Границы применимости

Размеры: микроплазменную сварку рекомендуют для металла толщиной s = 0,01—1 мм; сварку сжатой дугой для s = 0,8—25 мм.

Группы материалов: угле­родистые, низко- и высоколегированные стали; цветные металлы, особенно медь, ни­кель и их сплавы; титан, цирконий, серебро, золото, платина, тугоплавкие материалы. К условно свариваемым материалам относят алюминий, магний и их сплавы.

Область использования: продольная и кольцевая сварка листо­вых конструкций и сосудов, изготовление труб с продольным и спиральным швом.

Рабочие параметры для сварки сжатой дугой:

Сварочный ток, А...... 40—400

Мощность сварки, кВт... 1,25—15

Скорость сварки, см/мин 40—250

Расход газа, л/мин: плазмообразующего 1—3; обжимающего 2—7; защитного 4—20.

Рис. ПЛ-5. Атомно-водородная сварка: 1— шов; 2 — сварочная ванна; 3 — присадочный металл; 4 — вольфрамо­вые электроды.

ЛАЗЕРНАЯ СВАРКА (La-)

Лазерная сварка—это сварка, при которой для местного расплавления соединяемых частей используется энергия светового луча, полученного от оптического квантового генератора. Сконцентриро­ванный световой луч характеризуется монохроматич­ностью, когерентностью (согласованное протекание во времени нескольких колебательных или волновых процессов при их сложении), параллельностью и высокой плотностью энергии. (Термин «лазер» соответствует сочетанию первых букв слов Light—amplification by simulated emission of radiation, что означает, усиление света использованием индуцированного излучения) При этом ионы кристаллической решетки или атомы (молекулы) газа в результате поглощения электромагнитного излучения переходят на более высокий энергетический уровень. При их стимулиро­ванном переходе в исходное состояние в лазере образуется когерентное световое излу­чение большой энергии.

Рубиновый лазер на базе Al₂O₃ содержит в качестве активных ионов 0,05 % Сг. При высокочастотном облучении рубинового стержня, например зеленым светом, ионы хрома переходят на наиболее высокий энергетиче­ский уровень. Из этого возбужденного состояния они быстро пере­ходят без излучения на метастабильный энергетический уровень. Собственно лазерный переход осуществляется при возврате иона в исходное состояние. Переходу соответствует выделение кванта энергии 1,79 эВ. Схема дей­ствия рубинового лазера показана на рис. ЛЗ-1.

Искусственный рубиновый кристалл расположен в кварцевой трубке, которая представляет собой газоразрядную лампу, наполненную газом ксеноном. При замыкании вы­ключателя происходит разряд высоко­вольтного конденсатора, а в кварцевой трубке (лампе) появляется вспышка света, в результате чего рубиновый кристалл испускает мощный световой импульс (луч), который после фокусирования направляется в зону свар­ки. Сварка ведется как бы отдель­ными точками, перекрывающими друг друга.

Рис. ЛЗ-1. Лазерная сварка: 1 — высоковольтный конденсатор, 2 — повышающий трансформатор, 3 — выпрямитель, 4 — переключа­тель, 5 — рубиновый кристалл (ре­зонатор), 6 —импульсная лампа (лампанакачки), 7 — луч лазера, 8 — оптическая система, 9 — свариваемая деталь.

Гелий-неоновый газовый лазер. Активной средой в лазере служит нейтральный газ. Условия ее возбуждения очень просты.

Аргонный лазер. Для работы лазера нужны очень высокие плотности тока. Достигаются большие мощности излучения, чем у гелий-неонового лазера.

Углекислотный газовый лазер Активной средой в этом лазере служит моле­кулярный газ СО₂. Длина волны эмиттируемого излучения, лежит в инфракрасной части спектра. В газовый объем вводят дополнительно азот и гелий. Рекомендуемое соотношение газов:

Коэффициент полезного действия этого лазера может достигать 15—20 %. Наиболее высокая достигнутая в настоящее время выходная мощность равна 20 кВт [S4]. Лазеры обычного типа имеют выходную мощность 0,5—2 кВт. При больших мощностях излучения излучающие системы имеют весьма большие размеры.

Лазер на иттрий алюминиевом гранате. Имеется в виду лазер с неодимом в кри­сталле иттрий-алюминиевого граната Механическая и термическая стабильность кристалла такая же, как и рубина. Длина волны эмиттируемого излучения 0,6— 1,1 мкм. Этот лазер работает преимущественно в импульсном режиме, а энергия, выделяющаяся в импульсах длительностью от 0,5 до 10 мс, составляет 1—100 Вт-с. При работе в непрерывном режиме мощность лазера достигает 500 Вт.

Жидкостные, полупроводниковые, рентгеновые лазеры и лазеры на красителях в настоящее время находятся в стадии разработки. Существенное повышение мощ­ности возможно при использовании газодинамического лазера. У этих лазеров смесь газов, например азота, углекислого газа и паров воды, нагревается при давлении 1,5—1,6 МПа до высокой температуры (1400 К). Скорость распространяющейся в течение короткого времени струи газовой смеси, вытекающей из батареи сопла, во много раз превышает скорость звука. Освобождающаяся лазерная мощность (описанный процесс аналогичен обычной оптической накачке в твердотельных лазерах) может достигнуть 60 кВт.

В химических лазерах с преобразованием частоты процесс накачки осуществля­ется химическим возбуждением лазера. Энергия, выделяющаяся при экзотермической химической цепной реакции, сообщается возбуждаемой среде (CO₂). Таким образом, накачка углекислого лазера осуществляется химическим путем. В импульсном режиме при длительной мощности 30 мкс пиковая мощность достигает 200 кВт.

Лазер для сварки и обработки материалов должен иметь волновой спектр излу­чения, соответствующий малой отражающей способности и возможно большему коэффициенту поглощения обрабатываемым материалом.При большой удельной энергии в фокусном пятне материал в точке встречи его с лучом испаряется. Этот эффект используют при сверлении и резке лазерным лучом. При сварке, особенно при работе лазера в непрерывном режиме, испарение нежела­тельно, так как луч лазера экранируется образующейся плазмой. Диаметр фокусного пятна и скорость сварки (при работе лазера в импульсном режиме — длительность и частота импульсов) выбирают так, чтобы не было испарения при достаточном времени для расплавления материала в точке его встречи с лучом лазера.

Границы применимости

Границы применимости определяются, прежде всего, типом лазеров и способом их использования.

Группы материалов: тугоплавкие ма­териалы, имеющие высокую теплопроводность, на­пример Au, Ag, Си и Аl; комбинированные биме­таллы.

Основные комбинации свариваемых материалов показаны на рис. ЛЗ-2.

Область использования: приборы точной механики и электронное оборудование; детали часов; самолетостроение; обрабатываемые прецизионные

детали большой толщины (например, кольца шарикоподшипников, колеса ре­дукторов).

Рис. ЛЗ-2. Сочетания свариваемых матери­алов при лазерной сварке.