Содержание страницы
1. Принцип действия установок для лазерной сварки
При облучении поверхности тела светом энергия квантов света поглощается этой поверхностью. Образуется теплота, температура поверхности повышается. Если световую энергию сконцентрировать на малом участке поверхности, можно получить высокую температуру. На этом основана сварка световым лучом оптического квантового генератора – лазера.
Термин «лазер» происходит от первых букв английской фразы: «Light amplification by the stimulated emission of radiation», что в переводе означает: «Усиление света посредством индуцирования эмиссии излучения».
Основные элементы лазера – генератор накачки и активная среда. По активным средам различают твердотельные, газовые и полупроводниковые лазеры.
Лазерную сварку производят на воздухе или в среде защитных газов (аргона, СО2). Вакуум, как и при электронно-лучевой сварке, здесь не нужен, поэтому лазерным лучом можно сваривать крупногабаритные конструкции. Лазерный луч легко управляется и регулируется, с помощью зеркальных оптических систем легко транспортируется и направляется в труднодоступные для других способов места. В отличие от электронного луча и электрической дуги, на лазерный луч не влияют магнитные поля, что обеспечивает стабильное формирование шва.
Из-за высокой концентрации энергии (в пятне диаметров 0,1 мм и менее) в процессе лазерной сварки объем сварочной ванны небольшой, малая ширина зоны термического влияния, высокие скорости нагрева и охлаждения. Это обеспечивает высокую технологическую прочность сварных соединений, небольшие деформации сварных конструкций.
Например, лазерная сварка вилки с карданным валом автомобиля по сравнению с дуговой сваркой увеличивает срок службы карданной передачи в 3 раза, потому что более чем вдвое уменьшается площадь сечения сварного шва, в несколько раз – время сварки. Деформации вилки, вызывающие преждевременный износ, практически отсутствуют.
Скорость лазерной сварки непрерывным излучением в несколько раз превышает скорости традиционных способов сварки плавлением. Например, стальной лист толщиной 20 мм электрической дугой сваривают со скоростью 15 м/ч за 5–8 проходов, получают ширину шва 20 мм. Непрерывным лазерным лучом этот лист сваривается со скоростью 100 м/ч за один проход, получают ширину шва 5 мм. Однако лазерная сварка импульсным излучением по скорости сопоставима с традиционными способами сварки.
Основные параметры режима импульсной лазерной сварки – энергия и длительность импульсов, диаметр сфокусированного излучения, частота следования импульсов, положение фокального пятна относительно поверхности свариваемых деталей.
Лазерная сварка целесообразна, когда она позволяет значительно упростить технологию изготовления сварных изделий, выполняя сварку как заключительную операцию, без последующей правки или механической обработки. Лазерная сварка экономически эффективна, когда необходимо существенно повысить производительность, поскольку скорость ее может быть в несколько раз больше, чем у традиционных способов.
При изготовлении крупногабаритных конструкций малой жесткости или с труднодоступными швами, а также при необходимости соединить трудно свариваемые, в том числе разнородные, материалы, лазерная сварка может оказаться единственным процессом, обеспечивающим качественные сварные соединения.
Лазерная сварка в промышленности осуществляется с помощью лазерных технологических установок.
В их состав входят следующие основные узлы:
- технологический лазер, а также системы транспортирования и фокусировки излучения;
- защиты зоны шва;
- зоны закрепления и относительного перемещения лазерного луча и свариваемого объекта.
Сейчас наиболее широкое применение находят два типа технологических лазеров: газовые и твердотельные.
2. Газовые лазеры
В газовых лазерах чистый газ, смесь нескольких газов или газа с парами металла выступают в качестве активной среды, возбуждаемой электрическим разрядом, при протекании химических реакций или в процессе адиабатического истечения нагретого газа через сверхзвуковое сопло. В соответствии с этим различают газовые электроразрядные, химические и газодинамические лазеры.
Химические и газодинамические лазеры пока не находят широкого технологического применения. Наибольшее распространение в промышленности получили электроразрядные СО2- лазеры, в которых используются нижние колебательные уровни возбужденных молекул СО2 для инфракрасного излучения с длиной волны 10,6 мкм.
Для повышения эффективности генерации излучения молекул углекислого газа в большинстве СО2-лазеров используется газовая смесь с различным процентным содержанием диоксида углерода, азота и гелия. Доставка азота в рабочую газовую смесь способствует усилению генерации излучения, а гелий в основном интенсифицирует отвод теплоты во время генерации вследствие высоких теплоемкости и теплопроводности, понижая тем самым общую температуру рабочей смеси. Газовую смесь возбуждают электрическим разрядом. Электрический КПД электроразрядного СО2-лазера составляет 5–15 %.
В современных конструкциях СО2-лазеров для увеличения эффективности использования рабочей смеси необходимо поддерживать ее температуру на оптимальном уровне и не допускать перегрева. С этой целью рабочую смесь охлаждают либо по принципу отвода теплоты от разрядной трубки (СО2-лазеры с диффузионным охлаждением рабочей смеси – медленная прокачка), либо непосредственной циркуляцией рабочей смеси в целях замены нагретых объемов (СО2-лазеры с конвективным охлаждением – быстрая прокачка).
Накачка лазера – процесс перекачки энергии внешнего источника в рабочую среду лазера. Поглощенная энергия переводит атомы рабочей среды в возбужденное состояние. Когда число атомов в возбужденном состоянии превышает количество атомов в основном состоянии, возникает инверсия населенности. В этом состоянии начинает действовать механизм вынужденного излучения и происходит излучение лазера или же оптическое усиление.
Медленная прокачка применяется в трубчатых однолучевых лазерах со сравнительно малой мощностью и в многолучевых лазерах. Однако излучение лазеров с диффузионным охлаждением отличается повышенной расходимостью из-за наличия большого числа поворотных зеркал и многомодового характера излучения. Поэтому при фокусировке излучения максимальные значения плотности мощности ограничены (104–5•105 Вт/см2).
К лазерам этого типа относят лазеры «Иглан» (ЛН-2,5НМ), а также зарубежные М-400 (Великобритания), Photon Soures Inc. (США).
В лазерах с быстрой прокачкой достигаются более высокие мощности излучения (>1 кВт). По направлению газового потока относительно электродов газоразрядной камеры и зеркал резонатора различают лазеры с продольной прокачкой – «Латус-31», ИЛГН-707, VFA-500-5000, RS-1200-5000, и лазеры с поперечной прокачкой – модели 971, 973, 820, ЛГТ-2.01, ЛГТ-2.02, «Плутон-1» (ЛН-12НО),
ТЛ-1,5, ТЛ-5М, ТЛ-7,5 и др. Возбуждение, т. е. накачка рабочей газовой смеси, осуществляется разрядом постоянного тока (лазеры ЛН-12НО, ТЛ-5М, модели 973, RS-1000 и др.), высокочастотным разрядом (лазеры VFA-1200, VFA-2500), разрядом постоянного тока с импульсной предионизацией лазеры ЛГТ-2.01, ЛГТ-2.02).
На рисунке 1 представлена схема с быстрой продольной прокачкой, которая используется в лазерной технологической установке для сварки «Латус-31».
Быстрая продольная прокачка смеси осуществляется с высокой скоростью (v = 120 м/с) через четыре пары параллельных газоразрядных трубок; при последовательном сложении лучей общая оптическая длина активной среды L = 1,6 м. В блоке питания лазера используют трехфазный высоковольтный регулятор переменного напряжения. Модулятор питания позволяет перейти на импульсный режим. Газовакуумная система имеет ручное и автоматическое управление, осуществляющее откачку и напуск смеси за 2 мин. При этом обеспечивается поддержание давления в газовакуумном контуре.
Рис. 1. Схема лазера с быстрой продольной прокачкой, используемая в лазерной технологической установке для сварки «Латус-31»: а – газоразрядная и технологическая схемы; б – оптическая схема; 1 – теплообменники; 2 – зеркала оптического резонатора; 3 – аноды; 4 – кварцевая часть газоразрядной трубки; 5 – катоды (заземленный корпус); 6 – керамическая часть газоразрядной трубки; 7 – направление газового потока; 8 – выводное окно; 9 – выходящий пучок лазерного излучения; 10 – вентилятор; 11 – привод вентилятора; 12 – магнитная муфта
Система охлаждения отвечает за оптимальную температуру активной среды и достаточно низкую температуру узлов конструкции технологического лазера, что гарантирует большой ресурс его работы.
Оптический резонатор должен обеспечивать высокие значения энергетической эффективности генерации излучения. Практически в технологических лазерах применяют три типа оптических резонаторов: многопроходные устойчивые (ЛГТ-2.01, модели 973, RS-1500), неустойчивые (ТЛ-5М) и волноводные, близкие по свойствам к устойчивым. Используемые в технологических лазерах резонаторы обеспечивают качество излучения с расходимостью 1–5 мрад. Зеркала для резонаторов изготовляют из меди, кремния и других материалов с покрытиями, гарантирующими высокий коэффициент отражения 98–99,7 % для длины волны генерируемого излучения 10,6 мкм.
Система автоматического управления технологического лазера обеспечивает автоматический вывод излучения, безаварийность и безопасность функционирования технологического лазера, активную стабилизацию параметров лазерного излучения и управление технологическими параметрами процесса сварки. Система автоматического управления на лазерах ЛГТ-2.01, RS-1000, модели 971 и 973 выполнена в виде релейной схемы и отдельных электронных блоков, а в системе на лазерах ЛГТ-2.02, ТЛ-1,5, VFA и в модели 825 управление осуществляется микро-ЭВМ.
Лазеры с малой расходимостью излучения (1–2 мрад) обеспечивают высокую концентрацию энергии лазерного излучения в сфокусированном пятне нагрева и рекомендуются для использования при резке, сварке и термообработке; с расходимостью 2–3 мрад – в процессе сварки и термообработки; с расходимостью более 4–5 мрад – во время термообработки.
3. Твердотельные лазеры
В твердотельных лазерах генерация излучения осуществляется в твердом активном элементе, в качестве которого используют стержни из кристалла искусственного рубина, стекла с присадкой редкоземельного элемента неодима, алюмо-иттриевого граната с добавкой неодима (АИГ:Nd).
Принципиальная схема твердотельного лазера представлена на рисунке 14.2. Твердый активный элемент 2 размещают в резонаторе между двумя зеркалами 1 и 3. Зеркало 1 полностью отражает все падающее на него излучение, а зеркало 3 является полупрозрачным. Оптическая накачка активной среды осуществляется энергией газоразрядной лампы-вспышки 4 с источником питания 6. Для получения более эффективного облучения лампу вместе с активным элементом помещают в кожух 5, на внутреннюю поверхность которого нанесено отражающее покрытие типа серебра, золота и др. Кожух имеет эллиптическую форму, а лампа и кристалл размещаются в фокусах эллипса. Этим достигаются условия равномерного и интенсивного освещения кристалла.
Рис. 2. Принципиальная схема твердотельного лазера
Твердотельные лазеры с активными элементами в виде рубинового стержня работают в импульсно-периодическом режиме излучения с длительностью импульсов 10–3–10–9 с на длине волны 0,69 мкм. Энергия излучения в импульсе 10–2–10–3 Дж при максимальной частоте повторения импульсов >10 Гц.
Твердотельные лазеры с использованием неодима генерируют излучение по схеме, несколько отличной от схемы аналогичного процесса в лазере с рубином. Генерация излучения в них создается по четырехуровневой системе, которая более приемлема для эффективного получения лазерного излучения.
Конструктивно твердотельные лазеры с неодимом незначительно отличаются от рубиновых лазеров. При использовании рабочих тел больших размеров однородное возбуждение достигается применением нескольких ламп накачки, устанавливаемых вокруг рабочего тела.
Твердотельные лазеры на стекле с неодимом и на гранате с неодимом генерируют излучение на длине волны 1,06 мкм и характеризуются высокой мощностью излучения в импульсе при импульсно-периодическом режиме генерации. Частотный режим твердотельных неодимовых лазеров изменяется в широких пределах: 0,05–50 кГц. При низких частотах (0,1–1,0 Гц) эти лазеры способны генерировать энергию в десятки джоулей в импульсе при длительности импульса порядка 100 мкс.
Отличительной особенностью твердотельных лазеров на АИГ:Nd является возможность генерации излучения не только в импульсно-периодическом, но и в непрерывном режиме. Мощность непрерывной генерации современных лазеров на АИГ:Nd достигает 0,5–2,0 кВт и выше. Электрооптический КПД твердотельных лазеров с использованием ламповой накачки активных элементов 1–3 %. Мощность излучения твердотельных лазеров достигает 6–9 кВт.
Перспективны разработки новых систем возбуждения активных элементов, когда вместо ламп используются диоды. Это так называемые твердотельные лазеры с диодной накачкой. Конструкция такого лазера становится более компактной и надежной в эксплуатации, обеспечивает высокий ресурс работы и значительное повышение электрооптического КПД (до 10 % и выше). В настоящее время освоен промышленный выпуск твердотельных лазеров с диодной накачкой в широком диапазоне мощностей: от нескольких ватт до нескольких киловатт.
Твердотельные технологические (АИГ:Nd)-лазеры имеют более короткую длину волны излучения (1,06 мкм) в отличие от СО2-лазера (10,6 мкм). Это дает возможность применять для их фокусировки линзы из простого оптического стекла, в то время как для СО2-лазера требуются линзы из таких дефицитных материалов, как арсенид галия, германий, селенид цинка и др.
За счет более короткой длины волны излучения (АИГ:Nd)- лазера появляется возможность передачи энергии лазерного излучения по гибким оптоволоконным системам на значительные расстояния (до 100 м) с малыми потерями. Использование гибких волоконных кабелей позволяет одним лазером и более одновременно оснастить до шести рабочих мест. При этом на каждом из рабочих мест можно проводить самостоятельный технологический процесс, например сварку, резку и др.
При установке фокусирующей головки на многопозиционном роботе эффективно осуществляются сварка, резка и другая обработка на изделиях сложного профиля и в труднодоступных местах без использования специально перемещающейся оснастки. Эффективный КПД обработки материалов твердотельным лазером заметно превосходит значения КПД при сварке и особенно при поверхностной обработке излучением СО2-лазера.
4. Диодные лазеры
Электронная промышленность сегодня производит миниатюрные полупроводники, которые могут генерировать луч лазера. Перспективно новое поколение твердотельных лазеров – так называемые диодные лазеры, обеспечивающие весьма высокие значения электрооптического КПД порядка 30–60 %, малые габаритные размеры, небольшую длину волны излучения (порядка 0,8–0,9 мкм) с возможностью транспортирования излучения по гибким световодам, высокие эксплуатационные показатели.
В случае с лазерным диодом вместо спонтанного необходимо запустить механизм вынужденного излучения фотонов с одинаковыми параметрами. Для этого из кристалла формируют оптический резонатор, проходя через который фотон с заданной частотой вынуждает рекомбинировать электронные носители, что способствует появлению новых фотонов той же поляризации и фазы. Их называют когерентными.
Лазерная генерация возможна только в случае чрезмерно большого количества электронных носителей на верхнем энергетическом уровне, высвобожденных в результате инжекции. Для этого используют ток накачки такой силы, чтобы вызвать инверсию электронных населенностей. Под этим явлением подразумевают состояние, в котором верхний уровень намного больше заселен электронами, чем нижний. В результате стимулируется излучение когерентных фотонов.
Далее такие фотоны многократно отражаются от граней оптического резонатора, провоцируя запуск положительной обратной связи. Это явление носит лавинообразный характер, в результате которого рождается лазерный луч.
Таким образом, создание любого оптического генератора, в том числе лазерного диода, требует выполнения двух условий: наличия когерентных фотонов и организации положительной оптической обратной связи. Чтобы сформированный луч не рассеивался вследствие дифракции, прибор компонуют собирающей линзой. Тип устанавливаемой линзы зависит от вида лазера.
За годы развития устройство лазерного диода претерпело множество изменений. Его конструкция совершенствовалась во многом благодаря появлению высокотехнологичного оборудования. Высочайшая точность легирования и полировки полупроводникового кристалла, а также создание гетероструктурной модели – факторы, которые обеспечили высокий коэффициент отражения на границе «кристалл – воздух» и формирование когерентного излучения.
Существуют различные типы лазерных диодов. Следует ожидать в ближайшие годы широкого распространения диодных лазеров в технологических процессах лазерной сварки, наплавки, пайки и в других видах лазерной обработки материалов.