Лазерная сварка металлов и сплавов.

Лазерное излучение для сварки плавлением используют в двух способах:

  • 1) импульсная сварка одиночными точками диаметром до 0,5— 5,0 мм или швами с перекрытием сварных точек;
  • 2) сварка непрерывным излучением (рис. 3.11, б).

К дополнительным технологическим достоинствам способа относятся: возможность передачи энергии в виде светового пучка на большое расстояние, отсутствие непосредственного силового и электрического контакта источника с изделием. Возникновение лазерного излучения обусловлено переходом возбужденных атомов (ионов) активного вещества в равновесное состояние под действием внешнего электромагнитного поля.

Такое индуцированное излучение характеризуется когерентностью (фазовым совпадением) и монохроматичностью, что теоретически позволяет сфокусировать его в пятно диаметром 0,4—1,0 мкм. В качестве активного вещества часто используется стекло с неодимом, длина волны излучения при этом составляет 1,06 мкм. Направленность и резонансное усиление энергии достигается с помощью резонатора оптического квантового генератора (ОКГ), в котором излучение многократно отражается между двумя параллельными зеркалами (рис. 3.12).

Схема оптического квантового генератора

Рис. 3.12. Схема оптического квантового генератора:

  • 1 — зеркало глухое; 2 — заслонка электромеханическая; 3 — лампа накачки;
  • 4 — отражатель; 5 — активный импульсный генератор; 6 — зеркало выходное;
  • 7 — отрицательная линза телескопа; 8 — телескоп; 9 — положительная линза телескопа; 10 — поворотное зеркало; 11 — фокусирующая линза; 12 — защитное

стекло; 13 — защитный светофильтр; 14 — жидкокристаллический затвор;

15 — бинокулярная насадка; 16 — изделие

Одно из зеркал полупрозрачное, поэтому излучение выходит из резонатора, проходит диафрагму, систему поворотных зеркал и фокусируется системой линз.

Падающий на поверхность металла световой поток частично отражается, а остальная его часть поглощается электронами проводимости в поверхностном слое металла толщиной 10~4—l(h5 см. В результате передачи поглощенной электронами энергии атомам кристаллической решетки возрастает температура металла.

Регулируя плотность мощности, можно получить соединения, в которых глубина проплавления на порядок превышает ширину шва, что недостижимо при дуговых способах сварки.

Основные технологические параметры:

— выходная энергия излучения определяет глубину и диаметр проплавления и задается, как правило, напряжением накачки (заряда конденсаторов) источника питания в зависимости от теплофизических свойств металла;

  • — дефокусировка луча позволяет изменять плотность мощности в пятне нагрева и задается расстоянием от плоскости фокусирования (вверх или вниз), аналогично выходной энергии;
  • — длительность импульса как правило не регулируется (2—4 мс);
  • — точность наводки определяет формирование соединения и составляет, как правило, 5—10 % от диаметра сварной точки;
  • — шаг перекрытия задается при выполнении швов и зависит от требований к соединению по прочности, герметичности и др.

Импульсные твердотельные лазеры применяют в приборостроении и микроэлектронике при сварке малоразмерных изделий, чувствительных к нагреву. Применительно к художественным изделиям рациональной областью применения импульсных ОКГ является изготовление и ремонт ювелирных изделий. Лазерная сварка металлов, имеющих высокие значения коэффициентов отражения и теплопроводности (серебро и его сплавы), затруднена в связи со значительными потерями энергии излучения на отражение и теплоотвод. Повысить эффективность использования энергии излучения можно за счет активирующих проплавление присадочных металлов, например никеля.

Лазерной сваркой можно выполнить соединение накладного декоративного элемента броши с глухим кастом после закрепления камня. При реставрации оклада иконы из серебра с позолотой соединение разрушенных фрагментов импульсной лазерной сваркой можно произвести без изменения внешнего вида покрытия. Соединение разорванного звена цепочки можно выполнить, практически не оставив следа ремонта.

Применение импульсного лазера в частотном режиме позволяет получать непрерывные сварные швы, состоящие из перекрывающихся единичных точек (рис. 3.13). В представленном на рисунке объекте была осуществлена лазерная сварка нержавеющей стали, ширина швов 2,0—2,5 мм.

«Летающая тарелка». Берлинский аэропорт

Рис. 3.13. «Летающая тарелка». Берлинский аэропорт

Прочностные характеристики шва определяются в основном шагом перекрытия точек, который выбирают исходя из технических требований к изделию.

В непрерывных мощных газовых лазерах в качестве активного вещества используется смесь углекислого газа с азотом и гелием. Длина волны излучения составляет 10,6 мкм. Из практики применения газовых лазеров известно, что для стали глубина проплавления металла в диапазоне до 5 мм требует 1 кВт мощности излучения на 1 мм толщины металла. Характерным является получение узких швов «кинжального» типа с малыми деформациями свариваемых деталей, что позволяет применять этот способ для соединения окончательно обработанных деталей. Кроме того, газовые лазеры можно применять для сварки неметаллических материалов — стекла и керамики, так как излучение поглощается этими материалами и может быть использовано для их нагрева и плавления.

Промышленностью России выпускаются лазерные установки, которые широко используются в приборостроении, машиностроении и находят применение в ювелирном деле. Современные мастерские по ремонту и изготовлению ювелирных изделий оснащаются импульсными лазерами типа LRS.

Основные характеристики лазерной установки LRS-150: потребляемая мощность — 6 кВт; энергия импульса — до 50 Дж; длительность импульса — 0,2—20 мс; максимальная длина проплавления — 5 мм.

Такие достоинства лазерной сварки, как возможность регулирования размеров сварного соединения от десятых долей миллиметра до миллиметров, точность ввода энергии в заданную точку, практически отсутствие нагрева и деформаций участков металла, расположенных рядом с соединением, делают применение импульсных лазеров незаменимым.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >