Реферат гибридная лазерно-дуговая сварка

Подождите немного. Документ загружается.

ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ ТИПОВ ИСТОЧНИКОВ ЛАЗЕРНОГО

ИЗЛУЧЕНИЯ

Прежде чем перейти к обзору оборудования для гибридной лазерно-дуговой

сварки, следует провести обзор существующих типов источников лазерного

излучения. На данный момент существует множество различных источников

лазерного излучения, однако все они имеют одинаковый принцип работы.

Все лазеры состоят из трёх основных частей:

 активной (рабочей) среды;

 системы накачки (источник энергии);

 оптического резонатора (может отсутствовать, если лазер работает в

режиме усилителя).

Каждая из них обеспечивает для работы лазера выполнение своих

определённых функций.

В настоящее время в качестве рабочей среды лазера используются все

агрегатные состояния вещества: твёрдое, жидкое, газообразное и даже

плазма.

Для создания инверсной населённости среды лазера используются различные

механизмы. В твердотельных лазерах она осуществляется за счёт облучения

мощными газоразрядными лампами-вспышками, сфокусированным

солнечным излучением (так называемая оптическая накачка) и излучением

других лазеров (в частности, полупроводниковых). При этом возможна

работа только в импульсном режиме, поскольку требуются очень большие

плотности энергии накачки, вызывающие при длительном воздействии

сильный разогрев и разрушение стержня рабочего вещества. В газовых и

жидкостных лазерах используется накачка электрическим разрядом. Такие

лазеры работают в непрерывном режиме. Накачка химических лазеров

происходит посредством протекания в их активной среде химических

реакций. При этом инверсия населённостей возникает либо непосредственно

у продуктов реакции, либо у специально введённых примесей с подходящей

структурой энергетических уровней. Накачка полупроводниковых лазеров

происходит под действием сильного прямого тока через p - n переход , а также

пучком электронов.

Рисунок 8. Системы накачки активной среды лазера. а+— трёхуровневая и

б+— четырехуровневая схемы накачки активной среды лазера.

Классическая трёхуровневая система накачки рабочей среды используется,

например, в рубиновом лазере. Рубин представляет из себя кристалл корунда

, легированный небольшим количеством ионов хрома Cr

, которые и

являются источником лазерного излучения. Из-за влияния электрического

поля кристаллической решётки корунда внешний энергетический уровень

хрома E

расщеплён. Именно это делает возможным использование

немонохроматического излучения в качестве накачки. При этом атом

переходит из основного состояния с энергией E

в возбуждённое с энергией

около E

. В этом состоянии атом может находиться сравнительно недолго

(порядка 10

−8

с), почти сразу происходит безизлучательный переход на

уровень E

, на котором атом может находиться значительно дольше (до 10

−3

с), это так называемый метастабильный уровень. Возникает возможность

осуществления индуцированного излучения под воздействием других

случайных фотонов. Как только атомов, находящихся в метастабильном

состоянии становится больше, чем в основном, начинается процесс

генерации.

Следует отметить, что создать инверсию населённостей атомов хрома Cr с

помощью накачки непосредственно с уровня E

на уровень E

нельзя. Это

связано с тем, что если поглощение и вынужденное излучение происходят

между двумя уровнями, то оба эти процесса протекают с одинаковой

скоростью. Поэтому в данном случае накачка может лишь уравнять

населённости двух уровней, чего недостаточно для возникновения

генерации.

В некоторых лазерах, например в неодимовом, активной средой которого

является специальный сорт стекла, легированный ионами неодима Nd

используется четырехуровневая схема накачки. Здесь между метастабильным

и основным уровнем E

имеется промежуточный+— рабочий уровень E

Вынужденное излучение происходит при переходе атома между уровнями E

и E

. Преимуществом этой схемы является то, что порог генерации

достигается, когда населённость метастабильного уровня становится больше

населённости рабочего уровня, которая незначительна в состоянии

термодинамического равновесия, поскольку последний находится

достаточно далеко от основного уровня. Это значительно снижает

требования к источнику накачки. Кроме того, подобная схема позволяет

создавать мощные лазеры, работающие в непрерывном режиме, что очень

важно для некоторых применений.

Зеркала лазера не только обеспечивают существование положительной

обратной связи, но и работают как резонатор, усиливая одни генерируемые

лазером моды, соответствующие стоячим волнам данного резонатора, и

ослабляя другие.

Таблица 2. Характеристики основных видов газовых лазеров

Рабочее тело Длина волны Источник накачки

Гелий-неоновый лазер 632,8 нм

Электрический

разряд

Углекислотный лазер

(CO

)

10,6+мкм

Электрический

разряд

Лазер на монооксиде

углерода (CO)

2,6 — 4 мкм,

Электрический

разряд

Таблица 3. . Характеристики основных видов лазеров на красителях

Рабочее тело Длина волны Источник накачки

Лазер на красителях 390—435 нм

Другой лазер,

импульсная

лампа.

Таблица 4. . Характеристики основных видов лазеров на пар х металлова́

Рабочее тело Длина волны Источник накачки

Лазер на парах меди 510,6 нм

Электрический

разряд

Лазер на парах золота 627 нм

Электрический

разряд

Таблица 5. . Характеристики основных видов твердотельных лазеров

Рабочее тело

Длина

волны

Источник накачки

Рубиновый лазер 694,3 нм

Импульсная лампа, Лазерные

диоды

Лазер на неодимовом стекле

(Nd:Glass)

~1,062 мкм

Импульсная лампа, Лазерные

диоды

Титан-сапфировый лазер

650—1100

нм

Импульсная лампа, Лазерные

диоды

Волоконный лазер

1,53-1,56

мкм

Импульсная лампа, Лазерные

диоды

Таблица 6. Характеристики основных видов полупроводниковых лазеров

Рабочее тело Длина волны Источник накачки

Полупроводниковый

лазерный диод

Длина волны зависит от

материала:

0,4+мкм+—+20+мкм

Электрический

ток

ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ГИБРИДНОЙ СВАРКИ

На рис.9 схематично показано оборудование, входящее в комплексы для

гибридной сварки (например, установку LaserHybrid фирмы Fronius):

Рисунок 9. Схема комплекса для гибридной сварки

На схеме обозначены:

1. Сварочный источник питания. На данный момент наибольшее

применение в гибридной сварке получили инверторные источники

питания.

2. Механизм подачи проволоки

3. Блок охлаждения

4. Дистанционный регулятор

5. Роботизированный интерфейс

6. Специальная сварочная головка

7. Система подачи проволоки

8. Источник лазерного луча

Как уже описывалось, наибольшее применение в гибридной сварке получили

инверторные источники питания. Основным преимуществом данных

источников является высокий КПД и возможность управления источником

со скоростью, сопоставимой со скоростью процесса переноса капель металла

в сварочной дуге.

В специальную сварочную головку, как уже говорилось, входит множество

систем, позволяющих решать неизбежные технические трудности. Так

например, для защиты оптики лазера от возможных брызг металла сварочной

ванны, необходимо использование защитного антибликового газа, однако в

процессе сварки возможно загрязнение этого газа парами металла, а так же

диффузионное смешивание с окружающим воздухом, поэтому для очистки

данного газа используются системы, направляющие со звуковой скоростью

воздушные потоки в специальные вытяжные каналы, что позволяет

достигнуть необходимой чистоты защитного газа.

Встроенная горелка для сварки в защитных газах подвергается длительному

воздействию высоких температур, и, следовательно, должна иметь систему

отвода тепла, которая на практике реализуется в виде системы водяного или

воздушного охлаждения.

Гибридная сварка может использовать как СО

лазеры, так и Nd:YAG-лазеры

(Neodium:Yttrium-Aluminium-Garnet). Главное различие этих лазеров в длине

волны лучей: 10,6 мкм у CO

-лазеров и в 10 раз короче у Nd:YAG-лазеров. То

есть, CO

-лазер управляется зеркалами, а Nd:YAG-лазер может управляться

через оптический кабель (на практике используется лазерная оптическая

сеть TRUMPF LaserNetwork). С практической точки зрения это значит, что

процесс сварки Nd:YAG-лазером более гибкий и может использоваться в

роботизированной сварке, что позволяет производить сварку в любых

пространственных положениях.

Nd:YAG лазер относится к твердотельным лазерам, в которых получение

лазерного луча осуществляется посредством воздействия (накачки энергии),

осуществляемого газоразрядной лампой-вспышкой, на стержень рабочего

вещества (Кристаллический алюмоиттриевый гранат с введенным неодимом

:Nd

), помещенный между двумя зеркалами (одно полупрозрачное,

другое полупрозрачно) внутри отражающего кожуха в виде эллиптического

цилиндра. Питание лампы обычно осуществляется от специальной

высоковольтной батареи конденсаторов.

Впервые специализированная сварочная головка (рис.4) для гибридной

лазерно-дуговой сварки была представлена фирмой Fronius в 2001г.

Хотелось бы отметить, что по мнению[3] российских ученых, наиболее

перспективным является использование диодных лазеров, использующих

излучение испускаемое p-n переходом при подаче напряжения на его

выводы. Постоянное совершенствование технологии изготовления лазерных

диодов позволяет их производителям гарантировать до 11 тыс. часов

наработки на отказ. Сейчас на основе диодных лазеров уже созданы

комплексы для сварки и термообработки, в том числе и с использованием

волоконно-оптических систем транспортировки излучения. В последние

годы фирмами “Nuvonyx Inc.” и “Rofin Sinar Laser” были разработаны и

выпущены на рынок мощные диодные лазеры для машиностроительных

применений. Эти источники лазерного излучения не только компактны и

имеют высокий КПД (порядка 30%), но и практически не требуют

обслуживания при эксплуатации. В зависимости от конкретного применения

выпускаются диодные лазеры с прямоугольным или квадратным поперечным

сечением луча. В некоторых лазерных системах квадратный луч диодного

лазера вводится в гибкое оптоволокно. Радиальная симметрия выходящего

излучения делает результат обработки не зависящим от направления

перемещения источника нагрева и хорошо подходит для обработки

трехмерных изделий с помощью роботизированных систем. Главным

преимуществом мощных излучателей на основе диодных лазеров по

сравнению с Nd:YAG-установками являются более низкие капитальные и

текущие затраты. Несмотря на то, что излучение мощных диодных лазеров

еще не удается сфокусировать в пятно с размерами порядка долей

миллиметра, они стали успешно применяться для сварки, обеспечивая в 3-4

раза меньшие размеры швов и зоны термического влияния, чем при дуговой

сварке в инертном газе.

ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ГИБРИДНОЙ ЛАЗЕРНО-ДУГОВОЙ

СВАРКИ.

Основная область индустриального применения сегодня — автомобильная

промышленность, где прогресс производства подталкивает к использованию

высокоскоростных и эффективных процессов соединения материалов. Так,

например, для сварки практически всех соединений корпусных деталей

автомобилей Volkswagen Phaeton и Audi A8 применяется гибридная лазерно-

дуговая сварка. Применение данной технологии позволило снизить

себестоимость одного метра сварного шва с 1,8 евро до 1,2 евро. Так же

данная технология применяется для судостроительных верфей, где

сварочные деформации одна из основных проблем. На данный момент две

европейские верфи уже используют этот процесс.[2]

В автомобильной промышленности есть две основные движущие силы для

использования лазерной гибридной сварки: алюминиевые кузова

автомобилей и необходимость увеличения допуска на зазор, по сравнению с

лазерной сваркой. При использовании только процесса лазерной сварки

высокие скорости охлаждения обычно приводят к растрескиванию глубоких

и узких сварных швов, что не допускает использование этого процесса для

сварки многих компонентов.[2]

Далее в данной работе рассматривается возможность применения гибридной

сварки для монтажа магистральных трубопроводов.

ВОЗМОЖНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ГИБРИДНОЙ ЛАЗЕРНО-ДУГОВОЙ

СВАРКИ ДЛЯ МОНТАЖА МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ.

На данный момент не существует никаких препятствий для применения

технологии лазерно-дуговой сварки для сварки продольных стыковых

соединений трубопроводов любых толщин. В данном случае возможно

применение CO

- лазеров, так как сварка производится в нижнем положении,

и нет практически никаких ограничений по размеру установки для сварки.

В Кембридже активно ведутся исследования по изучению влияния

термодеформационного цикла гибридной лазерно-дуговой сварки на

прочностные свойства сварных соединений трубных сталей.[8] Данные

исследований показывают, что данный метод применим для использования

при сварке кольцевых стыковых соединений трубопроводов, однако

недостатком применения такой технологии является более низкая ударная

вязкость металла шва, так как сварка осуществляется в один проход, и в

отличие от многопроходной сварки, материал шва не подвергается отпуску

(влияние термодеформационного цикла последующих проходов на металл

предыдущих), однако испытуемые образцы показали ударную вязкость,

соответствующую требованиям стандарта API 1104.

Так же во многих источниках иностранной литературы существуют

упоминания о возможности применения лазерной сварки трубопроводов при

монтаже[4], кроме того проводились испытания данной

технологии[5].Однако широкого распространения данная технология не

получила, вследствие недостатков, присущих лазерной сварке, Но все

большее развитие систем гибридной лазерно-дуговой сварки, не имеющих

многих недостатков лазерной сварки, показывает возможность применения

источников лазерного излучения для сварки трубопроводов.

На данный момент существует множество систем для автоматической

сварки кольцевых швов трубопроводов в среде защитных газов проволокой