Фотонно-лучевая (лазерная) сварка

В начале 60-х годов на основе работ советских физиков Н. Г. Басова и А. М. Прохорова и американского физика Ч. Таунса были созданы оптические квантовые генераторы(лазеры). Угловая расходимость светового пучка лазерного излучения мала, и, фокусируя такой пучок, можно достичь малых диаметров светового пятна вплоть до значений нескольких микрон. При мощностях лазерного излучения, которые можно получить на современных лазерах, это позволяет создать на облучаемой поверхности плотность тепловой мощности выше 10¹³Вт/м². В таких условиях все известные материалы не только плавятся, но и испаряются, что и сделало реальным широкое использование света для сварки металлов.

Лазерная сварка вследствие высоких значений плотности тепловой мощности в облучаемой зоне характеризуется высокой локальностью нагрева. Она позволяет сваривать металлы с различными теплофизическими характеристиками, в труднодоступных местах, поскольку это бесконтактный способ сварки, а также в любой прозрачной для данного излучения атмосфере или среде. В настоящее время в промышленности для целей сварки применяются только импульсные лазеры на твердом теле. По виду активного вещества излучателя лазеры разделяют на твердые и газовые.

Для перевода активных частиц в возбужденное состояние служат источники возбуждения. Они могут воздействовать на активное вещество световым потоком, потоком электронов, потоком радиоактивных частиц и т.п.

Параметры режима лазерной сварки.

При импульсной лазерной сварке форма и размеры ванны оцениваются диаметром и глубиной проплавления.

Основные параметры режима сварки  мощность в импульсе и время импульса. С увеличением этих параметров возрастает тепловая мощность источника и соответственно диаметр ванны и глубина ее проплавления. Дополнительные параметры  диаметр пятна нагрева, определяющийся углом расходимости светового пучка после фокусировки, и пространственно-временная зависимость распределения энергии в пятне нагрева.

В твердотельных лазерах импульс генерируемого света состоит из набора более коротких импульсов, так называемых пучков. Величина и длительность этих пучков колеблются в широких пределах. Благоприятные условия для существования ванны создаются только при равномерном распределении энергии по пятну нагрева.

Параметры режима определяют освещенность в пятне нагрева:

,

где Q  мощность в импульсе; r_f  радиус пятна нагрева; t_и  время импульса.

Плотность тепловой энергии в пятне нагрева:

,

где А  поглощательная способность свариваемых кромок (зависит от состояния поверхности и длины волны излучения).

При сварке лазером непрерывного излучения форма и размеры сварочной ванны такие же, как и при сварке плавлением. Основные параметры  выходная мощность излучения и скорость сварки. Дополнительные параметры, оказывающие наибольшее влияние на размеры ванны и шва,  диаметр пятна нагрева, поглощательная способность свариваемых кромок и др.

Микроплазменная сварка

Работы в области плазменной резки и сварки в СССР начаты в 1956 г. На первом этапе были изучены физические и энергетические свойства сжатой дуги в аргоне, определены ее технологические возможности. Интенсивные систематические исследования в этом направлении были проведены в Институте металлов им. Л. А. Байкова под руководством Н. Н. Рыкалина. Эффективно сжатая дуга, воздействуя на металл, быстро углубляется в него, т. е. проявляет ярко выраженные режущие свойства. Это обусловило сравнительно высокий темп развития промышленных разработок в области плазменной резки и поисковый характер исследований в области сварки.

Плазменную сварку иногда называют сваркой сжатой дугой. Если обычный электродуговой разряд пропустить через узкое сопло, “вдувая” и сжимая его потоком инертного газа – аргона, то возникает так называемая плазменная струя, имеющая температуру, доходящую до 20000 градусов по Цельсию.

Плазменная струя представляет собой ионизированный газ, состоящий из смеси электронов, положительных ионов и нейтральных частиц. Плазма электропроводна, но по отношению ко внешней среде электрически нейтральна. Устройство для получения плазменной струи называется плазменной горелкой или плазмотроном.

К преимуществам плазменной сварки относятся повышения производительности, возможность выполнять соединения без разделки кромок, экономия присадочного материала инертного газа, а также возможность отказа в ряде случаев (например, при сварке меди) от дополнительного разогрева.