Technika, 1986 (30. évfolyam, 1-12. szám)

1986-07-01 / 7. szám

A fejlett tőkés országok gyárai 1984- ben ipari alkalmazási célokra mintegy 1700 lézert vásároltak. A következőkben ennek évi 20 ... 25%-os növekedését prog­nosztizálják. Az egyéb — ipari célú — eszközökhöz képest a lézerek három jellemzőben kü­lönböznek: egyrészt képesek nagy ener­giasűrűséget a lézersugár átmérőjének megfelelő kis helyre igen rövid idő alatt koncentrálni, másrészt ez az energia fény­vezetők vagy egyéb optikai rendszerek (lencsék, tükrök) segítségével kis veszte­séggel továbbítható, végül a lézerek a már meglevő gyártósorokba aránylag könnyen beiktathatók. Ipari alkalmazásra ma három lézertí­pus jöhet szóba. A CO>-lézerek általában folyamatosan az infravörös tartomány­ban, a neodym-YAG (Yttrium-Alumí­nium Garnet) lézerek néhányszor 10­3 má­sodperc periodicitással a látható és az infravörös határa körüli tartományban, végül az excimer lézerek néhányszor 10 s másodperc periodicitással az ultra­ibolya tartományban sugároznak. Az excimer lézerek azon alapulnak, hogy a nemesgázok és a halogén gázok atomjai gerjesztett állapotban pl. argon­­fluorid vagy xenon-klorid molekulákat alkothatnak, ezek azonban csak nagyon rövid élettartamúak. A gerjesztett álla­potból az alapállapotba visszatéréskor a molekulák meghatározott energiájú foton kisugárzásával ismét atomokra bomlanak. Ezt a jelenséget szovjet kutatók fedezték fel 1972-ben. Az említett két típushoz ké­pest a viszonylag késői felfedezés magya­rázza, hogy az ipar által 1984-ben vásá­rolt lézerek kb. 56%-a CO-2-lézer, mint­egy 44% YAG-lézer, és csak kb. 0,4% az excimer lézer. Vágás, lyukasztás hegesztés A lézerek anyagok vágására, lyukasz­tására történő felhasználása ismert. Lé­nyeges jellemzője a nagy pontosság és sebesség. Néhány jellemző adat: egy 500 W-os C02-lézer 1 mm vastag vaslemezt közel 6 m/s sebességgel, és még egy 6 mm vastag lemezt is 0,5 m s sebességgel vág. Egy 7 ... 8 mm vastag titánötvözet-lemez 6 m/s sebességű vágáshoz 5 kW-os lé­zert használnak. Rossz fényvisszaverő ké­pességű és rossz hővezető anyagok (papír, szövet, bőr) esetén kisebb teljesítmények is elegendőek, és a lézer több réteg egy­idejű vágására is használható. A lézeres lyukasztás különösen jól használható kemény, rideg, törékeny anyagok kis átmérőjű furatozására. A lézersugár az anyagba ütközéskor erős lokális felmelegedést hoz létre, így jól használható precíz hegesztésre. A lé­zersugár kb. 106 W cm­ teljesítménysű­rűséget képes bizt­osítani, ez nagyjából százszorosa az ívhegesztéskor fellépő tel­jesítménysűrűségnek. A nagy pontossággal kis helyre kon­centrálás eredményeképpen a varrat kör­nyezetében kisebb a hőhatás miatti de­formáció, és csökkennek a hőhatás egyéb káros következményei (pl. mechanikai fe­szültség) is. Ez nagy előny pl. elektroni­kus elemek gyártásakor. Egy tipikus pél­da: 1 kW teljesítményű CO3-lézer 1 mm vastag rozsdamentes (inox) lemezt 6 m/min sebességgel hegeszt. Felületkezelés Lézersugaras rendszerekkel a felmele­­gítendő felületrész és rétegvastagság nagy pontossággal szabályozható, ezért a léze­rek különféle felületkezelési eljárásokra alkalmasak. Felületi edzéskor pl. a besugárzott fe­lület és rétegvastagság olyan kicsi lehet, hogy a környezetében levő anyagrész gyors hűtőhatása elegendő az edzési fo­lyamathoz. Ábránkon egy folyamatos mű­ködésű CO2-lézeres felületi edzés látható olyan felületen, amely más módszerekkel nehezen hozzáférhető. Az edzés után sem­milyen utókezelésre nincs szükség. Lézerek és mikroelektronika Fémfelületek vékony idegen anyagok­kal történő bevonásakor az erős helyi fel­­melegedés hatására a két anyag között atomi interdiffúzió lép fel, ez az idegen anyagréteg tapadását jelentősen fokozza. Lehetséges előre meghatározott tulajdon­ságú bevonatokat, illetve rétegeket készí­teni úgy, hogy az eredeti anyag felületi rétegének lézersugaras megolvasztásával az idegen anyagok a megolvasztott ré­teggel keveredve különleges összetételű bevonatot, illetve réteget képeznek. Itt már átlépünk a mikroelektronikai alkat­részek lézersugaras gyártásának kérdés­körébe. X.ezer­es eljárással lehetséges félvezető anyagokba pl. szilíciumba pontszerűen idegen anyagot implantálni (beültetni) úgy, hogy a lézersugár az alaplemezt na­gyon kis felületen megolvasztja, az ide­gen anyag csak a megolvasztás helyén implantálódik. Az azt követő nagyon gyors lehűtés során az alapanyag rekrisz­­tallizálódik, így az idegen anyag koncent­ráltan, „pontszerűen” helyezkedik el. A szokásos kexnencés módszerekkel ez csak megközelíthető, mert a rekrisztallizációs folyamat a módszer természetéből követ­kezően lassúbb. További, egyelőre laboratóriumi szintű megoldás vékonyrétegek kémiai átalakí­tása lézersugárral. A besugárzott felület nagyon gyorsan felmelegszik, és a kémiai reakció folyékony fázisban gyorsan vég­bemegy. Így állítottak elő pl. CdTe vagy CuInSe2 szintetikus félvezetőket, vagy Cu20 és SnO oxidokat. Lézersugárral a gáz­ folyadék kölcsön­hatásában részt vevő molekulák jellem­zői módosíthatók, ezzel a reakcióképesség a besugárzott részen megváltozik, vagy megfelelően választott anyagok esetén a molekulák a besugárzás helyén elbontha­tók. Ezeknek az eljárásoknak a gyakorla­ti alkalmazására példa szilíciumlemezek mikrogravírozása, vagy ezeken rendkívül vékony rétegek kialakítása stb. Az eljá­rással rendkívül kisméretű vezető érint­kezők valósíthatók meg, a mikroáramkö­­rök a lézersugár hullámhosszának meg­felelő pontossággal javíthatók vagy mó­dosíthatók. Excimer lézerrel 1 mikromé­ternél kisebb pontosságot remélnek elérni. Bizonyos szerves anyagokban a lézer­sugár a célpontig a közbenső részek fel­­melegítése nélkül terjed. Nem említve most ennek a gyógyászati felhasználási lehetőségeit, ezzel az eljárással a mikro­elektronikában olyan maszkok készíthe­tők, amelyeknek a vonalak vastagsága 0,2 ... 0,3 mikrométer lehet. Korlátok és kilátások A lézerek ipari alkalmazásának egyik érdekes oldala az, hogy az ipari alkal­mazás megelőzte a lézersugár és az anyag közötti hatás mechanizmusának teljes is­meretét. Ennek egyik oka az, hogy ez a hatásmechanizmus eddig külön művelt sokféle résztudomány (mint pl. az optikai elnyelés, fázisátmenetek termodinamiká­ja, hődiffúzió, anyagok egyensúlyi álla­poton kívüli viselkedése) komplex ered­ményeiből adódna. Másik kérdés a lézeres ipari rendszerek hatásfoka. Ez két tényezőből adódik, egy­részt magának a lézernek a hatásfoká­ból, másrészt a lézer által végzett techno­lógiai eljárás hatásfokából. A C02-léze­­rek tényleges hatásfoka a legjobb esetben csak 15 ... 20%. Egy tipikus 1 kW-os C02- lézer összes elektromos fogyasztása pe­dig közel 20 kW. A másik tényező a lé­zersugár és az anyag kölcsönhatásakor fellépő hatásfok. A tiszta fémes alumí­nium pl. a látható sugárzás kb. 92%-át, az infravörös sugárzás 98%-át visszaveri, ez tehát elveszne. Mindezek alapján, fi­gyelembe véve a teljes rendszer működ­tetéséhez szükséges segédberendezéseket, az összhatásfok 10­3 nagyságrendű lenne, vagyis a megmunkálandó anyagban tény­legesen ható teljesítmény az elektromos hálózatból felvett összes teljesítménynek kb. ezredrésze. Magában a lézerrendszerben a felvett és leadott teljesítmény közötti különbség legnagyobb hányadát a hűtéssel eltávozó energia teszi ki. A hűtés azért lényeges, mert a hőmérséklet növekedése esetén csökken az alacsonyabb energiaállapotba leszálló molekulák aránya, tehát csökken a lézersugár teljesítménye. A hűtővízzel távozó energia egy részét fel lehet hasz­nálni pl. a munkadarab felmelegítésére, ha az technológiailag szükséges, de talá­lóan mondják egyes szakértők, hogy egy lézer kétségtelenül a legjobb eszközök egyike központi fűtés céljára. Ezen a problémán némileg segít a fény­vezető kábel úgy, hogy szóba jöhet egyet­len lézer többszörös kihasználása. Egy 20 kW-os lézer sugárzását pl. 20 résznyaláb­ra osztva és ezeket különböző munkahe­lyeken felhasználva, a költségek biztosan kisebbek lennének, mint 20 különálló, egyenként 1 kW-os lézer beruházási és üzemeltetési költségei. A lézersugár és az anyag kölcsönhatá­sakor fellépő reflexiós veszteségüket csökkenteni lehet tükröző felületű anya­gok, (alumínium, ezüst, réz stb.) esetén azok kisebb reflexiójú anyagokkal tör­ténő bevonásával, és a reflektált sugár­zásnak megfelelő tükörrendszer útján történő összegyűjtésével és ismételt fel­­használásával. Úgy tűnik, hogy a folyamatos működé­sű CO2-lézer konkurenseként megjelenik az ennél jobb hatásfokú, ugyancsak fo­lyamatos működésű, és az infravörös tar­tományban sugárzó NHI gázlézer. Ennél sokkal nagyobb erővel folynak a kutatá­sok az egyre rövidebb hullámhosszúságú, az ultraibolya, sőt a röntgensugarak tar­tományában sugárzó lézerek irányában. Ilyen célúak a szabad elektronos lézerek. Ezek speciális technikával (undulátorok) mágneses térben mozgó szabad elektro­nok által keltett sugárzás felharmoniku­sait adják koherens sugárzásként. Eddig azzal sikerült bizonyítani a módszer élet­­képességét, hogy a neodym-YAG lézer­sugár 1,004 mikrométeres sugárzásával gerjesztett rendszerben a harmadik har­monikusnak megfelelő 0,355 mikrométer koherens sugarat kaptak. Ez már az ult­raibolya tartományba esik ugyan­, de az excimer lézer hullámhossza ennél rövi­debb. Azt remélik, hogy a folyamat ,„sor­­bakapcsolásával” egyre rövidebb hullám­hosszakat lehet elérni. A széles körű ipari alkalmazást a rendszer nagy berendezés­­igénye (lineáris részecskegyorsító, tároló­gyűrűk stb.) valószínűleg még hosszabb ideig akadályozni fogja. A röntgensugaras lézer egyelőre elmé­let, a realizálásnak még a lehetőségét sem próbálták ki. Az oka eléggé kézen­fekvő: a röntgen­sugaras lézer pumpáló energiaforrása nukleáris reakció lehetne, vagyis a rendszer egyszeri működésekor önmagát semmisíti meg. Ipari szempontból ezek a törekvések azért lényegesek, mert elvileg lehetséges például, hogy a mikroelektronikai alkat­részek elemeit a felhasznált lézersugár hullámhosszának megfelelő méretekben alakítsák ki. A gravírozáshoz használt lé­zersugár hullámhosszának egy nagyság­renddel történő csökkentése tehát elvi­leg a mikroelektronikai elemek ugyan­ilyen nagyságrendű sűrítését tenné lehe­tővé. Nádor Lajos Ipari lézerek Csavarmenet felületi edzése C02-lézerrel CNC oktatóprogram Szakiskolák és üzemi oktató­részlegek munkájának megkön­­­nyítésére a Siemens cég CNC programozó szoftvert fejlesztett ki, amely megfelel a DIN 66­025 szabványban előírt követelmé­nyeknek. A Sigraph—CNC—DIN oktatóprogram számítógépen is futatható, és alkalmas arra, hogy a szerszámgép működését a kép­ernyőn szimulálja. A CNC alapismereteket szöveg és kép segítségével párbeszédes üzemmódban lehet elsajátítani. A tanuló azonnal látja beavatkozá­sának eredményét anélkül, hogy hibás utasítás következtében szer­szám vagy géptörés következne be. Az ábra WS 10 számítógépes munkahelyet mutat be az oktató­­program használata közben. TECHNIKA 1986/7. Turbinagyártás csúcsfogyasztásra A csúcsfogyasztások terhelései­ teljesítménytartalékolást tesz­re készülnek a 150 megawattos gázturbináik a leningrádi fémsze­­rel­vén­y gyárban. Ezek a turbinák alig több mint fél óra alatt érik el teljes teljesítményüket. A Szovjetunióban az ipar és a mezőgazdaság energiaellátottsá­gának jelentős növekedése, a ház­tartási villamosberendezések szá­mának ugrásszerű megnövekedé­se egyenetlenebbé tette a napi energiafelhasználást. Ez jelentős szükségessé az erőművekben. A vi­llamosenergia-termelés és -felhasználás kiegyenlítése érde­kében a Szovjetunióban hidroak­­kumuláló erőművek és úgyneve­zett manőverező gázberendezések építési programja van folyamat­ban. Ez utóbbiak fő előnye a vi­szonylag kis előállítási költség. A korábban gyártott 100 mega­wattos gázturbinákkal szemben az új gépekre a kisebb anyag­igény és a jobb hatásfok a jellem­ző. 19

Next