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