Материал: Технологические основы современных способов сварки. учебное пособие. Пешков В.В., Коломенский А.Б

режиме сварки, являющийся характерной особенностью формирования шва, определяется характером нагрева металла.

Для расчета максимальной глубины проплавления lmax без выплеска можно использовать следующее выражение:

lmax =r0/2 (Тк/Тпл-Тпл/Тк),

где r0 - радиус пятна нагрева; Тпл - температура плавления металла; Тк - температура кипения металла.

Для увеличения глубины проплавления без выплеска форма импульса должна быть такой, чтобы нагрев поверхности происходил быстро до Тmax≤Тк, а далее мощность импульса уменьшилась и оставалась постоянной на уровне, способном обеспечивать продвижение фронта плавления в глубину металла. При такой форме импульса, когда максимум его энергии сдвинут в начало, несколько возрастают относительные потери на отражение и теплопроводность. Пологая часть импульса позволяет снизить давление, приводит к увеличению количества жидкой фазы, которая заполняет углубление, возникающее от воздействия переднего, более мощного фронта импульса. Увеличение длительности воздействия импульса способствует также более полному удалению газов из расплавленного металла в жидком состоянии и этим уменьшению пористости.

Импульсной лазерной сваркой сваривают, чаще всего, проволоку между собой или проволоку с более массивными деталями, при этом лазерный луч по зволяет вести сварку без зачистки контактов от изоляции, что увеличивает производительность процесса.

Непрерывная лазерная сварка металлов значительных толщин производится газовыми лазерами. При сварке непрерывным лазерным лучом большой мощности приходится устранять экранирующее влияние ионизированного облака, которое возникает при взаимодействии лазерного луча с атмосферой и испаряющимся металлом. Облако рассеивает луч и препятствует нагреву металла сварочной ванны. Устраняют его, сдувая струей газа, чаще всего аргона, направляя ее перпенди-

151

кулярно оси луча. Одновременно инертный газ защищает металл от окисления. Применение для защиты вместо аргона гелия или смеси гелия с водородом увеличивает проплавление лазерным лучом, но более легкий, чем аргон, гелий плохо вытесняет облако плазмы.

Непрерывная сварка лазером обеспечивает значительно большие скорости сварки по сравнению с импульсной, что делает ее более перспективной для сварки элементов силовых конструкций. При проектировании узлов и конструкций, изготовляемых с помощью лазерной сварки, рекомендуют такие технологические схемы, где чаще всего шов формируется за счет плавления основного металла.

На рис. 2.50 и 2.51 приведены наиболее характерные типы соединений проволоки между собой и с массивными деталями, а на рис. 2.52 - типы соединений для сварки, осуществляемой лазером непрерывного действия (или импульсным с взаимным перекрытием точек).

Рис. 2.50. Характерные типы соединений проволоки лазерной пайкой

Рис. 2.51. Характерные типы соединений проволоки с массивными соединениями лазерной сваркой

Рис. 2.52. Типы соединений для сварки лазером непрерывного (или импульсного с перекрытием) действия

152

Квантовый генератор - основной элемент установки для лазерной сварки - преобразует электрическую, световую, тепловую или химическую энергию в монохроматическое когерентное излучение электромагнитных волн ультрафиолетового, видимого или инфракрасного диапазона.

Взависимости от типа излучателя - активного элемента - оптические квантовые генераторы подразделяют на твердотельные, жидкостные, газовые и полупроводниковые.

Втвердотельных генераторах в качестве излучателя мо-

гут использоваться стекло с неодимом, рубин, гранат с эрбием и др. Генераторы на алюмонатриевом гранате с неодимом позволяют получать мощность до 1 квт в непрерывном режиме.

Жидкостные квантовые генераторы (на неорганических жидкостях - растворах окиси неодима, красителях и др.) по своим характеристикам ближе всего стоят к твердотельным импульсным генераторам, но превосходят их по энергии в импульсе вследствие больших объемов активных элементов.

У газовых квантовых генераторов (излучателем может быть водород, азот, аргон, углекислый газ и пр.) самый широкий спектр излучения и наибольшая мощность в непрерывном режиме.

Излучателями у полупроводниковых квантовых генераторов служат полупроводниковые монокристаллы: арсениды галлия и индия, сплавы кадмия с селеном и серой и др. Эти г е- нераторы обладают малым весом, экономичны, обладают самым высоким (до 70 %) КПД.

Излучатель возбуждается и генерирует свет под действи-

ем энергии системы накачки:

-твердотельные и жидкие активные элементы возбуждаются светом импульсных ламп;

-газовые смеси, в основном, накачиваются энергией газового разряда;

-полупроводниковые излучатели используют энергию электрического тока, протекающего через область p-n- перехо-

153

да;

- разработаны системы, которые позволяют использовать для накачки газовых лазеров тепло и энергию химических реакций.

В зависимости от энергетических параметров системы накачки лазер работает в импульсном или непрерывном режиме.

Принципиальное конструктивное решение основных функциональных узлов оптического квантового генератора целесообразно рассмотреть на примере наиболее распространенного технологического лазера, использующего рубин в качестве излучателя.

Рубин - это окись алюминия, в которой небольшое число атомов алюминия замещено атомами хрома. Обычно в квантовых генераторах используют бледно-розовый рубин, содержащий 0,05 % хрома.

Используемый в лазере розовый кристалл рубина обрабатывается в виде стержня, длина и диаметр которого определяют мощность излучения. Его торцы полируют до получения оптически плоской поверхности, затем их серебрят для получения отражающих поверхностей. Выходной конец кристалла является полупрозрачным. Рубиновый стерженек помещают вблизи электронной лампы вспышки, служащей источником широкополосного света для оптической накачки.

Энергетическая схема квантового генератора на рубине показана на рис.2.53. В квантовом генераторе на кристалле рубина атомы хрома, находящиеся в исходном состоянии (1), поглощают фотоны и переходят на один из расположенных выше уровней (2). Часть энергии они передают кристаллической решетке, вызывая повышение температуры, и переходят при этом на метастабильный уровень (3). Затем под действием индуцирующих фотонов, испускаемых другими атомами хрома, они излучают фотоны характеристической длины волны, возвращаясь опять в исходное состояние.

154

Рис. 2.53. Энергетическая схема оптического квантового генератора на рубине

Лазер на кристалле рубина питается от импульсной лампы. При освещении лампой (вспышками) рубинового стержня большинство атомов хрома переводится в возбужденное состояние. При спонтанном испускании возбужденным атомом фотона параллельно оси кристалла фотон побуждает другой возбужденный атом испустить второй фотон (индуцированный). Этот процесс продолжается лавинообразно, поскольку фотоны, отражаясь от торцов кристалла, движутся по кристаллу в осевом направлении. Интенсивность пучка растет в результате многократного отражения от обоих торцов стержня. В этом случае, если интенсивность света от импульсной лампы превысит некоторый критический уровень, начинает появляться эффект квантового усиления, и тогда с полупрозрачного торца в течение тысячных долей секунды выбрасывается интенсивный поток фотонов с длиной волны 6943 ангстрема.

Выходной пучок является узконаправленным, мощным, монохроматическим и когерентным. Излучение является узконаправленным вследствие того, что испускаются волны, лишь многократно отраженные и не испытавшие сколько-нибудь существенного отклонения от оси рубина. Излучение является мощным, так как индуцированное излучение возбужденных атомов происходит гораздо раньше, чем спонтанное излучение.

Высокая степень монохроматичности излучения обусловлена тем, что индуцированное излучение представляет собой резонансный процесс, и в силу этого более привязано к центру полосы частот, чем излучение, спонтанно испускаемое атомами. Эти предпочтительные частоты возбуждают, в свою

155