Одним из направлений развития авиадвигателестроения является увеличение температуры газов перед турбиной. При этом, однако, происходит рост термомеханической напряженности лопаток газовых турбин и, как следствие, дальнейшее усложнение их конструкции. От надежности этих элементов двигателя в наибольшей степени зависит надежность и ресурс газотурбинных двигателей, и, соответственно, безопасность полетов. Эту проблему можно решить только путем разработки и внедрения качественно новых технологий, в том числе прошивки охлаждающих отверстий в лопатках. При этом во избежание горячих точек на поверхности лопаток плотность отверстий должна быть до ~200 отверстий/см?. К тому же, сложная структура жаропрочного кристаллического Niсплава, подобного CMSX4, требует процесса сверления, не меняющего его матрицу.

Сверление отверстий, которые являются каналами охлаждения компонентов турбинных двигателей, – один из наиболее распространенных процессов лазерной обработки. Однако до сих пор нет лазерных систем, позволяющих эффективно сверлить в турбинных лопатках из жаропрочного Niсплава высокоаспектные микроотверстия Ж100500 мкм и глубиной t Ј 56 мм с малой величиной перегретой зоны (, где a » 1см 2 /с).
В случае обычного лазерного сверления (импульсы миллисекундного диапазона t имп ?0,5 мс, плотность мощности ~10 6 Вт/cм 2) на поверхности отверстия формируется переплавленный слой h (рис. 1 ) толщиной свыше 50 мкм, в котором изза быстрого затвердевания происходит формирование микротрещин, уменьшающих ресурс детали.

Эту проблему помогает решить использование коротких наносекундных импульсов с высокой плотностью мощности (10 8 10 9 Вт/cм 2) и более короткой длиной волны (выше порог поглощения излучения в плазме). Переплавленный слой значительно уменьшается, так как удаление материала происходит в основном в газообразной фазе . Для импульсов длительностью 10 8 сек пороговая плотность энергии для быстрого удаления материала составляет ~10 Дж/cм 2 при скорости абляции V сверл ? 1 мкм/импульс. Однако с увеличением толщины материала свыше 1 мм скорость абляции значительно падает (V сверл? 0,1 мкм/импульс) (рис. 2 ). Увеличение плотности энергии более чем на порядок лишь незначительно увеличивает скорость абляции.

Одним из механизмов, ограничивающих скорость абляции, является поглощение и рассеяние лазерного излучения в плазме, парах металла и капельках расплава. Другим ограничивающим фактором является более сильное ослабление лазерного излучения внутри глубокого канала одномерно расширяющейся плазмой в противоположность поверхностному двумерному случаю. В результате минимальная плотность энергии, необходимая для сверления образца толщиной ~0,4 мм, повышается до 30 Дж/cм 2 , а для образца толщиной ~0,9 мм до 100 Дж/cм 2 . Высокочастотному Nd:YAG лазеру (30 Вт, 10 кГц, 15 нс) требуется несколько секунд при плотности энергии ~500 Дж/cм 2 , чтобы просверлить отверстие Ж<30 мкм в 1,5 мм жаропрочном сплаве Inconel 718. При этом благодаря практически квазинепрерывной абляции наблюдается формирование значительного переплавленного слоя на боковых стенках отверстий и микротрещин, которые распространяются в основной материал, уменьшая ресурс детали. К тому же конусность отверстия может достигать значений 510 о (обычно конусность отверстия при сверлении Nd:YAG лазером оценивается как 0,02 t , где t толщина металла в мм).

Для сверления в турбинных лопатках глубоких отверстий Ж150350 мкм с той же эффективностью абляции требуются энергии в импульсе уже ~50100 мДж и, соответственно, кВт­ная средняя мощность лазера в TEM 00 моде. Другой подход – кольцевое сверление (trepanning drilling) – на порядок более длительный (по времени сравним с электроэрозионной прошивкой), хотя и требует менее мощного лазера.

Экспериментальная установка

Решение проблемы сверления глубоких микроотверстий представляется в использовании пачек относительно длинных (300500 нс) импульсов (длительность пачки несколько миллисекунд с интервалом между ними? 20мкс), с дополнительным профилированием их интенсивности в процессе сверления отверстия. Во­первых, относительно большая длительность импульсов позволяет обеспечить обработку материала при плотности энергии, более чем на порядок превосходящей плотность энергии для импульсов длительностью 1015 нс (при той же интенсивности), и, следовательно, сверление менее критично к толщине материала. Во­вторых, имеется возможность повышения энергии импульса к концу пачки (профилирование) для увеличения эффективности удаления испаряемого материала. Втретьих, за счет использования пачек импульсов можно снизить среднюю мощность лазера до 1020 Вт, существенно уменьшив тем самым его стоимость.

Лазерная установка для сверления высокоаспектных микроотверстий включает в себя задающий генератор и двухпроходовый Nd:YAG усилитель (рис. 3 ). Задающий генератор – Nd:YAG лазер с непрерывной накачкой и акустооптическим затвором – генерирует 150 ё 550 нс импульсы с частотой повторения 3,5ё50 кГц со средней мощностью до 1 Вт. Двухпроходовый Nd:YAG усилитель вырезает из непрерывной последовательности импульсов и усиливает пачку импульсов длительностью 1 ё 6 мс (зависит от глубины отверстия). После усилителя энергия пачки импульсов достигает 1 Дж. Частота повторения пачек 10 Гц.

Фокусирующая линза f =150 мм обеспечивает на поверхности образца плотность мощности і10 8 Вт/cм 2 для диаметра пучка 100 мкм. Вспомогательные газы O 2 , N 2 или Ar (в зависимости от обрабатываемого материала) используются для выталкивания расплава из зоны обработки.

Результаты и обсуждения

Сверление микроотверстий (Ж100 мкм) проводилось на Ni сплаве IC10, Ni монокристалле DD6, конструкционной и нержавеющей сталях. На рис. 4 представлены результаты сверления микроотверстий в Ni сплаве IC10 (толщина 1,6 мм) с различными длительностями импульсов (энергия одиночного импульса E=18,5 мДж, частота повторения импульсов в пачке F=30 кГц, длительность пачки импульсов 0,9 мс, плотность энергии на образце 170 Дж/cм 2). Большая длительность импульсов дает лучшее качество отверстий. Для импульсов длительностью 550 нс толщина переплавленного слоя для большинства отверстий меньше чем 20 мкм, или даже 10 мкм (рис. 4 в ). Для более коротких импульсов существует больший разброс в толщине переплавленного слоя. Результат сверления сильно зависит от типа материала. Ni монокристалл DD6 показывает противоположный результат по сравнению с IC10: толщина переплавленного слоя отверстий, сделанных в DD6 с O 2 , намного тоньше, чем у отверстий, сделанных без газа.

Таблица 1

представляет результаты скорости сверления отверстий в материале IC10 импульсами с различной частотой повторения в пачке (энергия импульсов 18,5 мДж).

Как видно из таблицы 1, эффективность сверления возрастает с увеличением длительности импульса. При частоте повторения импульсов >30 кГц возрастает поглощение и рассеяние лазерного излучения в плазменном факеле, что снижает эффективность сверления. Как ожидалось, увеличение аспектного отношения приводит к резкому снижению скорости абляции, так как с увеличением глубины отверстия усиливается диссипация лазерного излучения. На большей глубине и при частоте повторения импульсов в пачке <30 кГц (граничная частота сильного поглощения излучения плазмой) плазма перестает подогревать расплав и большее его количество не удаляется, а застывает на боковых стенках отверстий.

Конусность отверстия также зависит от частоты повторения импульсов в пачке. Для частоты следования импульсов 50 кГц различие входных и выходных диаметров отверстий не более 10%, но при этом мы получаем снижение скорости абляции, а следовательно, и эффективности сверления.

иллюстрирует зависимость эффективности сверления микроотверстий от их глубины. Исследования проводились на образцах из конструкционной и нержавеющей стали толщиной до 5 мм. Скорость абляции, а следовательно, и эффективность сверления микроотверстий резко снижаются при увеличении толщины образца более 2 мм (рис. 5б ). В снижении скорости сверления с толщиной ключевую роль играет плазма и переотражение лазерного излучения от боковых стенок. Однако эффективность сверления и в этом случае более чем на два порядка превосходит эффективность сверления короткими 1015 нс импульсами той же интенсивности.

Улучшение геометрии микроотверстий

Дальнейшее повышение производительности сверления и улучшение формы отверстия (уменьшение воронки на входе, снижение конусности) возможно при программировании энергии в последовательных пачках импульсов (рис. 6 ) и преобразованиипространственного профиля пучка в зоне взаимодействия из гауссова в пучок с равномерным супергауссовым распределением или даже с интенсивностью излучения минимальной в центре пучка (рис. 7 ). Естественно, что при этом предпочтительно использовать лазеры с высоким качеством луча.

Пространственный профиль излучения в зоне обработки значительно влияет на скорость сверления и конусность микроотверстий, топологию поверхности материала около отверстия. При прямой фокусировке излучения(гауссов профиль) вокруг отверстия формируется значительный валик расплава и входная воронка, а типичные углы конусности для NiAl толщиной 2,5 мм составляют 0,3 о 0,5 о. При переносе изображения супергауссова пучка эти негативные эффекты резко снижаются (рис. 8 ), а конусность отверстия составляет?0,25 о.

Для образца из конструкционной стали толщиной 5 мм конусность оказалась 0,31 0 и 0,23 0 для прямой фокусировки и передачи изображения, соответственно. Фактически для частоты следования импульсов в пачке 30 кГц система передачи изображения уменьшает конусность отверстия в 1,52 раза (см. также таблицу 1 ). В тоже время пространственный профиль излучения практически не влиял на скорость сверления отверстия при толщинах образцов от 1 мм и выше. Заметное влияние наблюдалось лишь на малых толщинах 50 мкм и 100 мкм. В таблице 2 приведены данные по сверлению микроотверстий в фольге.

Таким образом, передача изображения на входную плоскость образца является эффективным способом для уменьшения конусности отверстий и минимизации входной воронки с валиком расплава.

Фокусирующая система
(«Световая» трубка)

Очень трудно сохранить небольшую конусность отверстия для большой толщины (56 мм) образца. Ограниченная фокальная длина фокусирующей линзы становится основной проблемой для достижения малой конусности. Возможным решением может быть использование фокусирующей системы, передающей заданный профиль лазерного луча с выходной апертуры усилителя с последующей фокусировкой на образец в виде длинной "световой" трубки, длина которой может быть гораздо больше, чем обычная конфокальная длина объектива. Для лазера с выходной апертурой ~ 45 мм разработана компактная афокальная система, которая создает "световую" трубку? 100 мкм и длиной? 3 мм, рис. 9 . Будущие эксперименты должны ответить за последствия такого подхода.

Вид механической обработки черных металлов путем резания отверстий вращающимися механизмами называют сверлением.

Различают простое и глубокое сверление.

Во втором случае глубина отверстия должна быть более 10 см., или размером вглубь более 5 исходных диаметров (5*d). При помощи сверл получают отверстия различной глубины и диаметра или многогранного сечения.

Обработка заготовки с целью ее сверления может производиться несколькими способами:

1. Заготовка вращается, при этом одновременно производится продольная подача не вращающегося сверлильного инструмента;
2. Заготовка не вращается, зафиксирована;
3. Одновременное вращение заготовки и инструмента.

Все эти способы широко применяются на практике. Наибольший спрос на процесс глубокого сверления есть в следующих сферах: металлургия, производство труб, нефтегазовая и аэрокосмическая промышленность, выпуск плит теплообменников и бойлеров и многие другие. Наиболее часто применяют следующие детали с глубокими отверстиями: роторы, валы, оси, втулки, гильзы, цилиндры, бандажи, металлические скорлупы и многое другое.

Выполним полный комплекс работ по механической обработке металла:

Разновидности глубокого сверления

1. По схеме удаления высверливаемого материала (стружки) различают: сплошное и кольцевое глубокое сверление. В первом варианте высверливаемый материал удаляется в виде стружки, во втором - часть кольцевой плоскости удаляется в виде стержня, остальное - также в виде стружки;
2. По способу резания различают следующие виды:
   • Одноштанговая система (система STS). Данный метод оптимально подходит для обработки деталей на высокопроизводительном или серийном производстве. Сложность процесса состоит в том, что требуется применять маслоприемник с многочисленными подающими шлангами, при этом заготовка вращается. Одноштанговая система считается самой эффективной для получения высококачественных отверстий;
   • Эжекторная система. Метод глубокого сверления со средними параметрами выпуска заготовок. Позволяет осуществлять сверление на многофункциональных станках (например, токарных или сверлильных), систему дополняют стационарной или мобильной насосной станцией. Эжекторный метод подходит для получения отверстий d=20-60 мм. и глубиной до 1200 мм., не исключая получение прерывистых отверстий;
   • Система сверления ружейными или трубчато-лопаточными сверлами с внутренней подачей смазочно-охлаждающего материала. Этот метод подходит для малых предприятий, где по условиям технологии требуется получить глубокие отверстия небольшого диаметра. Однорезцовые сверла легко встраиваются в универсальные станки. Резец изготавливается из твердых сплавов и по всей длине сверлильного стержня имеет V-образную канавку, угол кривизны которой может составлять от 110 до 1200 градусов. Рекомендуемый dотв.=35-40 мм., длиной до 50*d. При данном методе отпадает надобность проводить такие операции как зенкерование и развертывание.
3. В зависимости от степени автоматизации управления процессом сверления различают глубокое сверление с автоматическим изменением одного или нескольких параметров режима (например, скорость вращения, подача смазочного материала).

Подача жидкости является обязательным этапом технологического процесса, так как:

1. Обеспечивается эффективный отвод стружки из зоны резания по отводным каналам;
2. Уменьшается сила трения между трущимися частями;
3. Производится отвод тепла, которое образуется в процессе длительного сверления, обеспечивая тем самым сохранности сверла от прогорания;
4. Осуществляется дополнительная обработка отверстия.

С увеличением глубины сверления возрастают трудности с обработкой отверстия.

Для глубокого сверления применяют специальный инструмент, оборудование и способы обработки.

Простые сверла и дрели для этого не подходят, так как не удастся достичь точности сверления по всему диаметру, заданной шероховатости поверхности, прямолинейность отверстия.

Важным параметром также является сохранение поверхности углубления с минимальным отклонением от округлости.

Применение традиционного инструмента делает процесс глубокого сверления низкопроизводительным, трудоемким, а в некоторых случаях (зависит от глубины отверстий) - невозможным.

На практике в машиностроительной сфере используют специализированное оборудование с технической оснасткой, с дополнительным применением специальных режущих и прочих вспомогательных инструментов.

Нередко требуются нестандартные приспособления для выполнения технологических приемов.

Особенности глубокого сверления

При глубоком сверлении очень важно соблюдать главные принципы технологии. Во-первых, производится подбор скорости вращения сверлильной части инструмента или оптимальная скорость резания (подачи свергла). Во-вторых, должно быть обеспечено нормальное дробление стружки, а также полный отвод отходов из канала. Важным моментом во время измельчения отходов сверления является сохранность режущей части инструмента, не должно быть повреждений сверла, образования на нем заусениц или иных дефектов. Далее, ключевым фактором качественной обработки поверхностей заготовок или деталей является эффективная и грамотная подача смазочно-охлаждающей жидкости.

Процесс сверления проходит с обязательной подачей смазочно-охлаждающей жидкости под давлением и с определенным расходом.

Для этого в системе работает насосное оборудование - маслонасосы или насосы для перекачки вязких жидкостей.

Производительность системы выбирается в соответствии с расходом жидкости и требуемым давлением подачи смазочного материала.

ВОЗМОЖНО ВАМ БУДЕТ ИНТЕРЕСНО

Сверление отверстий в ча­совых камнях - с этого начиналась трудовая деятель­ность лазера. Речь идет о рубиновых камнях, которые используются в часах в качестве подшипников сколь­жения. При изготовлении таких подшипников требует­ся высверлить в рубине - материале весьма твердом и в то же время хрупком - отверстия диаметром всего 0,1-0,05 мм. Многие годы эта ювелирная операция выполнялась обычным механическим способом с ис­пользованием сверл, изготовленных из тонкой рояль­ной проволоки диаметром 40-50 мкм. Такое сверло делало до 30 тысяч оборотов в минуту и одновременно совершало при этом около ста возвратно-поступатель­ных перемещений. Для сверления одного камня требо­валось до 10-15 мин. Как убрать пробки в ушах - серная пробка nmedik.org/sernaya-probka.html .

Начиная с 1964 г. малопроизводительное механи­ческое сверление часовых камней стало повсеместно заменяться лазерным сверлением. Конечно, термин «ла­зерное сверление» не надо понимать буквально; лазерный луч не сверлит отверстие - он его пробивает, вызы­вая интенсивное испарение материала. В настоящее время лазерное сверление часовых камней является обычным делом. Для этой цели применяются, в частности, лазеры на стекле с неодимом. Отверстие в камне (при толщине заготовки 0,5-1 мм) пробивается серией из нескольких лазерных импульсов, имеющих энергию 0,5-1 Дж. Производительность работы лазер­ной установки в автоматическом режиме -камень в секунду. Это в тысячу раз выше производительности механического сверления!

Вскоре после своего появления на свет лазер полу­чил следующее задание, с которым справился столь же успешно, - сверление (пробивание) отверстий в алмаз­ных фильерах. Для полу­чения очень тонкой проволоки из меди, бронзы, вольф­рама используется технология протягивания металла сквозь отверстие соответствующего диаметра. Такие отверстия высверливают в материалах, обладающих особо высокой твердостью, - ведь в процессе протяги­вания проволоки диаметр отверстия должен сохра­няться неизменным. Наиболее тверд, как известно, алмаз. Поэтому лучше всего протягивать тонкую про­волоку сквозь отверстие в алмазе - сквозь так называе­мые алмазные фильеры. Лишь с помощью алмазных фильер удается получать сверхтонкую проволоку, имеющую диаметр всего 10 мкм. Но как просверлить тонкое отверстие в таком сверхтвердом материале, как алмаз? Механически это сделать очень трудно - для механического сверления одного отверстия в алмазной фильере требуется до десяти часов. Зато, как оказа­лось, совсем нетрудно пробить это отверстие серией из нескольких мощных лазерных импульсов.

Сегодня лазерное сверление широко применяется не только для особо твердых материалов, но и для материалов, отличающихся повышенной хрупкостью. Лазерное сверло оказалось не только мощным, но и весьма деликатным «инструментом». Пример: применение лазера при сверлении отверстий в подложках микросхем, изготавливаемых из глинозем­ной керамики. Керамика необычайно хрупка. По этой причине механическое сверление отверстий в подложке микросхемы производили, как правило, на «сыром» материале. Обжигали керамику уже после сверления. При этом происходила некоторая деформация изде­лия, искажалось взаимное расположение высверлен­ных отверстий. Проблема была решена с появлением лазерных сверл. Используя их, можно работать с керамическими подложками, которые уже прошли обжиг. С помощью лазеров пробивают в керамике очень тонкие отверстия - диаметром всего 10 мкм. Механическим сверлением такие отверстия полу­чить нельзя.

То, что сверление - призвание лазера, ни у кого не вызывало сомнений. Здесь у лазера фактически не оказалось достойных конкурентов, особенно когда речь шла о сверлении особо тонких и особо глубоких отверстий, когда отверстия надо сверлить в очень хрупких или очень твердых материалах.

4. Лазерная резка и сварка.

Лазерным лучом можно резать решительно все: ткань, бумагу, дерево, фанеру, резину; пластмассу, керамику, листовой асбест, стекло, листы металла. При этом можно получать аккуратные разрезы по сложным профилям. При резке возгорающихся материалов место разреза обдувают струёй инертного газа; в результате получается гладкий, необожженный край среза. Для резки обычно используют непрерывно генерирующие лазеры. Нужная мощность излучения зависит от материала и толщины заготовки. Например, для резки досок толщиной 5 см применялся СО2-лазер мощностью 200 Вт. Ширина разреза составляла всего 0,7 мм; опилок, естественно, не было.

Для резки металлов нужны лазеры мощностью в несколько киловатт. Требуемую мощность можно сни­зить, применяя метод газолазерной резки - когда одно­временно с лазерным лучом на разрезаемую поверх­ность направляется сильная струя кислорода. При горении металла в кислородной струе (за счет происхо­дящих в этой струе реакций окисления металла) выде­ляется значительная энергия; в результате может использоваться лазерное излучение мощностью всего 100-500 Вт. Кроме того, струя кислорода сдувает и уносит из зоны разрезания расплав и продукты сгора­ния металла.

Первый пример такого рода резки - ла­зерный раскрой тканей на ткацкой фабрике. Установка включает СО2-лазер мощностью 100 Вт, систему фоку­сировки и перемещения лазерного луча, ЭВМ, устрой­ство для натяжения и перемещения ткани. В процессе раскроя луч перемещается по поверхности ткани со скоростью 1 м/с. Диаметр сфокусированного светово­го пятна равен 0,2 мм. Перемещениями луча и самой ткани управляет ЭВМ. Установка позволяет, напри­мер, в течение часа раскроить материал для 50 костю­мов. Раскрой выполняется не только быстро, но и весьма точно; при этом края разреза оказываются гладкими и упрочненными. Второй пример - автомати­зированное разрезание листов алюминия, стали, тита­на в авиационной промышленности. Так, СО2-лазер мощностью 3 кВт разрезает лист титана толщиной 5 мм со скоростью 5 см/с. Применяя кислородную струю, получают примерно тот же результат при мощности излучения 100-300 Вт.

Специалисты разработали немало способов обработки бриллиантов для улучшения качеств этих камней. Самым проверенным способом повышения качества бриллиантов считается лазерное сверление.

Такой вид обработки алмазов впервые применили в коммерческой практике в 70-х годах прошлого века. Темные включения такие, как магнетиты, пирротины и углеродные включения не улучшают оптические характеристики камня и тем более не привлекают покупателей. В процессе лазерного сверления эти включения выжигают , растворяют с помощью азотной или серной кислот или же осветляют.

Лазерный луч специального аппарата, квантового генератора ИК-диапазона с длиной волн около 1060 нм, высверливает микроотверстие диаметром не более 20-60 мкм. 20 мкм равно 0,02 мм, такова толщина человеческого волоса. Сверление алмаза проводится на глубину не более 1,6 мм. Этот процесс занимает в среднем от 30 минут и более.

Существует способ осветления темных включений. Через отверстие, высверленное лазерным лучом, поступает воздух, под воздействием которого окраска включения может стать значительно светлее. Еще один способ осветления заключается в том, что в канал лазерного отверстия в вакуумной среде вводят реактив, который осветляет или полностью растворяет включение. Конечный результат зависит от химического состава данного включения.

При десятикратном увеличении под микроскопом или под лупой рассмотреть каналы лазерных отверстий нетрудно, даже если их запломбировали. Они имеют вид воронкообразных выемок на поверхности и прямых линий беловатого цвета внутри. Для заполнения каналов с недавнего времени используются такие вещества, как синтетическая смола или воск из-за высокого коэффициента преломления. После заполнения канала соответствующим веществом канал пломбируют. Хотя запломбированные отверстия менее заметны на поверхности и в меньшей степени подвержены загрязнению, в отраженном свете можно увидеть «кратер» в месте сверления. Выемки круглой формы на поверхности можно нащупать и острием иглы. Следует учитывать, что если в процессе сверления отверстия лазерный луч попал в зону сильного внутреннего напряжения, то вокруг канала образуются легко различимые трещинки напряжения и спайности.

При оценке подобных камней возникают трудности. Конечно, визуальные геммологические характеристики заметно улучшаются, но сверление создает искусственные дефекты в виде мелких трещинок.

Бриллианты относят к определенной группе чистоты с учетом их внешнего вида и наличия просверленных отверстий. Следует отметить, что целью лазерного сверления является не повышение степени чистоты бриллианта, а осветление темных включений. Это приводит к улучшению внешнего вида камня и больше привлекает покупателей.

В соответствующих сертификатах качества, накладных и других документах в обязательном порядке должна содержаться информация о результатах вмешательства со стороны человека и наличии отверстий лазерного сверления.

Недавно был разработан новый метод лазерной обработки алмазов, при котором канал не выводится на поверхность. Этот вид обработки подходит для алмазов с темными включениями, расположенными недалеко от поверхности. Но применение этого метода все же не гарантирует отсутствия новых трещин спайности и напряжения, «перьев» и микротрещин вокруг включений. Дефекты подобного рода, существовавшие до обработки, после применения данного метода могут усилиться. С другой стороны, новые трещинки, достигая поверхности, могут сыграть роль каналов. При введении кислот в эти каналы включения осветляются. Данный метод подходит не для всех камней, но бриллианты с темными включениями , находящимися около поверхности, с мелкими трещинками - идеальный материал для этого способа облагораживания.

Суть данного метода лазерной обработки заключается в том, что лазеры в пульсирующем режиме фокусируют точно на место включения. В результате процесса выделяется значительное количество тепла, которое способствует распространению трещинок до поверхности камня. Таким образом, отпадает необходимость сверлить канал с образованием воронки на поверхности. Растворитель, легко проникающий по новым трещинкам к включению, либо осветляет его, либо растворяет. Но и этот способ может привести к образованию ямок и каверн на поверхности камня с тем отличием, что их форма будет не такой идеально круглой, а размеры будут незначительно меньше.

Еще один метод лазерной обработки разработали израильские специалисты в начале 2000-х годов. Его назвали КМ(сокращение от слов«КидуахМеухад» ), что в переводе с иврита означает «специальное сверление». Способ, ставший популярным в Антверпене, применяется для осветления темных включений с микротрещинами с помощью кислоты при соблюдении особых условий. На ближайший к поверхности дефект направляют лазерный луч, в результате чего дефект распространяется до поверхности.

После лазерноговоздействия алмаз опускают в концентрированную кислоту и нагревают до высокой температуры под давлением. Благодаря созданным условиям, кислота проникает внутрь до включения и растворяет его.

Алмазы после обработки методом КМ можно идентифицировать по наличию голубовато-коричневатых оттенков в отраженном свете в местах искусственно созданных трещин , особенно при перекатывании камня. Чего нельзя сказать об алмазах, которые обрабатываются по традиционной технологии лазерного сверления с образованием заметных отверстий на поверхности. Более того, в алмазах, обработанных методом КМ, иногда можно заметить незначительные остатки веществачерноватого цвета в виде неправильных линий на поверхности трещин напряжения, которые образовались в процессе лазерного воздействия.

В состав бетонных смесей, используемых при строительстве, входят такие крупнозернистые материалы, как щебень и гравий. Кроме того, бетонные конструкции армируют. Поэтому инструмент при сверлении должен преодолевать металлические и каменные преграды. Качество отверстия, просверленного в бетоне, напрямую зависит от правильного выбора инструмента и способа сверления.

Сухой способ сверления бетона – это процесс формирования отверстия без применения воды или какой-либо другой охлаждающей жидкости. На сегодняшний день сложно себе представить более надежный, безопасный и точный метод, чем сверление бетонных поверхностей инструментами с алмазным напылением . Такое сверление выполняется специальными установками, которые в свою очередь требуют определенных навыков обращения с ними. Поэтому за помощью лучше обращаться к профессионалам, которые хорошо знают, как это сделать быстро и качественно.

Алмазный инструмент позволяет сверлить отверстий диаметром от 15 до 1000 мм и глубиной до 5 м

Перечень задач, решаемых с помощью сверления, очень широк.

В основном, алмазное сверление используют при создании отверстий в перекрытиях и стенах для:

• труб отопления, газоснабжения, электроснабжения;
• систем противопожарной безопасности;
• вентиляционных систем и кондиционеров;
• различных коммуникаций (интернет, телефон и пр.);
• установки ограждений и перил на лестничных проемах;
• монтажа химических анкеров;
• монтажа оборудования для бассейнов.

С помощью технологии алмазного сверления можно также выполнять резку проемов в перекрытиях и стенах под вентиляционные короба, двери, окна и прочие нужды в том случае, когда нет возможности использовать для этого специальное оборудование для резки бетона.

Технология данного метода заключается в том, что по периметру будущего проема высверливаются отверстия диаметром 130-200 мм. Затем края проема выравниваются с помощью перфоратора или цементно-песчаной смеси. Несмотря на то, что этот способ требует больших затрат времени, результат практически ничем не отличается от резки. Называется такая технология строчным алмазным сверлением.

Сверление бетона без удара

Технология алмазного сверления основывается на уникальной особенности алмаза – его непревзойденной твердости. Режущая кромка сверлильного инструмента покрыта алмазосодержащим напылением, так называемой «матрицей». В процессе сверления алмазные сегменты инструмента производят в зоне реза безударное локальное разрушение. Одновременно с разрушением бетона происходит истирание и самой матрицы, но так как она многослойна, то на ее поверхность выступают новые алмазные зерна и рабочая кромка долгое время остается острой.

Алмазное сверление имеет одно очень важное преимущество – полное отсутствие жестких воздействий на бетонную поверхность и невыносимого шума . Такие положительные качества делают алмазную технологию незаменимой при проведении ремонтных работ в квартирах многоэтажных домов. Алмазное сверление позволяет избежать образования трещин на поверхностях стен, которые рано или поздно приводят к полной утрате их несущих способностей, снижению уровня тепло- и звукоизоляции, ухудшению прочностных характеристик.

Поскольку при монолитном строительстве невозможно заранее заложить все технологические отверстия под различные нужды, сверление алмазным инструментом становится единственным способом создания проемов при прокладке труб отопления, водоснабжения и прочих коммуникаций. Использование отбойного молотка для подобной работы является не только экономически невыгодным, но и крайне небезопасным , поскольку динамические нагрузки на армирующие пояса способны вызвать образование трещин в бетонных поверхностях.

Алмазный инструмент популярен благодаря такому его достоинству, как способность сверлить бетон с любой степенью армирования

Алмазное сверление может производиться двумя способами: с применением воды, уменьшающей нагрев инструмента, а также «всухую». Технологически сухое сверление намного проще и поэтому удобнее. Выполняют его с помощью специальных коронок, называемых «сухорезами» . В корпусе этих коронок имеются сквозные отверстия, обеспечивающие отвод тепла и уменьшающие риск деформации.

В отличие от инструмента для «мокрого сверления», алмазные сегменты которого крепятся к рабочей поверхности с помощью припоя, коронки для сухого сверления изготавливают исключительно с применением лазерной сварки.

Почему так важна лазерная сварка алмазных сегментов при сухом способе сверления? Ответ очень прост: температура в зоне сверления без использования охлаждающей жидкости очень быстро поднимается до 600 градусов.

Такая температура является точкой плавления обычного припоя, поэтому сегмент, припаянный с его помощью, напросто отлетает и остается в отверстии. Для продолжения работы сегмент необходимо достать из отверстия, поскольку просверлить его невозможно. Инструмент с сегментами, приваренными лазерной сваркой, способен выдерживать достаточно высокие температуры и не «засаливается» во время работы .

Идею сухого сверления отверстий в бетонных поверхностях одной из первых предложила компания Husqvarna. Ею был разработан для этого способа специальный переходник с возможностью подключения к пылесосу.

Пылесос вытягивает пыль, образовавшуюся в ходе сверления, и одновременно охлаждает коронку . Так как переходник подключается к основанию коронки, то пыль собирается непосредственно в зоне сверления и не распространяется по всему помещению.

Преимущества сухого сверления

Основное преимущество сухого алмазного сверления – возможность использования данного способа в тех случаях, когда применение водяного охлаждения недопустимо. Кроме того, установку для сухого сверления можно использовать в относительно небольших помещениях . Установка для мокрого способа занимает намного большую площадь, поскольку она оснащена, как правило, довольно внушительной емкостью для воды, используемой для охлаждения инструмента.

Сухой способ сверления отверстий в бетоне особенно актуален тогда, когда работы проводятся:

• в непосредственной близости от электропроводки;
• на объектах, где отсутствует водоснабжение;
• в помещениях с чистовой отделкой;
• с риском затопления водой нижних помещений.

К сожалению, сухой способ имеет немало недостатков. Главный из них – невозможность работы с максимальной производительностью и степенью нагрузки. Это связано с быстрым нагревом алмазных сегментов, что приводит к снижению ресурсоемкости инструмента и его быстрому выходу из строя. При сухом способе процесс сверления периодически прерывается для охлаждения инструмента воздушно-вихревыми потоками .

Сухое сверление имеет ограничения по диаметру и глубине отверстий

Таким образом, мокрое сверление является преимущественным способом, несмотря на то, что его применение влечет дополнительные усилия по организации работ, а именно, необходимо заботиться о подаче и отводе воды. Однако, при проведении работ достаточно большого объема, дополнительные усилия, связанные с подачей воды, будут не так обременительны по сравнению с издержками сухого способа. Иначе говоря, намного легче позаботиться о подаче и отводе воды, чем производить сверление с большими затратами усилий и времени .

Используемый инструмент для обработки

Для сухого сверления используют алмазные коронки, не нуждающиеся в дополнительном охлаждении. Они охлаждаются за счет воздушных потоков и качественной смазки. Коронка имеет вид пустотелого металлического цилиндра. На одном конце этого стакана располагается режущая кромка с алмазным напылением. Другая или тыльная сторона коронки предназначена для крепления в используемом оборудовании и имеет заглушку.

Коронка во время сверления производит круговые режущие движения. Эти движения происходят на большой скорости и под давлением, поэтому инструмент очень точно разрушает нужный участок бетонной поверхности. От силы давления напрямую зависит скорость сверления и изнашиваемость инструмента. Очень высокое давление приводит к быстрому разрушению инструмента, а очень низкое существенно снижает скорость сверлильных работ . Поэтому очень важен правильный расчет силы механического воздействия. При расчете этой силы необходимо учитывать общую площадь алмазных сегментов и тип обрабатываемого материала.

Существует огромное количество разновидностей алмазных коронок. В зависимости от размеров их делят на:

• малогабаритные;
• средние;
• крупногабаритные;
• сверхрупные.

К малогабаритным относят коронки диаметром 4-12 мм. Их, в основном, используют для сверления небольших отверстий под электропроводку. Средние насадки имеют диаметр 35-82 мм и используются для сверления отверстий под розетки, небольшие трубы и т. п.

Крупногабаритные коронки диаметром 150-400 мм применяют для сверления отверстий в капитальных железобетонных конструкциях, например, для ввода высоковольтных электрокабелей или канализации. Насадки с диаметрами 400-1400 мм находят применение при разработке довольно мощных объектов инфраструктуры. На самом деле и 1400 мм для коронок – не предел.

Под заказ можно сделать и более крупную насадку. Важным параметром является также длина сверлильного инструмента. Длина самых коротких насадок не превышает 15 см . Длина коронок среднего класса составляет 400-500 см.

В зависимости от формы режущей поверхности различают корончатые сверла по бетону следующих видов:

• кольцевые . Имеют вид сплошной алмазной матрицы в форме кольца, прикрепленной к корпусу. Обычно такие сверла имеют небольшой диаметр, но бывают и исключения;
• зубчатые являются самым распространенным видом корончатых сверл. ;
• комбинированные . Такие коронки используются, в основном, для специальных видов работ по бетону.

Режущая часть зубчатых коронок состоит из отдельных алмазных элементов, которых может быть от 3 до 32

Материал, из которого изготавливаются сегменты и в котором закрепляются алмазы, называют связкой, а на языке профессионалов – матрицей. Она придает алмазному сегменту форму и прочность. Матрица во время практического применения должна изнашиваться таким образом, чтобы «рабочие» алмазы после затупления отламывались, а в качестве их «замены» на режущую поверхность выступали новые и острые алмазы.

В зависимости от расположения алмазов в матрице режущих сегментов коронки делятся на:

• однослойные . Матрица в этом случае имеет всего один поверхностный слой алмазных резцов. Их плотность составляет не более 60 шт/карат. Однослойные алмазные насадки считаются самыми недолговечными. Их применяют, в основном, для сверления бетона без арматуры;
• многослойные . Плотность микрорезцов в таких матрицах может составлять до 120 шт/карат. Многослойные коронки называют также самозатачивающимися. При износе поверхностного слоя алмазов обнажается следующий слой;
• импрегнированные . Такие коронки также имеют матрицу с несколькими слоями алмазных зерен, но их плотность составляет около 40-60 шт/карат.

Несмотря на разнообразие типов алмазного инструмента, структура его конструкции идентична. Как правило, он состоит из несущего металлического корпуса и алмазосодержащего слоя, который непосредственно взаимодействует с материалом и является основой инструмента. Этот слой представляет собой связку из алмазов и металлического порошка.

Чем более точно подобран состав связки, тем эффективнее и качественнее будет работать алмазный инструмент в целом . Стандартной рецептуры изготовления связки не существует.

Каждый крупный производитель разрабатывает собственную формулу алмазоносного слоя для каждого инструмента и тем самым обеспечивает ему уникальность.

Наибольшей популярностью сейчас пользуются расходные материалы следующих производителей:

• Bosh . Продукция, выпускаемая под этим брендом, обеспечивает высококачественное проведение строительных работ, поскольку отличается надежностью и продолжительным сроком эксплуатации;
• Husqvarna . Этот производитель славится тем, что при изготовлении алмазного инструмента использует инновационные технологии;
• Cedima является одним из ведущих производителей режущего инструмента для бетона;
• Rothenberger . Данная компания занимается производством алмазного оборудования для сверления и комплектующих частей к нему;
• Hilti специализируется на производстве оборудования очень высокого качества и постоянно совершенствует процесс своего производства;
• Энкор – отечественная компания. Изначально она занималась продажей иностранного оборудования, но с 2007 года стала производить собственные инструменты.

Фирма Husqvarna является пионером в области алмазного сверления промышленного бетона

Вращение коронки происходит за счет силы оборудования для сверления. Коронку можно устанавливать как на обычной дрели, так и на специальной установке. Установка вращает инструмент с высокой скоростью, но при этом отсутствуют ударные воздействия. Насадка просто вращается и постепенно давит на бетонную поверхность. Таким образом, она миллиметр за миллиметром вгрызается в толщу бетона.

Поскольку коронка внутри пустотелая, то в бетон врезаются только ее стенки. Это существенно ускоряет и упрощает рабочий процесс . В поверхность стены коронка углубится до необходимого положения уже за несколько минут и тогда ее надо будет просто выдернуть вместе с вырезанным куском бетона.

Основные этапы техпроцесса

Алгоритм работы по сверлению бетонных конструкций выглядит следующим образом:

• подбор коронки;
• сборка сверлильной установки;
• подготовка рабочей площадки;
• разметка рабочей поверхности с точным указанием центра сверления;
• монтаж установки на рабочей поверхности;
• установка сверлильной коронки;
• выполнение сверления;
• завершение сверления;
• проверка качества работы.

Установку необходимо собирать очень тщательно. Особенное внимание рекомендуется обращать на крепление сверлильного инструмента . Очень важно, чтобы во время сверления вокруг не было ничего лишнего, поэтому рабочую площадку необходимо очистить от мусора и прочих ненужных предметов. Разметку рабочей поверхности начинают с вычерчивания двух пересекающихся перпендикулярных линий. Затем от их центра строят окружность необходимого диаметра. Эта окружность и будет местом установки коронки.

Во время сверления также необходимо учитывать некоторые нюансы. Для начала коронку необходимо очень тщательно отрегулировать, поместив точно в нарисованную окружность. Сначала на протяжении 4-8 секунд производят пробное сверление. Таким образом, создается небольшой канал, который упрощает установку коронки и выполнение капитального сверления.

В конце рабочего процесса коронку вынимают и проверяют степень ее изношенности. Центральная часть вырезанного отверстия удаляется вместе с коронкой , но иногда бывает необходимо немножко поддеть ее ломом или перфоратором. Интересен также тот факт, что изношенную насадку можно отремонтировать в специальной мастерской. Качество выполненной работы напрямую зависит от качества используемого оборудования. Одними из лучших считаются бурильные установки от таких производителей, как Hilti, Husqvarna, Cedima, Tyrolit.

Ресурс алмазного инструмента зависит во многом от типа материала, в котором сверлится отверстие, от типа алмазного сегмента и от правильности использования бурильной установки. Как правило, коронки большого диаметра имеют и больший рабочий ресурс, что связано с большим количеством алмазных сегментов . Средний ресурс алмазных коронок диаметром 200 мм с хорошей насыщенностью режущих сегментов составляет при сверлении железобетона порядка 18-20 погонных метров.

Нежесткое крепление установки и нструмента приводят к отламыванию режущих сегментов инструмента

При этом основной расход алмазных сегментов приходится на преодоление арматуры. Такие факторы, как чрезмерно сильная или неравномерная подача коронки или ее биение при нежестком закреплении опорной стойки, могут очень сильно сократить ресурс насадки или даже вовсе вывести ее из строя.

Лазерное сверление бетона

Промышленное сверление отверстий лазером началось вскоре после его изобретения. Сообщение об использовании лазера для сверления небольших отверстий в алмазных зернах появилось еще в 1966 году. Достоинство лазерного сверления наиболее ярко проявляется при создании отверстий глубиной до 10 мм и диаметром в десятые-сотые доли миллиметр а. Именно в таком диапазоне размеров, а также при сверлении хрупких и твердых материалов преимущество лазерной технологии неоспоримо.

Сверлить отверстия лазером можно в любых материалах. Для этой цели используют, как правило, импульсные лазеры с энергией импульса 0,1-30 Дж. С помощью лазера можно сверлить глухие и сквозные отверстия с разными формами поперечного сечения . На качество и точность изготовления отверстия влияют такие временные параметры импульса излучения, как крутизна его переднего и заднего фронтов, а также его пространственные характеристики, обусловленные угловым распределением в пределах диаграммы направленности и распределением интенсивности излучения в плоскости лазерной апертуры.

На данный момент существуют специальные методы формирования вышеперечисленных параметров, которые позволяют создавать отверстия различной формы, например, треугольные и точно соответствующие заданным качественным характеристикам. На пространственную форму отверстий в их продольном сечении существенное влияние оказывает расположение фокальной плоскости объектива относительно поверхности мишени, а также параметры фокусирующей системы. Таким образом, можно создавать цилиндрические, конические и даже бочкообразные отверстия.

За последние двадцать лет произошел резкий скачок мощности излучения лазеров. Связано это с появлением и дальнейшим развитием компактных лазеров новой архитектуры (волоконных и диодных лазеров). Относительная дешевизна излучателей, мощность которых составляет более 1 кВт, обеспечила их коммерческую доступность для специалистов, занимающихся исследованиями в различных сферах. В результате этих исследований мощное лазерное излучение стали применять для резки и сверления таких твердых материалов, как бетон и природные камни.

Лазерные технологии, свободные от шума и вибраций, наиболее эффективно применяются в сейсмических районах при создании отверстий в уже существующих бетонных зданиях. Их там используют для укрепления аварийных домов с помощью стальной стяжки, а также при реставрации памятников архитектуры. В атомной отрасли мощное лазерное излучение широко используют для дезактивации бетонных ядерных сооружений, которые уже выведены из эксплуатации. Пользователей в этом случае привлекает низкое пылевыделение во время обработки бетонных конструкций. Важную роль играет также дистанционное управление процессом, т. е. удаленное расположение оборудования от объекта.

Для сверления отверстий в бетонных стенах и прочих поверхностях используют лазерную электродрель . Состоит она из электродвигателя, редуктора, шпиндель-вала, лазерного устройства, инструмента для сверления. Последний имеет вид шнека, который непосредственно связан с корпусом редуктора. На одном конце этого шнека закреплена высокотемпературная коронка, а другой его конец соединен со шпиндель-валом. Лазерное устройство располагается в верхней части корпуса редуктора.

Лазерный луч существенно увеличивает скорость сверления в твердых бетонных стенах и гранитных блоках

Меры безопасности

Во время сверления отверстий в бетонных конструкциях следует использовать индивидуальные средства защиты. К ним относятся очки, брезентовые рукавицы, респиратор. Оператор должен быть одет в рабочую одежду из плотной ткани и резиновую обувь. Во время работы надо следить, чтобы какие-либо элементы одежды не попали в движущиеся части сверлильного оборудования .

По статистике наибольшее количество травм получают рабочие на стройплощадках из-за неисправности электроинструмента или его неправильного использования. Поэтому электроинструмент должен быть исправен. Кроме того, перед каждым его применением необходимо проверять питающий кабель на наличие повреждений. Во время проведения работ кабель должен располагаться так, чтобы его нельзя было каким-либо образом повредить.

Сверлить бетон наиболее безопасно стоя на полу, но, к сожалению, так получается не всегда. Таким образом можно просверлить отверстие лишь на уровне человеческого роста. Если отверстие располагается выше, необходимо использовать дополнительное основание. Основным правилом при этом является надежность основания. Оно должно обеспечивать рабочему во время работы устойчивое ровное положение. Дополнительной мерой безопасности при проведении работ на высоте является удаление любых предметов из рабочей зоны, о которые можно пораниться при случайном падении.

При сверлении отверстий в бетонных стенах высока вероятность повреждения различных коммуникаций. Это может быть электропроводка, трубы центрального отопления и пр. Электрический провод под напряжением можно легко обнаружить с помощью детектора скрытой проводки.

При сверлении отверстий с помощью лазера следует избегать попадания различных частей тела в его зону действия, чтобы не получить ожоги. Нельзя смотреть на сам лазерный луч или его отражение, чтобы не повредить роговицу глаз. По этой же причине необходимо работать только в специальных защитных очках. При работе с лазерным оборудованием следует соблюдать те же правила безопасности, что и при использовании любого электрического инструмента.

Стоимость работ

На формирование цены услуг по сверлению бетона оказывают влияние такие факторы, как:

• диаметр требуемого отверстия . С увеличением диаметра увеличивается и стоимость сверления;
• материал поверхности , в которой будет производиться сверление. В железобетонных конструкциях сверление обходится дороже, чем в стенах из кирпича;
• глубина сверления . Естественно, что чем больше длина будущего отверстия, тем дороже будет стоить само сверление.

На стоимость сверлильных работ могут оказывать влияние и дополнительные факторы. Например, сверление на высоте требует применения дополнительного оборудования. Сверление под углом невозможно выполнить без использования специального инструмента.

Стоимость работ может также увеличиться, если они будут проводиться на открытом воздухе и при неблагоприятных погодных условиях

Ориентировочная стоимость сверления отверстий алмазным инструментом:

Диаметр отверстия, мм	Стоимость 1 см сверления, руб
	Кирпич	Бетон	Железобетон
16 – 67	20	26	30
72 – 112	22	28	35
122 – 142	24	30	37
152 – 162	28	35	44
172 – 202	39	50	66
250	57	77	94
300	72	88	110
400	110	135	155
500	135	175	195
600	145	195	210

Выводы

Алмазные технологии сегодня являются, бесспорно, самым безопасным, быстрым и экономически выгодным вариантом сверления отверстий в самых твердых строительных материалах. Используя кольцевые сверла можно создавать отверстия точно соответствующие заданному диаметру. По форме отверстия также получаются идеальными и не требуют никакой дополнительной обработки, что существенно экономит время, а самое главное – средства заказчика услуги.

Такие достоинства алмазного сверления, как отсутствие шума и вибраций дают возможность производить работы не только на больших строительных объектах, но и в жилых помещениях, которые находятся как на стадии ремонта, так и в отделанном (чистовом) состоянии. Благодаря алмазному инструменту и профессиональному оборудованию, настенные и напольные покрытия при проведении работ в чистом помещении полностью сохраняют свой первозданный вид.

Практические нюансы сухого сверления бетона алмазной коронкой представлены в видео: