Резка лазером
Существует закон природы: нагреватель, каким бы мощным он ни был, не может нагреть вещество выше той температуры, которую он сам имеет. Закон этот кажется совершенно очевидным, но из него вытекает странное, на первый взгляд, следствие: и огромный мартен, и маленькая газовая горелка могут расплавить и испарить все что угодно, хватило бы только мощности лазера, было бы достаточным время его воздействия на материал.
Поэтому-то лазером так заинтересовались инженеры и технологи, поэтому-то лазер так быстро начал проникать в такие отрасли производства, где, казалось бы лазеру делать нечего. Особенно разительные перемены принес лазер в способы обработки твердых материалов: луч света режет их, как пластилин.
Для обработки деталей из твердых сплавов нужен инструмент еще более твердый. Он часто изготовляется из алмаза, тверже которого нет ничего. А чем обрабатывается сам алмаз? Только алмазом.
Посмотрите на электрическую лампочку (разумеется, не зажженную). Ее нить сделана из твердого тугоплавкого вольфрама. Для того чтобы изготовить тонкую вольфрамовую проволоку, ее много раз протягивают сквозь сужающиеся отверстия в алмазных пластинках — волоках.
Как ни тверд алмаз, но и он не выдерживает нагрузок: волоки приходится время от времени менять. И вот, упершись в алмазную пластинку, вращается тонкая трубочка, сыплется под нее алмазный порошок: делают новую волоку. Алмаз потихонечку поддается: два-три дня непрерывной работы, и новая деталь готова.
Но вот алмазную заготовку укрепили на станке, больше напоминающем микроскоп, чем станок. Нет ни мотора, ни сверла. На алмаз не сыплется порошок, не льется охлаждающая жидкость.
На его поверхность при помощи линзы сфокусирован импульсный лазер- Вспышка! Другая! Третья! алмаз испаряется, на месте светового удара образуется ямка. С каждой новой вспышкой она углубляется, превращаясь в тонкий круглый канал. Одна-две секунды - сквозное отверстие готово, новую волоку можно ставить на станок.
Точно так же делают и часовые летали, называемые камнями. Часовые камни — миниатюрные подшипники, сделанные из рубина, цилиндрики диаметром полтора-два миллиметра и толщиной полмиллиметра с дыркой посередине. Оси часовых колес, упираясь в них, могут работать десятилетиями не изнашиваясь и только изредка требуя смазки. Чем больше камней в часах, тем они надежней и долговечней. Сегодня даже будильники делают на таких рубиновых подшипниках, не говоря уже о наручных часах. Число камней указано на их циферблатах. Традиция эта осталась с тех времен, когда камни были дороги б Делать их было трудно. Поэтому предметом особой гордости были часы на двенадцати камнях.
Теперь на часовых заводах работают автоматические лазерные -танки, которые делают эти камни Одна секунда — и готов подшипник. Резка лазером Отверстие в нем идеально круглое, брака практически не бывает.
Самое интересное, что на пробивание отверстия тратятся только тысячные доли секунды, а остальное время уходит на то, чтобы поставить заготовку и убрать готовую деталь.
Если лазер сверлит рубин и алмаз, то с гораздо более мягким камнем, с обычной горной породой, он справится без труда. Так родилась идея лазерного бурения скважин. Сегодня буровые инструменты - долота - для бурения крепких пород делаются из твердых сплавов или алмаза. Но и такие долота тупятся, и их приходится заменять, извлекая из скважины глубиной в несколько километров. Эта операция достаточно долгая и трудная. А в проекте сверхглубокие скважины до 160 километров глубиной! Поневоле задумаешься о том, как продлить срок службы бурового инструмента.
Для лазера прочность породы значения не имеет, сам он при бурении не снашивается. Конечно, чтобы разрушить породу по всей площади скважины диаметром 10—12 сантиметров, нужен очень мощный лазер. Чтобы снизить его мощность, предложили разрушать лучом не всю породу, а только подрезать им узкую канавку по окружности скважины. Тогда оставшийся в центре столбик породы, пронизанный трещинами от тепловых напряжений, можно будет разрушить механическим способом и удалить из скважины сжатым воздухом или водой.
Американские конструкторы, работавшие по программе исследования Луны, первоначально предполагали оснастить астронавтов лазерным буровым устройством для отбора проб лунной породы. Но от этой заманчивой идеи пришлось отказаться: физические свойства уникальных образцов при таком способе бурения были бы непоправимо искажены сильным нагревом. А это, конечно же, недопустимо, и астронавтам пришлось бурить по старинке — трубами с наконечниками из твердых сплавов.
Есть процессы, где тепловые воздействия не только не вредны, но, наоборот, необходимы. Это — термическая обработка металлов и деталей машин.
В главе «Газовые лазеры» упоминалась установка для сварки автомобильных деталей. Ее мощность — пять киловатт, рабочий инструмент —лазер на углекислом газе, дающий инфракрасный тепловой луч. На этой установке можно сваривать отдельные детали толщиной до двух сантиметров. Шов при этом получается раза в четыре тоньше, чем при обычной электросварке, сварка идет в пятьдесят раз быстрее, а электроэнергии тратится в три раза меньше! Лазер позволяет легко автоматизировать сварку, сваривать металлы, которые обычным способом соединить нельзя, и даже ремонтировать детали там, куда обычным инструментом проникнуть невозможно,— например, сваривать детали радиоламп прямо в вакуумной колбе, направив туда луч сквозь стекло!
Лучом света можно резать сталь толщиной до сорока миллиметров. Причем не просто резать, но и вырезать из стального листа детали самой причудливой формы. Для этого лазер делается подвижным. Его движением управляет электронно-вычислительная машина. Программа, которая в нее вложена, перемещает лазер и с большой точностью ведет его луч по контуру будущей детали, делая тонкий разрез. При этом экономится до пятнадцати процентов материала —ведь будущие детали могут лежать очень близко друг к другу. Такая установка может резать не только сталь, но и вообще любой листовой материал: бумагу, фанеру, плиты из древесных стружек или асбеста, нужно только изменить мощность излучения и скорость резания. Даже стекло можно кроить, как картон. Оно хоть и прозрачно, но все равно чуть-чуть, совсем немного, поглощает свет. Но это «чуть-чуть» от пяти тысяч ватт даст достаточно энергии, чтобы нагреть стекло. В месте нагрева оно расширится, лопнет и по листу стекла вслед за лучом потянется трещина. Такой способ резки называется термораскалыванием.
Лазерный луч может не только разрушать, но и упрочнять детали, закаливая их с поверхности. Стальная деталь при этом одевается закаленной «скорлупой», твердой и устойчивой к трению, но довольно хрупкой. Если такой будет вся деталь, то от удара она может расколоться, как стеклянная. Но в том-то и дело, что ее сердцевина остается упругой и вязкой: лазерная вспышка не успевает ее прогреть. Такая деталь устойчива и к ударам, и к трению, как знаменитый булат — гордость русских оружейников.
Этим способом обрабатывают стальные детали, работающие в тяжелых условиях,—зубья шестерен, детали коленчатых валов двигателей, шейки осей колесных пар тепловозов и электровозов.
Но как узнать, достаточно ли хорошо получился сварной шов, нет ли дефектов в массивной чугунной отливке?
Есть много способов заглянуть внутрь материала, когда обычное зрение бессильно. Один из них — ультразвуковая дефектоскопия.
Звук хорошо распространяется в воздухе, но еще лучше — в плотных материалах. Чем плотнее материал, тем больше скорость звука в нем, тем слабее звук в нем затухает. Но если на пути звуковой волны внутри материала встретится дефект —трещина, пузырек газа в отливке (металлурги называют их раковинами),- то звуковые волны частично отразятся от стенок дефекта и вернутся в приемник. На экране прибора — дефектоскопа - появится всплеск, показывающий, на какой глубине находится дефект и какого он размера. По этим сигналам специалисты судят, опасны ли обнаруженные трещины для буду, щей детали или нет, списать ли ее в брак или она сможет работать. Чем короче длина звуковой волны, тем меньших размеров дефект можно с ее помощью увидеть. Поэтому для этой цели используют звук очень высокой частоты, не слышимый человеком,-ультразвук.
Используют такой метод и геофизики. Только прозвучивают они не стальные детали, а образцы горной породы и геологические модели, сделанные из разных материалов. Они определяют скорость распространения звука в породе, исследуют, есть ли в ней поры и трещины. Знать это очень важно для разведки полезных ископаемых, особенно нефти и газа. Ведь нефть может накапливаться глубоко под землей в порах и трещинах горных пород, а глубину ее залегания можно определить, зная скорость звука в этой породе. Но вот беда: все известные до сих пор излучатели давали ультразвуковые волны слишком большой длины. Все излучатели устроены примерно одинаково: переменный ток высокой частоты раскачивает упругую пластинку или стерженек, а тот бьет по образцу. Чтобы увеличить частоту ультразвука, нужно уменьшить время удара. Но это понизит мощность звука, его нельзя будет «услышать». Нужно было резко поднять частоту звука, сохранив прежней его интенсивность: размеры сложных геологических моделей приближались уже к нескольким кубометрам.
Выход нашли московские геофизики. В качестве излучателя ультразвука они заставили работать импульсный лазер.
Сфокусированный гигантский импульс неодимового лазера бьет по поверхности образца. В месте удара вещество мгновенно нагревается до температуры несколько тысяч градусов и испаряется. Происходит микроскопический взрыв, порождающий в образце взрывную волну —ультразвук. Время удара —две стомиллионные доли секунды (20 наносекунд) — в десятки тысяч раз меньше, чем у самых лучших излучателей. Частота ультразвука получается соответственно выше в десятки тысяч раз. Мощности тоже хватает, сотни тысяч ватт — гораздо больше, чем способен дать любой традиционный излучатель.
При помощи лазерной ультразвуковой установки легко удалось измерить скорость звука в образцах размером всего несколько миллиметров, раньше это бьла сложная техническая проблема А мощная звуковая волна, порожденная лазером, проходит сквозь такие материалы, которые ничем ' другим исследовать нельзя.
На наших глазах рождается новое направление в физике, результат слияния наук о звуке и свете — акустооптика. Специалисты сулят ему большое будущее.
Одним словом, лазер оказался не только хорошим инструментом, но и прекрасным контрольноизмерительным прибором, причем настолько универсальным, что ему доверили исследовать не только недра Земли, но и дали космоса.
Раздел: Статьи про лазеры 28.10.2016