Сварка

Плазменная струя имеет форму ярко выраженного конуса (рис. 9а) с вершиной, обращенной к изделию и окруженной факелом.

Устройство горелок для получения плазменной дуги (рис. 9б) принципиально не отличается от устройства горелок первого типа. Только дуга горит между электродом и изделием.

Процесс возбуждения плазменной дуги между электродом и изделием осуществить очень трудно. Поэтому дуга вначале возбуждается между электродом и соплом (дежурная дуга), а затем при касании ее факела изделия происходит автоматическое зажигание основной дуги между электродом и изделием. Для этого к соплу подключен токопровод от положительного полюса источника тока.

Плазменная дуга обладает большей тепловой мощностью по сравнению с плазменной струей, т. к. в изделие вводится дополнительное тепло от электрического тока дуги. Плотность теплового потока плазмотрона в десятки раз больше теплового потока при сварке плавящимся электродом.

Различают следующие виды плазменной технологии:

• плазменная сварка со сквозным проплавлением (толщина материала свыше 3 мм);

• плазменная сварка плавлением (толщина материала 1–3 мм);

• микроплазменная сварка (толщина материала 0,01–1 мм).

На рисунке 10 представлена конструкция микроплазменной горелки.

Оборудование для плазменно-дуговой сварки, резки, напыления:

• источник питания плазменной дуги с вертикальной вольт-амперной характеристикой;

• плазменная горелка-плазмотрон;

• системы подачи газа и охлаждения горелки;

• порошковый питатель (для напыления);

• устройства перемещения и фиксации деталей;

• система приточно-вытяжной вентиляции.

Преимущества плазменной технологии:

• высокая концентрация теплоты;

• высокая стабильность горения, что обеспечивает лучшее качество сварных швов;

• возможность сварки металлов до 10 мм без разделки кромок и применения присадочных материалов;

• возможность вести сварку на низких токах 0,1–25 А, в режиме микроплазменной сварки листов металла толщиной 0,01–0,8 мм;

• при увеличении тока дуги и расхода газа проникающая плазменная дуга позволяет вести резку любых современных материалов;

• введением в плазменную дугу присадочных металлов производят напыление, наплавку любых металлов, от легкоплавких и до тугоплавких;

• возможность сваривать металлы с неметаллами;

• минимальная, по сравнению с другими способами, зона термического влияния;

• более низкие термические деформации по сравнению с другими видами сварки;

• возможность обработки (сварка, напыление, резка) тугоплавких, жаропрочных металлов;

• пониженный расход защитных газов по сравнению с аргонно-дуговой сваркой;

• высокотехнологичный процесс, возможность автоматизации.

Рис. 9.

Схема получения плазменных источников нагрева:

а – плазменная струя, выделенная из дуги; б – плазменная дуга, совмещенная с плазменной струей.

Рис. 10. Конструкция микроплазменной горелки:

1 – корпус горелки; 2 – втулка керамическая; 3 – зажимная цанга; 4 – вольфрамовый электрод; 5 – металлическое сопло; 6 – керамическое сопло; 7 – металлический корпус (неразъемный); 8 – керамическая изоляционная втулка; 9 – пружина; 10 – верхняя часть корпуса; 11 – кольцо опорное; 12 – гайка для зажима цанги; 13, 14 – винт и головка для регулировки зазора; 15 – защитный колпачок; 16 – кнопка для перемещения электрода к соплу.

Недостатки плазменной технологии:

• высокочастотный шум в комбинации с ультразвуком;

• электромагнитное излучение оптического диапазона (УФ, ИК, видимый спектр);

• ионизация воздуха;

• выделение паров материала в виде аэрозолей;

• недолговечность сопла плазменной горелки вследствие высокотемпературной нагрузки;

• сложность аппаратуры требует подготовки высоко-квалифицированного персонала.

Лазерная сварка

Лазер или ОКГ – оптический квантовый генератор когерентного монохроматического излучения. Что означают эти понятия? Придется вспомнить физику.

Современные понятия в физике наделяют элементарные частицы света (фотоны) свойствами либо волны, либо корпускул (частиц), так как свет проявляет свойства волны в одном случае – при явлениях интерференции и дифракции. В другом случае свет проявляет квантовые свойства. Например, в случае явления фотоэффекта о свете можно говорить, что он состоит из частичек, т. е. квантов. Однако квантовый и волновой подходы к природе света не противоречат свойствам света, а успешно дополняют друг друга.

В соответствии с постулатами квантовой физики любое вещество состоит из атомов и молекул. Каждая система атомов (молекул) обладает изначально запасами внутренней энергии. Атомы и молекулы вещества образуют так называемые микросистемы.

Микросистемы подчиняются законам квантовой механики и обладают основным свойством квантовых систем – дискретностью (т. е. прерывистостью) их энергетических состояний. Иначе говоря, энергия этих микросистем изменяется как бы скачками и принимает лишь некоторые определенные значения – энергетические уровни. Атомы (молекулы) веществ в микросистемах тоже находятся на определенных уровнях энергии, а переход с одного уровня на другой совершается мгновенно, скачком. Переход атома на верхний уровень сопровождается поглощением фотона света (т. е. кванта), а при переходе атома на нижний уровень энергии – выбросом фотона света или его испусканием. При этом энергия поглощенного испускаемого фотона равна разности энергий уровней атома, между которыми совершается квантовый скачок.

При естественных условиях атомы вещества самопроизвольно (спонтанно) переходят с уровня на уровень, излучая или поглощая кванты света – фотоны, например, при излучении света в электрической лампочке.

Предположим, имеется вещество, состоящее из атомов с энергетическими уровнями Е₁, и Е₂, причем Е₁ меньше Е₂. При облучении вещества, атомы которого находятся на уровне Е₂, фотонами с энергией Е=(Е₂ – Е,) атомы вещества могут перейти обратно на уровень Е₁. При переходе происходит выброс фотонов, т. е. вынужденное излучение света. Появившийся новый фотон света будет точной копией того фотона, который вызвал его появление. Это явление и есть когерентность. Далее появление нового фотона света приводит к образованию двух таких же фотонов (рис. 11).

Рис. 11.

Схема поглощения кванта света (а) и вынужденного испускания света (б)

При определенных условиях, если среда является активной, процессы вынужденного излучения фотонов преобладают над процессами поглощения, процесс переходит в лавинообразное испускание вторичных фотонов. Но фотоны света испускаются во всех направлениях. Чтобы упорядочить процесс генерации лазерного излучения в заданном направлении, используют оптические резонаторы. Оптический резонатор – это два зеркала с общей оптической осью, которая фиксирует в пространстве направление лазерного луча.

Направление генерации лазерного излучения обозначено на рис. 12 стрелкой.

Рис. 12.

Развитие фотонной лавины вдоль оси резонатора О—О:

а – начало процесса; б – конец процесса

Спонтанные фотоны, случайно родившиеся в направлении О—О, будут проходить внутри активного элемента относительно длинный путь, который многократно увеличивается вследствие отражения от зеркал резонатора. Взаимодействуя с возбужденными активными центрами, эти фотоны, набирая энергию, инициируют мощную лавину вынужденно испущенных фотонов, которые образуют лазерный луч. Спонтанные фотоны, которые родились в других направлениях, равно как и соответствующие им лавины вторичных фотонов, пройдут внутри активного элемента сравнительно короткий путь и выйдут за его пределы.

Таким образом, зеркала оптического резонатора выделяют в пространстве определенное направление, вдоль которого реализуются наиболее благоприятные условия для развития фотонных лавин. Это и есть направление лазерного луча, который выходит из резонатора через одно из зеркал. Для облегчения процесса выхода одно из зеркал делают частично прозрачным для лазерного излучения.

Принципиальная схема лазера проста и показана на рисунке 13.

Теперь осталось ответить на вопрос о монохроматичности лазерного излучения.

По-гречески – «монос» означает «один», а «хромос» значит цвет. Таким образом, монохроматичность означает, что луч лазера – одноцветный. В физическом плане высокая монохроматичность проявляется в том, что луч лазера имеет практически одну длину волны. Элементарные волны света («волновые цуги») кроме монохроматичности идеально когерентны, т. е. распространяются в одном и том же направлении, имеют одинаковую длину волны и находятся в фазе друг с другом.

Высокая степень когерентности позволяет сфокусировать лазерный луч в пятно, равное длине волны излучения – т. е. порядка 1–10 микрон.

Если мощность лазера, например на основе СО₂–1 кВт, сфокусировать на площадке диаметром в 1 мм, то получим интенсивность лазерного луча 105 Вт/см2.

Эта очень высокая концентрация тепловой энергии позволяет испарять все земные элементы и естественно сваривать при определенных условиях металлы. Современные лазерные установки способны выстреливать эту колоссальную мощность за доли секунды в импульсе.

Остается добавить, что в качестве активных сред можно использовать:

• кристаллы (искусственные или естественные);

• специальные стекла;

• полупроводники;

• жидкие среды (растворы специальных красителей);

• газовые среды.

В соответствии с используемой активной средой лазеры подразделяют на твердотельные, жидкостные и газовые.

Рис. 13.

Принципиальная схема оптического лазера:

1 – активный элемент;

2 – непрозрачное зеркало;

3 – полупрозрачное зеркало;

4 – устройство накачки.

Вернемся к рисунку 13. Для чего используется накачка и что это такое? Когда говорят о накачке, то подразумевают введение энергии извне внутрь квантовой системы для возбуждения энергетических уровней, о чем говорилось выше. Можно еще сказать, что накачка необходима для возбуждения активной среды лазера.

Энергетическая накачка активных элементов лазера производится в импульсном или постоянном режиме. В импульсном режиме используются специальные лампы-вспышки, а в постоянном режиме – специальные лампы-осветители.

В сварочной технике применяют, в основном, твердотельные лазеры на кристаллах неодима с гранатом, неодимовых стеклах, на кристаллах рубина. В них применяется оптическая накачка с помощью ксеноновых ламп.

Используются для сварки и газовые лазеры. Мощные газовые лазеры изготавливают на основе газовых смесей с применением углекислого газа – СО₂. Для газовых лазеров применяют в качестве энергетической накачки электрический высоковольтный разряд.

Оборудование для лазерной сварки и резки:

• высоковольтный выпрямитель для питания ламп накачки;

• блок конденсаторов;

• блок поджига газового разряда;

• собственно лазерная головка (активный элемент, отражатель, лампы накачки);

• оптическая система для фокусировки, юстировки (настройки) и наблюдения;

• система охлаждения установки;