Лазерная сварка и резка
Свет, как и любые другие виды электромагнитных колебаний, обладает
большим запасом энергии, применение которой для сварки возможно только
при высокой ее концентрации на небольшой площади. Практически впервые
установка для сварки и пайки сфокусированной лучистой энергией была
разработана в Московском авиационном институте под руководством
профессора Г.Д. Никифорова. В качестве источника света была использована
дуговая ксеноновая лампа. Свет концентрировали с помощью специальной
оптической системы, состоящей из зеркал и увеличительных стекол. Однако
мощность установки была небольшой и пригодной только для сварки тонкого
металла.
Значительно увеличить концентрацию светового излучения удалось путем
создания оптических квантовых генераторов (ОКГ) – лазеров. Лазер создает
мощный импульс монохроматического излучения за счет возбуждения атомов
примеси в кристалле или в газах. Среди известных в настоящее время
источников энергии, используемых для сварки, лазерное излучение
обеспечивает наиболее высокую ее концентрацию до 1011 Вт/см2. Такие
высокие значения концентрации энергии определяются уникальными
характеристиками лазерного излучения, в первую очередь его
монохроматичностью и когерентностью. В таких условиях все известные
материалы не только плавятся, но и испаряются.
Лазерное излучение легко передается с помощью оптических систем в
труднодоступные места, может одновременно или последовательно
использоваться на нескольких рабочих постах. Оптические системы
транспортировки и фокусировки лазерного излучения создают возможность
легкого и оперативного управления процессом сварки. На лазерный луч не
влияют магнитные поля свариваемых деталей и технологической оснастки.
Первые сообщения о лазерной сварке металлов относятся к 1962 г. В нашей
стране публикации об этом способе соединения металлов появились на год
позже. Первоначально использовались твердотельные рубиновые лазеры. На
их базе были разработаны первые лазерные установки СУ-1, К-3М, УЛ-2 и
УЛ-20, предназначенные для сварки и обработки материалов. Первые три из
них имели максимальную энергию излучения не выше 2 Дж. Длительность
импульса изменялась дискретно от 0,5 до 8 мс. Эти установки
предназначались для сварки металлов толщиной 0,1–0,2 мм.
(
Установка УЛ-20 имела энергию излучения до 20 Дж и применялась для
сварки металлов толщиной 0,5–1,0 мм. К сожалению, качество сварных
соединений, получаемых с помощью указанных установок, было низким и
нестабильным. Одной из причин этого была неудовлетворительная
воспроизводимость режимов сварки на разных установках одного типа. Как
показали исследования, это было связано с неоднородностью распределения
показателя преломления в стержнях активной среды. К тому же оно
индивидуально для каждого стержня.
Степень неоднородности активного стержня обуславливала низкую
воспроизводимость режимов сварки за счет пространственно-временной
неравномерности теплового потока.
Рис. 14. Принципиальная схема лазера: 1 – зеркало резонатора; 2 –
рабочее тело; 3 – лампы накачки;
Экспериментальные исследования, выполненные в 1966 – 1969 гг., показали,
что для обеспечения равномерности теплового потока в ОКГ сварочных
установок необходимо применять устойчивый сферический резонатор.
Использование сферического резонатора ослабляет влияние на генерацию
излучения неоднородности показателя преломления активной среды и
устраняет временную неравномерность освещения в пятне нагрева.
В дальнейшем именно такие схемы были использованы для создания установок
лазерной обработки материалов. В настоящее время в технологических
лазерах применяются твердотельные и газовые излучатели. В твердотельных
лазерах в качестве рабочего тела используются активные элементы из
рубина, стекла с присадками ионов неодима, алюмоиттриевого граната с
неодимом.
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.
Высокая плотность энергии лазерного излучения, передаваемая аномально
малой площади воздействия, позволила создать в 70-е гг. ХХ в. и новый
способ резки материалов.
Источник: М.П. Шалимов, В.И. Панов “Сварка Вчера, Сегодня, Завтра”.
Екатеринбург, 2006
Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter
