой мощных лазеров с непрерывным и импульсно-периодическим действием. Сварное соединение получается при нагревании и расплавлении лазерным лучом участков в месте контакта свариваемых деталей. Ког­да лазерный луч смещается, смещается и зона расплавленного мате­риала, затем идет остывание и таким образом образуется сварной шов. По форме он получается узким и глубоким и принципиально отличается от сварных швов, полученных при использовании традиционной техно­логии сварки. Глубина проплавления зависит от мощности лазера, а поперечное сечение лазерного шва похоже на лезвие кинжала, поэто­му глубокое лазерное проплавление иногда называют кинжальным.

Лазерная сварка о глубоким проплавлонием позволяет сваривать толстые слои материалов с большой скоростью при минимальном тепло­вом воздействии на материал, прилегающий к зоне расплава, что улуч­шает свойства сварного шва и качество сварного соединения,

По методу воздействия лазерная сварка подразделяется на импуль­сную и непрерывную.

С помощью импульсного лазерного излучения можно осуществить точечную сварку соединений различной конфигурации. Импульсная ла­зерная сварка обеспечивает соединение материалов толщиной до 2 мм и используется для сварки в труднодоступных места, для сварки лег­кодеформируемых деталей.

Основными технологическими параметрами лазерной, импульсной сварки являются: энергия лазерного излучения, длительность импуль­са, форма импульса. Для каждого из свариваемых материалов сущест­вует свой оптимальный режим сварки.

Непрерывная лазерная сварка используется в промышленности для сваривания материалов средней и большой толщины. С целью предотв­ращения окисления материалов в зону расплавления подают гелий или аргон.

Технология лазерной резки

Под технологией лазерной резки понимаются технологические про­цессы лазерной размерной обработки, включающие в себя процессы соб­ственно лазерной резки или лазерного разделения материалов, лазер­ной прошивки

(сверления) отверстий, лазерного фрезерования пазов и т.д.

Во всех случаях процессы происходят либо при перемещении дета­ли относительно лазерного луча, либо лазерного луча по поверхности материала. При этом лазер действует как тепловой источник, нагре­вая материал до температур, обеспечивающих плавление материала и перевод его в пар. Возможно удаление расплавленного материала га­зовой струёй. Сфокусированное лазерное излучение дает высокую концентрацию энергии, что позволяет резать практически любые материалы вне за­висимости от их теплофизичоских свойств, включая материала, не поддающиеся резке другими способами.

Лазерная резка используется для резания сталей и других спла­вов, керамики, стекла, пластмасс, древесины, полупроводников, текс­тильных тканей, при этом толщина реза может достигать 50 мм.

Резать материал можно как импульсным, так и непрерывным излу­чением, при этом импульсная размерная обработка более точна и обес­печивает более высокое качество реза при минимальных потерях ма­териала. Воздействие лазерного луча длится от десятой до десятич­ной доли секунды. С помощью импульсной размерной обработки полу­чают сквозные и глухие отверстия, пазы и щели.

Резка материалов непрерывным излучением является более произ­водительным процессом, но качество реза хуже, а потери материала выше, чем при импульсной лазерной резке.

Энергетические режимы резки зависят от теплофизических парамет­ров материала и определяются мощностью и интенсивностью лазерного излучения, а также скоростью резки. В общем случае оптимальные ус­ловия обработки зависят от того, что предпочтительнее - наивысшая производительность резки при низком качестве реза или наоборот, наивысшее качество реза при невысокой производительности.

Лазер, как тепловой источник обеспечивает следующие преимущест­ва лазерной резки по сравнению с традиционными технологиями:

- высокая производительность (скорость реза титановых листов в 30 раз, стальных - в 10 раз больше, чем при механической резке);

- высокое качество поверхности реза;

- малая зона теплового влияния;

- возможность вырезать сложные контуры;

- автоматизируемость процесса резания.

Технология лазерной размерной обработки позволяет прошивать (сверлить) отверстия любой формы и большой глубины в материалах любой твердости, получать отверстия от 4 микрон до нескользких мил­лиметров. Использование лазерного луча для сверления отверстий в часовых камнях и алмазных фильерах позволяет повысить производи­тельность труда в 12-16 раз по сравнению с электрофизическими и в 200 раз до сравнению с механическими методами сверления. Лазерное сверление имеет преимущество перед механическим при обработке крупногабаритных деталей сложной формы, особенно под раз­ными углами к поверхности, а также при сверлении глубоких отверс­тий малого диаметра.

Лазерная интенсификация химических реакций

Использование лазеров в химической технологии весьма перспек­тивно.

Если лазер рассматривать в качестве мощного источника светово­го излучения, то лазерную интенсификацию химических реакций можно рассматривать как разновидность фотохимических процессов. Фотохимические процессы - это химические реакции, протекающие под действием светового излучения или вызываемые им. Механизм фотохимических процессов основан на активации молекул, реагирующих веществ при поглощении света. В зависимости от роли и характера влияния светового луча фото­химические процессы разделяют на три группы. К первой группе относят реакции, которые могут самопроизвольно протекать после поглощения реагентами светового импульса. Для этих процессов свет играет роль возбудителя и инициатора. При обычных условиях эти процессы протекают крайне медленно, но световое облу­чение их значительно интенсифицирует. Ко второй группе фотохимических процессов относят процессы, для проведения которых необходим непрерывный подвод световой энергии к реагентам. К третьей группе относятся химические процессы, в которых световой импульс, воздействуя на катализатор, активизирует его и способствует интенсификации химической реакции.

Использование лазерного излучения в химической технологии перс­пективно для получения новых продуктов, осуществления новых химических реакций, интенсификации существующих химико-технологических процессов

Основы биотехнологии.

Биотехнология – промышленная технология получения ценных продуктов из исходного сырья с помощью микроорганизмов. Биотехнологические процессы известны с древних времен: хлебопечение, приготовление вина и пива, сыра, уксуса и др. в современном понимании в биотехнологию включают генетическую и клеточную инженерию, цель которых – изменение наследственных механизмов функционирования организмов для управления деятельностью живых существ. Биотехнология тесно связана с технической микробиологией и биохимией.

В основе биотехнологии лежит микробиологический синтез. Мир микроорганизмов обширен и разнообразен. Размножаются они чаще всего простым делением клеток. Микроорганизмы характеризуются разнообразными физиологическими и биохимическими свойствами. Например, для анаэробов не нужен кислород, другие живут в источниках при температуре 250°С, третьи обитают в ядерном реакторе. Микроорганизмы широко распространены в природе, в грамме почвы их может содержаться до 3 млрд.

Однако микроорганизмам присущи и специфические ферментные и биохимические реакции, на которых основана их способность разлагать целлюлозу, лигнин, углеводороды нефти и др. Существуют микроорганизмы, способные усваивать азот, синтезировать белок и др. На этом основано получение различных продуктов.

Сейчас с помощью биотехнологий получают антибиотики, витамины, аминокислоты, белки, спирты, кисломолочную продукцию и др. Интерес к использованию биотехнологий возрастает в различных отраслях человеческой деятельности: в энергетике, пищевой промышленности, с/х, медицине и др. Это объясняется возможностью применения в качестве сырья возобновляемых ресурсов (биомассы) и экономией энергии.

Перспективным направлением является разработка и внедрение микробиологических способов получения различных металлов. Микроорганизмы играют важную роль в круговороте веществ в природе. Известно, что они причастны к образованию ископаемых. Так в начале 20 века в старом руднике было обнаружено в водном растворе огромное количество меди, которая была произведена бактериями из сернистых соединений меди. Окисляя не растворимые в воде сульфиды меди, бактерии превращают их в легкорастворимые соединения. Особенно эффективно использование бактерий на завершающей стадии эксплуатации рудников, при переработке отвалов. Использование такой технологии позволит добывать глубокозалегающие ископаемые. Достаточно будет погрузить на нужную глубину трубы и подвести по ним к рудной породе биораствор. Т.о., отпадает необходимость строительства шахт, уменьшается нагрузка на экологическую ситуацию и др. как следствие этого снизится себестоимость ископаемых.

Также широко применяется и развивается применение биотехнологий для производства медпрепаратов, органических удобрений, горючих газов и жидкостей, микроорганизмов для очистки жидкой и воздушной среды и др