Применение лазерных технологий в ювелирном производстве

Особенно привилась в  ювелирном деле электрическая контактная сварка, точнее, ее разновидность —  сварка конденсаторная. Конденсатор  быстро разряжают через трансформатор, и в его вторичной обмотке (один виток толстого провода) возникает  мощный импульс тока, он проходит через  соединяемые детали, при этом в  районе контакта выделяется значительное тепло и, расплавляя здесь соединяемый  материал, образует сварное ядро.

При пайке ювелирных изделий  обычно приходится выполнять трудоемкую черновую сборку, соединяя все крупные  и мелкие детали и закрепляя их так, чтобы они не рассыпались  от тепловых деформаций, вспучивания  флюса, давления пламени газовой  горелки (которой в основном пользуются ювелиры), или просто от неосторожных движений. Поэтому ювелирным изделиям старались придать такие структуры  и формы, чтобы подпружинить, упереть  друг в друга все их части и  детали.

В сложных изделиях выполнялась  многоступенчатая пайка, и для каждой последующей операции брали припой с более низкой температурой плавления, что, конечно, весьма осложняло процесс  сборки. Кроме того приходилось использовать относительно крупные (по ювелирным  масштабам) детали, чтобы соединение пайкой было достаточно прочным. С этой цепью, например, при изготовлении украшений, расплющивали проволоку и припаивали детали к плоской поверхности. Припой затекал в зазоры под детали, и  это требовало очень точно  выдерживать размеры зазоров.

При конденсаторной сварке детали без труда соединяют последовательно, одну за другой, и это позволяет  создавать объемные, довольно сложные  ювелирные конструкции, напоминающие, например, деревце. Нагрев при этом происходит только в районе соединения, температура самого изделия повышается настолько незначительно, что во время сварки его можно держать  в руках. Это особенно важно для  изделий с ювелирными камнями, которые, как правило, не выдерживают высоких  температур. Для таких камней готовят  особое ложе — каст. На это ложе укладывают камень и подгибают края каста или же используют особые выступы — крапаны. При контактной сварке камни укладывают на предназначенное для них место в самом начале работы, смотрят, как сочетается рисунок камня с общим узором изделия, поправили его части или добавляя новые элементы.

Еще одно достоинство конденсаторной сварки — она способна соединять  самые разные металлы, с том числе такие, которые практически не поддавались пайке. И, конечно же, сварка не нуждается в припое, который обычно ухудшает качество соединений.

Правда, установки контактной сварки, выпускаемые промышленностью  и используемые в электронной  промышленности, оказались неудобны для ювелирных работ. Сотрудникам  кафедры пришлось разработать собственный  вариант и виде пинцета с гибкими проводами, которым можно произвести сварку в глубине разных ажурных изделий. Там, где требуется более мощная сварка, используют особый стержень (карандаш) с рукояткой и маленький медный столик размером в два спичечных коробка, на который кладут изделие.

На очереди стояло —  внедрение в ювелирное дело дуговой  сварки. Правда, свойства электрической  дуги, используемой в промышленности, и дуги малых токов (менее 5 ампер), которой ведут сварку мелких деталей, существенно различаются. Микродуга обычно капризна, горит неустойчиво, «гуляет» по поверхности изделия, часто обрывается и гаснет. Специалисты кафедры избавились от этих недостатков, используя, в частности, импульсную модуляцию сварочного тока, которая стабилизирует дугу.

Еще одна проблема дуговой  сварки состоит в том, что дугу приходится «зажигать» по сути вслепую, касаясь наугад электродом поверхности изделия. Лишь когда дуга зажигается, начинают следить за процессом сварки через защитное стекло. Созданная на кафедре электронная схема отслеживает момент прикосновения электрода к изделию и лишь некоторое время спустя возбуждает дугу. Этот интервал позволяет установить электрод в нужной точке, подвести защитное стекло, приподнять электрод над поверхностью изделия, и только в момент его отрыва начать сварку. Кроме того электроника строго дозирует энергию, вводимую в сварной шов, и он получается без дефектов.

Остается сказать, что  использование микроэлектронной технологии позволяет выполнять украшения  со значительно большим, чем при пайке, числом деталей, затрачивая гораздо меньше труда. При этом практически неограниченны возможности наращивания величины изделия и его усложнения.

 

 

 

 

Преимущества  лазерной сварки по отношению к традиционным методам

 

         Постоянство и неизменность пробы

 того момента, когда  перестают использоваться припои  и сварка производится частичным  расплавлением соединяемых металлов, исчезают все проблемы с пробой.

Экологические аспекты  
Для сварки не используются припои или порошки. Для очистки изделия не используются агрессивные химикаты и/или растворители. Отсутствуют проблемы с отходами.

Упрощение производственного процесса 
Система цепевязальный станок – лазер упрощает производственный процесс и способствует экспорту станков в страны, где не хватает традиционного опыта итальянских производств.  
Пример: Венецианское плетение с запатентованным производственным циклом или цепи из биметалла.

Ускорение производственного  цикла  
Ускорение производственного цикла создает очевидные экономические преимущества ускорения оборота металла в производстве.

Улучшение внешнего вида многоцветных цепей  
Типичная лазерная сварка позволяет соединить виды драгоценного металла, различные по пробе и составу сплава.  
Многоцветную сварную цепь легко распознать, так как ее расцветка, не подвергаясь нагреву в печи, остается яркой (рис. 8).

Прихватка  
Лазерная сварка может быть использована и для простого соединения деталей перед пайкой.

Реализация  новых производственных процессов.  
Сильный толчок к ювелирному творчеству, связанный с изготовлением новой продукции, использует лазерную сварку. Одним из примеров является цепь Кордовая. Эта цепь породила в Италии, на Дальнем Востоке и в США настоящую производственную лавину.  
Конечно, сама цепь изготавливается с давних пор еще со времен этрусков, но лазер обеспечил простоту ее автоматического производства.

 

 

Маркировка, гравировка, резка, пробивка отверстий

 

Используя мономодальный  лазер Nd: YAG непрерывного излучения с модуляцией добротности DPSS TEM 00 со средней мощностью до 40 Вт, можно выполнить как высокоскоростную маркировку за один проход с глубиной в несколько сотых миллиметра, так и гравировку с глубиной до нескольких десятых не гладких и изогнутых поверхностях в области действия фокусирующей линзы.

Типичное оснащение лазерной системы, предназначенной для этой области применения – сканирующая  головка по координатам XY, по которым  все перемещения управляются  при помощи программного обеспечения,рис.14. 
То есть, начиная с маркировки, гравировки, резки, прикладное использование лазера различается только мощностью выхода и в большей степени качеством оптики лазерного источника.

Пробивка отверстий в  пластинах – это резка диаметров, составляющих даже десятую часть  миллиметра, поэтому она во всем совпадает с теоретическим процессом  обычной резки.

 

 

Рис. 14 – Схематическое представление  лазера Nd: YAG непрерывного излучения с модуляцией добротности со сканирующей головкой по осям XY.

 

 

Маркировка и  декор

 

Обычно производится для  изготовления типичных орнаментов на серьгах, браслетах, колье, используя  метод сатинирования. Этот же метод  становится основным для того, чтобы  выделить на светлом фоне рисунок  на медали, рис. 15.

Самые интересные эффекты  получаются на многоцветных поверхностях из драгоценного металла, изготовленных  при помощи либо вальцев, либо гальванических покрытий. Устранение блеска в отдельных областях, управляемое программным обеспечением, благодаря контрасту, создает "разницу в цвете", рис. 16.

 

Рис. 15 – Золотая медаль с лазерным декором

Рис. 16 – Многоцветное золотое  колье с лазерным декором

 

 

 

 

 

Гравировка

 

Лазер Nd: YAG непрерывного излучения с модуляцией добротности TEM 00 в определенных условиях может обеспечить среднюю фокусировку луча размером 30 микрон.  
          Таким образом, лазер в состоянии выполнять тончайшую гравировку с чрезвычайно малыми размерами, рис. 17. Можно "вписывать" логотипы или маркировку в квадраты со стороной даже 1 мм, позволяя "конкретно" персонализировать ювелирную продукцию или при необходимости кодифицировать серии изделий, чтобы избежать подделок.

Рисунок 17 – Гравировка знаков Зодиака	Рисунок 18 - Проходная вставка, персонализирующая цепь Панцирная
Рисунок 19 - Диск из желтого золота 12 К, толщиной 0,15 мм. Отверстия изготовлены при помощи круговой вырезки

 

 

 

 

 

Резка

 

Это расширение технологии гравировки в случае глубины, превышающей  толщину пластины.  
Одной из первых областей применения обычного лазера для маркировки стала разка золотой фольги чрезвычайно малой толщины в несколько сотых миллиметра (в дальнейшем собранных для легкости обращения в книжицы по десять листов), используемых для отделки "червонным золотом" рамок или статуй.

Обычно резка производится в несколько проходов в зависимости  от толщины драгоценного металла, которая  может достигать до десятых долей  миллиметра.  
Обычным применением на сегодняшний день является проходная вставка в Панцирные цепи для их персонализации, рис. 19.  
В частности, используя системы с соответствующей мощностью и яркостью и применяя сканирующую головку XY, мы обеспечили резку золотых и серебряных пластин толщиной до 0,3 мм, рис. 20.  
Используя те же лазерные источники, может быть, более мощные с прямой фокусировкой и подачей кислорода, мы проверили возможность резки до толщины 0,5-0,6 мм как золота, так и серебра.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пробивка отверстий  в камнях

 

         Одним из первых применений лазеров была пробивка отверстий в часовых камнях. Сверление отверстий всегда было чрезвычайно трудоемкой операцией. Современная лазерная технология позволяет прошивать отверстия требуемой формы в камнях различных типов с высокой скоростью и качеством.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

 

Лазерные технологии обработки материалов широко применяются  в промышленности для различных  технологических операций - сварки, резки, маркировки и гравировки, термообработки, сверления отверстий. В последние годы наметилась тенденция расширения применения лазеров в ювелирной отрасли. Наиболее широкое распространение получили станки для обработки с твердотельными лазерами на алюмо-иттриевом гранате, излучение которых достаточно хорошо поглощается основными материалами ювелирной промышленности - драгоценными металлами и камнями. Часть технологических процессов лазерной обработки полностью отработана и внедрена в ювелирной отрасли, некоторые процессы и технологии находятся в стадии разработки, и возможно, в скором времени могут быть применены для обработки изделий ювелирной промышленности. 
           Лазер - идеальный инструмент для работы со всеми видами изделий из драгоценных металлов и сплавов, включая изделия с драгоценными вставками, чувствительными к температурным воздействиям.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список  литературы

 

1. Матвеев А.Н.  Лазеры в общем физическом  практикуме, 1981.

2. Романова Л.Ф.  Современное ювелирное искусство. - М, 2006. - 133 с. 

3. Рыкалин Н.Н., Углов А.А, Лазерная технология: подписная научно-

популярная серия  Техника №3/сост., 1983.

4. Селиванкин С.А. и др. Технология ювелирного производства – Л.,1978

5. Сидорин В.М.  Лазеры в авиации, 1982.

6. Тарасов Л.В.  «Лазеры: действительность и надежды». М., Наука, 1979

7. Транковский С. «Книга о лазерах». М., 1988

8. Лазерная техника  сегодня и завтра // Наука и  жизнь №6, 2002.