Лазерная сварка

Министерство образования  и науки Российской Федерации

ФГАОУ «Уральский Федеральный  Университет

имени первого Президента России Б.Н. Ельцина"

 

Механико-машиностроительный институт

 

 

Кафедра «Технологии машиностроения»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Курсовая работа

по дисциплине «Метрология, стандартизация и сертификация»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Студент:       Коровин С.С.

Группа:        М-300601

Преподаватель:       Смагин А.С.

 

 

 

 

Екатеринбург

2012

 

Аннотация

 

Тема реферата - «Лазерная  сварка». Шалимов М.П. Объем работы 19 стр., рисунков - 7шт; 3 источника информации.

Ключевые слова: оптический квантовый генератор (ОКГ), лазер, лазерное излучение, импульсивный режим, сквозное и с частичное проплавление, форма сварочной ванны,

В первом пункте данной работы представлена историческая информация о лазерной сварке, об основных открытиях, а также об устройстве лазера.

Во втором пункте рассказывается о сущности работы,основных преимуществах сварки лазерным лучом. Даны основные понятия, также приведены схемы устройства различных видов лазера.

В третьем пункте рассмотрены технические особенности процесса лазерной сварки. Приведены схемы соединения деталей разной толщины, а также схемы сварочной ванны и схемой защитных сопел.

В четвертом пункте  рассказывается технологии лазерной сварки. Приводятся основные параметры импульсной лазерной сварки.

В пятом пункте реферата  рассмотренаобласть применения лазерной сварки и целесообразности ее использования.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание

 

Введение_______________________________________________________4

 

1. История лазерной сварки_______________________________________5

 

2. Сущность и основные преимущества сварки лазерным лучом________7

 

 

3. Технологические особенности процесса лазерной сварки___________9

 

4. Технология лазерной сварки___________________________________16

 

 

5. Применение лазерной сварки__________________________________17

 

Заключение______________________________________________________18

 

Список литературы________________________________________________19

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Развитие машиностроения и приборостроения неразрывно связано с разработкой и внедрением прогрессивных технологических процессов, основанных на новейших достижениях науки и техники. К числу таких процессов принадлежит лазерная обработка материалов.

Процессы лазерной технологии относительно просты в осуществлении, легко управляемы, а высокая пространственно-временнаялокализованностьизлучения и отсутствие механического воздействия пучка лазера на объект обработки позволяют реализовать различные уникальные операции: сварку, резку, скрайбирование, поверхностное упрочнение и другие операции, осуществляемые на легко деформируемых изделиях и деталях, в том числе и вблизи теплочувствительных элементов.

Однако широкое использование  лазеров в промышленности и, в  частности для сварки, зависит  от решения ряда проблем, к которым в первую очередь следует отнести необходимость разработки высококачественных и производительных процессов, удовлетворяющих условиям их автоматизации с управлением от ЭВМ. Производительность и технологические возможности лазеров, особенно при сварке энергоемких металлов, ограничиваются относительно низким КПД процесса. При лазерной сварке многих изделий машино- и приборостроения возникает проблема загрязнения изделия частицами свариваемых металлов. В данной работе мы рассмотрим технологию, применение и принцип действия лазерной сварки.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. История лазерной сварки

 

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. 1. 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.

 

 

 

 

 

 

 

2. Сущность и основные преимущества сварки лазерным лучом

 

Лазерное излучение (ЛИ) —  это вынужденное монохроматическое излучение широкого диапазона длин волн от единиц нанометров до десятков и сотен микрометров.

При облучении поверхности  тела светом энергия квантов (порций) света поглощается этой поверхностью. Образуется теплота, температура поверхности  повышается. Если световую энергию  сконцентрировать на малом участке  поверхности, можно получить высокую  температуру. На этом основана сварка световым лучом оптического квантового генератора - лазера.

Термин "лазер" происходит от первых букв английской фразы: "Lightamplificationbythestimulatedemissionofradiation", что означает в переводе: "Усиление света посредством индуцирования  эмиссии излучения". Академик Н.Г. Басов, удостоенный в 1964 г. совместно  с академиком А.М.Прохоровым и американским ученым Ч.Таунсом Нобелевской премии за теоретическое обоснование и  разработку лазеров, так характеризует  лазер: "Это устройство, в котором  энергия, например тепловая, химическая, электрическая, преобразуется в  энергию электромагнитного поля - лазерный луч. При таком преобразовании часть энергии неизбежно теряется, но важно то, что полученная в  результате лазерная энергия обладает несравненно более высоким качеством. Качество лазерной энергии определяется ее высокой концентрацией и возможностью передачи на значительное расстояние".

Основные элементы лазера - это генератор накачки и активная среда. По активным средам различают  твердотельные, газовые и полупроводниковые  лазеры. В твердотельных лазерах (рис. 1) в качестве активной среды  чаще всего применяют стержни  из розового рубина - окиси алюминия А12О3 с примесью ионов хрома Сг3+ (до 0,05 %). При облучении ионы хрома  переходят в другое энергетическое состояние -возбуждаются и затем  отдают запасенную энергию в виде света. На торцах рубинового стержня  нанесен слой отражающего вещества (например, серебра) так, что с одного конца образовано непрозрачное, а  с другого - полупрозрачное зеркало. Излучение ионов хрома, отражаясь  от этих зеркал, циркулирует параллельно  оптической оси стержня, возбуждая  новые ионы, - идет лавинообразный процесс. Происходит бурное выделение лучистой энергии, которая излучается параллельным пучком через полупрозрачное зеркало  и фокусируется линзой в месте  сварки. Выходная мощность твердотельных  лазеров достигает 107 Вт при сечении  луча менее 1 см2. В фокусе достигается  громадная концентрация энергии, позволяющая  получать температуру до миллиона градусов.

 

 

 

 

 

Рис. 2. Схема твердотельного лазера:

1 - рубиновый стержень; 2 - генератор накачки; 3 - отражатель; 4 - непрозрачное зеркало; 5 - охлаждающая  среда; 6 - источник питания; 7 - полупрозрачное  зеркало; 8 - световой луч; 9 - фокусирующая  линза; 10 - обрабатываемые детали.

 

При работе в импульсном режиме существенный недостаток твердотельного лазера - низкий КПД (0,01...2,0 %). Более высокую  мощность и больший КПД обеспечивают лазеры, работающие в непрерывном  режиме, например твердотельный лазер  на алюмоит-триевом гранате, активированном атомами неодима (приблизительно 1 %). Еще более высокий КПД и  мощность у газовых лазеров. В  качестве активной среды в них  применяют чаще всего СО2 или смесь  газов, генераторами накачки могут  служить искровые разрядники или  электронный луч.

Типичная конструкция  газового лазера - это заполненная  газом трубка, ограниченная с двух сторон строго параллельными зеркалами: непрозрачным и полупрозрачным (рис. 3). В результате электрического разряда между введенными в трубку электродами возникают быстрые электроны, которые возбуждают газовые молекулы. Возвращаясь в стабильное состояние, эти молекулы образуют кванты света так же, как и в твердотельном лазере. Газовые лазеры могут работать в непрерывном режиме. Для сварки используют твердотельные и газовые лазеры импульсного и непрерывного действия.

 

 

Рис. 3. Схема газового лазера:

1 - разрядная трубка; 2 - непрозрачное  зеркало; 3 - источник питания; 4 - вакуумный  насос; 5 - полупрозрачное зеркало

 

Лазерную сварку производят на воздухе или в среде защитных газов: аргона, СО2. Вакуум, как при  электронно-лучевой сварке, здесь  не нужен, поэтому лазерным лучом  можно сваривать крупногабаритные конструкции. Лазерный луч легко  управляется и регулируется, с  помощью зеркальных оптических систем легко транспортируется и направляется в труднодоступные для других способов места. В отличие от электронного луча и электрической дуги на него не влияют магнитные поля, что обеспечивает стабильное формирование шва. Из-за высокой  концентрации энергии (в пятне диаметром 0,1 мм и менее) в процессе лазерной сварки объем сварочной ванны  небольшой, малая ширина зоны термического влияния, высокие скорости нагрева  и охлаждения. Это обеспечивает высокую  технологическую прочность сварных  соединений, небольшие деформации сварных  конструкций. Например, лазерная сварка вилки с карданным валом автомобиля по сравнению с дуговой сваркой  увеличивает срок службы карданной  передачи в три раза, потому что  более чем вдвое уменьшается  площадь сечения сварного шва, в  несколько раз -время сварки. Деформации вилки, вызывающие преждевременный  износ, практически отсутствуют.