Сварочные работы: современное оборудование н техноло­гия работ

Лазерная сварка

Лазер или ОКГ — оптический квантовый генератор коге­рентного монохроматического излучения. Что означают эти по­нятия? Придется вспомнить физику.

Современные понятия в физике наделяют элементарные частицы света (фотоны) свойствами либо волны, либо корпускул (частиц), так как свет проявляет свойства волны в одном случае — при явлениях интерференции и дифракции, В другом случае свет проявляет квантовые свойства. Например, в случае явления фо­тоэффекта о свете можно говорить, что он состоит из частичек, т. е. квантов. Однако квантовый и волновой подходы к природе света не противоречат свойствам света, а успешно дополняют друг друга.

В соответствии с постулатами квантовой физики любое ве­щество состоит из атомов и молекул. Каждая система атомов (молекул) обладает изначально запасами внутренней энергии. Атомы и молекулы вещества образуют так называемые микро­системы.

Микросистемы подчиняются законам квантовой механики: и обладают основным свойством квантовых систем — дискретно­стью (т. е. прерывистостью) их энергетических состояний. Иначе говоря, энергия этих микросистем изменяется как бы скачками и принимает лишь некоторые определенные значения — энерге­тические уровни. Атомы (молекулы) веществ в микросистемах тоже находятся на определенных уровнях энергии, а переход с одного уровня на другой совершается мгновенно, скачком. Пере­ход атома на верхний уровень сопровождается поглощением фо­тона света (т. е. кванта), а при переходе атома на нижний уровень энергии — выбросом фотона света или его испусканием. При этом энергия поглощенного испускаемого фотона равна разности энер­гий уровней атома, между которыми совершается квантовый ска­чок.

При естественных условиях атомы вещества самопроизволь­но (спонтанно) переходят с уровня на уровень, излучая или по­глощая кванты света — фотоны, например, при излучении света в электрической лампочке.

Предположим, имеется вещество, состоящее из атомов с энергетическими уровнями Ej, и Е2, причем Ej меньше Е2. При облучении вещества, атомы которого находятся на уровне Е2, фо­тонами с энергией Е=(Ег - Ег) атомы вещества могут перейти об­ратно на уровень Ег При переходе происходит выброс фотонов, т. е. вынужденное излучение света. Появившийся новый фотон света будет точной копией того фотона, который вызвал его появ­ление. Это явление и есть когерентность. Далее появление ново­го фотона света приводит к образованию двух таких же фотонов (рис. 11).

а б

Рис, 11. Схема поглощения кванта света (а) и вынужденного испускания света (б)

При определенных условиях, если среда является активной, процессы вынужденного излучения фотонов преобладают над процессами поглощения, процесс переходит в лавинообразное испускание вторичных фотонов. Но фотоны света испускаются во всех направлениях. Чтобы упорядочить процесс генерации ла­зерного излучения в заданном направлении, используют оптичес­кие резонаторы. Оптический резонатор — это два зеркала с общей оптической осью, которая фиксирует в пространстве направление лазерного луча.

Направление генерации лазерного излучения обозначено на рис. 12 стрелкой.

Спонтанные фотоны, случайно родившиеся в направлении О-О, будут проходить внутри активного элемента относительно длинный путь, который многократно увеличивается вследствие отражения от зеркал резонатора. Взаимодействуя с возбужден­ными активными центрами, этй фотоны, набирая энергию, ини­циируют мощную лавину вынужденно испущенных фотонов, ко­торые образуют лазерный луч. Спонтанные фотоны, которые родились в других направленнях, равно как и соответствующие

им лавины вторичных фотонов, пройдут внутри активного эле­мента сравнительно короткий путь и выйдут за его пределы.

Таким образом, зеркала оптического резонатора выделяют в пространстве определенное направление, вдоль которого реали­зуются наиболее благоприятные условия для развития фотонных лавин. Это и есть направление лазерного луча, который выходит из резонатора через одно из зеркал. Для облегчения процесса выхода одно из зеркал делают частично прозрачным для лазер­ного излучения.

Принципиальная схема лазера проста и показана на рисунке 13.

Теперь осталось ответить на вопрос о монохроматичности лазерного излучения.

По-гречески — «монос» означает «один», а л хромое» значит цвет. Таким образом, монохроматичность означает, что луч лазе­ра — одноцветный. В физическом плане высокая монохроматич­ность проявляется в том, что луч лазера имеет практически одну длину волны. Элементарные волны света (*волновые цуги») кро­ме монохроматичности идеально когерентны, т. е. распространи-

ются в одном и том же направлении, имеют одинаковую длину волны и находятся в фазе друг с другом.

Высокая степень когерентности позволяет сфокусировать лазерный луч в пятно, равное длине волны излучения — т. е. по­рядка 1-10 микрон.

Если мощность лазера, например на основе С02 — 1 кВт, сфо­кусировать на площадке диаметром в 1мм, то получим интенсив­ность лазерного луча 105 Вт/см2.

Эта очень высокая концентрация тепловой энергии позволя­ет испарять все земные элементы и естественно сваривать при определенных условиях металлы. Современные лазерные уста­новки способны выстреливать эту колоссальную мощность за доли секунды в импульсе.

Остается добавить, что в качестве активных сред можно использовать:

- кристаллы (искусственные или естественные);

- специальные стекла;

- полупроводники;

- жидкие среды (растворы специальных красителей);

- газовые среды.

В соответствии с используемой активной средой лазеры подразделяют на твердотельные, жидкостные и газовые.

Вернемся к рисунку 13. Для чего используется накачка и что это такое? Когда говорят о накачке, то подразумевают вве­дение энергии извне внутрь квантовой системы для возбужде­ния энергетических уровней, о чем говорилось выше. Можно еще сказать, что накачка необходима для возбуждения активной сре­ды лазера.

Энергетическая накачка активных элементов лазера произ­водится в импульсном или постоянном режиме. В импульсном режиме используются специальные лампы-вспышки, а в посто­янном режиме — специальные лампы-осветители.

В сварочной технике применяют, в основном, твердотельные лазеры на кристаллах неодима с гранатом, неодимовых стеклах, на кристаллах рубина. В них применяется оптическая накачка с помощью ксеноновых ламп.

Используются для сварки и газовые лазеры. Мощные газо­вые лазеры изготавливают на основе газовых смесей с примене­нием углекислого газа — С02. Для газовых лазеров применяют в качестве энергетической накачки электрический высоковольт­ный разряд.

Оборудование для лазерной сварки и резки;

- высоковольтный выпрямитель для питания ламп накачки;

- блок конденсаторов;

- - блок поджига газового разряда;

- собственно лазерная головка (активный элемент» отража­тель, лампы накачки);

- оптическая система для фокусировки, юстировки (настрой­ки) и наблюдения;

- система охлаждения установки;

- система перемещения, фиксации и контроля свариваемых деталей;

- система защиты персонала от действия лазерного излучения.

На рисунке 14 представлена схема оптической системой ла­зерной головки. Резонатор лазера образован двумя сферически­ми зеркалами (1). Между зеркалами резонатора расположены два соосно установленных осветителя, состоящих из активного эле­мента (2), импульсной лампы накачки (3) и осветительной ка­меры (4) в виде стеклянного цилиндрического блока. Излучение проходит через линзы (5, 12, 13) телескопической системы, по­зволяющей изменять расходимость луча лазера.

Зеркалом (7) излучение направляется на объектив (8), кото­рый фокусирует его на поверхность обрабатываемых деталей (10). Защитное сгііекло (9) предохраняет объектив от загрязнения про­дуктами взаимодействия излучения с материалом свариваемых деталей. Наводка излучения и визуальный контроль места свар­ки осуществляется встроенной оптической системой (6). Осве­титель (11) служит для освещения места свариваемых деталей.

Преимущества лазерной технологии:

- высокая концентрация энергии в пятне нагрева на малой площади (доли миллиметра) позволяет сваривать мини­атюрные детали с толщиной кромок от 50 микрон и выше, а также сваривать термочувствительные элементы;

- малое поперечное сечение сфокусированного луча при дос­таточно больших расстояниях от лазерной головки до свариваемой детали позволяет производить сварку в труд­нодоступных местах;

- уникальное свойство лазерного излучения проходить через твердые, прозрачные для луча материалы, позволяет про­изводить сварку в вакууме, в газовых защитных средах;

- импульсный и непрерывный режимы излучения позволя­ют подводить в зону сварки строго дозированное количе­ство энергии;

- высокая стерильность процесса сварки и отсутствие вред­ных выделений;

- высокая технологичность процесса;

- высокая степень автоматизации процесса сварки с примене­нием микропроцессорной техники;

- применение лазера во всех технологических процессах обработки конструкционных материалов (резка, сварка, наплавка, прошивка отверстий) при высоких показателях качества и производительности.

Недостатки применения лазеров:

- относительно высокая цена аппаратуры по сравнению с дру­гими способами сварки металлов;

- применение высокотехнологичной аппаратуры требует подготовки специалистов соответствующей квалификации;

- применение специальных вибростойких платформ для устранения вибраций;

- защита персонала от воздействия мощного лазерного излучения;

- применение газовых лазеров требует периодической «тренировки* активных элементов для сохранения их работоспособности.