Лазерная сварка Лазерная сварка

Лазерной сваркой называется технологический процесс получения неразъемного соединения частей изделия путем местного расплавления металлов по примыкающим поверхностям.

Источником нагрева (при расплавлении) служит сконцентрированный поток излучения квантового генератора (ОКГ). В результате плавления и кристаллизации возникает прочное сцепление (сварной шов), основанное на межатомном взаимодействии. Т.е. лазерная сварка относится к специальным методам сварки плавлением.

Этот метод входит в группу концентрированных источников энергии таких как сжатая дуга, плазма, электронный луч, отличающихся высокой плотностью энергии.

Создание и современное развитие квантовой электроники связано с работами лауреатов Ленинской и Нобелевской премий академиков Н.Г.Басова, А.М.Прохорова.

Нагрев лучистой энергией имеет некоторые преимущества по сравнению с другими способами:

1. Возможность термической обработки материалов независимо от их электрических и магнитных свойств;

2. Бесконтактность подвода энергии к изделию;

3. Незначительное механическое воздействие на зону сварки;

4. Передача энергии через оптически прозрачные оболочки, что производит процессы сварки и пайки в контролируемой газовой атмосфере;

5. Квантовые генераторы оптического диапазона позволяют получать интенсивные и остронаправленные пучки света и концентрировать энергию на очень малые площади, равные тысячным долям миллиметра;

6. Лазерная сварка в отличие от электронно-лучевой не требует вакуумных камер. Процесс осуществляется в атмосфере воздуха либо в среде защитных нейтральных газов (Ar, He), в среде СО₂ и др.;

7. Особенностью лазерного излучения является возможность легкой его транспортировки. С помощью зеркальных оптических систем можно направлять лазерный луч в труднодоступные места, подавать его на значительные расстояния без потерь энергии, появляется возможность легкого и оперативного управления процессом лазерной сварки.

8. В отличие от электронного луча, дуги и плазмы на лазерный луч не влияют магнитные поля свариваемых деталей и технологической оснастки, что позволяет получить качественное формирование сварного шва по всей длине.

В основу принципа квантового генератора (ОКГ) и усилителя положено индуцированное излучение, связанное с поглощением электромагнитных волн или фотонов атомными системами.

При поглощении фотона его энергия передается атому, который приходит в возбужденное квантовое состояние. Через некоторый промежуток времени атом может спонтанно излучить эту энергию и возвратиться в основное состояние. Пока атом находится в возбужденном состоянии его можно побудить испускать фотон под воздействием внешнего фотона (падающей волны), энергия которого равна энергии фотона, испускаемого атомом при спонтанном излучении. Такое излучение называется индуцированным. Т.е. падающая волна усиливается волной, излучаемой возбужденным атомом. Это явление используется в квантовый усилителях. Квантовые генераторы преобразуют электрическую, световую, тепловую энергию в монохроматическое когерентное излучение электромагнитных волн: ультразвукового, видимого и инфракрасного диапазона.

Излучателем - активным элементом - могут быть:

• твердые тела - рубин, гранат с эрбием (АИГ);

• жидкие растворы - растворы окиси неодима;

• газы и газовые смеси - озон, аргон, СО₂.

Для сварки металлов используют твердотельные и газовые лазеры. Различают технологические лазеры импульсно-периодического и непрерывного действия.

Из твердых лазеров для сварки применяют лазеры на рубине (в качестве активного элемента в нем используют стержни из кристалла искусственного рубина). Эти лазеры генерируют обычно импульсно-периодическое излучение на длине волны l=0,69 мкм с длительностью импульса t=10^-3¸10^-6 с и энергией в импульсе W_и»10^-2¸10³ Дж, и частотой повторения импульсов ¦_max » 10 Гц.

Более высокими значениями мощности отличаются твердотельные лазеры с активным элементом в виде стержней из стекла с примесью неодима. Они генерируют импульсно-периодическое излучение при l=1,06 мкм, при ¦= 0,5´10² до ¦= 5´10⁴ Гц.

Большими технологическими возможностями обладают твердотельные лазеры с активным элементом из алюмо-итриевого граната с добавкой неодима, они могут работать не только в импульсно-периодическом , но и в непрерывном режиме на длине волны излучения l= 1,06 мкм.

Следует отметить, что средняя мощность излучения твердотельных лазеров достигает в настоящее время сотен ватт. Ограничения по уровню мощности связаны с малыми размерами искусственно выращенных кристаллов и их малой теплопроводностью, что затрудняет их охлаждение в лазерных установках.

КПД преобразования электрической энергии в энергию излучения составляет порядка 2%, в настоящее время ведутся работы по созданию твердотельных лазеров с КПД до 10%.

Большую перспективу для лазерной сварки представляют газовые лазеры, в которых в качестве активной среды используется диоксид углерода СО₂. Эти лазеры развивают мощность W от сотен ватт до десятков кВт в непрерывном и импульсно-периодическом режимах генерации излучения с l=10,6 мкм. Имеют высокий КПД преобразования электрической энергии в энергию излучения (10¸20%). У таких излучателей самый широкий спектральный диапазон излучения и наибольшая мощность в непрерывном излучении при достаточно высоком КПД (15¸20%).

Полупроводниковые монокристаллы - арсениды галия, сплавы кадмия с селеном и серой. Генераторы с полупроводниковым излучателем обладают малой массой, экономичны и имеют самый высокий КПД (до 70%).

Излучатель возбуждается и генерирует свет под действием энергии системы накачки:

твердотельные и жидкие активные элементы возбуждаются светом импульсных ламп. В зависимости от энергетических параметров системы накачки лазер работает в импульсном или непрерывном режиме.

В квантовых технологических генераторах обычно используют в качестве основного энергетического элемента рубин (окись алюминия, в которой небольшое количество атомов Al заменено атомами Cr). Обычно используют бледно-розовый рубин, содержащий 0,05% Cr.

Кристалл обрабатывают в виде стержня, длина и диаметр которого определяют мощность излучения. Его торцы полируют до получения оптически плоской поверхности, затем их подвергают серебрению для получения отражающих поверхностей. Рубиновый стержень помещают вблизи электронной лампы вспышки, служащей источником света для оптической накачки.

Энергетическая схема на рубине представлена на рис. 1.

Рис. 1. Энергетическая схема на рубине.

1. В квантовом генераторе на кристалле рубина атомы хрома находятся в основном состоянии I.

2. Поглощая фотоны, переходят на вышестоящий энергетический уровень II.

3. Часть энергии они отдают кристаллической решетке, вызывая повышение температуры, и переходят на метастабильный уровень III.

4. Под действием индуцирующих фотонов, испускаемых другими атомами хрома, они излучают фотоны, возвращаясь в исходное состояние.

Лазер на кристалле рубина питается от импульсной лампы.

Выходной пучок фотонов является:

• узконаправленным,

• мощным,

• монохроматическим,

• когерентным.

  Монохроматический световой луч лазера состоит из электромагнитных волн одной длины, и поэтому такой луч фокусируется в малом объеме, практически в точке.

  

  Рис. 2. Фокусировка лучей лазера.

  Плотность энергии такого луча в фокусе линзы ровна:

  r = Е/V

  где r - плотность энергии;

  Е - энергия луча;

  q=5´10⁸ Вт/см²;

  V - объем фокуса.

  Для луча лазера с V® 0 плотность энергии достигает высоких значений 10⁷ ¸ 10⁸ Вт/см². Продолжительность импульса мала »10^-9 сек.

  Сварочная установка представляет собой комплекс оптикомеханических и электрических элементов, основным из которых является квантовый генератор.

  Схема установки типа СУ-1 представлена на рис. 3.

  

  1 – осветительная камера; 2 - кристалл рубина; 3 - призма; 4 - объектив;

  5 - импульсная лампа; 6 - конденсаторная линза; 7 - призма;

  8 - осветитель; 9 - микроскоп.

  Рис. 3. Схема установки типа СУ-1.

  Имеется два режима:

• рабочий режим;

• режим настройки.

Формирующая система луча снабжена сменными объективами (4), которые фокусируют параллельный пучок света, испускаемый генератором в пятно диаметром 0,25¸0,05 мм. Для настройки генератора используется оптическое устройство, состоящее из конденсаторной линзы (6), призмы (7), осветителя (8), имитирующее прохождение излучения от кристалла.

На лампу вспышки подается напряжение, равное 18 кВ.

Существующие оптические квантовые генераторы дают возможность получать частоту повторения импульсов от 1 до 100 в минуту. Частота повторения импульсов и мощность квантового генератора ограничивается охлаждающими системами, отводящими теплоту, возникающую в квантовых генераторах.

Диаметр площади проплавления составляет десятые доли миллиметра, поэтому генераторы используют для получения точечных соединений.

Перспективно для лазерной сварки получение микросоединений. Широкое применение лазерная сварка находит в радиоэлектронике при изготовлении микросхем, микроэлементов и т.д.

Лазерным лучом можно сваривать самые различные композиции металлов, используемых в микроэлектронике: золото-кремний, германий-золото, никель-тонтал и т.д.

Широко применяется резка лазером.

В лазерных установках импульсного действия универсального типа (первое поколение) в качестве активного элемента использовались только кристаллы рубина. В СССР первые технологические установки типа СУ-1 и К-3 были выпущены в 1964 году.

Таблица 1.