История и развитие сварочного производства (стр. 16 из 16)

Лавинный поток фотонов, движущихся в осевом направлении, мгновенно умножается за счет многократного отражения от зеркал резонатора, пока не окажется достаточным, чтобы прорваться через полупрозрачное зеркало 5 (см. рис. 2.23) наружу в виде когерентного импульсного пучка красного света 6 с очень малым углом расходимости.

Направляя световой пучок зеркалом 7 через длиннофокусную линзу 8, можно достичь очень большой степени его фокусировки, с диаметром светового пятна вплоть до нескольких микрон, что позволяет получить наивысшую плотность тепловой мощности на поверхности свариваемого изделия — более 10⁹ Вт/см².

В таких условиях все известные материалы не только плавятся, но и испаряются, что и используется реально для целей сверления тончайших отверстий в материале любой твердости и температуры плавления.

Однако для сварки используется лазерный луч с меньшей плотностью энергии (~10⁵-10⁷ Вт/см²) из-за возможности интенсивного испарения и выплеска металла в зоне сварки, что приведет к существенным дефектам сварных швов.

Первые лазерные сварочные установки с твердотельным активным стержнем работали в импульсном режиме (длительность импульса 0,5 — 5 мс) и имели максимальную энергию излучения не выше 2 Дж. Поэтому они использовались для сварки и сверления металлов толщиной 0,1—0,2 мм.

Замена рубиновых кристаллов итрий-алюминиевым гранатом, легированным неодимом, позволила значительно увеличить энергию излучения лазеров и, в конечном счете, разработать и создать серию промышленных лазерных установок типа «Квант», осуществляющих точечную или шовную сварку.

В дальнейшем были разработаны газовые лазеры, позволившие значительно поднять мощность излучения и коэффициент полезного действия (до 20 %). Активный газ или газовая смесь заключается в трубке, ограниченной с двух сторон строго параллельными зеркалами, как в твердотельных лазерах. Возбуждение газовых молекул осуществляется с помощью электрического разряда. Такие лазеры могут работать в непрерывном режиме и позволяют сваривать изделия значительной толщины. Имеются сведения о сварке сталей толщиной 50 мм и более при мощности непрерывного излучения в несколько десятков киловатт.

Преимущества лазерной сварки

К основным преимуществам лазерной сварки в сравнении с другими сварочными процессами можно отнести следующие:

высокая локальность нагрева позволяет осуществлять сварку вблизи хрупких материалов (например, стеклоспаев полупроводниковых элементов) без их разрушения и изменений формы деталей;

минимальное время воздействия лазерного луча на свариваемый металл обеспечивает малые размеры зоны термического влияния и хорошие ее свойства, что особенно важно для тугоплавких металлов и их сплавов;

возможность сварки световым лучом в любой среде, пропускающей свет, — в вакууме, в инертных газах, на воздухе, а также деталей, заключенных в герметические стеклянные оболочки.

Недостатки лазерной сварки

Важнейшими недостатками лазерной сварки являются следующие:

низкий КПД лазеров (~10 %);

из-за неспособности лазерного луча проникать в металл, теплопередача происходит только с поверхности. Поэтому попытки достичь глубокого проплавления за счет повышения тепловой энергии в пятне нагрева приводит к появлению дефектов сварного шва (рыхлость, бугристость, поры) вследствие вытеснения жидкого металла световым давлением и давлением паров испаряемого металла.

Наибольшее применение лазерная сварка нашла в производстве изделий электронной, радиотехнической промышленности, в точном приборостроении, при получении микроминиатюрных элементов (приварка выводов к тонкопленочным схемам, микромодулям, полупроводниковым устройствам и др.).

Сварка лучистым нагревом

В конце 60-х годов XX в. ряд сотрудников Московского авиационно-технологического института им. К.Э. Циолковского, руководимых проф. Г.Д. Никифоровым, разработали процесс сварки и пайки сфокусированной лучистой энергией от мощных источников света. Принципиальная схема процесса весьма проста (рис. 2.24) и сводится к следующему.

Мощная дуговая ксеноновая лампа сверхвысокого давления / помещается в фокусе эллипсоидного отражателя 2. Для более полного использования лучистого потока лампы служит контротражатель 3. Отраженные лучи света от эллипсоидного отражателя, фокусируются на нагреваемом (свариваемом) изделии 4, образуя так называемое фокальное пятно. Оптическую схему можно несколько усложнить, если на пути движения отраженных лучей поставить линзовый объектив, позволяющий уменьшить диаметр фокального пятна.

Рис. 2.24. Оптическая схема установки для сварки лучистой энергией

Эффективность ввода тепла в изделие будет зависеть от плотности лучистого потока в фокальном пятне, которое может довольно просто регулироваться от 0 до E_max. Так, при использовании лампы мощностью 10 кВт удалось получить E_max = 2200 Вт/см², что вполне достаточно для осуществления сварки сталей, титановых и алюминиевых сплавов толщиной до 2 мм.

Основной особенностью процесса лучистого нагрева при сварке является отсутствие механического давления лучистого потока на сварочную ванну, Поэтому можно проводить сварку без формирующих подкладок (на весу), формирование же сварного соединения происходит, в основном, под действием поверхностного натяжения жидкого металла. Кроме того, благодаря высокой отражающей способности поверхности Жидкого металла отсутствует перегрев металла сварочной ванны и его кипение.

Оптический источник тепла позволяет сваривать не только металлы, но и стекло, керамику, пластмассы. Преимущества этого способа сварки проявились особенно наглядно на примере сварки шлакоситаллового стекла (стеклокерамика), которое до этого считалось несвариваемым.

Широкие пределы регулирования энергетических параметров лучистого потока и размеров фокального пятна нагрева дают возможность применять лучистый нагрев для пайки. Локальность нагрева, высокие градиенты температуры в спаиваемых деталях, возможность применения практически любых из существующих припоев, начиная от легкоплавких оловянно-свинцовистых и кончая тугоплавкими на основе никеля и титана — вот те характерные особенности, присущие лучистому нагреву.

Преимущества сварки лучистым нагревом

Нагрев для целей сварки и пайки сфокусированной лучистой энергией обладает рядом существенных преимуществ перед другими видами нагрева, а именно:

бесконтактным подводом энергии к изделию за счет удаленности источника излучения от изделия, что важно при сварке в труднодоступных местах и при необходимости нагрева через оптически прозрачные оболочки в любой контролируемой атмосфере и в вакууме;

возможностью нагрева различных материалов независимо от их электрических и магнитных свойств;

легкостью регулирования энергетических параметров лучистого нагрева и простотой визуального контроля за поведением материала при нагреве.

К основным недостаткам сварки лучистым нагревом следует отнести:

низкий КПД процесса, колеблющийся от 5 до 15 % в зависимости от схемы установки и типа лампы;

затрудненность выполнения сварки в любых пространственных положениях сварного шва, кроме нижнего, что объясняется невозможностью свободного манипулирования положением фокального пятна нагрева в пространстве.

Конечно, сварщики не могли выпустить из поля зрения такой источник лучистой энергии, как солнце. Опытные установки гелиосварки показали их принципиальную применяемость, однако их громоздкость, зависимость от погодных условий, необходимость постоянной корректировки положения отражающих зеркал на солнце и другие трудности не позволили пока довести этот способ до реального использования.

Библиографический список

1. Сварка в СССР. Том 1. Развитие сварочной технологии и науки о сварке. Технологические процессы, сварочные материалы и оборудование. – М.: Наука, 1981. – 536 с.

2. Сварка в СССР. Том 2. Теоретические основы сварки, прочности и проектирования. Сварочное производство. – М.: Наука, 1981. – 494 с.

3. Чеканов А.А. Николай Николаевич Бенардос (1842-1905). – М.: Наука, 1983. – 142 с.

4. Славянов Н.Г. Труды и изобретения. – Пермь: Книжное издательство, 1988. – 296 с.

5. Патон Б.Е., Корниенко А.Н. Огонь сшивает металл. – М.: Педагогика, 1988. – 144 с.

6. Зорин Е.Е., Худолий Н.Г. Сварка. Введение в специальность. – М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 2004. – 232 с.: ил.