Лазерная сварка

 

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/см² лазерное 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.

Исходя из этого, можно  чказать, что сновными параметрами являются энергия и длительность импульсов, диаметр сфокусированного излучения, частота следования импульсов, положение фокального пятна относительно поверхности свариваемых деталей. Длительность лазерного импульса должна соответствовать тепловой постоянной времени для данного материала, приближенно определяемой по формуле:

τ = δ²/(4α),

где δ и α - соответственно толщина и коэффициент температуропроводности свариваемого материала.

Значения τ для тонких деталей (δ = 0,1...0,2 мм) составляют несколько  миллисекунд. Соответственно длительность импульса нужно выбирать, например, для меди 0,0001...0,0005 с, для алюминия 0,0005...0,002 с, для сталей 0,005...0,008 с. При увеличении δ более 1,0 мм τ возрастает и может значительно превосходить достижимую длительность лазерных импульсов. Поэтому лазерная сварка металлов толщиной более 1,0 мм импульсным излучением затруднена.

Диаметр сфокусированного излучения  d определяет площадь нагрева и плотность мощности Е. При сварке d изменяют от 0,05 до 1,0 мм путем расфокусировки луча. При этом фокальную плоскость, на которой сфокусированный световой пучок имеет наименьший диаметр, располагают выше или ниже поверхности свариваемых деталей. Сварной шов при импульсном излучении образуется наложением сварных точек с их взаимным перекрытием на 30...90 % в зависимости от типа сварного соединения и требований к нему. Промышленные сварочные установки с твердотельными лазерами позволяют вести шовную сварку со скоростью до 5 мм/с при частоте импульсов до 20 Гц. Сварку можно вести с присадочным материалом в виде проволоки диаметром менее 1,5 мм, ленты или порошка. Использование присадки позволяет увеличивать сечение шва, устраняя один из наиболее распространенных дефектов - ослабление шва, а также легировать металл шва.

Легирующие элементы при  лазерной сварке можно также наносить предварительно на поверхности свариваемых  кромок напылением, обмазкой, электроискровым  способом и т.п.

 

Контроль  качества технологического процесса.

 

Повысить эффективность  процесса лазерной сварки можно, увеличивая проплавляющую способность луча. Перспективно применение для этого  импульсных режимов сварки. При частоте  импульсов 0,4... 1 кГц и при длительности импульсов 20...50 мс глубина проплавления может быть увеличена в 3...4 раза по сравнению с непрерывным режимом. При импульсном режиме КПД луча в 2...3 раза выше, чем при непрерывном. Однако импульсная сварка требует очень точной наводки луча на стык, более высокого качества подготовки кромок к сварке, а ее скорость в несколько раз уступает скорости сварки с непрерывным излучением.

Другой путь повышения  эффективности - это подача в зону сварки дополнительного потока газа под давлением. Глубина проплавления при этом увеличится, но чрезмерное повышение расхода газа легко  приводит к ухудшению формирования шва, появлению в нем пор, раковин, свищей. Затем газ начинает выдувать жидкий металл, процесс сварки переходит  в резку. При сварке с несквозным проплавлением применяют разработанный  в МГТУ им. Н. Э. Баумана способ импульсной подачи дополнительного газа. Это  повышает глубину проплавления на 30...40 %, стабилизирует проплав. Эффективность процесса лазерной сварки можно повысить, вводя в зону сварки химические элементы, способствующие ионизации газа в зоне сварки и снижающие экранирующее действие факела. Это достигается нанесением на поверхности свариваемых кромок покрытий, содержащих элементы с низким потенциалом ионизации (калий, натрий).

 

Заключение.

 

   За последнее время  в России и за рубежом были  проведены обширные исследования  в области квантовой электроники,  созданы разнообразные лазеры,а так же приборы, основанные на их использовании. Лазеры применяются в локации и связи, в космосе и на земле, в медицине и строительстве, в вычислительной технике и строительстве. Становление и развитие голографии также немыслимо без лазеров.

   Нам, молодому поколению,  нужно знать об этом интересном  приборе,переделывающем мир, как можно больше, и быть готовым к его использованию в учебной, научной и военной деятельности.

 

   Широкое применение лазерной сварки сдерживается экономическими соображениями. Стоимость технологических лазеров пока еще высока, что требует тщательного выбора области применения лазерной сварки. Однако, если применение традиционных способов не дает желаемых результатов либо технически неосуществимо, можно рекомендовать лазерную сварку. К таким случаям относится необходимость получения прецизионной (высокоточной) конструкции, форма и размеры которой не должны меняться в результате сварки. Лазерная сварка целесообразна, когда она позволяет значительно упростить технологию изготовления сварных изделий, выполняя сварку как заключительную операцию, без последующей правки или механической обработки. Экономически эффективна лазерная сварка, когда необходимо существенно повысить производительность, поскольку скорость ее может быть в несколько раз больше, чем у традиционных способов.

 

Список литературы.

 

   1. Журов Н.В., Мильруд С.Р. Некоторые технологические особенности лазерной

   сварки трубных  соединений // Использование высококонцентрированных

   источников энергии  в сварочном производстве: материалы  краткосрочного

   семинара 20 - 21 декабря.-Л.: ЛДНТП.- 1983.-С.34 - 40.

 

   2. Лазерная сварка  со сквозным проплавлением сталей  различных классов //

   А.Г.Игнатов, А.В.Козлов, А.И.Скрипчеко и др. // Автоматическая сварка. -

   1987, М 9.- С.26 - 29.

 

   3. СО2-лазеры в машиностроении. Перевод из журнала EuroLASER, 1997, №1 -

   Лазер-Информ, №127, август 1997.

 

   4. www.avia.ru

 

   5. Алемасов В.Е., Дрегалин А.Ф., Тишин А.П. Теория ракетных двигателей / Под ред. В.П. Глушко. М.: Машиностроение, 1980. 533 с.

 

   6. www.svarkainfo.ru

 

   7.  Глушко В.П. Развитие ракетостроения и космонавтики в СССР. М.: Машиностроение, 1987. 302 с.

 

   8. Добровольский М.В. Жидкостные ракетные двигатели. М.: Машиностроение, 1968. 396 с.

 

   9. Космонавтика. М.: Советская энциклопедия, 1985. 528 с.

 

   10. Основы  теории и расчета жидкостных  ракетных двигателей / Под ред. В.М. Кудрявцева. М.: Высшая школа, 1983. 703 с.