Обработки (сварки) металлов

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ РАБОТЫ

Цель работы:

– изучить особенности процесса лазерной сварки металлов и сплавов.

Задачи работы:

– изучить особенности лазерного излучения;

– изучить оборудование для лазерной обработки (сварки);

– исследовать влияние параметров режима лазерного излучения на свойства изделия.

ОБОРУДОВАНИЕ, МАТЕРИАЛЫ, ИНСТРУМЕНТ

1. Установка для лазерной импульсной сварки " Квант-16".

2. Пластины стальные и медные размером 100х30х1 мм.

3. Измерительный микроскоп, лупа 2-7 кратного увеличения.

4. Инструмент слесарный и мерительный.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЛАЗЕРНОЙ

ОБРАБОТКИ (СВАРКИ) МЕТАЛЛОВ

Лазерная обработка (сварка) выполняется мощным узконаправленным пучком света, получаемым с помощью сварочного оптического квантового генератора (ОКГ).

Принцип его действия заключается в генерировании индуцированного (вынужденного) излучения, связанного с поглощением электромагнитных волн или фотонов некоторыми атомными системами (рис. 1). При поглощении первичного фотона, например при световом облучении атомов I, его энергия передается атому, который переходит в возбужденное квантовое состояние (II, III). Через некоторый промежуток времени атом может спонтанно (самопроизвольно) излучить эту энергию в виде фотона и возвратиться в основное (исходное) состояние.

Рис. 1. Энергетическая схема ОКГ на кристалле рубина:

I – исходное состояние атомов; II – атомы на вышерасположенном уровне; III – атомы на метастабильном уровне; IV – атомы в исходном состоянии после излучения ими фотонов

Пока атом находится в возбужденном состоянии (III), его можно побудить испускать фотон под действием внешнего фотона (" падающей волны"), энергия которой в точности равна энергии фотона, испускаемого атомом при спонтанном излучении. Внешним фотоном может быть другой возбужденный атом. Такое излучение называется индуцированным.

В результате падающая волна усиливается волной, излучаемой возбужденным атомом. Важно, чтобы испускаемая волна (индуцированные фотоны на рис. 1) в точности совпадала бы по фазе с той, под действием которой она возникла.

Этот процесс продолжа­ется лавинообразно, и при некотором критическом уровне интенсивности света, когда проявляется эффект квантового усилия, в течение тысячных долей секунды выбрасывается интенсивный поток фотонов с длиной волны 6943 А.

Выходной пучок является мощным, узконаправленным, монохрома­тическим и когерентным. Мощным, потому что индуцированное излучение возбужденных атомов происходит гораздо раньше, чем спонтанное. Излучение узконаправленно вследствие того, что испускаются волны, лишь тысячекратно отраженные и не имеющие существенного отклонения от оси генерирующего прибора. Монохроматичность излучения обуслов­лена тем, что индуцированное излучение представляет собой резо­нансный процесс с чрезвычайно узким интервалом частот или длин волн (или же одной частоты). При этом имеющаяся разность фаз двух колебаний остается постоянной во времени или меняется по строго определенному закону (закону когерентности). Такой монохроматический луч фокусируется в очень малом объеме, практически в точке.

В связи с изложенным плотность энергии в фокусе (пятне наг­рева) имеет очень большие значения (до 10¹⁰...10¹² Дж/см³; для сравнения, ядерное взрывчатое вещество обеспечивает плотность энергии, равную 10¹⁰...10¹¹ Дж/см³).

Характеристикой лазерного излучения является также плотность мощности в пятне нагрева, достигающая значения 10⁹ Вт/см² в уста­новках для сварки и резки (для сравнения: сварочная дуга в парах железа имеет 10⁵ Вт/см²). Высокие плотности энергии (мощности) позволяют доводить до расплавления и испарения практически все материалы, используемые в технике.

Весьма важно время выделения энергии. Если, например, лазер­ный луч выделяет энергию, равную 1 Дж [1 Джоуль равен работе, совер­шаемой при перемещении точки приложения силы 1Н (1Н»0, 1кгс) на расстояние 1 м в направлении действия силы], в течение времени, равном 1 с, то полученная мощность будет равна 1 Дж/1 с = 1 Вт.

Если ту же энергию лазерный луч выделяет в течение меньшего времени, например 0, 001 с, то полученная мощность импульса составит уже 1 Дж/0, 001 с = 1000 Вт.

Импульсный ОКГ позволяет регулировать импульсную мощность при постоянной энергии излучения в весьма широком диапазоне путем изменения длительности импульса и выполнять сварку металлов в широком диапазоне толщин и свойств.

Перемещая обрабатываемые (свариваемые) изделия (или луч лазера) со скоростью обработки (сварки) при непрерывном или импульсном (с определенной частотой) излучении ОКГ, можно расплавить кромки соединяемых изделий с образованием непрерывного шва или шва в виде последовательного ряда перекрывающих друг друга точек, как при контактной роликовой сварке.

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ «КВАНТ-16»