Лаб. 3. Лазерных технологий

Лаборатория лазерных технологий была создана в 2001 году при непосредственном активном участии д.ф.-м.н. Оришича Анатолия Митрофановича и директора института Академика РАН Фомина Василия Михайловича.

В период 2001-2006 гг. в лаборатории разрабатывалась технология создания СО2-лазеров с мощностью излучения до 8 кВт с конвективным охлаждением рабочих газов, а также создание лазерных технологических комплексов по раскрою листового материала. На сегодняшний день лаборатория является единственным авторским коллективом в России, который обладает данной технологией. Сейчас основным направлением научных исследований является изучение взаимодействия мощного лазерного излучения с веществом в задачах лазерной сварки, наплавки, аддитивных технологиях, с целью получения гетерогенного материала с уникальными физико-механическими свойствами. В 2018 году руководство лабораторией принял к.т.н. Александр Геннадьевич Маликов. В настоящее время в лаборатории работает 20 человек в том числе: 4 доктора наук, 3 кандидата наук, высококвалифицированные инженеры и техники – 7 сотрудников, студенты и магистранты – 6 человек.

Маликов Александр Геннадьевич

Заведующий лабораторией: к.т.н. Маликов Александр Геннадьевич
тел.: (383) 330-73-42
e-mail: laser [at] itam.nsc.ru, smalik [at] ngs.ru

Направления научных исследований

1. Исследования по созданию  неразъёмных соединений современных авиационных сплавов, выполненных лазерной сваркой.

  • Разработка технологии и оптимизация процесса лазерной сварки сплавов авиационного назначения: алюминиевых (АМг6, Д16, АД37), алюминиево-литиевых (1420, 1424, 1441, В-1461, В-1469), титановых (ВТ 1-0, ВТ-5,ВТ-6,Вт-20, ВТ-23) с целью получения сварных соединений без внешних дефектов (открытая пористость, разбрызгивание, подрезы, горящие трещины) и механических характеристик  (предел прочности на растяжение, предел текучести, относительное удлинение, усталостная прочность), не уступающих основному сплаву.
  • Разработка технологии лазерной сварки разнородных материалов на основе титановых сплавов (ВТ 1-0, ВТ-5, ВТ-6, Вт-20, ВТ-23), алюминиево-литиевых сплавов, нержавеющей стали.
  • Разработка методов повышения механических характеристик и восстановление структурно-фазового состава сварных швов за счет посттермообработки, ультразвуковой обработки, модифицирования нанопорошковыми инокуляторами.

Фотография сварных соединений современного алюминиево-литиевого сплава В-1469

Микроструктра сварного шва сплава 1424

EDXи TEMизлбражение наноструктуры сварного шва

   


 

2. Исследования создания многофункциональных гетерогенных изделий методом аддитивных технологий

  • Исследования формирования гетерогенных металлокерамических изделий, методом аддитивных технологий, с уникальными физико-механических свойствами.
  • Исследования по управлению микроструктурой создаваемых функциональных изделий.
  • Испытания на прочностные и механические характеристики выращенных металлокерамических изделий методом аддитивных технологий.
  • Отработка технологических процессов для разных металлокерамических комбинаций (металлическая матрица – титановые, никелевые, стальные сплавы, керамика – B4C, WC, TiC, TiB, SiC и др.).
 

3. Исследования взаимодействия мощного лазерного излучения с веществом в процессе лазерной резки, с целью получения реза с минимальной шероховатостью поверхности 

  • Экспериментальная оптимизация лазерной резки толстых металлических листов. 
  • Исследование морфологии поверхности лазерного реза.
  • Абляционная лазерная резка авиационных алюминиевых сплавов. 
 

4. Развитие оптических методов исследования для аэрогазодинамики и биомедицинской диагностики

  • Исследование лазерно-индуцированной флуоресценции различных биологических тканей для решения различных медицинских диагностических задач, развитие существующих флуоресцентных методов
  • Применение флуоресцентной визуализации течений и тепловых потоков в аэродинамических экспериментах.
Визуализация лазерно-индуцированной флуоресценции паров ацетона при истечении газа из плоского микросопла шириной 175 мкм
 
     

Насадка на операционный микроскоп для одновременного наблюдения операционной картины и флуоресцентной визуализации пораженной опухолью ткани (показывается зелёным цветом с помощью компьютерной обработки)

 

Флуоресцентная визуализация распределения температуры поверхности для импактной сверхзвуковой микроструи

Лазерно-индуцированная флуоресценция клапана сердца. Минерализованные области демонстрируют яркую флуоресценцию

5. Исследования взаимодействия мощного лазерного излучения со сверхзвуковыми потоками воздуха 

  • Экспериментальные исследования механизмов воздействия импульсно-периодического излучения на сверхзвуковые потоки воздуха и связь параметров лазерного излучения со структурой теплового следа.
  • Исследования взаимодействия ударной волны с тепловым следом.

Важнейшие результаты

Впервые применен комплексный подход, включающий лазерную сварку в оптимальном режиме, последующую термическую обработку современных высокопрочных, термически упрочняемых алюминиевых и титановых сплавов, а также разнородных соединений Al–Ti, не свариваемых традиционными методами, что позволило получать неразъемные соединения с прочностью, близкой к прочности сплавов. Физика процесса связана с заданным изменением морфологии и фазового состава сварного шва в процессе лазерной сварки и последующей постобработки. 

Результат открывает перспективу создания технологии автоматической лазерной сварки современных авиационных сплавов на основе титана и алюминия при создании различных конструкций в авиастроении.

Впервые разработан научный подход для формирования многослойной высокопрочной функционально-градиентной гетерогенной структуры на основе аддитивных технологий с большим содержанием керамики WС (до 70%). Установлено, что в процессе лазерного воздействия частицы карбида вольфрама WС уменьшаются в размерах (растворяются).

Сформировано многофункциональное гетерогенное покрытие (TiB, TiB2, TiC, B4C + Ti-6Al-4V) методом аддитивных технологий. Достигнуто увеличение устойчивости к абразивному износу более чем в 4 раза при добавлении 10% масс. В4С в титановый сплав Ti–6Al–4V. Установлено существенное увеличение значений микротвердости в слоях, включающих новые синтезированные керамическими фазы (TiB, TiB2, TiC). 

EDX-изображение покрытия 10%В4С + 90%ВТ6 с увеличением Х250 и Х500

Найдены законы подобия для качественной лазерно-кислородной резки толстой стали по критерию минимума шероховатости.

Экспериментально обнаружен новый тип неоднородности на поверхности лазерного реза при резке толстых стальных листов – кратероподобные структуры.

    

Кратеры на поверхности лазерного реза. Углеродистая сталь, толщина листа 16 мм.

Публикации

1. Malikov A., Orishich A., Bulina N., Karpov E., Sharafutdinov M. Effect of post heat treatment on the phase composition and strength of laser welded joints of an Al–Mg–Li alloy // Materials Science and Engineering: A. 2019. Vol. 765. Art. 138302 (8 p.). DOI: 10.1016/J.MSEA.2019.138302

2. Malikov A., Orishich A., Bulina N., Karpov E., Sharafutdinov M. Study of the structure and phase composition of laser welded joints of Al–Cu–Li alloy under different heat treatment conditions // International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2019. Vol. 104, Iss. 9–12. Р. 4313–4324.

3. Derevyagina L.S., Gordienko A.I., Orishich А.М., Malikov A.G., Surikova N.S., Volochaev M.N. Microstructure of intercritical heat affected zone and toughness of microalloyed steel laser welds // Materials Science and Engineering: A. 7 Jan. 2020. Vol. 770, Art. 138522 (10 p.). DOI: 10.1016/J.MSEA.2019.138522 

4. Malikov A., Orishich A., Golyshev A., Karpov E. Manufacturing of high-strength laser welded joints of an industrial aluminum alloy of system Al–Cu–Li by means of post heat treatment // J. Manuf. Process. 2019. Vol. 41. P. 101–110. doi:10.1016/J.JMAPRO.2019.03.037.

5. Malikov A.G., Orishich A.M. Laser welding of the high-strength Al–Cu–Li alloy // International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2018. Vol. 94, No. 5-8. P. 2217-2227. 

DOI: 10.1007/s00170-017-0860-6 

6. Orishich A.M., Golyshev A.A., Shulyatyev V.B., Galev R.V., Kudryavtsev A.N. Beam polarization effect on the surface quality during steel cutting by a CO2 laser // Journal of Laser Applications. 2018. Vol. 30, No. 1. P. 012006.DOI: 10.2351/1.5020365 

7. Shulyatyev V.B., Orishich A.M. Microcraters and surface quality in laser oxygen cutting of thick steel sheets // Journal of Laser Applications. 2018. Vol. 30, No. 2. P. 022003 (7 p.). DOI: 10.2351/1.5008798 

8. Maslov N.A. Ultraviolet pulsed laser-induced fluorescence nonlinearity in optically thick organic samples // Journal of Fluorescence. 2018. Vol. 28, No. 2. P. 689-693. DOI: 10.1007/s10895-018-2232-5 

9. Razhev A.M., Iskakov I.A., Churkin D.S., Orishich A.M., Maslov N.A., Tsibul’skaya E.O., Lomzov A.A., Ermakova O.V., Trunov A.N., Chernykh V.V. Effect of laser UV radiation on the eye scleral tissue in patients with open-angle glaucoma // Quantum Electronics. 2018. Vol. 48, No. 5. P. 481-486. DOI: 10.1070/QEL16562 

10. Karpov E.V., Malikov A.G., Orishich A.M., Annin B.D. Temperature effect on the fracture of laser welded joints of aviation aluminum alloys // Journal of Applied Mechanics and Technical Physics. 2018. Vol. 59, No. 5. P. 934-940. DOI: 10.1134/S002189441805022X 

11. Kiseleva T.A., Golyshev A.A., Yakovlev V.I., Orishich A.M. The influence of the thermal wake due to pulsating optical discharge on the aerodynamic-drag force // Thermophysics and Aeromechanics. 2018. Vol. 25, No. 2. P. 257-264.DOI: 10.1134/S0869864318020117 

12. Ganimedov V.L., Tsibulskaya E.O., Maslov N.A., Larionov P.M. Modeling of fluid flow in a biological reactor of rotational type // Thermophysics and Aeromechanics. 2018. Vol. 25, No. 2. P. 211-218. DOI: 10.1134/S0869864318020063 

13. Фомин В.М., Маликов А.Г., Оришич А.М., Антипов В.В., Клочков Г.Г., Скупов А.А. Влияние термической обработки на структуру сварных соединений листов из сплава В-1469 системы Al–Cu–Li, полученных лазерной сваркой // Авиационные материалы и технологии. 2018. № 1(50). С. 9-18. DOI: 10.18577/2071-9140-2018-0-1-9-18

 
Технологические разработки и экспериментальная база

1. Автоматизированные СО2-лазерные комплексы (АЛТК) с мощностью излучения до 5 кВт непрерывного и импульсно-периодического действия для проведения научных исследований взаимодействия излучения с веществом по всем развиваемым лабораторией направлениям исследований.

АЛТК включают:

  • источник лазерного излучения;
  • технологический стол;  
  • систему управления.

2. Инновационный лазерный центр лаборатории 3 для исследования возможности практического применения разрабатываемых лазерных технологий при производстве промышленных деталей.

3. Диагностический участок, включающий:  

  • конфокальный сканирующий лазерный микроскоп Olympus  LEXT 2000;
  • спектрометр на основе электронно-оптического преобразователя ЭПМ44Г-БУ и ПЗС камеры Lutron Vision LV-8500;
  • микротвердомер Wilson Hardness Group Tukon1102;
  • высокоскоростную камеру Photron FASTCAM SA-Z 480K-C-16GB (совм. с. Лаб. № 4);
  • смеситель FILTRA VIBRACION;
  • порошковый питатель Twin-150 (лаб. № 4);
  • камерную печь CWF 12/13, температура до 1200 °С, объем 13 литров (лаб. № 4);
  • горизонтальную  трубчатую вакуумную печь GHA12/300;
  • измеритель мощности лазерного излучения Comet 10K с диапазоном измерения до 10 кВт.

4. Набор высококачественных оптических элементов фирмы "II-VI", включающий:

  • зеркала MMR и TRZ с коэффициентом поглощения 0,2% для лазерного резонатора и внешнего тракта;
  • фазосдвигающие зеркала для создания круговой поляризации лазерного излучения;
  • фокусирующие ZnSe линзы с фокусными расстояниями от 63,5 мм до 432 мм; внеосевые;
  • параболические зеркала с фокусным расстоянием 254 мм; просветленные и полупрозрачные окна из ZnSe.

5. Участок оптических методов исследования аэрогазодинамики и биомедицинской диагностики, включающий набор маломощных лазеров.

6. Разработка и внедрение автоматизированных СО2-лазерных  технологических комплексов (АЛТК) с мощностью излучения до 5 кВт.

В ИТПМ СО РАН впервые в мире выполнен цикл теоретических и экспериментальных исследований, в которых сформулированы новые представления о способах создания мощных (1-14 кВт) газовых лазеров с высоким качеством излучения. В результате данной работы создана и внедрена в производство серия автоматизированных технологических комплексов для резки листовых материалов (например, Элсиб, НЗХК, Опытный завод (2 комплекса), ИТПМ СО РАН (6 комплексов), ИЯФ СО РАН, Улан-Уде (2 комплекса), Кемерово, Москва (спецприменение, «Оптогард Нанотех»).

Достижения и награды
2005 
Почетная грамота за лучшее представление России – страны передовых технологий, Ганноверская промышленная ярмарка, Германия.  Президент России Путин В.В. и канцлер Германии Шредер Г. высоко оценили работу ученых ИТПМ СО РАН по созданию уникальных технологических лазеров.
2008
«Заслуженный деятель науки Российской Федерации»:  Оришич А.М.
2015
Государственная Премия Новосибирской области за «Разработку, создание и внедрение лазерной техники и технологий на промышленных предприятиях НСО».
2016 
Грант президента РФ:  Маликов А.Г. 
2019
Премия Правительства НСО «Лучший молодой ученый»: Голышев А.А. 
 
Гранты

РНФ № 17-79-20139. Разработка научно-технических основ по созданию высокопрочных сварных соединений алюминиево-литиевых сплавов метод лазерной сваркой.  Руководитель к.т.н. А.Г. Маликов

РНФ № 18-79-00052. Исследование послойного лазерного формирования функционально-градиентных металлокерамических структур, включающих в себя B4C, TiC и TiB2, используя импульсно-периодическое лазерное излучение.  Руководитель к.ф.-м.н. А.Г. Голышев

РФФИ  19-48-543004 р_мол_а. Разработка научных основ создания многоуровневых металлокерамических структур, используя импульсно-периодическое лазерное излучение в аддитивных технологиях. Руководитель к.ф.-м.н. А.Г. Голышев

РФФИ 19-48-540008 р_а. Разработка научно-технических основ получения высокопрочных лазерных сварных соединений конструкционных материалов авиационного назначения. Руководитель к.т.н. А.Г. Маликов

РФФИ 19-48-540002 р_а. Лазерная резка алюминиевых сплавов импульсно-периодическим излучением с высокой пиковой мощностью в условиях развитого испарения материала. Руководитель д.т.н. В.Б. Шулятьев

Грант Правительства НСО «Исследование влияния нанопорошков при взаимодействии лазерного излучения с металлами для повышения износостойкости и прочностных характеристик деталей машиностроения». Руководитель к.т.н. А.Г. Маликов

Патенты
  1. Патент № 2143772. Мощный CO2-лазер / А.И. Иванченко, А.М. Оришич. Заяв. 21.04.1998. Опубл. 27.12.1999.Бюл. № 36.
  2. Патент 2152674. Газовый лазер (ВАРИАНТЫ) / А.И. Иванченко, А.А. Денисенко, А.М. Оришич. Заяв. 10.03.1998. Опубл. 10.07.2000. Бюл. № 19.
  3. Патент № 2350445. Способ резки толстых металлических листов / А.М. Оришич, В.М. Фомин, В.Б. Шулятьев, Г.В. Ермолаев, А.В. Зайцев, О.Б. Ковалев, А.Г. Маликов, П.В. Юдин. Заяв. 14.06.2007.  Опубл. 27.03.2009. Бюл. № 9.
  4. Патент № 2404887. Способ сварки материалов / А.Н. Черепанов, А.М. Оришич, Ю.В. Афонин, В.М. Фомин, А.А. Батаев. Заяв. 09.06.2009.  Опубл. 27.11.2010. Бюл. № 33.
Хоздоговорная деятельность

Изготовление мощных СО2-лазеров для спецприменения ООО «Оптогард Нанотех», ИЯФ СО РАН, изготовление автоматизированных лазерных технологических комплексов «Сибирь» по раскрою листового материала, предоставление услуг по лазерному раскрою листового материала, лазерной сварки металлических сплавов, лазерной наплавки металл металлокерамических покрытий.  

Сотрудничество

ВИАМ, ИЯФ СО РАН, ИГиЛ СО РАН, ИХТТМ СО РАН, ИЛФ СО РАН, ИФП СО РАН, ИФПМ СО РАН, ИМаш УрО РАН, ФГБУ НИИТО, ФГБУН «Вектор», ФГБУ «НМИЦ им. акад. Е.Н. Мешалкина».