СПЕЦИАЛЬНЫЕ СПОСОБЫ СВАРКИ И РЕЗКИ

Оборудование для лазерной обработки

Конструкции лазеров. Все лазеры являются оптическими усили­телями, которые работают путем накачивания (возбуждения) ак­тивной среды, помещенной между двумя зеркалами.

Любой лазер состоит из следующих основных элементов:

• активная среда — рабочее вещество, содержащее генерирую­щие частицы — атомы, молекулы, ионы, для которых может быть создана инверсия заселенности. Другими словами, актив­ная среда — это совокупность специально подобранных атомов,

молекул или ионов, которые могут быть в газообразном, жидком или твердом состоянии и которые при возбуждении путем нагне­тающего действия будут генерировать лазерное излучение — ис­пускать излучение в виде световых волн, называемых фотонами;

• система накачки, предназначенная для осуществления инвер­сии необходимого значения. Эта система может быть основана на различных физических явлениях. Накачки жидкости и твердых тел производят облучением их светом импульсной лампы, а газы на­качивают при помощи электрического разряда;

• резонатор, служащий для осуществления взаимодействия из­лучения с рабочим веществом; в нем происходит отбор энергии от генерирующих излучение частиц;

• устройство для вывода энергии из резонатора',

• система управления концентрацией энергии и пространствен­ной ориентацией генерированного излучения.

Существующие лазеры различают:

• по рабочему веществу (среде) — твердотельные, газовые, жидкостные, полупроводниковые;

• способу создания накачки энергией рабочего вещества — оп­тической накачкой энергией вещества за счет облучения его све­товым потоком; электрической накачкой — путем прохождения через вещество электрического тока, возбуждением электронным ударом, химической накачкой;

• конструкции резонатора.

Резонатором чаще всего является система двух плоских зеркал, параллельных друг другу типа интерферометра Фабри—Перо. В та­ком резонаторе возбуждаются колебания в виде суперпозиции нескольких плоских волн, выходящих наружу и распространяю­щихся в пространстве пучками. Перед тем как покинуть лазер че­рез полупрозрачное зеркало, фотоны, двигающиеся параллельно оси, проходят значительно более длинный путь за счет отражения от зеркал. Это действие не только усиливает генерацию фотонов за счет вынужденного излучения, что позволяет достичь требуе­мого уровня мощности, но также обеспечивает коллимированность (это означает, что луч может перемещаться параллельно в одном направлении с очень маленьким расхождением на очень большие расстояния).

Используемые в технологических лазерах резонаторы обеспе­чивают качество излучения с расходимостью 1...5 мрад. Зеркала для резонаторов изготовляют из меди, кремния и других матери­алов с покрытиями, гарантирующими высокий коэффициент от­ражения (98...99,7 %) для длины волны генерируемого излучения до 10,6 мкм.

Твердотельные лазеры. Существует большое количество твер­дотельных лазеров, работающих как в импульсном, так и в непре­рывном режиме. В этих лазерах в качестве рабочего вещества ис­пользуют твердую активную среду — синтетический рубин, итт - риево-алюминиевый гранат, неодимовое стекло и др. Эти веще­ства получают искусственно, выращивая большие монокристал­лы, или варят большие образцы однородного и прозрачного стек­ла, в которые вводят примеси атомов редкоземельных элементов. В таких лазерах для создания инверсии заселенности используют оптическую накачку. Метод оптической накачки обладает несколь­кими достоинствами. Во-первых, он применим для возбуждения активных сред с большой концентрацией частиц (твердые тела и жидкости). Во-вторых, этот метод возбуждения весьма селективен. Мощности накачки, необходимые для создания инверсной засе­ленности, легче всего достигают с помощью импульсных ламп, поэтому большая часть оптических генераторов на твердых телах работает в импульсном режиме. Наибольшее распространение среди импульсных получили лазеры на рубине и неодимовом стекле (стек­ло с примесью Nd). В первом лазере (предложен Т. Мейманом, США, 1961) в качестве рабочей среды использован рубин (ко­рунд), представляющий собой кристалл оксида алюминия А1203 с примесью (около 0,05 %) ионов трехвалентного хрома Сг3+, заме­щающих атомы А1. В рубине поглощается только та часть спектра излучения, которая ответственна за возбуждение ионов Сг3+. Все остальное излучение попадает в область прозрачности и поглоща­ется относительно слабо. Лазер на неодимовом стекле работает на длине волны X = 1,06 мкм. Оказалось возможным изготовлять срав­нительно большие и достаточно оптически однородные стержни длиной до 100 см и диаметром 4... 5 см. Один такой стержень спо­собен дать импульс генерации с энергией 1 000 Дж за время при­мерно 10~3с. Лазеры на рубине, наряду с лазерами на неодимовом стекле, являются наиболее мощными импульсными лазерами. На них также можно реализовать режим генерации импульсов с боль­шой частотой повторения (до нескольких килогерц).

Схема твердотельного лазера приведена на рис. 5.3. Стержень 2, изготовленный из рабочего вещества, помещен между двумя зер­калами. Зеркало 3 непрозрачное, оно полностью отражает все па­дающие на него лучи, а зеркало 4 — полупрозрачное. Для накачки энергии используют газоразрядную лампу (генератор накачки 7), которая для большей эффективности облучения кристалла по­мещается вместе с ним внутрь отражающего кожуха 9, выпол­ненного в виде эллиптического цилиндра. При размещении лам­пы и стержня из рабочего вещества в фокусах эллиптического кожуха создаются самые лучшие условия равномерного осве­щения стержня из рабочего вещества. Питание генератора накач­ки 1 осуществляют от специальной высоковольтной конденсатор­ной батареи 8. Для управления концентрацией энергии и простран­ственной ориентацией генерированного излучения на обрабаты­ваемой детали 7, служит система из фокусирующей линзы 6 и

отклоняющей системы 5. Примером твердотельных лазеров непре­рывного действия являются лазеры на флюорите кальция CaF2 с примесью диспрозия Dy и лазеры на иттриево-алюминиевом гранате Y3A150,2 с примесями различных редкоземельных эле­ментов. Большинство таких лазеров работает в области длин волн X = 1...3 мкм. Возможность реализации непрерывного режима в этих лазерах обычно связана с тем, что нижним уровнем рабочего перехода является не основной уровень Е, а возбужденный уро­вень Е2. Если уровень Е2 достаточно далеко отстоит по энергии от основного уровня £, и характеризуется достаточно малым вре­менем жизни, то инверсия населенностей для уровня Е2 может быть создана с помощью сравнительно маломощных источников оптической накачки. Типичное значение мощности генерации твердотельного лазера в непрерывном режиме на иттриево-алю­миниевом гранате составляет десятки ватт. Если не принимать специальных мер, то спектр генерации твердотельных лазеров будет сравнительно широк, так как обычно реализуется много­модовый режим генерации. Для получения одномодовой генера­ции в оптический резонатор вводят селектирующие элементы. Как правило, это вызывает значительное уменьшение генериру­емой мощности.

Газовые лазеры. Большое распространение получил метод со­здания активной среды непосредственно в электрическом разряде в различных газах. Возможности получения с помощью этого ме­тода импульсов генерации большой энергии ограничены в основ­ном малой плотностью рабочей среды. Инверсию населенностей

легче получить в сравнительно разреженных газах. Однако этот метод позволяет использовать в качестве активной среды лазеров самые различные атомные и молекулярные газы и их смеси, а также различные типы электрических разрядов в газах. В настоя­щее время созданы лазеры, работающие в инфракрасной, види­мой и ультрафиолетовой областях спектра. Кроме того, возбужде­ние в электрическом разряде позволяет реализовать непрерывный режим работы лазера с большим КПД преобразования электри­ческой энергии в энергию излучения лазера. Основным достоин­ством газов как активной среды лазеров является высокая опти­ческая однородность. Поэтому для технических и научных приме­нений, в которых прежде всего необходимы максимально высо­кая направленность и монохроматичность излучения, газовые ла­зеры представляют наибольший интерес. В газовых лазерах в каче­стве рабочего вещества используют газы или смеси газов, а на­качку энергии в этих веществах, как правило, осуществляют за счет эффектов, связанных с прохождением электрического тока через газ. В качестве активной среды в этих лазерах используют аргон, неон, криптон, водород, смеси гелия и неона, углекис­лый газ с примесью азота и гелия и др.

Газовые лазеры подразделяют на три большие группы: лазеры на атомных, ионных и молекулярных переходах. В них соответ­ственно используют квантовые переходы нейтральных атомов, ионов и молекул, имеющих частоты в диапазоне от ультрафиоле­товой до далекой инфракрасной частей спектра. Так, лазер на водо­роде работает на длине волны Л. = 0,17 мкм. Лазеры на ионах Ne3+ и Ne2+ работают на длине волны X = 0,2358 мкм и X = 0,3324 мкм, а лазер на молекулах воды — на длинах волн X = 27,9 мкм и X = = 118,6 мкм. Первым созданным газовым лазером (1960) был ла­зер на смеси гелия и неона. Его относят к лазерам непрерывного действия видимой и инфракрасной областей спектра, работаю­щим на переходах нейтральных атомов. Генерация когерентного излучения может происходить в видимой (А. = 0,633 мкм) красной области спектра и инфракрасной области (Х= 1,15 мкм). Газораз­рядную трубку этого лазера заполняют гелием и неоном при пар­циальных давлениях соответственно 133 и 13 Па. Типичные разме­ры трубки: длина — несколько десятков сантиметров или 1 ...2 м, диаметр — несколько миллиметров. В трубке от высоковольтного источника питания создают электрический разряд, который воз­буждает атомы гелия и неона в результате электронных ударов. Излучение выходит из полупрозрачного зеркала. Гелий-неоновый лазер имеет мощность генерации в десятки милливольт. Несмотря на сравнительно небольшую мощность, такой лазер прост по кон­струкции. В нем достаточно легко реализуют предельно малую диф­ракционную расходимость светового пучка. Гелий-неоновый ла­зер надежен, обладает стабильностью излучения и поэтому полу­

чил широкое распространение. В ионных газовых лазерах исполь­зуют переходы между энергетическими уровнями ионов благо­родных газов (ксенон, аргон, неон, криптон), а также фосфора, серы и хрома. Мощность этой группы лазеров выше, чем лазеров на атомных переходах. Типичный представитель этой группы — аргоновый лазер, который по конструкции похож на гелий-нео­новый лазер. Аргоновый лазер является наиболее мощным ионным газовым лазером непрерывного действия. Газоразрядная трубка на­полнена аргоном при давлении порядка десятков паскалей. В нем используют электрический разряд в аргоне с большой плотнос­тью тока (до нескольких тысяч ампер на квадратный сантиметр). Аргоновый лазер работает на квантовых переходах иона Аг в си­ней и зеленой областях спектра: X = 0,4880 мкм и X = 0,5145 мкм. Мощность генерации излучения составляет 150...500 Вт. Конст­руктивно аргоновый лазер значительно сложнее гелий-неоново­го, так как необходимо обеспечить охлаждение и циркуляцию газа. Наибольшую мощность и КПД имеют газовые лазеры, генериру­ющие когерентное излучение на молекулярных переходах. Типич­ный представитель этой группы — лазер на углекислом газе С02. Молекула С02 возбуждается электронными ударами в газовом разряде, причем для увеличения мощности к С02 добавляют мо­лекулярный азот N2. Выходная мощность возрастает благодаря ре­зонансной передаче энергии от возбужденных молекул N2 моле­кулам С02. Отношение парциальных давлений С02 и N2 обычно выбирают в пределах 1:1... 1:5 при суммарном рабочем давлении в несколько сотен паскалей.

Мощность лазера на углекислом газе еще больше повышается при добавлении к смеси гелия. Поэтому в настоящее время газо­вые лазеры на углекислом газе используют смесь С02 с азотом и гелием. Лазеры на углекислом газе имеют весьма высокий КПД (теоретически — до 40%, практически — 8...30%). Электричес­кий разряд в лазере на С02 возбуждается в охлаждаемой газораз­рядной трубке, выполненной обычно из стеклянной трубы диа­метром до 60 мм. Увеличение диаметра трубы свыше 80 мм не дает эффекта, так как при большом диаметре ухудшается теплопере­дача из внутренней области трубки к ее периферийной части. Из­лучение с длиной волны 10,6 мкм выводят через окно из матери­ала, пропускающего инфракрасные лучи. Для этой цели исполь­зуют кристаллы КВг, NaCl или Ge. Для лазера такой схемы с про­дольной прокачкой с 1 м длины резонатора можно снимать мощ­ность не более 50 Вт, поэтому приходится значительно увеличи­вать длину трубы резонатора.

Весьма эффективны лазеры на углекислом газе с поперечной относительно линии электрического тока прокачкой газа. Схема такого лазера мощностью до 10 кВт приведена на рис. 5.4. В таком газовом лазере используют интенсивную прокачку газа через ре-

зонатор 3 с охлаждением его в теплообменнике 6. Электрический разряд возбуждается между анодной плитой 2 и секционирован­ным катодом /. В качестве активной среды используют смесь С02 с азотом и гелием в соотношении 1:20:20 при статическом давле­нии в разрядной камере 5...8 кПа. Расход газовой смеси через разрядную камеру составляет 2... 3 м3/ч, для этого используют мощ­ную насосную систему. В лазере такого типа можно получить съем мощности до 16 Вт с 1 см3 газа при коэффициенте полезной мощ­ности до 17 %. Электроразрядные лампы с поперечной прокачкой газа работают в непрерывном режиме генерации и развивают мощ­ность до 50 кВт. В газовых лазерах с быстрой продольной прокач­кой можно достичь еще более высокие мощности излучения. На рис. 5.5 представлена схема лазера с быстрой продольной прокач­кой, которая используется в лазерной технологической установке для сварки «Латус-31». Быстрая продольная прокачка смеси про­исходит со скоростью 120 м/с через четыре пары параллельных газоразрядных трубок. При последовательном сложении лучей об­щая оптическая длина активной среды L = 1,6 м. В блоке питания лазера используют трехфазный высоковольтный регулятор пере­менного напряжения. Модулятор питания позволяет перейти на импульсный режим. Газовакуумная система имеет ручное и авто­матическое управление, осуществляющее откачку и заполнение смесью за 2 мин. При этом обеспечивается поддержание давления в газовакуумном контуре. Система охлаждения отвечает за опти­мальную температуру активной среды и достаточно низкую тем­пературу узлов конструкции технологического лазера, что гаран­тирует большой ресурс его работы.

а — газоразрядная и технологическая; б — оптическая; I — теплообменники; 2 — зеркало оптического резонатора; 3 — анод; 4 — кварцевая часть газоразряд­ной трубки; 5 — катод (заземленный корпус); 6 — керамическая часть газораз­рядной трубки; 7 — направление газового потока; <? — выводное окно (полу­прозрачное зеркало); 9 — выходящий пучок лазерного излучения; 10 — венти­лятор; II— привод вентилятора; 12 — магнитная муфта

Полупроводниковые лазеры (ПЛ) — полупроводниковый кван­товый генератор с полупроводниковым кристаллом в качестве рабочего вещества. В ПЛ используют излучательные квантовые пе­реходы не между изолированными уровнями энергии атомов, мо­лекул и ионов, а между разрешенными энергетическими зонами кристалла. В таком лазере возбуждаются и излучают (коллектив­но) атомы, слагающие кристаллическую решетку. Это отличие определяет важную особенность ПЛ — малые размеры и компакт­ность (объем кристалла примерно 10_|... 10 2 см3). Полупроводни­ковые лазеры имеют показатель оптического усиления до 104 см"1 при высокой эффективности преобразования электрической энер­гии в энергию когерентного излучения (до 50 %) и малую инерци­онность. Простота конструкции позволяет производить быструю перестройку длины волны излучения в диапазоне 0,32...32 мкм.

При рекомбинации электронов проводимости и дырок в полу­проводниках освобождается энергия, которая может испускаться в виде квантов излучения (люминесценция) или переходить в теп­лоту. Доля излучательных актов рекомбинации у таких полупро­водников, как Ge и Si, очень мала, однако в некоторых полупро­водниках (например, CdS, GaAs) при очистке и легировании она может приближаться к 100%. Для наблюдения люминесценции необходимо применить какой-либо способ возбуждения (накач­ки) кристалла, т. е. способ генерации избыточных электронно­дырочных пар (светом, быстрыми электронами или электричес­ким полем). При малой скорости образования избыточных элект­ронно-дырочных пар излучательная рекомбинация носит беспо­рядочный (спонтанный) характер и ее используют не в лазерах, а в полупроводниковых источниках света (светоизлучающих дио­дах). Чтобы получить генерацию когерентного излучения, т. е. ла­зерный эффект, необходимо создать особое состояние люминес - цирующего кристалла — состояние с инверсией населенностей. Ре­комбинация электронно-дырочной пары может сопровождаться испусканием кванта излучения, близкого по энергии к ширине запрещенной зоны АЕ полупроводника, при этом длина волны

А, = Лс/ДЕ,

где h — постоянная Планка; с — скорость света.

Оптическое квантовое усиление в полупроводнике может на­блюдаться в том случае, если зона проводимости вблизи ее дна Ес заполнена электронами в большей степени, чем валентная зона вблизи ее потолка Ev. Преобладание числа переходов с испуска­нием квантов над переходами с их поглощением обеспечивается тем, что на верхних уровнях находится больше электронов, чем на нижних, тогда как вероятности вынужденных переходов в обо­их направлениях одинаковы. Заполнение зон принято описывать с помощью так называемых квазиуровней Ферми, отделяющих со­
стояния с вероятностью заполнения уровней больше 1/2 от со­стояний с вероятностью заполнения меньше 1/2. Для поддержа­ния такого состояния необходима высокая скорость накачки, вос­полняющая убыль электронно-дырочных пар вследствие излуча - тельных переходов. Благодаря этим вынулзденным переходам по­ток излучения нарастает, т. е. реализуете# оптическое усиление. В ПЛ применяют следующие методы накачки:

• инжекция носителей тока через />—«-переход, гетеропереход или контакт металл —полупроводник (инфекционные лазеры);

• накачка пучком быстрых электронов;

• оптическая накачка;

• накачка путем пробоя в электрическом поле.

Наибольшее развитие получили ПЛ первых двух типов.

Инжекционные лазеры. Лазер на /?—«-переходе представляет

собой полупроводниковый диод, у которого две плоскопараллель­ные поверхности, перпендикулярные р-'Я-переходу (рис. 5.6), образуют оптический резонатор (коэффициент отражения от гра­ней кристалла составляет 20...40%).

Инверсия населенностей возникает при большой плотности прямого тока через диод (порог генерации соответствует току 1 кА/см2, а при пониженной температуре Ю2 А/см2). Для полу­чения достаточно интенсивной инжекций применяют высоколе­гированные полупроводники. Инжекционные лазеры на гетеро­переходе представляют собой двустороннее гетероструктуры. Ак­тивный слой (GaAs) заключен между двумя полупроводниковы­ми гетеропереходами, один из которых (типа р—п) служит для инжекции электронов, а второй (типа р—р) отражает инжекти­рованные электроны, препятствуя их диффузионному растеканию
из активного слоя (электронное ограничение). При одинаковом токе накачки в активном слое гетероструктуры достигается боль­шая концентрация электронно-дырочных пар. Этим достигается большее оптическое усиление, чем в ПЛ на р—«-переходах. Дру­гое достоинство гетероструктуры состоит в том, что образован­ный активным слоем диэлектрический волновод удерживает из­лучение, распространяющееся вдоль структуры в пределах актив­ного слоя (оптическое ограничение). В этом случае оптическое уси­ление наиболее эффективно. Для ПЛ на гетеропереходе необходи­ма плотность тока при температуре 300 К более чем в 10 раз ниже, чем у ПЛ на /?—р-переходе, что позволяет осуществить непре­рывный режим генерации при температуре до 350 К. Лазеры ин - жекционного типа работают в импульсном режиме с выходной мощностью до 100 Вт и непрерывном режиме — мощностью бо­лее 10 Вт (GaAs) в ближней инфракрасной (ИК) области (А. = = 850 нм) и около 10 мВт (PbSnTe) в средней ИК-области (А. = = Юмкм). Недостаток инжекционных лазеров — слабая направ­ленность излучения, обусловленная малыми размерами излучаю­щей области (большая дифракционная расходимость), и относи­тельно широкий спектр по сравнению с газовыми лазерами.

Полупроводниковые лазерные материалы. В ПЛ используют глав­ным образом бинарные соединения, например CdS, GaSe, InAs, РЬТе и их смеси — твердые растворы. Все они — прямозонные полупроводники, в которых межзонная излучательная рекомби­нация может происходить без участия фотонов или других элект­ронов и поэтому имеет наибольшую вероятность среди рекомби­национных процессов. Можно изготовить ПЛ на любую длину вол­ны от 0,32 до 32 мкм.

Применение ПЛ. Полупроводниковые лазеры нашли примене­ние:

• в оптической связи (портативный оптический телефон, мно­гоканальные стационарные линии связи);

• оптической локации и специальной автоматике (дальномет - рия, высотометрия, автоматическое слежение и т. д.);

• оптоэлектронике (логические схемы, адресные устройства, голографические системы памяти);

• технике специального освещения (скоростная фотография);

• для обнаружения загрязнений в различных средах;

• в лазерном проекционном телевидении;

• оптической накачке других лазеров.

Заслуживает внимания развитие твердотельных лазеров с ди­одной накачкой. В качестве генератора накачки используют не­сколько полупроводниковых лазеров, излучение от которых по гибким световодам транспортируют к технологическому лазеру.

Мощные технологические газовые лазеры. 1. Модели С02-лазе - ров с поперечной прокачкой газовой среды: ТЛ-1,5 (мощность лазера 1,7 кВт); TJI-3 (2,5 кВт); TJI-5M (5 кВт) предназначены для использования в качестве генератора мощного когерентного инф­ракрасного излучения в составе лазерных станков. Эти модели представляют собой быстропроточные электроразрядные С02-ла - зеры непрерывного и импульсно-периодического действия с по­перечной прокачкой рабочей смеси. Отличительная особенность этих лазеров — высокое качество излучения за счет применения устойчиво-неустойчивого резонатора. Лазер с таким излучением эффективно сваривает и разрезает не только сталь, но и алюми­ниевые сплавы.

2. Волноводные трубчатые С02-лазеры включают в себя лазеры серий ТЛВ и МТЛ.

Одномодные С02-лазеры с высоким качеством излучения (се­рия ТЛВ) работают как в непрерывном, так и в импульсно-пери­одическом режиме. Их применяют для прецизионной резки, свар­ки тонколистового металла и в кардиохирургии. По своим техно­логическим возможностям они эквивалентны щелевым лазерам, но значительно проще и дешевле. Многоканальные лазеры (серия МТЛ) генерируют одновременно до 80 параллельных пучков, поэтому их широко применяют в технологиях лазерной наплавки и закалки. Многоканальные лазеры не требуют сканаторов для вы­равнивания мощности.

Отличительные особенности волноводных трубчатых С02-ла - зеров — это высокий КПД (1 %) и предельно низкое потребление газов (3 дм3/ч).

Основными моделями волноводных трубчатых С02-лазеров яв­ляются TJIB-700 — одномодовый лазер мощностью 700 Вт; MTJI-

2,5 — многоканальный лазер мощностью 2,5 кВт.

3. Характеристики некоторых твердотельных лазерных устано­вок приведены в табл. 5.1. Схема компоновки установки MJI-4 пред­ставлена на рис. 5.7.

Требования безопасности при работе с лазерами. Технологичес­ки е лазеры по степени опасности относят к IV классу по ГОСТ 12.1.040 — 83 «ССБТ. Лазерная безопасность. Общие положения». При эксплуатации лазеры являются источником опасного и вред­ного фактора — лазерного излучения. Для предупреждения пора­жения лазерным излучением в процессе эксплуатации и при тех­ническом обслуживании необходимо применять коллективные и индивидуальные средства защиты в соответствии с требованиями Санитарных норм и правил устройства и эксплуатации лазеров, утвержденных Министерством здравоохранения СССР 31.07.1991 № 5804-91.

Перед началом эксплуатации необходимо убедиться в отсут­ствии повреждений световода, узлов ввода и вывода излучения. При проведении настройки лазерных установок излучение долж­но направляться на поверхность несгораемого материала с малым коэффициентом отражения. В зоне нахождения пучка излучения не должны находиться люди. Попадание воды и других жидкостей в лазер недопустимо.

Запрещается подавать излучение в узел вывода лазера без под­дува газа; оставлять включенный лазер без надзора; смотреть в пучок излучения и его отражение; наносить удары или допускать падение узлов лазерной установки.

Контрольные вопросы

1. Чем отличается лазерный луч от обычного света?

2. Из каких основных элементов состоит любой лазер?

3. В чем отличие твердотельного лазера от газового и полупроводнико­вого?

4. Каковы особенности лазерного излучения?

5. Где и почему рекомендуют применять лазерную сварку?

6. Какие виды проплавления имеют место при лазерной сварке?

7. Почему минимальная глубина проплавления при импульсной ла­зерной сварке выше, чем при сварке непрерывным лазерным излуче­нием?

8. Какова сущность биологической сварки лазерным лучом?

9. Как повысить эффективность лазерной сварки?

При химических способах сварки теплота для расплавления свариваемых деталей образуется за счет экзотермических хими­ческих реакций между взаимодействующими компонентами. К этим способам сварки относят традиционную газовую сварку и специ­альные способы: термитную и атомно-водородную сварки.

Термитная сварка. Сущность этого способа основана на исполь­зовании экзотермических реакций в смеси из порошков оксида металла и другого чистого, более активного металла. Чаще всего используют смесь оксидов железа и чистый алюминий. Химичес­кая реакция взаимодействия оксидов железа с алюминием проте­кает с большим выделением теплоты по следующему уравнению: 3Fe304 + 8А1 -» 4А1203 + 9Fe + 3 242 кДж.

Смесь подогревают выше температуры плавления алюминия (750...800°С). Идет реакция окисления более активного металла, а из оксида восстанавливается менее активный металл. Выделяю­щаяся теплота расплавляет восстановленный из оксида металл.

Примером термитной сварки является сварка рельсов. Термит­ную смесь помещают в огнеупорный тигель и нагревают до темпе­ратуры 750 °С. В результате химической реакции А1203 выделяется в виде расплавленного шлака, а на дно тигля оседает чистое расплав­ленное железо с температурой до 3 ООО °С. Расплавленную смесь, железо и шлак, заливают в стык свариваемых рельсов (рис. 6.1). За счет избыточной теплоты оплавляются кромки и образуется соеди­нение. В смесь можно добавлять другие металлы для легирования сварного шва. После охлаждения и затвердевания форму и шлако­вую корку разбивают. С помощью магниевого термита сваривают провода. Изготовленные термитные шашки (Fe304 + Mg) надева­ют на концы соединяемых проводов и поджигают с помощью запа­ла. Происходит реакция восстановления железа. При этом образует­ся оксид магния. После сварки шлаковый каркас либо оставляют на месте соединения, либо удаляют вместе с включениями железа.

Одно из основных достоинств процесса термитной сварки за­ключается в простоте осуществления в полевых условиях, что обус­ловило ее применение на железнодорожном транспорте и при производстве некоторых строительных конструкций.

Атомно-водородная сварка — это особый вид дуговой малоам­перной сварки, при котором независимая дуга горит между двумя

вольфрамовыми электродами в среде водорода, вводимого в зону дуги через специальный электрододержатель — головку (рис. 6.2). При диссоциации молекул водорода под действием теплоты дуги получается атомарный водород, который в процессе рекомбина­ции на холодной поверхности свариваемого металла вновь пре­образуется в молекулярный водород. При этом выделяется боль­шое количества теплоты. Температура атомно-водородного пла­мени достигает 3 700 °С. Высокая активность водорода обеспечи­вает защиту металла шва от вредного воздействия кислорода и азота воздуха.

При атомно-водородной сварке в зону дуги можно подавать чистый водород или азотно-водородные смеси, получаемые при диссоциации аммиака. Питание дуги осуществляют от источников переменного тока. Из-за высокого охлаждающего действия реак­ции диссоциации водорода и высокого потенциала ионизации водорода напряжение источника питания дуги, требуемое для ее зажигания, должно быть 250... 300 В. Напряжение на дуге состав­ляет 60... 120 В, сила тока — 10...80 А.

При соединении водорода с углеродом в условиях сварки про­исходит обезуглероживание металла. Поэтому в производственных условиях вместо чистого водорода применяют смеси водорода с азотом. Для расщепления аммиака на водород и азот используют аппараты — крекеры, в которых расщепление аммиака происхо­дит при 600 °С в присутствии катализатора — железной стружки. Из крекера смесь газов поступает в очиститель и далее в осуши­тель, где азотно-водородная смесь, пройдя слой хлорида каль­ция, поступает по резиновому шлангу в сварочную горелку.

Установка для атомно-водо­родной сварки состоит из атом­но-водородного аппарата, балло­на с водородом, водородного редуктора, горелки и пускорегу­лирующей аппаратуры. Известны аппараты для атомно-водородной сварки типа ГЭ-1-2, ГЭ-2-2, АВ - 40, АГЭС-75.

Обычно атом но-водородную сварку рекомендуют применять для сварки металлов и сплавов толщиной 0,5...5 мм. Этим спо­собом хорошо свариваются низ­коуглеродистая и легированная стали, чугун, алюминиевые и магниевые сплавы. Плохо свари­ваются медь и латунь из-за склон­ности их к насыщению водоро­дом и испарению цинка. При сварке алюминия и сплавов на его основе необходимо приме­нять флюсы, состоящие из солей щелочных металлов. Металлы с высокой химической активно­стью к водороду (титан, цирконий, тантал и др.) нецелесообраз­но сваривать атомно-водородной сваркой.

Атомно-водородная сварка широко применялась в самолето­строении и химическом машиностроении, однако в настоящее время из-за значительного прогресса других способов сварки ее используют редко.

Требования безопасности при проведении сварки химическими способами. Водород с воздухом образует взрывопасные смеси, поэтому все соединения трубопроводов, вентилей, шлангов дол­жны быть надежными, а помещения, где производится работа, хорошо вентилируемыми. Кроме этого повышенное напряжение источника питания дуги, необходимое для ее зажигания, требует повышенных мер безопасности.

Контрольные вопросы

1. На чем основана термитная сварка?

2. В чем состоят достоинства термитной сварки?

3. В чем состоит сущность атомно-водородной сварки?

4. Какие металлы хорошо свариваются атомно-водородной сваркой?