Общепринятые обозначения лазерной сварки

LBW – Laser Beam Welding – сварка лазерным лучом

Сущность лазерной сварки

Лазерный луч по сравнению с обычным световым лучом обладает рядом свойств – направленностью, монохроматичностью и когерентностью.

Благодаря направленности лазерного луча его энергия концентрируется на сравнительно небольшом участке. Например, направленность лазерного луча может в несколько тысяч раз превышать направленность луча прожектора.

Если обычный «белый» свет состоит из лучей с различными частотами, то лазерный луч является монохроматичным – имеет определенную частоту и длину волны. За счет этого он отлично фокусируется оптическими линзами, поскольку угол преломления луча в линзе постоянен.

Когерентность – это согласованное протекание во времени нескольких волновых процессов. Некогерентные колебания светового луча обладают различными фазами, в результате чего могут погасить друг друга. Когерентные же колебания вызывают резонанс, который усиливает мощность излучения.

Благодаря вышеперечисленным свойствам лазерный луч может быть сфокусирован на очень маленькую поверхность металла и создать на на ней плотность энергии порядка 10⁸ Вт/см² – достаточную для плавления металла и, следовательно, сварки.

Для лазерной сварки обычно используются следующие типы лазеров:

• твердотельные и
• газовые – с продольной или поперечной прокачкой газа, газодинамические.

Лазерная сварка твердотельным лазером

Схема твердотельного лазера приведена на рисунке ниже. В качестве активного тела используется стержень из рубина, стекла с примесью неодима (Nd-Glass) или алюмо-иттриевого граната, легированного неодимом (Nd-YAG) либо иттербием (Yb-YAG). Он размещается в осветительной камере. Для возбуждения атомов активного тела используется лампа накачки, создающая мощные вспышки света.

Рисунок. Схема твердотельного лазера

По торцам активного тела размещены зеркала – отражающее и частично прозрачное. Луч лазера выходит через частично прозрачное зеркало, предварительно многократно отражаясь внутри рубинового стержня и таким образом усиливаясь. Мощность твердотельных лазеров относительно невелика и обычно не превышает 1–6 кВт.

Твердотельными лазерами в связи с их небольшой мощностью свариваются только мелкие детали небольшой толщины, обычно объекты микроэлектроники. Например, привариваются тончайшие выводы из проволок диаметром 0,01–0,1 мм, изготовленные из тантала, золота, нихрома. Возможна точечная сварка изделий из фольги с диаметром точки 0,5–0,9 мм. Лазерной сваркой выполняется герметичный шов катодов кинескопов современных телевизоров.

Катод представляет собой трубку длиной 2 мм, диаметром 1,8 мм, толщиной стенки 0,04 мм. К трубке приваривается донышко толщиной 0,12 мм, материал изделия – хромоникелевый сплав. Сварка таких мелких деталей возможна за счет высокой степени фокусировки луча и точной дозировки энергии путем регулировки длительности импульса в пределах 10^-2–10^-7 с.

Сварка газовым лазером

Более мощными являются газовые лазеры, в которых в качестве активного тела используют смесь газов, обычно СО₂+N₂+Не. Схема газового лазера с продольной прокачкой газа приведена на рисунке ниже. Газ из баллонов прокачивается насосом через газоразрядную трубку. Для энергетического возбуждения газа используется электрический разряд между электродами. По торцам газоразрядной трубки расположены зеркала. Электроды подключены к источнику питания. Лазер охлаждается водяной системой.

Рисунок. Газовый лазер с продольной прокачкой газа

Недостатком лазеров с продольной прокачкой газа являются их большие габаритные размеры.

Более компактны лазеры с поперечной прокачкой газа (см. рисунок ниже).

Рисунок. Газовый лазер с поперечной прокачкой газа

Они позволяют достичь общей мощности 20 кВт и больше, что дает возможность сваривать металлы толщиной до 20 мм с достаточно высокой скоростью, около 60 м/ч.

Наиболее мощными являются газодинамические лазеры (на рисунке ниже). Для работы используются газы, нагретые до температуры 1000–3000 К. Газ истекает со сверхзвуковой скоростью через сопло Лаваля, в результате чего происходит его адиабатическое расширение и охлаждение в зоне резонатора. При охлаждении возбужденных молекул CO

Рисунок. Газодинамический лазер

Схема процесса лазерной сварки приведена на рисунке ниже.

Рисунок. Схема процесса лазерной сварки

Лазерная сварка производится в атмосферных условиях, без создания вакуума, необходима защита расплавленного металла от воздуха. Обычно для защиты используются газы, в частности аргон. Особенностью процесса лазерной сварки является то, что вследствие высокой тепловой мощности луча на поверхности свариваемого изделия происходит интенсивное испарение металла. Пары ионизируются, что приводит к рассеиванию и экранированию луча лазера. В связи с этим при использовании лазеров большой мощности в зону сварки необходимо подавать, кроме защитного, так называемый плазмоподавляющий газ. В качестве плазмоподавляющего газа обычно используют гелий, который значительно легче аргона и не рассеивает луч лазера. Для упрощения процесса целесообразно применение смесей 50% Аг + 50% Не, которые выполняют плазмоподавляющую и защитную функции. В этом случае сварочная горелка должна обеспечивать подачу газа таким образом, чтобы он сдувал ионизированный пар.

Рисунок. Конструкции сопел горелок для лазерной сварки

При лазерной сварке луч постепенно углубляется в деталь, оттесняя жидкий металл сварочной ванны на заднюю стенку кратера. Это позволяет получить «кинжальное» проплавление при большой глубине и малой ширине шва.

Высокая концентрация энергии в лазерном луче позволяет достигать высоких скоростей сварки, обеспечивая одновременно благоприятный термический цикл и высокую технологическую прочность металла шва.

Преимущества лазерной сварки

Важнейшим преимуществом лазерной сварки твердотельными лазерами является возможность очень точной дозировки энергии, поэтому удается обеспечить получение качественных соединений при изготовлении очень мелких деталей.

Для мощных газовых лазеров преимуществом является получение большой глубины проплавления при малой ширине шва. Это позволяет уменьшить зону термического влияния, сократить сварочные деформации и напряжения.

Кроме того, лазерная сварка обладает рядом преимуществ, не присущих другим способам сварки. Лазер может быть расположен на достаточно большом удалении от места сварки, что в ряде случаев дает существенный экономический эффект. Например, известна установка для лазерной сварки при ремонте трубопроводов, проложенных по дну водоема. Внутри трубы перемещается тележка с вращающимся зеркалом. Лазер же находится у конца секции трубопровода и посылает луч внутри трубы. Это позволяет осуществлять лазерную сварку, не снимая с трубопровода балласт и не поднимая его на поверхность.

Легкость управления лазерным лучом с помощью зеркал и волоконной оптики позволяет осуществлять сварку в труднодоступных, иногда не находящихся в пределах прямой видимости местах. Возможна также лазерная сварка нескольких деталей от одного лазера расщепленным с помощью призм лучом.

Недостатки технологии

Недостатками лазерной сварки являются высокая сложность и стоимость оборудования, низкий КПД лазеров. По мере развития лазерной техники эти недостатки устраняются.

Особенности лазерной сварки

В производстве очень важным процессом является сварка. Такой аппарат, где лазер используется как энергетический источник, называется лазерная сварка, которая применяется для соединения одинаковых и разнородных металлов. Это наиболее современный способ для сварки металлических частей, который в последние годы все больше привлекает к себе внимания.

Такая сварка была создана в 60-е годы ХХ века. Плюс излучения лазера – высокое скопление энергии. Это позволяет соединить различные металлы и сплавы толщиной от микрометра до одного сантиметра.

Лазерное излучение создает сварной шов таким способом: наводится в фокусирующую систему, где преобразуется в меньший пучок, поглощает, нагревает и расплавляет свариваемые материалы. Для фокусировки энергии в сварке лазером используются направляющие зеркала.

Микросварка соединяет материал толщиной до 100 мкм, мини-сварка проплавляет на глубине от 0.1 до 1 мм, макросварка способна спаять детали толщиной более 1 мм. В зависимости от положения деталей и лазерного луча, схема спайки может быть:

• встык;
• внахлест;
• угловая;
• прочие варианты.

Читайте также:

Как должны выглядеть правильные сварные швы.

Как холодной сваркой пользоваться правильно.

Типы используемых лазеров

Схема гибридной лазерной сварки.

Установки для сварки лазером бывают твердотельные и газовые.

В твердотельной используется стержень из розового рубина, в котором ионы хрома нагреваются при облучении и отдают запасенную энергию.Концы рубинового основания покрывают серебром, которое имеет свойство отражать свет. Образуются полупрозрачные и прозрачные зеркала, от которых ионы хрома отбиваются и перемещаются вокруг рубинового стержня по спирали, задействуют следующие ионы и формируют беспрерывное действие. Случается энергетический взрыв, который движется через наполовину прозрачное стекло и собирается линзой в точку сварочного аппарата. Минус твердотельного лазера – работа только в беспрерывном режиме, а в импульсном очень низкий КПД (от 0.01 до 1%).

Если сравнивать газовый лазер и твердотельный, то у газового выше мощность и уровень КПД. Устройство такого лазера – круглая трубка, наполненная газом с обеих сторон, прижатая полупрозрачным и непрозрачным параллельными зеркалами. В трубке находятся электроды, между ними под воздействием разряда появляются резвые электроны, которые задействуют частицы газа. Когда они возвращаются в первоначальное состояние, образуются кванты света, которые собираются и направляются в место спайки. Огромным достоинством газовых лазеров является то, что они функционируют в обоих режимах: импульсном и беспрерывном.

Сварка сплавов большой толщины осуществляется с глубоким проплавлением, то есть формируется парогазовый канал, что весьма отличается от соединения металлов меньшей толщины. Для того чтобы при сварке не появлялись недостатки и шов был хорошего качества, подбирается необходимая мощность. Скорость 0.2-0.3 см/с обеспечивает высокую продуктивность и качественное скрепление деталей без дефектов.

Вернуться к оглавлению

Применение сварки лазером

Различие лазерной пайки и лазерной сварки.

Лазерные сварочные аппараты используются все чаще из-за качества, экологичности и скорости процесса.

Аппарат для лазерной сварки применяется:

1. Для соединения стали. Такая сварка стали обеспечивает высокую прочность соединений, аккуратность швов, минимизацию коррозий, высокую скорость охлаждения. Перед началом сваривания конструкций необходимо подготовить кромки деталей: очистить от ржавчины окалины и удалить влагу. Подгоняют детали и части конструкции под сварку с наибольшей точностью. Как защитный газ используют чистый гелий или его смесь с аргоном.
2. Для спайки металлических конструкций. Лазерная сварка металла осуществляется с глубоким проплавлением. Важным приемом для этого является применение присадочного материала, что обеспечивает возможность регулировать состав шва, а также снизить требования к точности сборки частей конструкции под спайку. Особенность такой сварки в том, что используется присадочная проволока в диаметре до 1 мм и правильная подача ее при помощи специальных механизмов под лазерное излучение. Если работать со скоростью 25-30 мм/с, то снижается количество деформаций, по сравнению с дуговой спайкой металлов. Основные достоинства соединения металла с глубоким проплавлением – мощное излучение, необходимая скорость сварки. Такое сильное излучение увеличивает способность проплавлять и формировать качественный шов. Обратите внимание, что лазерное излучение в диаметре должно быть от 0.5 до 1 мм. Если луч меньше указанного диаметра, это может привести к перегреву металла шва, частичному испарению его и образованию дефектов. Если же луч более 1 мм, то эффективность снижается в несколько раз, что может привести к преломлению шва.
3. Для ремонта очков. Лазерная сварка очков – оптимальный способ починить оправы из различных металлов и сплавов. Место соединения получается крепким и однородным благодаря тому, что в сварке не используется припой. Процедура ремонта длится не более 20 минут, шов не загрязнен частицами припоя или электродов, а в месте соединения остается небольшой шов, который незаметен после шлифовки. Для ремонта очков необходимо выбрать правильное оборудование с нужной мощностью, так как маломощные лазеры не могут пропаять материалы с высокой теплопроводностью.
4. Для ремонта ювелирных изделий. Лазерная пайка предоставляет возможность ремонта серебряных и золотых изделий максимально аккуратно, без деформации. Украшение не нагревается полностью при проведении работы, а только частично, в местах, которые необходимо соединить. Еще один плюс в том, что не нужно извлекать драгоценные камни из изделия, ведь при использовании лазерного излучения не нарушится целостность украшения.
5. Для соединения алюминиевых, магниевых и титановых сплавов. Режимы сварки выбираются для обеспечения нужной геометрии шва, предотвращения формирования холодных трещин и создания хорошего шва.

Вернуться к оглавлению

Ручная лазерная сварка

Устройство лазера для сварки.

Уже существует оборудование для лазерной сварки, которое функционирует в ручном режиме. С его помощью можно производить своими руками:

• точечную спайку;
• ремонт ювелирных украшений;
• уплотнение материалов только поверхностно;
• обработку медицинского оборудования;
• ремонт оправы очков.

Ручной сварочный аппарат может повысить продуктивность, ведь его скорость гораздо быстрее, а сварные изделия более высокого качества. Например, непрерывным лучом стальной лист толщиной 20 мм сваривается за 1 проход со скоростью 100 м/ч, а электрической дугой такой лист сваривают с быстротой в 20 м/ч за 6-8 проходов.

Не стоит забывать о том, что лазеры излучают мощный луч, который бывает видимый и невидимый. В большинстве случаев лазерный сварочный аппарат излучает невидимый луч инфракрасного света. Если не соблюдать меры предосторожности, то такой луч может попасть в глаза или на кожу.

Нужно выбирать качественное оборудование для сварки лазером, которое имеет правильную конструкцию, оснащено крышками для безопасности. Если тщательно соблюдать меры предосторожности, сварочный аппарат не будет опасным для вашего здоровья.

Вернуться к оглавлению

Плюсы и минусы лазерной сварки

Основными причинами, чтоб использовать аппарат лазерной сварки, является:

• скорость соединения материалов;
• соединение различных материалов без механической обработки;
• высокая продуктивность работы;
• чистота, сварочные швы не загрязнены частями припоя;
• высокая прочность изделий и стойкость к коррозии;
• отсутствие ограничений по толщине материалов;
• возможность сваривания ювелирных украшений без потери покрытия;
• минимальная зона нагревания;
• возможность соединения в труднодоступных местах;
• отсутствие выделения вредных паров.

Недостатки лазерного оборудования:

• нужно купить дорогостоящую установку;
• необходим персонал с высокой квалификацией;
• присутствие вибраций;
• необходимо использовать платформы, устойчивые к вибрации;
• нужно защитить персонал от лазерного излучения.

Лазерная сварка может оказаться единственным процессом, который может обеспечить качественные соединения трудно свариваемых материалов и конструкций с труднодоступными швами.

как это работает и какие бывают виды

Проведение сварочных работ лазерными установками, применяется уже давно.

Лазерная сварка – это, как принято понимать, характеризующийся высокотехнологичностью метод создания сварных соединений. Для использования метода лазерной сварки не требуется применения особой вакуумной камеры, что, безусловно, очень удобно.

Сварка будущего

Современное сварочное оборудование генерирует лазерный луч, обеспечивающий достаточно высокую концентрацию энергии. Она обеспечивается за счет возможности сфокусировать весь потенциал в одной точке, диаметр которой составляет всего несколько сантиметров.

Осуществляется лазерная сварка при помощи соответствующего аппарата. Для выбора нужно учитывать, что есть две разновидности, имеющие определенные отличительные особенности.

Разновидности аппаратов

Твердотельные аппараты

Твердотельная ручная лазерная установка работает по следующей схеме: через стержень из стекла (он представляет собой твердотельный активный элемент) происходит излучение лазера. Это сопровождается включением рубина, алюмоиттриевого граната, неодима. Сам стержень в конструкции аппарата расположен в камере, которая освещена лампой накачки. Лампа обеспечивает создание мощных и равномерных световых вспышек.

Активные стержни имеют в торцах зеркала: частично прозрачное и отражающее. Рекомендуем изучить соответствующие видео для полного понимания.

Выбирать твердотельный аппарат лазерной сварки нужно при необходимости в сваривании мелких деталей, имеющих относительно небольшую толщину. К примеру, отлично подходит такой аппарат для сварки элементов различных электронных устройств и приборов: для тонких проволочных выводов из тантала, нихрома и золота.

Современные устройства дают возможность проведения сварки элементов, выполненных из фольги, а также позволяют создавать швы (герметичные) катодов кинескопа, который входит в оснащение практически всех телевизоров.

Твердотельная ручная лазерная установка

Газовые устройства

Газовая лазерная установка – это более мощное устройство. Такой прибор предполагает использование высоковольтных источников тока (режим либо импульсный, либо непрерывный). Эти источники возбуждают активную рабочую среду – газовую смесь (на видео хорошо заметен принцип работы).

Ручная установка данного вида отличается:

• Более длинными волнами по сравнению с твердотельными установками;
• Несколько большей мощностью.

Установка с газовой прокачкой поперечного типа является компактным, но достаточно мощным аппаратом, который успешно применяется в целях сварки металлов толщиной до 20 мм (существующие видео подтверждают это).

Наиболее мощное газовое оборудование – это газодинамические устройства. В них активной средой являются горячие газы, температура которых достигает 3000 К.

О достоинствах лазерной сварки

Ключевое преимущество лазерной сварки – ее разнообразие. Это позволяет подбирать оптимальное оборудование для любого вида материалов и для любого характера работ.

Так, ручная твердотельная установка позволяет точно дозировать энергию. Это гарантирует высокое качество сварочных работ в отношении хрупких и мелких деталей и элементов. Примечательно, что прочность полученного в таком случае соединения будет превосходить все традиционные виды сваривания.

Газовый аппарат лазерной сварки позволяет обеспечить больший уровень глубины, на которую изделие проплавляется. При этом образуется малый по ширине шов, а это значительно уменьшает зону воздействия высоких температур. Соответственно, газовая лазерная сварка – это отличный вариант для того, чтобы сократить термическое воздействие на изделие и, как результат, снизить возможные напряжения при сварке и деформацию.

При сопоставлении лазерной сварки с традиционными разновидностями очевидным становится и следующее ее преимущество: проведение лазерной сварки возможно и при расположении аппарата на значительном расстоянии непосредственно от сварочных точек. Это выгодно с точки зрения цены установки, к тому же в ряде случаев представляет собой единственный способ заваривания шва в труднодоступном месте. К примеру, лазерные аппараты позволяют заваривать трубы на дне водоемов. Для этого по трубопроводу запускается подвижная тележка, имеющая вращающиеся зеркала. Само же лазерное сварочное оборудование устанавливается около входного отверстия, откуда и направляет луч в сторону тележки (просмотрите видео с подобными работами).

Безопасность

Очень важно, чтобы сварка сопровождалась надлежащим уровнем безопасности. Для этого следует:

• установить кожухи либо защитные экраны, которые не допустят попадания излучения непосредственно на рабочее место;
• обеспечить наличие на рабочем месте схемы лазерноопасной зоны;
• в обязательном порядке осуществлять проверку работы блокировочных и сигнализационных систем, которые предназначены для предотвращения доступа рабочих в границы лазерноопасной зоны;
• внутренние поверхности помещений окрашивать матовой краской, характеризующейся минимальным коэффициентом отражения;
• в отдельном помещении устанавливать пульт управления аппаратом. Дополнительно размещать видео-, иную систему наблюдения за сварочным процессом.

Такова специфика лазерной сварки. Правильный выбор аппарата позволит добиться результата действительно высокого качества.

Статья на тему: «Лазерная сварка»

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КАМЧАТСКОГО КРАЯ

Краевое государственное профессиональное образовательное автономное учреждение

«КАМЧАТСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ТЕХНИКУМ»

(КГПОАУ «Камчатский политехнический техникум»)

Техническое отделение

Специальность 22.02.06 «Сварочное производство»

РЕФЕРАТ

на тему: Перспективы применения лазерной сварки

Выполнил студент: Анисимов А.

группы ___СП-3___

Научный руководитель:

Азимова С.В.

Петропавловск-Камчатский2015

Лазерная сварка — это процесс соединения материалов (прежде всего металлов) при котором происходит расплавлением кромок с помощью концентрированного лазерного луча и образования  общей ванны расплавленного металла  с последующим затвердеванием.

Лазерная сварка — процесс бесконтактный, потому более чистый, чем другие виды сварки. Сварочный шов не загрязнен материалами электродов, флюса и т.д. Лазерная сварка происходит при высокой концентрации энергии, поэтому производительность сварки намного превышает производительность традиционных видов сварки.

Не менее потрясающими оказались достижения в физике. Только за одно десятилетие на рубеже двух веков было сделано пять открытий. В 1895г. немецкий физик В. Рентген открыл новый вид излучения, названный позднее его именем; за это открытие он получил в 1901 г. Нобелевскую премию, став, таким образом, первым в истории нобелевским лауреатом. В 1896 г. французский физик Антуан Анри Беккерель открыл явление радиоактивности Нобелевская премия 1903 г. В 1897 г. английский физик Дж. Дж. Томсон открыл электрон и в следующем году измерил его заряд Нобелевская премия 1906 г. 14 декабря 1900 г. на заседании Немецко-физического общества Макс Планк дал вывод формулы для испускательнойспособности черного тела; этот вывод опирался на совершенно новые идеи, ставшие фундаментом квантовой теории одной из основных физических теорий XX века. В 1905 г. молодой Альберт Эйнштейн ему тогда было всего 26 лет опубликовал специальную теорию относительности. Все эти открытия производили ошеломляющее впечатление и многих повергали в замешательство они никак не укладывались в рамки существовавшей физики, требовали пересмотра ее основных представлений. Едва начавшись, 20-й век возвестил о рождении новой физики, обозначил невидимую грань, за которой осталась прежняя физика, получившая название «классическая».

И вот сегодня человек получил в своё распоряжение всемогущий луч лазера.

В 1964 году академик Н.Г. Басов, А.М. Прохоров и американским ученым Ч. Таунсом становятся лауреатами Нобелевской премии, которой они были удостоены за теоретическое обоснование и разработку лазеров. Басов характеризует лазер как «устройство, в котором энергия, например тепловая, химическая, электрическая, преобразуется в энергию электромагнитного поля — лазерный луч. При таком преобразовании часть энергии неизбежно теряется, но важно то, что полученная в результате лазерная энергия обладает несравненно более высоким качеством. Качество лазерной энергии определяется ее высокой концентрацией и возможностью передачи на значительное расстояние».

Большой вклад в разработку прогрессивных сварочных технологий, механизацию сварочных процессов, создание современного сварочного оборудования, сварочных и основных материалов для изготовления судовых конструкций внесли Центральный научно-исследовательский институт технологии судостроения (ЦНИИ ТС), Центральный научно — исследовательский институт конструкционных материалов (ЦНИИ КМ) «Прометей», Институт электросварки им. Е. О. Патона (г. Киев).

Источником теплоты служит лазерный луч. Применяют лазерные установки всех видов. Высокая концентрация энергии, большая скорость лазерной сварки по сравнению с дуговыми способами, незначительное тепловое воздействие на околошовную зону вследствие высоких скоростей нагрева и охлаждения металла существенно повышают сопротивляемость большинства конструкционных материалов образованию горячих и холодных трещин. Это обеспечивает высокое качество сварных соединений из материалов, плохо свариваемых другими способами сварки.

Особенностью лазерной сварки является широкий диапазон варьирования режимов, обеспечивающих не только возможность сварки различных материалов толщиной от нескольких микрон до десятков миллиметров, но и осуществление принципиально различных механизмов проплавления. В соответствии с этим, сварку подразделяют на две основные группы: сварку малых толщин и сварку с глубоким проплавлением.

Выполненные лазерным лучом сварные швы отличаются хорошими механическими свойствами. Остаточные деформации при лазерной сварке в 3-5 раз меньше, чем при газовой сварке. Используя лазерное излучение можно получать качественные сварные соединения цветных металлов, медных и алюминиевых сплавов.

Лазерная сварка – это самый современный вариант соединения металлов, который отличается целым рядом технических особенностей. Нагрев и последующее плавление металла осуществляется посредством лазерного луча ОКГ (оптического квантового генератора). Излучателем – активным элементом – в ОКГ могут быть: 1) твёрдые тела – стекло с неодимом, рубин и др.; 2) жидкости – растворы окиси неодима, красители и др.; 30 газы и газовые смеси – водород, азот, углекислый газ и др.; 4) полупроводниковые монокристаллы – арсениды галлия и индия, сплавы кадмия с селеном и серой и др. Обрабатывать можно металлы и неметаллические материалы в атмосфере, вакууме и в различных газах. При этом луч лазера свободно проникает через стекло, кварц, воздух.

Лазерный луч является главным элементом лазерной сварки. Благодаря направленности лазерного луча его энергия концентрируется на сравнительно небольшом участке, что дает небольшой объем сварочной ванны, малая ширина ЗТВ, высокие скорости нагрева и охлаждения. Это дает высокую технологическую прочность сварных соединений и небольшие деформации сварных конструкций. Когерентность же дает усиление мощности излучения. Основными элементами лазера являются: генератор накачки и активная среда. По активной среде различают твердотельные, газовые и полупроводниковые лазеры.

Основные элементы лазера – это генератор накачки и активная среда. По активным средам различают твердотельные, газовые и полупроводниковые лазеры.

Рис.1 Схема твердотельного лазера:

1 — рубиновый стержень; 2 — генератор накачки; 3 — отражатель; 4 — непрозрачное зеркало; 5 — охлаждающая среда; 6 — источник питания; 7 — полупрозрачное зеркало; 8 — световой луч; 9 — фокусирующая линза; 10 — обрабатываемые детали.

Твердотельный лазер представляет собой лазер, где в качестве активной среды применяют стержни из розового рубина — окиси алюминия с примесью ионов хрома (до 0,05 %) (т.е вещество, которое находится в твердом состоянии).

При облучении ионы хрома переходят в другое энергетическое состояние -возбуждаются и затем отдают запасенную энергию в виде света. На торцах рубинового стержня нанесен слой отражающего вещества (например, серебра) так, что с одного конца образовано непрозрачное, а с другого — полупрозрачное зеркало. Излучение ионов хрома, отражаясь от этих зеркал, циркулирует параллельно оптической оси стержня, возбуждая новые ионы, — идет лавинообразный процесс. Происходит бурное выделение лучистой энергии, которая излучается параллельным пучком через полупрозрачное зеркало и фокусируется линзой в месте сварки. Выходная мощность твердотельных лазеров достигает 10⁷ Вт при сечении луча менее 1 см². В фокусе достигается громадная концентрация энергии, позволяющая получать температуру до миллиона градусов. Впервые лазер, работающий на кристалле рубина длиной 1 см, был создан Т. Мэйманом (США) в 1960 году.

Типичная конструкция газового лазера – заполненная газом трубка, ограниченная с двух сторон строго параллельными зеркалами: непрозрачным и полупрозрачным. В результате электрического разряда между введенными в трубку электродами возникают быстрые электроны, которые возбуждают газовые молекулы. Возвращаясь в стабильное состояние, эти молекулы образуют кванты света так же, как и в твердотельном лазере. Для сварки используют твердотельные и газовые лазеры импульсного и непрерывного действия.

Рис.2 Схема газового лазера:

1 — разрядная трубка; 2 — непрозрачное зеркало; 3 — источник питания; 4 — вакуумный насос; 5 — полупрозрачное зеркало

Сущность лазерного процесса сварки состоит в следующем: лазерное излучение направляется в фокусирующую систему, где фокусируется в пучок меньшего сечения и попадает на свариваемые детали, где частично отражается, частично проникает внутрь материала, где поглощается, нагревает и расплавляет металл, формируя сварной шов.

Лазерную сварку производится сквозным и частичным проплавлением в любом пространственном положении. Сварка проводится непрерывным или импульсным излучением. При сварке изделий малых толщин от 0,05 до 1,0 мм сварка проходит с расфокусировкой лазерного луча.

При импульсном лазерном излучении сварной шов образуется сварными точками, их перекрытием на 30 — 90%. Современные сварочные установки с твердотельными лазерами проводят шовную сварку со скоростью до 5 мм/с с частотой импульсов около 20 Гц. Сварку проводится с использованием присадочных материалов (проволока диаметром около 1,5 мм, лента или порошок). Присадка увеличивает сечение сварного шва.

Лазерная сварка разделается на три вида: микросварка (толщина или глубина проплавления до 100 мкм), мини-сварка (глубина проплавления от 0,1 до 1 мм), макросварка (глубина проплавления более 1 мм).

Оборудование:

В состав оборудования для лазерной сварки входит лазер, системы фокусировки излучения, газовой защиты изделия, перемещения луча и изделия.

В сварке используют твердотельные и газовые лазеры. Твердотельные лазеры выполняют на основе рубина, стекла с присадкой ионов неодима, алюмоиттриевого граната (АИГ) с неодимом. Газовые лазеры — в качестве рабочего тела используют смесь СO₂, N₂ и Не.

Промышленность выпускает лазерные установки ЛГТ-2.01, ТЛ-5М, МУЛ-1, ЛТА4-1, ЛТА4-2. Установки позволяют проводить полуавтоматическую сварку в импульсном режиме с микропроцессорным управлением.

Виды лазерной сварки:

Точечная сварка  получила распространение с первых дней появления импульсных твердотельных лазеров для выполнения неразъемных соединений в электронике и приборостроении. Точечной сваркой соединяются тонколистовые материалы (при толщине 0,5…2,0 мм), проволока диаметром от 10 до 500 мкм, проволока к подложке, тонкие листы к массивным элементам.  В случае с точечной лазерной сваркой применяется как непрерывный, так и импульсный режим излучения лазера.

Шовная сварка обеспечивает надежное механическое соединение, высокую герметичность сварочного шва. Шовную сварку выполняют как с помощью импульсного излучения с высокой частотой генерации импульсов, так и с помощью непрерывного излучения. Последнее позволяет сваривать толстостенные детали;

Шовная сварка выполняется как посредством импульсного излучения с высокой частотой генерации импульсов, так и посредством непрерывного излучения. Сварка непрерывным излучением дает возможность сваривать детали с толстыми стенками.

С глубоким проплавлением принципиально отличается от сварки с неглубоким проплавлением тем, что при образовании сварного соединения образуется газовый канал, по которому поднимается испаренный металл. Зона провара имеет вытянутую форму, шов не широкий, глубокий.

Недостатки: высокая стоимость лазерных установок, низкий КПД (0,01 — 2,0%).

Преимущества: возможность сварки высокоточных конструкций, сварка без правок или механической обработки, высока скорость сварки и производительность работ (стальной лист толщиной 20 мм электрической дугой сваривают со скоростью 15 м/ч за 5 — 8, при сварке непрерывным лазерным лучом лист сваривается со скоростью 100 м/ч за 1 проход).

Экономические преимущества:

• Высокая производительность процесса;

• Экономия энергозатрат;

• Экономия материала;

• Локальность обработки;

• Возможность сварки в труднодоступных местах;

• Снижения количества брака в свариваемых изделиях.

В настоящее время лазерная сварка применяется для создания конструкций из сталей, алюминиевых, магниевых и титановых сплавов. Ей отдается предпочтение при необходимости получения прецизионных конструкций, форма и размеры которых практически не должны изменяться в результате сварки, а также при производстве крупногабаритных конструкций малой жесткости с труднодоступными швами. Лазерная сварка применяется для сварки одинаковых и разнородных металлов в радиоэлектронике и электронной технике.

Лазерная сварка является новой технологией, которая использует лазерный луч для расплава и соединения швов обрабатываемого изделия. На сегодняшний день затраты препятствуют ее промышленному применению. Возможность получения эффективной и высококачественной сварки в будущем может представлять лазерную сварку как важный технологический прием для судостроения.

Библиографический список

1. Николаев Г. А. Сварка в машиностроении: Справочник в 4-х т. — М.: Машиностроение, 1978 (1-4 т).

2. Блащук, В. Е. Металл и сварка: учебное пособие / В.Е. Блащук ; 3-е изд., перераб. и доп. — Москва : Стройиздат, 2006. — 144с.

3. Малащенко А. А. Лазерная сварка металлов. М.: Машиностроение, 1984, 47 с.

4. Григорьянц А. Г. Лазерная сварка металлов. М.: «Высшая школа», 1988. — 207 с.

Принципиальная схема лазерной обработки. Основные параметры лазерной сварки.

При облучении поверхности тела светом энергия квантов (порций) света поглощается этой поверхностью. Образуется теплота, температура поверхности повышается. Если световую энергию сконцентрировать на малом участке поверхности, можно получить высокую температуру. На этом основана сварка световым лучом оптического квантового генератора — лазера.

Термин «лазер» происходит от первых букв английской фразы: «Light amplification by the stimulated emission of radiation», что означает в переводе: «Усиление света посредством индуцирования эмиссии излучения». Академик Н.Г. Басов, удостоенный в 1964 г. совместно с академиком А.М.Прохоровым и американским ученым Ч.Таунсом Нобелевской премии за теоретическое обоснование и разработку лазеров, так характеризует лазер: «Это устройство, в котором энергия, например тепловая, химическая, электрическая, преобразуется в энергию электромагнитного поля — лазерный луч. При таком преобразовании часть энергии неизбежно теряется, но важно то, что полученная в результате лазерная энергия обладает несравненно более высоким качеством. Качество лазерной энергии определяется ее высокой концентрацией и возможностью передачи на значительное расстояние».

Основные элементы лазера — это генератор накачки и активная среда. По активным средам различают твердотельные, газовые и полупроводниковые лазеры. В твердотельных лазерах (рис. 1) в качестве активной среды чаще всего применяют стержни из розового рубина — окиси алюминия А1₂О₃ с примесью ионов хрома Сг³⁺ (до 0,05 %). При облучении ионы хрома переходят в другое энергетическое состояние -возбуждаются и затем отдают запасенную энергию в виде света. На торцах рубинового стержня нанесен слой отражающего вещества (например, серебра) так, что с одного конца образовано непрозрачное, а с другого — полупрозрачное зеркало. Излучение ионов хрома, отражаясь от этих зеркал, циркулирует параллельно оптической оси стержня, возбуждая новые ионы, — идет лавинообразный процесс. Происходит бурное выделение лучистой энергии, которая излучается параллельным пучком через полупрозрачное зеркало и фокусируется линзой в месте сварки. Выходная мощность твердотельных лазеров достигает 10⁷ Вт при сечении луча менее 1 см². В фокусе достигается громадная концентрация энергии, позволяющая получать температуру до миллиона градусов.

Рис. 1. Схема твердотельного лазера:
1 — рубиновый стержень; 2 — генератор накачки; 3 — отражатель; 4 — непрозрачное зеркало; 5 — охлаждающая среда; 6 — источник питания; 7 — полупрозрачное зеркало; 8 — световой луч; 9 — фокусирующая линза; 10 — обрабатываемые детали

При работе в импульсном режиме существенный недостаток твердотельного лазера — низкий КПД (0,01…2,0 %). Более высокую мощность и больший КПД обеспечивают лазеры, работающие в непрерывном режиме, например твердотельный лазер на алюмоит-триевом гранате, активированном атомами неодима (приблизительно 1 %). Еще более высокий КПД и мощность у газовых лазеров. В качестве активной среды в них применяют чаще всего СО₂ или смесь газов, генераторами накачки могут служить искровые разрядники или электронный луч.

Типичная конструкция газового лазера — это заполненная газом трубка, ограниченная с двух сторон строго параллельными зеркалами: непрозрачным и полупрозрачным (рис. 2). В результате электрического разряда между введенными в трубку электродами возникают быстрые электроны, которые возбуждают газовые молекулы. Возвращаясь в стабильное состояние, эти молекулы образуют кванты света так же, как и в твердотельном лазере. Газовые лазеры могут работать в непрерывном режиме. Для сварки используют твердотельные и газовые лазеры импульсного и непрерывного действия.

Рис. 2. Схема газового лазера:
1 — разрядная трубка; 2 — непрозрачное зеркало; 3 — источник питания; 4 — вакуумный насос; 5 — полупрозрачное зеркало

Лазерную сварку производят на воздухе или в среде защитных газов: аргона, СО2. Вакуум, как при электронно-лучевой сварке, здесь не нужен, поэтому лазерным лучом можно сваривать крупногабаритные конструкции. Лазерный луч легко управляется и регулируется, с помощью зеркальных оптических систем легко транспортируется и направляется в труднодоступные для других способов места. В отличие от электронного луча и электрической дуги на него не влияют магнитные поля, что обеспечивает стабильное формирование шва. Из-за высокой концентрации энергии (в пятне диаметром 0,1 мм и менее) в процессе лазерной сварки объем сварочной ванны небольшой, малая ширина зоны термического влияния, высокие скорости нагрева и охлаждения. Это обеспечивает высокую технологическую прочность сварных соединений, небольшие деформации сварных конструкций. Например, лазерная сварка вилки с карданным валом автомобиля по сравнению с дуговой сваркой увеличивает срок службы карданной передачи в три раза, потому что более чем вдвое уменьшается площадь сечения сварного шва, в несколько раз -время сварки. Деформации вилки, вызывающие преждевременный износ, практически отсутствуют.

Основные энергетические характеристики процесса лазерной сварки — это плотность Е мощности лазерного излучения и длительность t его действия. При непрерывном излучении t определяется продолжительностью времени экспонирования, а при импульсном — длительностью импульса. Превышение верхнего предела Е вызывает интенсивное объемное кипение и испарение металла, приводящее к выбросам металла и дефектам шва. На практике лазерную сварку ведут при Е=10⁶…10⁷ Вт/см². При Е < 10⁵ Вт/см²лазерное излучение теряет свое основное достоинство — высокую концентрацию энергии. Изменение Е и t позволяет сваривать лазерным лучом различные конструкционные материалы с толщиной от нескольких микрометров до десятков миллиметров.

Скорость лазерной сварки непрерывным излучением в несколько раз превышает скорости традиционных способов сварки плавлением. Например, стальной лист толщиной 20 мм электрической дугой сваривают со скоростью 15 м/ч за 5…8 проходов, ширина шва получается 20 мм. Непрерывным лазерным лучом этот лист сваривается со скоростью 100 м/ч за 1 проход, получают ширину шва 5 мм. Однако лазерная сварка импульсным излучением по скорости сопоставима с традиционными способами сварки.