Лазер — это аббревиатура от «Усиление света за счет стимулированного излучения», изобретенная в 1957 году пионером в области лазеров Гордоном Гулдом. Хотя это первоначальное значение обозначает принцип работы (использование стимулированного излучения возбужденных атомов или ионов), этот термин в настоящее время в основном используется для устройств, генерирующих свет по лазерному принципу. 3 В частности, это обычно означает лазерные генераторы, но иногда также устройства с лазерными усилителями, называемые усилителями мощности задающего генератора (MOPA). Еще более широкая интерпретация включает нелинейные устройства, такие как оптические параметрические генераторы и рамановские лазеры, которые также производят световые лучи, подобные лазеру, и обычно имеют лазерную накачку, но, строго говоря, не являются лазерами. Первым лазером был рубиновый лазер с импульсной ламповой накачкой (разновидность твердотельного лазера), продемонстрированный Теодором Мейманом в 1960 году. В том же году были изготовлены первый газовый лазер (гелий-неоновый лазер) и первый лазерный диод. Другими словами, лазер — это устройство, которое стимулирует атомы или молекулы излучать свет с определенной длиной волны и усиливает этот свет, обычно производя очень узкий пучок излучения. Излучение обычно охватывает чрезвычайно ограниченный диапазон видимых, инфракрасных или ультрафиолетовых длин волн. Было разработано много типов лазеров с очень разнообразными характеристиками. Лазерный свет обладает несколькими уникальными свойствами, в том числе тем, что он является параллельным и сильно сфокусированным. Таким образом, с помощью зеркал или стеклянных волокон его можно провести к месту сварки, удаленному от силового агрегата. Он также является монохроматическим, т.е. с одной определенной длиной волны, которая зависит от типа используемого лазера.
Что такое лазерная сварка?
Сварка — это производственный процесс соединения материалов с использованием высокой температуры для сплавления деталей и их охлаждения, что приводит к слиянию материалов. Сварка используется для создания неразъемных соединений и считается основным промышленным процессом, используемым для соединения металлов. В дополнение к расплавлению основного металла в соединение обычно добавляется присадочный материал, образующий ванну расплавленного материала (сварочная ванна), которая охлаждается, образуя соединение, которое в зависимости от конфигурации сварного шва (стыковое, полное проплавление, галтель и т. д.), может быть прочнее основного материала (основного металла). Сварка также требует некоторой формы экранирования для защиты металлов от наполнитель или расплавленные металлы от загрязнения или окисления. Для сварки можно использовать множество различных источников энергии, в том числе газопламенную (химическую), электродуговую (электрическую), лазерную, электронно-лучевую, фрикционную и ультразвуковую. Хотя сварка часто является промышленным процессом, сварка может выполняться в самых разных условиях, в том числе на открытом воздухе, под водой и в космосе. До конца 19 века единственным процессом сварки была кузнечная сварка, которую кузнецы использовали на протяжении тысячелетий для соединения железа и стали путем нагревания и ковки. Дуговая сварка и газокислородная сварка были одними из первых процессов, разработанных в конце века. и вскоре последовала сварка электрическим сопротивлением. 4 Технологии сварки быстро развивались в начале 20-го века, поскольку мировые войны привели к спросу на надежные и недорогие методы соединения. Затем были разработаны несколько современных методов сварки, в том числе ручные методы, такие как дуговая сварка металлическим электродом с покрытым электродом, которая на сегодняшний день является одним из самых популярных методов сварки, а также полуавтоматические и автоматические, такие как дуговая сварка с покрытым электродом, сварка под флюсом. , дуговая сварка порошковой проволокой и электрошлаковая сварка. Развитие продолжилось изобретением лазерной сварки, электронно-лучевой сварки, магнитно-импульсная сварка и сварка трением с перемешиванием во второй половине века. Сегодня, когда наука продолжает развиваться, роботизированная сварка стала обычным явлением в промышленных условиях, и исследователи продолжают разрабатывать новые методы сварки и лучше понимать качество сварки. 0.2.2 Типы сварочных процессов За последние годы увеличилось количество различных сварочных процессов. Эти процессы сильно различаются по способу применения тепла и давления (при их использовании), а также по типу используемого оборудования. Американское общество сварщиков (AWS) признало более 50 различных типов сварочных процессов в зависимости от типа свариваемого материала, источника энергии, типа соединения и области применения.
Сварочные процессы в целом делятся на два типа. Выбор сварочного процесса для конкретной работы зависит от многих факторов. Не существует конкретного правила, регулирующего тип сварочного процесса, который следует выбирать для данной работы. Вот некоторые из факторов, которые следует учитывать при выборе процесса сварки: наличие оборудования; повторяемость операции; требования к качеству (проварка основного металла, регулярность и т.д.); место работы; материалы, которые необходимо собрать; внешний вид готового изделия; размер собираемых деталей; свободное время для работы; опыт и навыки работника; стоимость материалов; Требования к коду или спецификации. 5 Лазер представляет собой источник тепла с высокой удельной мощностью. Таким образом, «лазерная сварка» признана передовым процессом соединения материалов с использованием мощного лазерного луча с высокой плотностью энергии. Репрезентативные профили плотности мощности лазера, электронного луча, плазмы и дуги, а также результирующая геометрия валика сварного шва схематически показаны на рисунке 0.2. Плотность мощности лазерного луча, эквивалентная плотности электронного луча, намного выше, чем у дуги или плазмы. Следовательно, при сварке лазером с высокой плотностью мощности или электронным лучом образуется глубокая и узкая замочная скважина, и может быть эффективно выполнен глубокий и узкий проплавляющий шов. Для электронно-лучевой сварки необходимо использовать вакуумную камеру и защиту от рентгеновского излучения.Для стальных листов перед сваркой необходима обработка размагничиванием. Дуговую и плазменную сварку нельзя использовать в вакуумной среде; однако можно выполнить лазерную сварку и получить прочный глубокий сварной шов, аналогичный электронно-лучевой сварке. Как правило, скорость лазерной сварки выше, чем у дуговой и плазменной сварки. Из всех сварочных процессов Лазерная сварка может производить различные соединения металлов или пластмасс, от очень тонких листов толщиной около 0,01 мм до толстых листов толщиной около 50 мм в защитном газе, таком как гелий (He), аргон (Ar) или иногда азот (N2) в среде защитного газа. воздушной среде, и он приобрел большую популярность как перспективная технология сборки с высоким качеством, высокой точностью, высокой производительностью, высокой скоростью, хорошей гибкостью и низким уровнем искажений. Он также может реализовать роботизацию, сокращение рабочей силы, полную автоматизацию и систематизацию производственных линий. Следовательно, Применение лазерной сварки расширяется вместе с разработкой новых лазерных устройств и процессов соединения. Чтобы правильно применять импульсные или непрерывные лазеры (PW или CW) для сварки или соединения, важно знать технические характеристики и возможности лазерных устройств, факторы, влияющие на проплавление сварного шва, и дефектные процессы, механизмы и поведение сварки, а также для оценки свариваемости материалов и механических свойств сварных соединений.
Принципы лазерной сварки
Лазерное излучение определяется правилами квантовой механики, которые ограничивают атомы и молекулы дискретными количествами накопленной энергии, которые зависят от природы атома или молекулы. Самый низкий уровень энергии для отдельного атома возникает, когда все его электроны находятся на максимально близких орбитах к его ядру. Это состояние называется основным состоянием. Когда один или несколько электронов атома поглотили энергию, они могут перейти на внешние орбиты, и тогда говорят, что атом «возбужден». Возбужденные состояния обычно нестабильны; когда электроны переходят с более высокого энергетического уровня на более низкий энергетический уровень, они излучают дополнительную энергию в виде света. Эйнштейн понял, что это излучение может быть получено двумя способами. Обычно дискретные световые пакеты, называемые фотонами, излучаются спонтанно, без постороннего вмешательства.
С другой стороны, проходящий фотон может стимулировать атом или молекулу к излучению света, если энергия проходящего фотона точно соответствует энергии, которую спонтанно высвобождает электрон, попадая в конфигурацию с более низкой энергией. Какой процесс преобладает, зависит от соотношения низкоэнергетических конфигураций к высокоэнергетическим. Обычно преобладают низкоэнергетические конфигурации. Это означает, что спонтанно испущенный фотон с большей вероятностью будет поглощен и перенесет электрон из конфигурации с низкой энергией в конфигурацию с высокой энергией, чем стимулировать конфигурацию с высокой энергией к переходу в конфигурацию с низкой энергией путем испускания второго фотона. Пока низкоэнергетические состояния будут более распространены, вынужденное излучение исчезнет. Однако, если преобладают конфигурации с более высокой энергией (состояние, известное как инверсия населенностей), спонтанно испускаемые фотоны с большей вероятностью будут стимулировать другие излучения, генерируя каскад фотонов. Одно только тепло не приводит к инверсии населенностей; определенные процессы должны избирательно возбуждать атомы или молекулы. Обычно это делается путем освещения лазерного материала ярким светом или пропускания через него электрического тока.
Лазерная система состоит из трех важных элементов: 1) Активная среда или лазерная среда: Активная среда является основным фактором, определяющим рабочую длину волны и другие свойства лазера. Существуют сотни различных активных сред, в которых реализована работа лазера. Усиливающая среда возбуждается источником накачки для создания инверсии населенностей, и именно в усиливающей среде происходит спонтанное и вынужденное излучение фотонов, что приводит к явлению усиления или оптического усиления. Усиливающей средой могут быть твердые кристаллы, такие как рубин или Nd:YAG, жидкие красители, газы, такие как CO2 или гелий/неон, или полупроводники, такие как GaAs. Лазеры названы в соответствии с природой их активной среды.
Наиболее распространенными типами сварочных лазеров являются CO2-лазер и Nd:YAG-лазер, причем последний обычно используется для более тонких материалов, а первый — для более толстых. Лазерный луч может быть импульсным или непрерывным. В зависимости от применения можно использовать непрерывный или импульсный лазерный луч. Импульсы продолжительностью несколько миллисекунд используются для сварки тонких материалов, таких как бритвенные лезвия, а лазерные системы непрерывного действия используются для глубоких сварных швов.
Источник питания (называемый накачкой или источником накачки)
Bсточником накачки является часть, которая обеспечивает питание лазерной системы. Примеры источников накачки включают электрические разряды, лампы-вспышки, дуговые лампы, свет от другого лазера, химические реакции и даже взрывные устройства. Тип используемого источника накачки зависит главным образом от усиливающей среды. 3) Оптический резонатор, состоящий из зеркала или системы зеркал. Оптический резонатор или оптический резонатор в своей простейшей форме состоит из двух параллельных зеркал, размещенных вокруг усиливающей среды, которые обеспечивают обратную связь света. Средний свет, создаваемый Спонтанное излучение возвращается зеркалами в среду, где оно может быть усилено вынужденным излучением. Одно из зеркал отражает практически 100% лазерного излучения, а другое отражает менее 100% лазерного излучения и пропускает остальное.
Инверсии населенностей могут быть получены в газе, жидкости или твердом теле, но большинство лазерных сред представляют собой газы или твердые тела. Как правило, лазерные газы содержатся в цилиндрических трубках и возбуждаются электрическим током или внешним источником света, который, как говорят, «накачивает» лазер. Точно так же твердотельные лазеры могут использовать полупроводники или прозрачные кристаллы с небольшими концентрациями светоизлучающих атомов. Оптический резонатор необходим для накопления световой энергии в луче. Резонатор формируется путем размещения пары зеркал друг напротив друга, так что свет, излучаемый вдоль линии между зеркалами, отражается вперед и назад. Когда в среде создается инверсная населенность, интенсивность света, отраженного в обоих направлениях, увеличивается с каждым проходом через лазерную среду. Другой свет просачивается вокруг зеркал, не усиливаясь. В реальном лазерном резонаторе одно или оба зеркала пропускают часть падающего света. Доля прошедшего света, то есть лазерного луча, зависит от типа лазера.
Если лазер генерирует непрерывный луч, количество света, добавляемого вынужденным излучением при каждом круговом проходе между зеркалами, равно свету, выходящему из луча, плюс потери в оптическом резонаторе. Комбинация лазерной среды и резонатора образует то, что часто называют просто лазером, но технически это лазерный генератор. Колебания определяют многие свойства лазера и означают, что устройство генерирует свет внутри. Без зеркал и резонатора лазер был бы просто оптическим усилителем, который может усиливать свет от внешнего источника, но не генерировать луч внутри.
Американский исследователь оптики Элиас Снитцер продемонстрировал первый оптический усилитель в 1961 году, но эти устройства мало использовались до тех пор, пока распространению связи на основе оптического волокна [30]. Активным веществом используемого лазера является неодим в виде легирующей примеси в прозрачном бруске иттрий-алюминиевого граната. Энергия подается лампой-вспышкой по тому же принципу, что и в фотоаппаратах. Длина волны излучаемого света составляет 1,06 мкм, но он все еще находится в невидимой инфракрасной части спектра. Важным отличием является то, что более короткая длина волны позволяет передавать свет по оптическим волокнам и фокусировать его с помощью обычных линз. Это имеет существенные практические преимущества и позволяет использовать лазер для роботизированной сварки. Проблемы, связанные с наличием поглощающей плазмы, меньше при сварке лазерами Nd: YAG, что позволяет использовать аргон и газовые смеси аргон/CO2. Приемлемые результаты могут быть достигнуты даже без защитного газа при точечной сварке или сварке малой мощности. Этот тип лазера особенно подходит для сварки сложных материалов, таких как тантал, титан, цирконий, инконель и т. д. Его недостатком является то, что он недоступен с такими высокими мощностями и, следовательно, имеет тенденцию ограничиваться толщиной металла до 6 мм. Однако развитие увеличивает доступные силы; в сочетании с возможностью использования волоконно-оптических световодов это делает этот тип лазера потенциально очень привлекательным.
