Технологические процессы лазерной обработки

 

УДК 621.7 
 
ББК 34.441 
        Г834 
 
 
Р е ц е н з е н т ы: 
директор, главный конструктор ЦНИИ робототехники и технической  
кибернетики, зав. кафедрой «Сварка и лазерные технологии»  
Государственного политехнического университета (С.-Петербург),  
чл.-кор. РАН, д-р техн. наук, проф. В.А. Лопота; 
зав. кафедрой «Высокоэффективные технологии обработки»  
ГОУ ВПО Московского государственного технологического университета  
(СТАНКИН), д-р техн. наук, проф. С.Н. Григорьев 
 
 
Григорьянц А.Г., Шиганов И.Н., Мисюров А.И.  
      Технологические процессы лазерной обработки: Учеб. пособие для 
вузов / Под ред. А.Г. Григорьянца. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006. – 664 с.: ил. – ISBN 5-7038-2701-9. 
 
Рассмотрены теоретические основы лазерной обработки и обобщены аналитические и численные методы анализа физических процессов при воздействии лазерного излучения на различные материалы. Представлены технологии 
лазерной термической и химико-термической обработки, легирования, оплавления, наплавки, сварки, резки и других высокоэффективных процессов лазерной обработки. Изложены особенности лазерных технологических процессов 
в микроэлектронике, определяющих подходы к нанотехнологиям в современном производстве. Большое внимание уделено перспективным направлениям 
лазерной обработки. Показано, что наряду с повышением производительности 
и качества процесса достигаются новые результаты, обеспечивающие реализацию технологии изготовления современных деталей и конструкций. 
Для студентов высших технических учебных заведений машиностроительных специальностей.  
 
  УДК 621.7   
ББК 34.441 
 
 
 
 
 

            
© А.Г. Григорьянц,  И.Н. Шиганов,  
               
    А.И. Мисюров, 2006 
© Оформление. Издательство МГТУ  
ISBN 5-7038-2701-9                                 
     им. Н.Э. Баумана, 2006 

Г834 

 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

ПРЕДИСЛОВИЕ .....................................................................................................      7 

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................      9 

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ.....................................................................................    11 

Ч А С Т Ь  I  

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЛАЗЕРНОЙ ОБРАБОТКИ 

Г л а в а  1. Лазерное оборудование для обработки материалов....................    13 

1.1. Перспективы развития лазерной техники и технологии.......................................    13 
1.2. Принципы работы, типы и конструкции  технологических лазеров ...................    17 

1.3. Свойства лазерного излучения................................................................................    43 
1.4. Фокусировка лазерного излучения .........................................................................    48 

Г л а в а  2. Физические процессы при взаимодействии лазерного излуче
ния с материалами............................................................................................    84 

2.1. Энергетические условия взаимодействия лазерного излучения при обработке 

материалов................................................................................................................    84 
2.2. Плазменные процессы при лазерной обработке....................................................    95 

2.3. Тепловые процессы при лазерном воздействии ....................................................  110 

Г л а в а  3. Термодеформационные процессы и превращения  в металлах 

при воздействии лазерного излучения........................................................... 156 

3.1. Деформации и напряжения при лазерной обработке ............................................  156 

3.2.Теоретические методы определения деформаций и напряжений.........................  164 

3.3. Экспериментальные методы определения  деформаций и напряжений..............  175 
3.4. Особенности распределения остаточных  деформаций и напряжений ...............  181 

3.5. Технологическая прочность металлов при лазерной обработке ..........................  194 

Оглавление 
———————————————————————————————————————— 

 

4 

Ч А С Т Ь  II 

ПРОЦЕССЫ ТЕРМИЧЕСКОЙ ЛАЗЕРНОЙ ТЕХНОЛОГИИ 

Г л а в а  4. Поверхностная лазерная закалка сплавов..................................... 233 

4.1. Классификация методов поверхностной лазерной обработки .............................. 233 
4.2. Особенности фазовых переходов при лазерном нагреве  железоуглеродистых 

сплавов....................................................................................................................... 235 
4.3. Особенности образования структур в сталях  при лазерном нагреве................... 240 

4.4. Особенности структуры, образовавшейся  при большой скорости охлаждения.... 244 
4.5. Особенности формирования структуры сплавов  при лазерной термообработ
ке с оплавлением поверхности ................................................................................ 246 

4.6. Расчетные подходы для решения задачи процесса  аустенитизации при лазерном нагреве ............................................................................................................... 252 

4.7. Структура и строение поверхностных слоев сталей  и чугунов после лазерной 
обработки .................................................................................................................. 259 

4.8. Структура и механизмы упрочнения  цветных металлов и сплавов..................... 278 
4.9. Основные параметры импульсной лазерной закалки  и характеристики упроч
ненной поверхности ................................................................................................. 286 

4.10. Основные параметры лазерной закалки непрерывными лазерами и характеристики упрочненной поверхности .............................................................................. 292 

4.11. Факторы, влияющие на геометрические размеры зон  лазерного воздействия. 297 
4.12. Свойства сплавов после лазерной закалки............................................................ 302 

4.13. Лазерный отжиг....................................................................................................... 319 
4.14. Лазерный отпуск...................................................................................................... 321 

Г л а в а  5. Получение поверхностных покрытий с помощью лазерного 

излучения............................................................................................................. 323 

5.1. Лазерное поверхностное легирование..................................................................... 323 

5.2. Лазерная наплавка ..................................................................................................... 333 

Г л а в а  6. Лазерная сварка металлов................................................................ 362 

6.1. Классификация способов лазерной сварки ............................................................. 362 

6.2. Технологические особенности лазерной сварки .................................................... 367 
6.3. Физические процессы образования сварного соединения  при сварке материа
лов малых толщин .................................................................................................... 371 

6.4. Физические процессы образования сварного соединения  при лазерной сварке с глубоким проплавлением ................................................................................. 379 

Оглавление 
———————————————————————————————————— 

 

5 

6.5. Технология лазерной сварки материалов малых толщин .....................................  393 

6.6. Технология лазерной сварки металлов  с глубоким проплавлением...................  406 
6.7. Особенности проектирования деталей с использованием  лазерной сварки с 

глубоким проплавлением........................................................................................  420 
6.8. Гибридные технологии лазерной сварки................................................................  428 

6.9. Технологические особенности  лазерной сварки различных материалов ...............  447 

6.10. Примеры промышленного применения лазерной сварки...................................  486 

Г л а в а  7. Лазерное разделение конструкционных материалов................... 494 

7.1. Особенности лазерного разделения материалов....................................................  494 

7.2. Технология лазерной резки неметаллических материалов...................................  501 
7.3. Лазерная обработка хрупких материалов...............................................................  511 

7.4. Технология газолазерной резки металлических материалов................................  523 

Г л а в а  8. Лазерная размерная обработка ........................................................ 549 

8.1. Лазерная маркировка и гравировка.........................................................................  549 
8.2. Лазерная обработка отверстий ................................................................................  554 

Г л а в а  9. Лазерное оборудование и технологические комплексы.............. 583 

9.1. Специализированные комплексы............................................................................  584 
9.2. Универсальные лазерные комплексы (УЛК) .........................................................  586 

9.3. Комбинированные системы.....................................................................................  599 

Ч А С Т Ь  III  

ЛАЗЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ   
В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ И ПЕРСПЕКТИВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ 
ЛАЗЕРНОЙ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ 

Г л а в а  10. Лазерные технологии в микроэлектронике................................. 603 

10.1. Лазерный отжиг, рекристаллизация  и легирование полупроводников ............  603 
10.2. Лазерное нанесение тонких пленок и изменение химического состава по
верхностных слоев деталей электронных приборов.............................................  608 
10.3. Лазерная обработка пленочных материалов ........................................................  614 

Г л а в а  11. Перспективные направления технологий  лазерной  обра
ботки..................................................................................................................... 627 

Оглавление 
———————————————————————————————————————— 

 

6 

11.1. Методы быстрого прототипирования с использованием  лазерного  излу
чения .......................................................................................................................... 627 

11.2. Лазерная динамическая балансировка деталей..................................................... 640 
11.3. Интенсификация механической обработки с использованием лазерного из
лучения ...................................................................................................................... 644 
11.4. Лазерная ударная обработка материалов .............................................................. 646 

11.5. Лазерная технология создания  объемных изображений в стекле...................... 652 
11.6. Лазерная пайка металла с керамикой .................................................................... 656 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................................................................................ 661 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ....................................................................................... 662 
 

 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

Едва ли учредители Нобелевского премиального фонда могли прогнозировать 
столь стремительный прогресс квантовой электроники в XX веке, приведший к 
созданию лазеров. Вряд ли профессора Н.Г. Басов, А.М. Прохоров и Ч. Таунс в 
момент получения Нобелевской премии в 1964 г. могли предусмотреть все возможные конструкции лазеров и сферы применения лазерной техники. 
Высокая концентрация энергии лазерного излучения предопределяет значительную интенсификацию процессов обработки материалов наряду с принципиально новыми результатами. На основе последних достижений физики и техники в последние годы созданы новые типы мощных технологических лазеров с 
существенно более высокой энергетической эффективностью, обеспечивающей 
значительный прогресс в развитии технологических процессов лазерной обработки. В нашей стране и за рубежом выполнен большой объем исследований по 
применению лазеров при обработке материалов, сформированы основные научные направления и созданы условия для широкого использования лазеров в промышленном производстве. 
По инициативе и под руководством академика Г.А. Николаева в МВТУ 
им. Н.Э. Баумана начиная с 1978 г. стали систематически проводить научные исследования по применению мощного лазерного излучения для обработки материалов и изучению происходящих в них при этом физических процессов. 
В 1981 г. в МВТУ им. Н.Э. Баумана была создана первая в стране кафедра 
«Оборудование и технология лазерной обработки». В работах кафедры реализован комплексный подход к изучению и решению современных проблем лазерных технологий — от создания теоретических основ до разработки технологических процессов лазерной сварки, резки, наплавки, поверхностной обработки, 
прошивки отверстий, микротехнологий обработки, стереолитографии и других 
видов лазерной обработки. Сотрудниками кафедры был выполнен большой объем научно-исследовательских работ, многие из которых были приоритетными в 
нашей стране и за рубежом. Опубликовано множество статей, получены сотни 
авторских свидетельств и патентов, выпущен ряд монографий, сборников трудов 
и учебных пособий. 
Накопленный научный потенциал знаний позволил уже в 1984 г. открыть на 
кафедре первую в стране новую учебную специальность «Оборудование и технология лазерной обработки» (050307), а в 1988 г. на ее базе — специальность 
«Машины и технология высокоэффективных процессов обработки» (150700). 
Были разработаны учебные планы, программы, изданы учебники, учебные посо

Предисловие 
———————————————————————————————————————— 

 

8 

бия, необходимый методический материал, подготовлен полный комплекс лабораторного оборудования. 
Методические основы учебного процесса были апробированы в течение ряда лет при обучении студентов и переподготовке ученых кадров. С 1981 г. организована подготовка и выпуск инженеров и переподготовка инженерных кадров 
по специальности «Лазерная техника и технология», проведены ставшие традиционными школы «Актуальные проблемы развития лазерной техники и технологии» для молодых ученых и инженеров всей страны. 
Настоящее учебное пособие «Технологические процессы лазерной обработки» создано на основе синтеза научных знаний и многолетнего учебно-методического опыта обучения студентов. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

ВВЕДЕНИЕ 

Издание учебной литературы по лазерной технике и технологии становится традицией кафедры «Лазерные технологии в машиностроении» МГТУ 
им. Н.Э. Баумана. В 1987–1989 гг. издательством «Высшая школа» под редакцией профессора А.Г. Григорьянца была выпущена серия учебных пособий  
«Лазерная техника и технология», состоящая из семи книг. В них был последовательно рассмотрен основной комплекс сведений, необходимых будущим специалистам для разработки технологических процессов. 
Наука о лазерах и лазерной технологии является бурно развивающейся областью знаний. В последние годы сделаны открытия принципиально новых типов 
лазеров, обладающих высоким коэффициентом полезного действия, простых и 
удобных в эксплуатации, обеспечивающих высокую надежность и, таким образом, весьма пригодных для применения в различных отраслях промышленности. 
В результате этого существенно расширился диапазон выполняемых функций 
лазерной техники. Наряду с увеличением производительности и качества традиционных лазерных технологических процессов обработки были разработаны 
новые процессы, обеспечивающие общий прогресс развития теории и практики 
в технологии машиностроения. Возникла потребность в обобщении последних 
достижений лазерной техники и технологии для подготовки современных высококвалифицированных специалистов. 
Настоящая книга представляет собой учебное пособие по основополагающему курсу специальности 150700 «Технологические процессы лазерной обработки», в котором представлены современные проблемы лазерной технологии — 
от разработки теоретических основ до формирования практических рекомендаций по эффективному использованию лазерного излучения, а также созданию 
технологических процессов лазерной обработки и соответствующей лазерной 
техники. 
В части I учебного пособия даны теоретические основы лазерной обработки, 
являющиеся базой для разработки технологических процессов. Изложены принципы работы и конструкции основных разновидностей технологических лазеров. Наибольшее применение в лазерной обработке находят газовые лазеры, 
среди них в первую очередь СО2-лазеры и твердотельные лазеры, как ламповые, 
так и диодные. Однако следует отметить, что в последние годы активно развиваются весьма перспективные волоконные лазеры, энергетическая эффективность которых достигает 50 %, что значительно выше, чем в твердотельных 
ламповых лазерах и СО2-лазерах. Широкое развитие волоконных лазеров в бли

Введение 
———————————————————————————————————————— 

 

10

жайшие годы может обеспечить значительное возрастание удельного веса лазерной обработки в промышленности. Рассмотрены физические явления при 
взаимодействии лазерного излучения с различными материалами. Большое внимание уделено обобщению энергетических параметров при воздействии лазеров 
с различными длинами волн излучения на металлы и неметаллические материалы. Представлены особенности плазменных процессов, возникающих при взаимодействии высококонцентрированного лазерного излучения с газами и парами 
металлов. На этой основе показаны условия повышения эффективности лазерной 
обработки. Обобщены аналитические и численные методы расчета тепловых 
процессов, которые являются базовыми для выбора режимов лазерной обработки. 
Вопросы точности изготовления деталей и узлов конструкций в значительной 
степени определяются термодеформационными процессами и превращениями в металлах при воздействии лазерного излучения, анализу которых уделено 
достаточное внимание. Для получения качественного результата в процессе 
лазерной обработки следует достигать высоких показателей технологической 
прочности материалов, обеспечивающих отсутствие дефектов и разрушений. 
В части II учебного пособия представлены технологии лазерной термической, химико-термической обработки, легирования, оплавления, наплавки, сварки, резки и других видов лазерной обработки. Технологические процессы изложены в конкретной постановке с указанием оптимальных условий и параметров 
режимов, оригинальных способов обработки, с анализом преимуществ и рекомендациями по применению в производственных условиях. Рассмотрены многочисленные результаты лазерной обработки разнообразных сталей, чугунов, 
алюминиевых, медных, никелевых и титановых сплавов, керамических, композиционных и других современных материалов. 
В части III учебного пособия рассмотрены особенности лазерных технологических процессов в микроэлектронике, определяющих подходы к нанотехнологиям в современном производстве. Большое значение придается перспективным направлениям лазерной обработки. Показано, что наряду с увеличением 
производительности процесса и качества обработки достигаются принципиально 
новые результаты, обеспечивающие новые подходы к реализации технологии 
изготовления современных деталей и конструкций. 
Основная часть материала, представленного в этом учебном пособии, получена в результате научных исследований, выполненных авторами и коллективом 
исследователей под руководством авторов на кафедре «Лазерные технологии в 
машиностроении» Московского государственного технического университета 
им. Н.Э. Баумана. Большое внимание при подготовке учебного пособия уделялось обобщению комплекса разработок в области лазерной технологии, выполненных ведущими коллективами России и других стран мира. 
Учебный курс «Технологические процессы лазерной обработки» является 
базовым при подготовке инженеров, читается студентам уже более 20 лет, постоянно совершенствуется и дополняется информацией о последних достижениях в лазерной технологии. 

Введение 
———————————————————————————————————— 

 

11 

Данное учебное пособие предназначено для подготовки студентов по специальности «Машины и технология высокоэффективных процессов обработки» 
(150700), для подготовки и повышения квалификации инженеров — специалистов по металловедению и термообработке, сварке и другим специальностям, 
связанным с современными технологическими процессами обработки материалов высокоэффективными потоками энергии. 
Содержание учебного пособия «Технологические процессы лазерной обработки» представляет собой выражение современного уровня знаний и достижений в лазерной технологии.  

 

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ 

АРДС — аргонодуговая сварка 
ГАП — гибкое автоматизированное производство 
ГПС — гибкие производственные системы 
ЖФПК — жидкие фоточувствительные полимерные композиции 
ЗЛВ — зона лазерного воздействия 
ЗМВ — зона механического влияния 
ЗТВ — зона термического воздействия 
ЛДО — СО2-лазер с диффузионным охлаждением 
ЛПМ — лазеры на парах меди 
ЛТК — лазерный технологический комплекс 
ЛТУ — лазерная технологическая установка 
МИО — многоимпульсная обработка материала 
МКМ — металлические композиционные материалы 
МКР — метод конечных разностей 
МКС — металлокерамическое соединение 
МКУ — металлокерамический узел 
ПНУ — плоскость наилучшей установки 
ПЭВ — поверхностные электромагнитные волны 
СЛТК — специализированный лазерный технологический комплекс 
СОЖ — смазочно-охлаждающая жидкость 
ТВ — тепловой взрыв 
ТИХ — температурный интервал хрупкости 
УЛК — универсальные лазерные комплексы 
УТР — управляемое термораскалывание 
ШВП — шариковинтовая пара 
ЭЛС — электронно-лучевая сварка 

 

ЧАСТЬ I 

 
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЛАЗЕРНОЙ ОБРАБОТКИ 

Глава 1  
ЛАЗЕРНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ  
ДЛЯ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ 

1.1. Перспективы развития  
лазерной техники и технологии 

Развитие современного производства обуславливает все возрастающее  
внедрение наукоемких технологий. К ним относится лазерная обработка материалов. Такая обработка является одной из технологий, которые определяют современный уровень производства в промышленно развитых странах. Использование лазерной обработки материалов позволяет обеспечить высокое качество 
получаемых изделий, заданную производительность процессов, экологическую 
чистоту, а также экономию людских и материальных ресурсов. 
В настоящее время применение лазерных технологий в машиностроительном производстве чрезвычайно разнообразно. К числу таких технологий относятся сварка, термоупрочнение, легирование, наплавка, резка, размерная обработка, маркировка, гравировка, прецизионная микросварка и многие другие. В 
некоторых случаях лучевые технологии находятся вне конкуренции, так как с 
помощью лазеров можно получить технические и экономические результаты, 
которых нельзя достичь другими техническими средствами. 
Спектр оборудования, используемого для лазерной обработки материалов, 
чрезвычайно широк. Большинство производителей поставляют на рынок не отдельные технологические лазеры, а лазерные технологические комплексы. В них 
имеются устройства внешней оптики, управляемые столы, манипуляторы, роботы для перемещения изделия во время обработки, а также программное обеспечение, необходимое для реализации конкретной технологии. 
Среди лазерных источников, используемых для обработки материалов, наиболее широкое распространение получили высокомощные СО2-лазеры. Такие 
лазеры, мощность которых достигает 20 кВт, на сегодняшний день составляют 
абсолютное большинство среди установок, применяемых для резки, сварки и 
термообработки. Их серийно выпускают в Европе, США, Японии и в России. 
Основным направлением развития и совершенствования лазеров этого типа является повышение их надежности и экономичности. 

Глава 1. Лазерное оборудование для обработки материалов 
———————————————————————————————————————— 

 

14

В настоящее время большое внимание уделяют технологиям гибридной лазерно-дуговой сварки, когда излучение CO2-лазера комбинируется с воздействием сварочной электрической дуги с плавящимся либо с неплавящимся электродом. Этот метод находит применение в автомобильной и судостроительной 
промышленности. Целый ряд таких широко известных фирм, как MesserGresheim, Weldaix и SAAB, серийно производят сварочные головки и другое 
технологическое оборудование для гибридной сварки. 
Высокими темпами растет производство твердотельных лазеров (рис. 1.1). 
Они превосходят газовые по технологичности, экономичности, массе и габаритным размерам. Их существенным технологическим преимуществом является 
возможность применения для передачи излучения гибким световодом. Благодаря этому были созданы роботизированные лазерные технологические комплексы 
(ЛТК), используемые для резки и сварки корпусных элементов сложной  
пространственной конфигурации. Конкурентоспособность твердотельных лазеров особенно резко повысилась после начала применения лазеров с диодной накачкой. Хотя эти лазеры дороже твердотельных с ламповой накачкой, они значительно экономичнее и надежнее. Наряду с указанными, в последнее время 
были разработаны лазеры на дисковых активных элементах, обеспечивающие 
высокое качество излучения. 

 

Рис. 1.1. Распределение мирового рынка недиодных лазеров по типам