3.2.2 Лазерна обробка
Метод заснований на тепловому впливі світлового променя високої енергії на поверхню оброблюваної заготовки. Джерелом світлового випромінювання є лазер — оптичний квантовий генератор (ОКГ).
Створено конструкції твердотільних, газових і напівпровідникових ОКГ. Робота оптичних квантових генераторів базується на принципі стимульованого генерування світлового випромінювання.
Атом речовини, маючи визначений запас енергії, знаходиться в стійкому енергетичному стані і розташовується на визначеному енергетичному рівні. Для виведення атому із стійкого (стабільного) енергетичного стану його необхідно збудити.
Збудження (“накачування”) активної речовини здійснюють світловою імпульсною лампою. Збуджений атом, отримавши додатковий фотон від системи накачки, випромінює відразу два фотона, в результаті чого відбувається своєрідна ланцюгова реакція генерації лазерного випромінювання.
Для механічної обробки використовують твердотільні ОКГ, робочим елементом яких є рубіновий стрижень, що складається з оксиду алюмінію, активованого 0,05% Сг. Рубіновий ОКГ працює в імпульсному режимі, генеруючи імпульси когерентного монохроматичного червоного світла.
Схема рубінового ОКГ показана на рисунку 3.17. Рубіновий стрижень 6 встановлений у корпусі 3 лазера. Торці стрижня строго паралельні і перпендикулярні до його осі. Лівий торець покритий щільним непрозорим шаром срібла; правий — посріблений, але напівпрозорий і має коефіцієнт пропускання світла близько 8%. Джерелом світла для збудження атомів хрому служить ксенонова імпульсна лампа 4 з температурою випромінювання близько 4000 0С. Лампа живиться від батареї конденсаторів 2, а джерелом струму служить елемент 1. Лампа включається пусковим пристроєм 5.При включенні пускового пристрою електрична енергія, накопичена в батареї конденсаторів, перетвориться у світлову енергію імпульсної лампи. Світло лампи за допомогою відбивача корпуса фокусується на рубіновий стрижень, в результаті чого атоми хрому приходять у збуджений стан. З цього стану вони можуть повернутися в нормальний, випромінюючи фотони з довжиною хвилі 0,69 мкм (червона флюоресценція рубіна).
Рисунок 3.17 - Схема оптичного квантового генератора
Від взаємодії фотонів зі збудженими атомами утворяться лавиноподібні потоки фотонів у різних напрямках. Наявність торцевих дзеркальних поверхонь рубінового стрижня призводить до того, що при багаторазовому відбиванні вільні коливання підсилюються тільки в напрямку осі стрижня і це відбувається за рахунок стимулювання збудженими атомами.
Приблизно через 0,5 мс, більше половини атомів хрому приходить у збуджений стан, система стає нестійкою і вся нагромаджена в стрижні рубіна енергія одночасно вивільняється і кристал випускає сліпуче яскраве червоне світло. Промені світла мають високу спрямованість. Розходимість променя звичайно не перевищує 0,1°. Системою оптичних лінз 7 промінь фокусується на поверхні оброблюваної заготовки 8.
Енергія світлового імпульсу ОКГ звичайно невелика і складає 20—100 Дж. Але ця енергія виділяється в мільйонні долі секунди і зосереджується в промені діаметром близько 0,01 мм. У фокусі діаметр світлового променя складає усього кілька мікрометрів, що забезпечує температуру близько 6000—8000 °С. У результаті цього поверхневий шар матеріалу заготовки, яка знаходиться у фокусі променя, миттєво нагрівається, розплавлюється і випаровується.
Лазерну обробку застосовують для прошивання наскрізних і глухих отворів, розрізування заготовок на частини, вирізання заготовок з листового матеріалу, прорізання пазів і т.д.
Лазерним методом можна обробляти будь-які матеріали. Наприклад, в алмазі обробляють отвір діаметром 0,5 мм протягом часток секунди, а алмаз масою 2 карати розрізають навпіл менш чим за 1 с.
Лазерна обробка має переваги перед електроннопроменевою. Для обробки заготовок не потрібно створення вакууму, при якому значно ускладнюється керування процесом, немає рентгенівського випромінювання. Конструкція лазерних установок значно простіша конструкції електронних гармат.
До недоліків лазерного методу обробки можна віднести відсутність надійних способів керування рухом променя і необхідність переміщення заготовки, недостатню потужність випромінювання при значній потужності імпульсної лампи, низький к. к. д. рубінових ОКГ, перегрів рубінового стрижня і труднощів його охолодження, порівняно невисоку точність обробки.