Лазерно заваряване

при лазерно заваряване

Общоприети символи за заваряване с лазер

LBW - Лазерно заваряване - лазерно лъчево заваряване

Същността на лазерното заваряване

Лазерният лъч, в сравнение с конвенционалния светлинен лъч, има редица свойства - посока, монохромност и съгласуваност.

Благодарение на насочеността на лазерния лъч, неговата енергия се концентрира в сравнително малка площ. Например посоката на лазерния лъч може да бъде няколко хиляди пъти по-голяма от посоката на лъча на прожектора.

Ако обичайната "бяла" светлина се състои от лъчи с различни честоти, тогава лазерният лъч е монохромен - има определена честота и дължина на вълната. Поради това той е перфектно фокусиран с оптични лещи, тъй като ъгълът на пречупване на лъча в лещата е постоянен.

Съгласуваността е последователното протичане на няколко вълнови процеси във времето. Некохерентните колебания на светлинния лъч имат различни фази, в резултат на което те могат да се гасят един друг. Кохерентните колебания причиняват резонанс, което увеличава силата на радиацията.

Поради горните свойства, лазерният лъч да се фокусира върху много малка метална повърхност и да се създаде него енергийна плътност от 108 W / cm2 - достатъчно, за да се разтопи метала, а оттам и заваряване.

За лазерно заваряване често се използват следните видове лазери:

• твърдо и
• Газ - с надлъжно или напречно изпомпване на газ, газова динамика.

Лазерно заваряване с твърдотелен лазер

Лазерът в твърдо състояние е показан на фигурата по-долу. прът рубин се използва, стъкло легиран с неодим (Nd-стъкло) или итрий алуминиев гранат легиран с неодим (Nd-YAG) или итербий (Yb-YAG) като активна тялото. Тя се помещава в осветителна камера. За да възбуди атомите на активното тяло, се използва лампа на помпата, създавайки силни светлинки.

Фигура. Лазерна схема за твърдо състояние

Огледалата на активното тяло са отразяващи и частично прозрачни. Лазерният лъч излиза през частично прозрачно огледало, което многократно се отразява вътре в рубинния прът и по този начин се усилва. Силата на лазерите в твърдо състояние е относително малка и обикновено не надвишава 1-6 kW.

Лазерите в твърдо състояние, поради ниската си мощност, са заварени само малки детайли с малка дебелина, обикновено обекти на микроелектрониката. Например, най-добрите изводи от проводници с диаметър от 0.01-0.1 mm, направени от тантал, злато, нихром, са заварени. Точково заваряване на продукти от фолио с диаметър от 0.5-0.9 mm е възможно. Лазерно заваряване се извършва херметичен шев катоди на кинескопи на модерни телевизори.

Катодът е тръба с дължина 2 mm, диаметър 1,8 mm, дебелина на стената 0,04 mm. Тръбата е заварена към дъното с дебелина 0.12 мм, материалът на продукта е хромо-никелова сплав. Заваряването на такива малки части е възможно благодарение на високата степен на фокусиране на лъча и точната дозировка на енергия чрез регулиране на продължителността на импулса в рамките на 10-2-10-7 s.

Заваряване с газов лазер

По-мощни са газовите лазери, при които като активно тяло се използва смес от газове, обикновено CO2 + N2 + He. Схемата на газов лазер с надлъжно изпомпване на газ е показана на фигурата по-долу. Газът от цилиндрите се изпомпва от помпа през тръба за газоразрядване. За енергично възбуждане на газ се използва електрическо изпускане между електродите. На краищата на газоразрядната тръба има огледала. Електродите са свързани към захранването. Лазерът се охлажда от водна система.

Фигура. Газов лазер с надлъжно изпомпване на газ

Недостатъкът на лазерите с надлъжно изпомпване на газ е техните големи габаритни размери.

По-компактни лазери с напречен газов поток (вижте фигурата по-долу).

Фигура. Газов лазер с напречно изпомпване на газ

Те позволяват да се постигне обща мощност от 20 kW или повече, което дава възможност за заваряване на метали с дебелина до 20 mm при достатъчно висока скорост, около 60 m / h.

Най-мощните са газо-динамичните лазери (на фигурата по-долу). За работа с помощта газове загряват до температура 1000-3000 К. газовите потоци със свръхзвукова скорост през дюзата Laval, в резултат на нейната адиабатно разширение и охлаждане в зоната на кухината. Когато възбудените CO молекули се охлаждат, те излизат на по-ниско енергийно ниво с емисиите на кохерентна радиация. За изпомпване може да се използва друг лазер или други мощни източници на енергия. Такъв лазер с мощност N = 100 kW позволява, например, за заваряване на стомана с дебелина 35 мм при много висока скорост, около 200 м / ч.

Фигура. Газов лазер

Схемата на процеса на лазерно заваряване е показана на фигурата по-долу.

Фигура. Схема на процеса на лазерно заваряване

Лазерното заваряване се извършва при атмосферни условия, без да се създава вакуум, е необходимо да се предпази стопеният метал от въздуха. Обикновено газовете се използват за защита, по-специално аргон. Характерна особеност на процеса на лазерно заваряване е, че поради високата топлинна мощност на лъча, на повърхността на завареното изделие се получава интензивно изпаряване на метала. Парите са йонизирани, което води до разсейване и пресяване на лазерния лъч. В тази връзка, когато се използват лазери с висока мощност, към зоната на заваряване трябва да се подаде така нареченият газ, потискащ плазмата, в допълнение към защитния. Като газ, потискащ плазмата, обикновено се използва хелий, който е много по-лек от аргона и не разпръсква лазерния лъч. За опростяване на процеса е целесъобразно да се използват смеси от 50 Ar + 50 He, които изпълняват плазмено-потискащи и защитни функции. В този случай заваръчната горелка трябва да гарантира, че газът се доставя по такъв начин, че да изгори йонизираната пара.

Фигура. Проектиране на дюзи за лазерни заваръчни горелки

При лазерно заваряване лъчът постепенно се задълбочава в частта, като притиска разтопения метал на заваръчния басейн към задната стена на кратера. Това дава възможност да се постигне проникване на "кама" в голяма дълбочина и малка ширина на шева.

Високата концентрация на енергия в лазерния лъч позволява постигането на високи скорости на заваряване, като същевременно осигурява благоприятен термичен цикъл и висока технологична якост на заваръчния метал.

Предимства на лазерното заваряване

Най-важното предимство на лазерното заваряване с лазери в твърдо състояние е възможността за много точна дозировка на енергия, така че е възможно да се осигури производството на качествени съединения при производството на много малки части.

За мощни газови лазери е изгодно да се получи голяма дълбочина на проникване с малка ширина на шева. Това позволява да се намали зоната на топлинното въздействие, да се намалят деформациите и напреженията при заваряване.

Освен това лазерното заваряване има няколко предимства, които не са присъщи на други методи за заваряване. Лазерът може да бъде разположен на достатъчно голямо разстояние от мястото за заваряване, което в редица случаи има значителен икономически ефект. Например, машина за лазерно заваряване е известна за ремонт на тръбопроводи, разположени по дъното на резервоар. Вътре в тръбата се движи количка с въртящо се огледало. Лазерът е в края на сечението на тръбопровода и изпраща лъч в тръбата. Това позволява лазерно заваряване без отстраняване на баласта от тръбопровода и неговото повдигане до повърхността.

Лекотата на контролиране на лазерния лъч с огледала и оптика позволява заваряването на труднодостъпни места, понякога не на място. Възможно е също лазерно заваряване на няколко части от един лазер до греда, разделена с помощта на призми.

Недостатъци на технологиите

Недостатъците на лазерното заваряване са високата сложност и цената на оборудването, ниската ефективност на лазерите. Като се развива лазерната технология, тези недостатъци се премахват.