Лазерная сварка – способ сварки плавлением, при которых металл нагревают излучением лазера.

Лазерный луч представляет собой вынужденное монохроматическое излучение, длина волны которого зависит от природы рабочего тела лазера-излучателя. Оно возникает в результате вынужденных скачкообразных переходов возбужденных атомов рабочих тел на более низкие энергетические уровни.

Основными параметрами режимов лазерной обработки являются мощность излучения, диаметр пятна фокусировки, скорость перемещения обрабатываемого материала относительно луча.

Преимуществом лазерной сварки является быстрый точечный нагрев металла до плавления. Интенсивный сосредоточенный нагрев обуславливает и чрезвычайно большую скорость охлаждения после прекращения воздействия луча. Это позволяет свести к минимуму ширину околошовной зоны, сварочные напряжения и деформации.

Механизм процессов при лазерной сварке схож с электронно-лучевой сваркой, но не обязательно вакуумировать изделие.

Лазером сваривают преимущественно толщины до 1 мм, так как коэффициент полезного действия преобразования энергии в лазерное излучение довольно низкий.

Установка лазерной сварки

Основные элементы лазера – это генератор накачки и активная среда. По активным средам различают твердотельные, газовые и полупроводниковые лазеры.

Твердотельный лазер

В твердотельных лазерах (рисунок 1) в качестве активной среды чаще всего применяют стержни из розового рубина – окиси алюминия А1₂О₃ с примесью ионов хрома Сг³⁺ (до 0,05 %). При облучении ионы хрома переходят в другое энергетическое состояние -возбуждаются и затем отдают запасенную энергию в виде света. На торцах рубинового стержня нанесен слой отражающего вещества (например, серебра) так, что с одного конца образовано непрозрачное, а с другого – полупрозрачное зеркало. Излучение ионов хрома, отражаясь от этих зеркал, циркулирует параллельно оптической оси стержня, возбуждая новые ионы, – идет лавинообразный процесс. Происходит бурное выделение лучистой энергии, которая излучается параллельным пучком через полупрозрачное зеркало и фокусируется линзой в месте сварки. Выходная мощность твердотельных лазеров достигает 10⁷ Вт при сечении луча менее 1 см². В фокусе достигается громадная концентрация энергии, позволяющая получать температуру до миллиона градусов.

Рисунок 1 – Твердотельный лазер схема

1 – рубиновый стержень; 2 – генератор накачки; 3 – отражатель; 4 – непрозрачное зеркало; 5 – охлаждающая среда; 6 – источник питания; 7 – полупрозрачное зеркало; 8 – световой луч; 9 – фокусирующая линза; 10 – обрабатываемые детали

При работе в импульсном режиме существенный недостаток твердотельного лазера – низкий КПД (0,01…2,0 %). Более высокую мощность и больший КПД обеспечивают лазеры, работающие в непрерывном режиме, например твердотельный лазер на алюмоит-триевом гранате, активированном атомами неодима (приблизительно 1 %). Еще более высокий КПД и мощность у газовых лазеров. В качестве активной среды в них применяют чаще всего СО₂ или смесь газов, генераторами накачки могут служить искровые разрядники или электронный луч.

Газовый лазер

Типичная конструкция газового лазера – это заполненная газом трубка, ограниченная с двух сторон строго параллельными зеркалами: непрозрачным и полупрозрачным (рисунок 2). В результате электрического разряда между введенными в трубку электродами возникают быстрые электроны, которые возбуждают газовые молекулы. Возвращаясь в стабильное состояние, эти молекулы образуют кванты света так же, как и в твердотельном лазере. Газовые лазеры могут работать в непрерывном режиме. Для сварки используют твердотельные и газовые лазеры импульсного и непрерывного действия.

Рисунок 2 – Газовый лазер схема

1 – разрядная трубка; 2 – непрозрачное зеркало; 3 – источник питания; 4 – вакуумный насос; 5 – полупрозрачное зеркало

Сварочная ванна (рисунок 3) имеет характерную форму, вытянутую в направлении сварки. В головной части ванны расположен канал (кратер) 3. Это область наиболее яркого свечения. На передней стенке канала существует слой расплавленного металла, испытывающий постоянные возмущения. Здесь наблюдается характерное искривление передней стенки в виде ступеньки, которая периодически перемещается по высоте канала. Удаление расплавленного металла с передней стенки осуществляется при перемещении ступеньки сверху вниз. Перенос расплавленного металла из головной части ванны в хвостовую происходит по боковым стенкам в горизонтальном направлении. В хвостовой части ванны 4 расплавленный металл завихряющимися потоками поднимается вверх и частично выносится на поверхность сварочной ванны. При образовании канала 3 над поверхностью металла появляется светящийся факел 2, состоящий из продуктов испарения, мелких выбрасываемых из ванны капель металла и из частиц конденсированного пара.

Рисунок 3 – Сварочная ванна при лазерной сварке схема

1 – лазерный луч; 2 – плазменный факел; 3 – парогазовый канал; 4 – хвостовая часть ванны; 5 – металл шва; 6 - свариваемый металл; V_св – направление сварки

Широкое применение лазерной сварки сдерживается экономическими соображениями. Стоимость технологических лазеров пока еще высока, что требует тщательного выбора области применения лазерной сварки. Однако, если применение традиционных способов не дает желаемых результатов либо технически неосуществимо, можно рекомендовать лазерную сварку. К таким случаям относится необходимость получения прецизионной (высокоточной) конструкции, форма и размеры которой не должны меняться в результате сварки. Лазерная сварка целесообразна, когда она позволяет значительно упростить технологию изготовления сварных изделий, выполняя сварку как заключительную операцию, без последующей правки или механической обработки. Экономически эффективна лазерная сварка, 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 соединения трудно свариваемых, в том числе разнородных материалов, лазерная сварка может оказаться единственным процессом, обеспечивающим качественные сварные соединения.

Индукционная нагревательная установка
Индукционная печь. Схема индукционной печи.

В основном все типы нагревательных индукторов могут быть разделены на два вида: одновременного и непрерывно-последовательного нагрева. В первом случае площадь индуктирующего провода примерно равна площади нагреваемой поверхности, что позволяет одновременно нагревать все её участки. При втором способе нагреваемое изделие перемещают относительно индуктирующего провода, последовательно нагревая участки поверхности изделия.

Существуют нагревательные индукторы для поверхностного нагрева и закалки различных изделий (деталей), для сквозного нагрева кузнечных заготовок, нагрева листового материала, для плавки металлов и др., различающиеся конструктивным выполнением, частотой питающего электрического тока, материалом магнитопровода индуктирующей системы и пр.

Поверхностная закалка стали. Закалка ТВЧ. Закалка стали ТВЧ. Установка для закалки ТВЧ. Закалка токами высокой частоты.

На рис. 1 показан индуктор нагревательный для нагрева под закалку простых цилиндрических деталей способом одновременного нагрева. Чтобы избежать перегрева и расплавления индуктирующего провода, его выполняют массивным. Такие нагревательные индукторы питают током с частотой 10 кгц. На поверхности индуктирующего провода расположены отверстия для подачи на нагретую деталь закалочной воды после выключения электрического тока. Таким образом одновременно охлаждается и сам индуктор нагревательный.

Рисунок 1 – Индуктор для закалки цилиндрических деталей способом одновременного нагрева

1 – воронки для выравнивания давления закалочной воды в камере 2; 3 – индуктирующий провод с отверстиями для выхода закалочной воды; 4 – трубопровод водяного охлаждения

Простейшим многовитковым нагревательным индуктором, предназначенным для закалки внутренних поверхностей деталей, является соленоид. Соленоидными нагревательными индукторами нагревают внутренние цилиндрические поверхности диаметром 50 мм и более. При диаметрах отверстий меньше 30 мм используют петлевые нагревательные индукторы с магнитопроводом (рис. 2), а для нагрева внутренних цилиндрических поверхностей диаметром меньше 15 мм – стержневые нагревательные индукторы в виде трубки, диаметр которой на несколько мм меньше диаметра обрабатываемого отверстия. Трубка по отношению к отверстию располагается коаксиально. Для сквозного нагрева кузнечных заготовок применяют нагревательные индукторы, изготавливаемые из трубки, которая при большой длине разделяется на несколько секций с отдельным охлаждением.

Рисунок 2 – Петлевой индуктор для закалки внутренних цилиндрических поверхностей способом одновременного нагрева при вращении закаливаемой детали

а – конструкция с отдельными камерами для охлаждения индуктора и выхода закалочной воды; б – конструкция без постоянного охлаждения

1 – магнитопровод; 2 – индуктирующий провод; 3 – трубопровод водяного охлаждения

Плоские поверхности изделий нагревают для закалки индуктором нагревательным с индуктирующим проводом в виде плоских спиралей или зигзагов (для малых нагреваемых площадей) либо непрерывно-последовательным способом нагрева с перемещением нагреваемой детали над индуктирующим проводом (рис. 3). Существуют секционированные нагревательные индукторы с отдельными подводами электрического тока к каждой секции; включая или выключая в определённом порядке секции, можно закаливать (нагревать) поверхности переменной ширины и требуемой формы. Нагрев торцевых поверхностей производится индуктором нагревательным зигзагообразной формы; для равномерного нагрева поверхности деталь вращают.

Рисунок 3 – Индуктор для закалки плоской поверхности непрерывно-последовательным способом

1 – индуктирующий провод; 2 – магнитопровод; 3 – душевое устройство для подачи закалочной воды; 4 – трубопровод водяного охлаждения

Листовой материал и ленты наиболее эффективно нагреваются в поперечном магнитном поле (рис. 4), при этом толщина листа должна быть меньше глубины проникновения тока (обычно на частотах от 10 до 70 кгц). Нагрев и закалку зубьев шестерни производят в петлевом индукторе нагревательном, охватывающем зуб с двух сторон. Чтобы закалить (см. Закалка стали) впадину между зубьями, индуктирующий провод располагают вдоль окружности шестерни, устанавливая против впадин магнитопроводы, входящие при рабочем положении внутрь впадин.

Индукционная нагревательная установка
Индукционная печь. Схема индукционной печи.

Рисунок 4 – Схема индукторов для нагрева листового материала в поперечном магнитном поле

а – при размещении индуктирующего провода с одной стороны нагреваемого листа; б – при размещении индуктирующего провода с обеих сторон нагреваемого листа

1 – индуктирующий провод; 2 – магнитопровод; 3 – ярмо магнитопровода

Мультипликаторный привод пресса
Гидравлический пресс. Система управления прессом. П-457.
Насос плунжерный. Насос трехплунжерный. Прямой насосный привод гидравлических прессов.

Использование в гидросистемах мультипликаторов дает проектировщикам большую гибкость в выборе рабочего давления. Нагрузка гидросистемы становится более однородной по всему циклу работы машины или станка. Мультипликатор давления начинает работать только, когда в гидросистеме возникает потребность в подаче жидкости на высоком давлении. Оставшуюся же часть времени мультипликатор бездействует и не имеет никакого внутреннего потребления, не влияя тем самым на работу системы.

Мультипликатор гидравлический

1 — плунжер малого диаметра; 2 — поршень большого диаметра; 3 — рабочая жидкость

Гидравлические мультипликаторы применяются в современных гидравлических прессах (для увеличения усилия прессования), а также в пневмогидравлических усилителях (в многоточечных зажимных устройствах металлорежущих станков).

Мультипликаторный привод пресса

Использование мультипликаторов давления открывает множество преимуществ перед традиционными системами высокого и низкого давления:

• Обеспечивается более высокая производительность гидросистемы
• Обеспечивается более длительный срок эксплуатации в связи со сниженным уровнем износа на низком рабочем давлении
• Возможность создания более компактной гидравлической системы
• Повышение уровня безопасности системы, обусловленное общим низким давлением
• Встраиваемая управляющая аппаратура
• Отсутствие динамических уплотнений
• Коэффициент мультипликации, отвечающий требованиям

Классификация горелок 1
Классификация горелок 2

Устройство и схема обвязки шкафной ГРУ

а – принципиальная схема:
1 – входной штуцер; 2 – входной клапан; 3 – фильтр; 4 – штуцер для манометра; 5 – клапан ПКК-40М; 6 – регулятор РД-32М (РД-50М); 7 — штуцер замера конечного давления; 8 – выходной клапан; 9 – сбросная линия встроенных в регуляторы предохранительных клапанов; 10 – импульсная линия конечного давления; 11 – импульсная линия; 12 – штуцер с тройником; 13 – манометр

б – разрез клапана ПКК-40М:
1, 13 – клапаны; 2 – штуцер; 3, 11 – пружины; 4 -резиновое уплотнение; 5, 7 – отверстия; 6, 10 – мембраны; 8 – пусковая пробка; 9 – импульсная камера; 12 – шток

После чего пусковую пробку завинчивают. По открытому клапану газ подается на регуляторы давления, а затем по импульсной трубке поступает в камеру 9. При повышении более за регуляторами давления газа сверх установленных пределов мембрана 6 переместится вверх, вне зависимости от упругости пружины 3, в результате чего, прикрытое ранее резиновым уплотнением 4 отверстие 5 откроется. Поднимаясь, верхняя мембрана 6 упирается своим диском в крышку, при этом нижняя, находясь под действием пружины 11 и массы клапана со штоком, опускается вниз, в результате чего клапан закрывает проход газа.