Сразу две инновационные разработки в сфере лазерных технологий представили почти одновременно российские и японские учёные. Обе напрямую касаются металлургии, обе способны качественно изменить сам процесс металлообработки.
Японский лазер нового поколения
Японские исследователи из университета Киото смогли увеличить мощность лазера до 50 Вт, что в 10 раз больше, чем было раньше. Металлургии это даст новый виток развития, появятся новые более мощные и недорогие металлорежущие лазерные станки, в том числе для стали.
Как они это сделали? Японцы придумали новую технологию масштабирования фотонно-кристаллических лазеров с поверхностным излучением (PCSEL). PCSEL-лазеры — это новый тип полупроводникового лазера, который содержит наноструктурированные материалы — фотонные кристаллы. Излучение PCSEL даёт высококачественный симметричный луч с небольшим расхождением. Лазеры на фотонных кристаллах обеспечивают оптимальную производительность для обработки твёрдых металлов.
Группа японских учёных из Университета Киото (на фото) разработала технологию масштабирования фотонно-кристаллических лазеров с поверхностным излучением (PCSEL)
Сегодня в металлообработке, как правило, применяются волоконные или газовые лазеры, из-за этого станки такие громоздкие, слабоуправляемые и дорогие. Если использовать для этих целей полупроводниковые лазерные диоды, то можно значительного удешевить оборудование, сделать его более компактным и более точным. Ко всему прочему, такая технология проста в управлении и на выходе даёт эффективные результаты: резка демонстрирует чудеса гибкости.
Почему раньше не внедрялись такие диоды? Ответ прост: лазеры на основе фотонных кристаллов PCSEL изготавливались сравнительно маломощными с размерами излучающей поверхности до 1 мм. Этого не хватало для промышленного производства.
Для получения более мощного лазера с излучением на большей площади поверхности кристалла нужно было решить две проблемы. Во-первых, погасить растущее в объёме полупроводника тепло, которое сбивает все настройки, меняя коэффициент преломления. Во-вторых, сделать более чётким фокус.
Все эти задачи удалось решить японским конструкторам, которые изменили структуру PCSEL. Для этого они увеличили размер диаметра поверхностного излучения с 1 до 3 миллиметров и повысили выходную мощность до 50 Вт.
Опытный полупроводник обеспечил мощность лазера на уровне 50 Вт или до 10 раз больше, чем ранее. Этого уже достаточно для использования таких лазеров в металлообработке
Японцы уверены, что подобный подход позволит создать лазеры PCSEL размерами до 10 мм и со временем выпустить полупроводниковый лазер мегаваттного уровня.
Российская технология лазерной супертвёрдости металлов
Российский «ответ» японскому ноу-хау представляет собой, по сути, новую сферу применения лазерных технологий в металлургии. Российские учёные из Санкт-Петербургского университета ИТМО смогли с помощью лазера повысить твёрдость титана и высокопрочной стали в несколько раз. Дело в том, что режущие поверхности промышленных станков со временем изнашиваются. Из-за этого их нужно перезатачивать или вообще заменять детали на новые, что требует остановки производства и дополнительных финансовых затрат.
В ИТМО нашли решение этой вечной проблемы, разработав новую методику лазерной микрообработки поверхности. Как выяснили исследователи ИТМО, именно облучение лазером делает режущие поверхности и детали станков более износостойкими.
Технология работает следующим образом: короткие лазерные импульсы создают нанокристаллический слой на поверхности металлических деталей, который и делает структуру материала более плотной. При этом обрабатывать поверхности дополнительно не нужно, можно работать с тем, что есть.
Твердость титана и стали при помощи лазера научились повышать в санкт-петербургском Университете ИТМО
Учёные проверили свою методику на образцах титана и двух высокопрочных марках стали: AISI 304 и 35ХГСА. Титановые поверхности после лазерного облучения увеличили свою твёрдость в 10 раз, стальные поверхности — в 3 раза.
Можно сказать, что эти два открытия, по сути, дополняют друг друга. Для России крайне важен тот факт, что лазерные технологии в нашей стране не находятся в состоянии стагнации и упадка. Напротив, здесь мы достаточно конкурентоспособны с учёными всего мира — не надо думать об импортозамещении и параллельном импорте.
Российские медики, например, активно используют внутривенное лазерное облучение крови, что способствует её очищению. Лазерная терапия применяется в стоматологической хирургии — с ней сталкивался, наверное, каждый, кто посещал стоматолога хотя бы раз за последние 10 лет.
Что же касается металлургии, то лазерной резкой металлов в отрасли уже давно никого не удивишь. Впервые работа лазера была показана ещё в 1960-м году американским физиком Теодором Мейманом, а на службе у металлургов «лучи» находятся уже десятки лет. Сфокусированный лазерный луч, управляемый компьютерной программой, легко разрезает практически любой металл, при этом края реза получаются узкими и ровными, что идеально для промышленного производства. Современные лазерные станки для резки металлов стоят сегодня от 3 млн руб., наиболее ходовые модели — 6-7 млн руб., что вполне по зубам даже для небольшого завода по металлообработке.
Переход к лазерному облучению может стать серьёзным прорывом в металлообработке. Если технология, разработанная ИТМО, получит широкое промышленное внедрение, то тот же российский титан из-за многократного повышения своей твёрдости станет безоговорочным фаворитом на мировом рынке. Но поскольку от изобретения до его внедрения у нас, как правило, проходит дистанция огромного размера, то пока что просто постучим по дереву. Или по титану — так оно конъюнктурней.
Егор Петров
