Лазерные технологии

Н.Н. ЕВТИХИЕВ  
О.Ф. ОЧИН  
И.А. БЕГУНОВ

ЛАЗЕРНЫЕ 
ТЕХНОЛОГИИ

Ð å ö å í ç å í ò û:

çàâåäóþùèé êàôåäðîé
«Ëàçåðíûå òåõíîëîãèè â ìàøèíîñòðîåíèè»
ÌÃÒÓ èì. Í.Ý. Áàóìàíà, ä.ò.í.,
ïðîôåññîð À.Ã. Ãðèãîðüÿíö;

ïðîôåññîð êàôåäðû îïòèêî-ýëåêòðîííûõ ïðèáîðîâ è ñèñòåì
Ôèçèêî-òåõíîëîãè÷åñêîãî èíñòèòóòà ÐÒÓ ÌÈÐÝÀ,
ä.õ.í. À.À. Åâäîêèìîâ

Í.Í. Åâòèõèåâ, Î.Ô. Î÷èí, È.À. Áåãóíîâ
Ëàçåðíûå òåõíîëîãèè: Ó÷åáíîå ïîñîáèå / Í.Í. Åâòèõèåâ,
Î.Ô. Î÷èí, È.À. Áåãóíîâ – Äîëãîïðóäíûé: Èçäàòåëüñêèé
Äîì «Èíòåëëåêò», 2020. – 240 ñ., öâ. èëë.

ISBN 978-5-91559-281-9

Âîëîêîííûå ëàçåðû - ñåãîäíÿ ñàìûé ðàñïðîñòðàíåííûé â ìèðå
êëàññ òåõíîëîãè÷åñêèõ ëàçåðîâ, êîòîðûìè îñíàùàþòñÿ ëàçåðíûå òåõíîëîãè÷åñêèå êîìïëåêñû, èñïîëüçóåìûå â ìàøèíîñòðîåíèè (àâòîìîáèëüíîé, ñóäîñòðîèòåëüíîé, àâèàöèîííîé, ñòàíêîñòðîèòåëüíîé ïðîìûøëåííîñòè), â ïðèáîðîñòðîåíèè, ìåäèöèíå, íåôòåãàçîâîé, õèìè÷åñêîé ïðîìûøëåííîñòè è äðóãèõ ñåêòîðàõ ýêîíîìèêè.
Ëàçåðíîå èçëó÷åíèå - èñòî÷íèê âûñîêîêîíöåíòðèðîâàííîé
õîðîøî óïðàâëÿåìîé ýíåðãèè, ñïîñîáíîé ýôôåêòèâíî âîçäåéñòâîâàòü íà ìàòåðèàëû, îáåñïå÷èâàÿ ðåàëèçàöèþ êàê àääèòèâíûõ, òàê
è ñóáòðàêòèâíûõ òåõíîëîãèé ðåçêè, ñâàðêè, íàïëàâêè, ïîâåðõíîñòíîé îáðàáîòêè ìåòàëëîâ è ñïëàâîâ.
Ïîñîáèå ïðèçâàíî ñôîðìèðîâàòü áàçîâûå êîìïåòåíöèè ó ñïåöèàëèñòîâ, ñâÿçàííûõ ñ ïðèìåíåíèåì ëàçåðíûõ òåõíîëîãèé â
ðàçíûõ ñåêòîðàõ ýêîíîìèêè.  ïåðâóþ î÷åðåäü ìîæåò áûòü àäðåñîâàíî ñòóäåíòàì ñðåäíèõ ñïåöèàëüíûõ ó÷åáíûõ çàâåäåíèé òåõíè÷åñêèõ ëèöååâ, òåõíèêóìîâ, êîëëåäæåé, à òàêæå ñòóäåíòàì
îáùåèíæåíåðíûõ íàïðàâëåíèé óíèâåðñèòåòîâ, çàèíòåðåñîâàííûì â îáçîðíîì îçíàêîìëåíèè ñ ñîâðåìåííûìè òåõíîëîãèÿìè
ëàçåðíîé îáðàáîòêè ìàòåðèàëîâ.

ÓÄÊ 621.373.8
ÁÁÊ 32.86

© 2020, Í.Í. Åâòèõèåâ,
Î.Ô. Î÷èí, È.À. Áåãóíîâ
© 2020, ÎÎÎ Èçäàòåëüñêèé Äîì
«Èíòåëëåêò», îðèãèíàë-ìàêåò,
îôîðìëåíèå

ISBN 978-5-91559-281-9

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 
6

Глава 1. Параметры лазерного излучения   . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 
11

1.1. Генерация лазерного излучения 
в волоконных лазерах  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 
11
1.2. Волновые и энергетические характеристики лазерного 
излучения  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 
19
1.3. Качество луча лазера . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 
29
1.4. Режимы генерации лазерного излучения  . . . . . . . . . . . . . . . . 
31
1.5. Выводы  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 
37

Глава 2. Взаимодействие лазерного излучения с металлами. . . . . . . . . . 
39

2.1. Структура металлов и механизм поглощения металлами 
лазерного излучения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 
39
2.2. Влияние лазерного излучения 
на физико-химические свойства материала . . . . . . . . . . . . . . 
42
2.3. Выводы  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 
45

Глава 3. Лазерная резка металлов  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 
47

3.1. Особенности резки металлов непрерывным лазерным 
излучением  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 
51
3.2. Особенности резки металлов импульсным лазерным 
излучением  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 
56
3.3. Газолазерная резка металлов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 
57
3.4. Оценка качества лазерной резки металлов  . . . . . . . . . . . . . . . 
59
3.5. Лазерные головы для резки металлов. Примеры  . . . . . . . . . . 
62
3.6. Лазерные технологические комплексы 
для резки металлов. 
Примеры (2D- и 3D-резки)  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 
65
3.7. Управляющие воздействия 
и рекомендации по выбору режимов лазерной резки . . . . . . 
70
3.8. Выводы  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 
75

Оглавление

Глава 4. Лазерная сварка металлов  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 
77

4.1. Особенности сварки металлов непрерывным 
лазерным излучением . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 
79
4.1.1. Лазерная сварка с кинжальным проплавлением . . . . 
81
4.1.2. Лазерная сварка с присадочной проволокой  . . . . . . . 
85
4.1.3. Гибридная сварка  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 
89
4.1.4. Комбинированная сварка  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 
91
4.2. Оценка качества сварного соединения  . . . . . . . . . . . . . . . . . . 
96
4.3. Лазерные головы для сварки металлов. Примеры . . . . . . . . . 
99
4.4. Лазерные технологические комплексы 
для сварки металлов. Примеры (2D- и 3D-сварка, 
клещевая, орбитальная)  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
4.5. Управляющие воздействия и рекомендации по выбору 
режимов лазерной сварки  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
4.5.1. Кинжальное проплавление  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
4.5.2. Импульсный режим сварки. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
4.5.3. Практические советы по лазерной сварке  . . . . . . . . . 125
4.6. Выводы  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127

Глава 5. Лазерная наплавка металлов  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129

5.1. Основные методы лазерной наплавки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
5.2. Структура композиционных порошков. . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
5.3. Свойства и архитектура построения 
поверхностных слоев при лазерной наплавке 
композиционными порошками  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
5.4. Технологические ресурсы лазерной наплавки . . . . . . . . . . . . 139
5.5. Универсальные и специализированные лазерные 
технологические комплексы наплавки  . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
5.6. Выводы  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149

Глава 6. Аддитивные технологии  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151

6.1. Схемы реализации аддитивных технологий  . . . . . . . . . . . . . . 152
6.2. Аддитивные технологии. Лазерные технологические 
комплексы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
6.2.1. Лазерные технологические комплексы, 
реализующие технологию 
стереолитографии — SLA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
6.2.2. Лазерные технологические комплексы, 
реализующие технологию PBF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
6.2.3. Лазерные комплексы, реализующие 
SLS-технологии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
6.2.4. Лазерные комплексы, реализующие 
DMD-технологии  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169

Оглавление

6.2.5. Технологические комплексы, реализующие 
FDM-технологии. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
6.3. Выводы  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173

Глава 7. Лазерные технологии в медицине  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175

7.1. Особенности взаимодействия лазерного излучения 
с биологическими тканями  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
7.2. Примеры лазерных технологии в медицине . . . . . . . . . . . . . . 185
7.2.1. Лазерные технологии в офтальмологии  . . . . . . . . . . . 185
7.2.2. Лазерные технологии в стоматологии . . . . . . . . . . . . . 191
7.2.3. Лапароскопическая хирургия 
с применением лазерной техники  . . . . . . . . . . . . . . . . 197 
7.3. Выводы  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202

Глава 8. Лазерные технологии поверхностной 
обработки материалов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204

8.1. Взаимодействие импульсного излучения с металлами . . . . . 206
8.2. Лазерная маркировка  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
8.3. Лазерная гравировка . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
8.4.  Лазерное термоупрочнение поверхностного слоя   . . . . . . . . 216
8.4.1. Локальное поверхностное термическое 
упрочнение. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
8.4.2. Лазерный отжиг. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
8.4.3. Лазерный отпуск  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224
8.4.4. Лазерная термообработка для снижения уровня 
остаточных напряжений  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
8.5. Выводы  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229

Заключение. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231

Литература  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233

ПРЕДИСЛОВИЕ

Если проанализировать лазерные технологические комплексы, ежегодно представляемые компаниями со 
всего мира на международной выставке «Металлообработка» 
в Москве, то мы поймем, что не менее 90% этих комплексов 
используют волоконные лазеры.
И это не случайно.
Современные волоконные лазеры, по сравнению с другими, 
более компактны, имеют крайне широкий спектр параметров, 
могут работать в условиях реального производства, не требуют 
постоянного обслуживания и, что самое главное, высоконадежны — наработка на отказ превышает 20 тысяч часов.
Именно такие лазеры, а следовательно, и лазерные комплексы на их основе могут работать практически круглосуточно, 
что позволяет достаточно быстро окупить затраты на их приобретение.
Следует заметить, что доля лазерных комплексов на выставке 
«Металлообработка» постоянно увеличивается на фоне представляемых самых современных традиционных станков для 
металлообработки (раскройных, токарных, фрезерных, комплексных — обрабатывающих центров и др.). Это объясняется 
несколькими причинами:
 −
Чрезвычайно широким списком возможностей лазерного 
излучения как инструмента воздействия на обрабатываемый материал.
 −
Возможностью применения лазерного излучения для 
эффективной реализации самых разных технологий 
металлообработки — лазерной резки, лазерной сварки, 

лазерной наплавки, лазерной обработки поверхностей и 
приповерхностного слоя металлов и сплавов.
 −
Безальтернативностью применения лазеров в аддитивных 
технологиях металлообработки.
Кратко раскроем эти особенности, отметив, что форма 
изложения учебных материалов в пособии ориентирована на 
усвоение порой достаточно сложных технических и технологических понятий студентами средних специальных учебных 
заведений — технических лицеев, техникумов, колледжей. При 
этом отметим, что именно выпускники средних специальных 
учебных заведений работают, как правило, операторами лазерных технологических комплексов. Именно они неминуемо 
сталкиваются со сложным взаимодействием трех основных составляющих лазерных комплексов, обсуждаемых на страницах 
данного учебного пособия:
 −
С волоконными лазерами и генерируемым ими лазерным 
излучением, воздействующим на металл. Оператор может 
столкнуться с разными типами волоконных лазеров, 
которыми оснащаются лазерные комплексы (непрерывными, квазинепрерывными, импульсными) и ему придется управлять их параметрами (мощностью лазерного 
излучения, а также частотой следования импульсов и  их 
длительностью при импульсном лазерном излучении). 
Оператору также надо представлять, как происходит 
поглощение лазерного излучения металлами и какие физико-химические свойства металла при этом изменяются. 
Оператор первый из специалистов наблюдает и анализирует отклонение технологического процесса от заданного 
регламента, приводящее к браку последовательно изготавливаемых на данном комплексе изделий. Краткому 
ознакомлению с процессом генерирования требуемого 
по технологии лазерного излучения и взаимодействию 
его с металлами посвящены соответственно 1 и 2 главы 
учебного пособия.
 −
С лазерными технологическими головами — сложными 
технологическими устройствами, призванными управ
Предисловие

лять отдельными параметрами лазерного излучения (например, его фокусировкой и сканированием), подачей 
в рабочую зону сопутствующих лазерному излучению 
технологических сред — активных и защитных газов, 
металлического порошка и пр. Кроме этого лазерные головы могут осна щаться средствами технического зрения 
и контроля за состоянием технологического процесса. 
Примеры конструкции лазерных голов, специализирующихся на реализации технологий резки и сварки металлов приводятся соответственно в главах 3 и 4 пособия.
 −
С кинематикой подвижных частей лазерных комплексов 
(портальными системами или роботами, несущими лазерные технологические головы), а также с подвижной 
интеллектуальной оснасткой [1]. 
 −
Отдельно стоящий и достаточно многочисленный класс 
лазерных технологий направлен на формирование структуры и изменение физико-химических свойств поверхностей и поверхностного слоя металла. На базе этих изменений базируются два класса поверхностных технологий:
 −
Лазерная маркировка и гравировка металлов (самые массовые лазерные технологии).
 −
Лазерные технологии модификации поверхностей и 
поверхностного слоя металла, включающие в себя технологии термоупрочнения (на базе технологий закалки, 
нормализации, отжига и отпуска металла) и технологии 
изменения химического состава приповерхностного слоя 
металла (на базе технологий  их рафинирования и легирования), рассмотренных в главе 8 пособия.
В дополнение в этим двум классам поверхностных технологий следует добавить третий, находящийся в начальной стадии 
развития и направленный на управление технологической 
наследственностью. Это управление предполагает включение 
в традиционный технологический процесс дополнительно 
лазерных технологий модификации приповерхностного слоя, 
обеспечивающих устранение негативной технологической на
Предисловие

следственности, полученной на предыдущих стадиях технологического процесса (например, в процессе формообразования 
заготовок — отливки, механической обработки и пр.) [2].
Мы ранее упоминали безальтернативность применения 
лазеров в аддитивных технологиях металлообработки. Можно 
сказать более - лазерные технологии начинают доминировать не 
только среди аддитивных технологий (смотри главу 6 учебного 
пособия), но и среди определенных классов субтрактивных 
технологий (это видно из примеров, рассмотренных в главах 3, 
4, 5 настоящего пособия). При этом аддитивные технологии, 
относящиеся к классу высокотехнологичных, начинают активно 
замещать субтрактивные технологии, по крайней мере в определенных технологических нишах (например, при изготовлении 
эндопротезов и металлических имплантов). 
Эти аддитивные технологии сегодня эффективно сопрягаются с новым, стремительно развивающимся классом медицинских технологий, краткому обзору которых посвящена глава 7 
учебного пособия.
Надо сделать замечание, что большинство примеров, иллюстрирующих материалы пособия, относятся к разработкам 
отечественной компании НТО «ИРЭ-Полюс», являющейся 
материнской компанией международной лазерной корпорации 
«IPG Photonics». Это не случайно. Авторы данного учебного 
пособия являются сотрудниками этой отечественной компании, а ее основатель и президент международной корпорации 
Валентин Павлович Гапонцев предопределил доминирующее 
положение корпорации на мировом рынке разработки и производства волоконных лазеров (корпорация обеспечивает более 
70% мирового выпуска волоконных лазеров).
В заключение следует отметить, что корпорация кроме производства волоконных лазеров занимается разработкой и производством лазерных технологических комплексов на их основе.
В этом смысле компания вынуждена конкурировать с сотнями международных компаний — интеграторов (производителей лазерных комплексов), которым она поставляет свои 

Предисловие

волоконные лазеры. Одним из примеров лазерных комплексов, 
производимых НТО «ИРЭ-Полюс», являются лазерные системы 
медицинского назначения, успешно конкурирующие на мировом рынке и упомянутые в разделе 7 учебного пособия.
Каждая глава учебного пособия заканчивается выводами, 
обобщающими анализ состояния излагаемых проблем и выходящих, порой, за пределы излагаемого в пособии образовательного контента. Это позволяет с учетом обширного списка 
прилагаемой литературы расширительно относиться к изучению 
изложенной в учебном пособии проблематики.

Предисловие

ПАРАМЕТРЫ ЛАЗЕРНОГО 
ИЗЛУЧЕНИЯ

Лазер (от англ. laser, акроним от light amplifi cation 
by stimulated emission of radiation «усиление света посредством 
вынужденного излучения») или оптический квантовый генератор — устройство, преобразующее энергию накачки (световую, 
электрическую, тепловую, химическую и др.) в энергию когерентного узконаправленного оптического излучения. 
Излучение лазера может быть непрерывным, с постоянной 
мощностью, или импульсным, достигающим предельно больших пиковых мощностей. Существует большое количество видов лазеров. В рамках данного учебного пособия акцент делается 
на рассмотрении параметров волоконных лазеров. 
В последние 20 лет наибольшее распространение в системах 
лазерной обработки материалов получили волоконные лазеры. 
Причины: отличное качество лазерного пучка при большой 
излучаемой мощности, высоком КПД, исключительной надежности и низких текущих эксплуатационных расходах.

1.1. 
ГЕНЕРАЦИЯ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ 
В ВОЛОКОННЫХ ЛАЗЕРАХ

Все атомы могут излучать свет с характерным 
для каждого из них набором длин волн. Причина в том, что 
энергия электронов в атоме может принимать только определенные дискретные наборы значений, характерные для каждого конкретного вида атомов. И когда электрон с энергией Е2 
переходит на уровень с энергией Е1, испускается квант света 

Г Л А В А 
 1

Глава 1. Параметры лазерного излучения

с длиной волны λ, обратно пропорциональной разности этих 
энергий (Е2 — Е1 = hν, где h — постоянная Планка, ν = 1/λ — 
частота излучения).

Состояние электронов в атоме

В обычном, невозбужденном состоянии электроны атома 
занимают более низкие энергетические уровни (Е1). В результате поглощения падающего на них излучения атом приобретает дополнительное количество энергии, и тогда один или 
несколько его электронов переходят на более отдаленные от 
ядра орбиты, то есть на более высокие энергетические уровни 
Е2 — Е6. В этом случае говорят — атом перешел в возбужденное 
состояние (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Структура уровней энергии электрона в атоме [3]

Поглощение энергии происходит строго определенными 
порциями — квантами. Избыточное количество энергии, полученное атомом, не может в нем оставаться бесконечно долго: 
атом стремится избавиться от излишка энергии путем излучения 
(спонтанного или вынужденного).

Спонтанное излучение

Рассмотрим для простоты двухуровневую систему. В результате поглощения энергии фотона атом переходит из основного 
состояния с энергией E1 в возбужденное c Е = E2.

При этом поглощение может произойти только, если энергия 
фотона равна разности энергий hν = E2 — E1. Поглощение — это 
всегда вынужденный переход (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Поглощение и спонтанное излучение фотона

Если атом находится в любом состоянии выше основного, 
то в результате возбуждения атом самопроизвольно испустит 
фотон, частота которого будет равна разнице энергий уровней, 
между которыми произойдет переход. Такой процесс называется 
спонтанным излучением (электроны в атоме, находившиеся на 
энергетическом уровне Е2, без постороннего влияния переходят 
на более низкий энергетический уровень Е1, испустив световой 
квант). 
Вероятность перехода зависит от времени жизни атома в 
возбужденном состоянии. В обычных условиях эта величина 
имеет порядок τ ~ 10–8 с. 
То есть спустя 10–8 с после поглощения возбуждающего 
излучения, атом сам излучит фотон и перейдет в более низкое 
состояние (не обязательно в основное состояние). Единственным стабильным состоянием атома является его основное состояние — самое низкое из разрешенных для него состояний. 
В основном состоянии атом может находиться бесконечно долго, 
если на него не будет действовать излучение, которое спровоцирует вынужденное поглощение.

Вынужденное излучение

Если на атом, находящийся в возбужденном состоянии E2, 
действует внешнее излучение с частотой, удовлетворяющей усло
1.1. Генерация лазерного излучения в волоконных лазерах