Мастер на все руки

Трудно сегодня представить будущее машиностроительное предприятие с полной автоматизацией основных и вспомогательных процессов без новой, наиболее передовой технологии обработки металлов и других материалов с помощью лазеров.

Еще не так давно лазеры представлялись нам уникальным полуфантастическим творением, чем-то вроде гиперболоида инженера Гарина, а в настоящее время существует большое семейство таких приборов с различными свойствами и назначением.

Лазерная техника возникла на стыке электроники и оптики. Этим определяются и особенности конструкции лазеров, и многообразие сфер их применения.

У первого лазера "билось" рубиновое "сердце". Сейчас в твердотельных лазерах, широко используемых в технике и науке, активными элементами являются гранат, флюорит, стекло с неодимом и другие материалы. Гораздо разнообразнее газовые лазеры. Широкой гаммой представлены полупроводниковые лазеры, едва различимые в микроскоп, и многоступенчатые, для которых маловата даже просторная комната. Создаются лазеры различных модификаций, работающие на химической реакции веществ, и многие другие. Причем у всех этих лазеров излучение либо импульсное, либо непрерывное.

Простейший рубиновый лазер - это миниатюрный рубиновый стержень диаметром 6-7 миллиметров и длиной 4-5 сантиметров с посеребренными гранями. Стержень окружен трубчатой импульсной лампой, какие обычно применяются при стробоскопической съемке. Сначала от источника постоянного тока заряжается батарея конденсаторов. Когда напряжение ее достигает 5-10 тысяч вольт, происходит разряд. Ярко вспыхивает импульсная лампа, и часть ее света поглощается рубином. Вспышки следуют одна за другой до тех пор, пока рубиновый стержень не будет до предела насыщен световой энергией, а его атомы не перейдут в неустойчивое, метастабильное, состояние. Теперь сквозь небольшое отверстие в серебряной пленке внутрь кристалла направляют тоненький световой лучик. Он сразу же начинает "метаться" между серебряными стенками, выбивая по дороге все новые и новые миллионы метастабильных атомов. Наконец, алое световое копье вырывается сквозь отверстие во втором торце и устремляется наружу. Бледно-розовый стержень рубина испускает вспышки такой силы, что лучи пробивают практически любые металлы. 160

Лазеры, несмотря на "молодость", уже нашли самое разнообразное практическое применение. Они продемонстрировали свои возможности и преимущества во многих технологических процессах - резании, сварке и плавке различных, в том числе самых прочных и стойких веществ, например алмаза и рубина.

Налаживается проектирование и производство не только разнообразных лазеров, но и различного технологического оборудования, использующего их неисчерпаемые возможности. Приведем только несколько примеров. В лаборатории импульсно-световых станков ЭНИМСа создан квантово-механический станок с программным управлением. В этом станке луч лазера обрабатывает любые сплавы, алмазы, рубины, платину, прожигает в них сотни отверстий в минуту.

Тонкопленочные гибридные интегральные схемы - основа современной радиоэлектронной аппаратуры. При изготовлении схемы, как правило, возникает необходимость в подгонке параметров отдельных ее элементов, в частности тонкопленочных резисторов. Подгонка - это сложная манипуляция с крошечными кусочками пленки, толщина которой не превышает двух микрометров. Для такой операции сконструирована специальная лазерная установка "Азот-1". Она фрезерует (испаряет) участки резисторной пленки, доводя параметры пленочного резистора до заданных.

"Азот-1" функционирует по программе, записанной на перфоленту, и оператору требуется только подавать в рабочую зону установки очередную схему - измерение сопротивления и подгонка производятся автоматически.

Лазеры заняли прочные позиции в сварочном деле. Изыскивая все более точные методы сварки, специалисты стали широко применять электронный луч. Но в некоторых случаях даже электронный луч оказывается слишком грубым. Световой луч нежнее и более гибок. Ведь что может быть быстрее и безынерционнее потока летящих с предельно возможной в природе скоростью фотонов - энергии в ее чистом виде?

Итак, представим себе: сквозь отверствие в посеребренном торце кристалла впущен луч света. Меньше чем через тысячную долю секунды из другого торца вырывается испепеляющее световое копье. Оптические линзы фокусируют его в небольшое пятнышко диаметром не больше микрометра. Такое пятнышко за десятитысячную долю секунды способно прожечь микроскопическое отверстие в алмазе, коррозионно-стойкой стали, титане и других самых твердых материалах.

Наиболее перспективная область применения лазеров - сварка сверхлегких сотовых конструкций из тугоплавких материалов, прецизионная обработка микроминиатюрных деталей.

Сварные соединения, полученные с помощью лазера, по своему качеству гораздо лучше соединений, полученных с помощью электронной сварки. Лазерный шов гораздо чище. Температура, развиваемая лазером, достаточна для расплавления самых тугоплавких материалов. Малая ширина шва и узость зоны термического влияния при лазерной сварке сводят до минимума всякое коробление и деформацию. Сварочный шов при сварке лазером можно не зачищать, так как структура его остается мелкозернистой и высококачественной. Нет необходимости и в термической обработке после сварки для снятия внутренних напряжений.

У лазерной сварки есть и другие преимущества по сравнению с электронной. Так, например, электронную сварку нельзя вести в струе защитного газа: газ будет задерживать электроны. Для лазерного же луча любая среда - не помеха. Если возникнет необходимость, лазерным лучом можно варить детали прямо на воздухе, не заботясь о создании вакуума. Лазерным лучом можно варить и места, недоступные для сварки другими способами, закрытые от прямого визуального наблюдения, используя зеркала или призмы. Лазерной сваркой пользуются и тогда, когда нужно произвести сварку в помещении с высокой радиоактивностью, исключающей присутствие человека.

Нельзя не отметить и еще одно преимущество лазерной сварки по сравнению с электронной - отсутствие вредного рентгеновского излучения.

Ввиду высокой концентрации энергии луча лазера его температура достаточна для расплавления самых тугоплавких материалов. Большая концентрация энергии позволяет сварщику точно контролировать размеры соединения, осуществляя так называемую прецизионную сварку.

По словам академика Б. Е. Патона, сварные конструкции будущего представляются нам в виде совершенного гармонического сочетания металлических и неметаллических деталей законченных форм и размеров, свободных от внутренних напряжений, не нуждающихся ни в термической, ни в механической обработке.

Всем этим требованиям удовлетворяет лазерная сварка. Световой луч сегодня способен не только прожигать отверстия, удалять лишний металл, фрезеровать, строгать, точить заготовки и сваривать их, но и выступать в роли гравера при изготовлении различных изделий, в том числе и типографских клише.

Шаг за шагом открываются все более широкие перспективы применения квантовой механики. Трудно назвать область науки и техники, где бы лазер не нашел своего применения. Ученые считают, например, что с помощью лазера в самом недалеком будущем можно будет создавать детали любой конфигурации, применив метод послойного наращивания металла, причем каждый слой будет возникать аналогично возникновению изображений на телевизионной трубке. Этот новый метод позволяет весьма точно получать детали любой конфигурации. Такая технология полностью исключает отходы при формообразовании деталей.

Советские ученые и инженеры разработали технологию лазерной сварки карданных валов грузовых и легковых автомобилей. Эта технология успешно внедряется на многих предприятиях автомобильной промышленности страны. Воздействие лазерным лучом на алюминиевый сплав, из которого изготовляются головки блоков цилиндров двигателей, увеличивает срок службы этих головок в 2,5-3 раза. Это объясняется измельчением структуры алюминиевого сплава в зоне лазерного воздействия в 70-80 раз по сравнению с исходной, в результате чего обработанная поверхность становится более плотной и прочной.

Заслуживает большого интереса высказывание академика Н. Г. Басова, лауреата Ленинской и Нобелевской премий, который сказал, что наиболее интересные результаты применения квантовой механики в ближайшем будущем можно ожидать в изучении резонансного воздействия светового излучения на химические соединения. Может оказаться, что мощное излучение лазеров выступит в роли универсального катализатора, позволяющего синтезировать в разрушать определенные связи в различных химических соединениях. Все это сулит огромные перспективы в создании новых материалов с поистине удивительными технологическими свойствами.