13.3 Лазерная сварка
Лазерный луч по сравнению с другими источниками энергии, используемыми для получения сварных соединений, является самым высокоцентрированным, превосходящим их на несколько порядков. Такие высокие показатели лазерного излучения обеспечиваются его монохроматичностью и когерентностью.
1 – газовый тракт; 2 – вентилятор; 3 – холодильник; 4, 5 – электроды;
6 – непрозрачное и полупрозрачное зеркала; 7 – лазерный луч; 8, 9 – линзы оптической системы; 10 – свариваемое изделие; 11 – пульт управления;
12, 13 – измерители мощности
Рисунок 13.4 - Принципиальная схема технологического СО2-лазера с поперечной прокачкой газовой смеси
В отличие от электронно-лучевой сварки лазерная может производиться не только в вакууме, но и на воздухе, а также в среде защитных газов.
Для сварки металлов и их сплавов используются твердотельные и газовые лазеры.
Лазеры, используемые для выполнения сварки, подразделяются на импульсно-периодического и непрерывного действия. Лазер состоит из излучателя и источника питания.
Вначале для сварки стали применять твердотельные лазеры с активными элементами:
а) кристалл искусственного рубина;
б) стекло с легирующей добавкой неодима.
Твердотельные лазеры с рубином генерируют импульсно-периодическое излучение с длиной волны λ=0,69 мкм, длительность импульса τ=10-3÷10-9 с, энергия импульса 10-2÷103 Дж, максимальная частота 10 гц.
Твердотельные лазеры со стеклом с примесью неодима более мощные, они также в импульсно-периодическом режиме генерируют излучение с длиной волны λ=1,06 мкм с энергией несколько десятков джоулей, причем имеет место широкий диапазон частот импульсов от 0,05 до 50 кГц.
По мере развития лазерной техники в технологических процессах сварки стали использоваться лазеры с большими технологическими возможностями. Одним из такого семейства лазеров нашел применение лазер с активным элементом, выполненным из иттрийалюминиевого граната с добавкой неодима. Эти лазеры генерируют как и лазеры со стеклом излучение с длиной волны λ=1,06 мкм, но не только в импульсно-периодическом, но и в непрерывном режимах. Мощность излучения таких лазеров достигает несколько сотен ватт.
Ограничение мощности излучения твердотельных лазеров на данном этапе развития техники связано с ограниченной возможностью получения необходимых размеров искусственных кристаллов. Другой технического порядка трудностью широкого применения данного типа лазеров является низкая теплопроводная способность активных материалов, что, в свою очередь, затрудняет обеспечение необходимого охлаждения их в процессе использования.
В настоящее время для лазерной сварки широко применяют газовые лазеры непрерывного действия, в которых рабочей средой используется смесь газов в соотношении 1CO2:20N2:20He. На рисунке 13.4 приведена принципиальная схема технологического СО2-лазера с поперечной прокачкой газовой смеси. На схеме штрих-пунктирной линией обозначен газовый контур. Конструктивно он представляет собой камеру, в которой установлены два зеркала резонатора: слева – зеркало 6 непрозрачное, справа – зеркало 6 полупрозрачное, которые предназначены для формирования получаемого лазерного излучения в виде лазерного луча.
В камере при давлении 2,66-13,3 Па производится прокачка рабочей смеси газов посредством вентилятора 2 по газовому тракту условно изображенному на схеме стрелками 1.
Прокачка рабочей смеси производится через разрядную камеру, состоящую из электродов 4 и 5, при этом происходит возбуждение молекул газовой смеси посредством постоянно протекающего электрического разряда. Азот и гелий в этой газовой смеси введены для обеспечения стабильности горения электрического разряда и передачи энергии возбуждения молекулам СО2.
При разряде образуются быстрые электроны, которые переводят молекулы газов в возбужденное состояние. Рабочая смесь, после разрядной камеры, возвращаясь в исходное положение, порождают кванты света, которые посредством оптической системы, включающей зеркала 6 и линзы оптической системы 8, 9 транспортируют и фокусируют полученный лазерный луч 7. Свариваемое изделие 10 установлено на столе сварочного манипулятора связанного с системой управления 11. Для настройки и обеспечения условий текущего управления процессом лазерной сварки предусматриваются сдублированные системы измерения мощности лазерного излучения 12 и 13.