Сварка лазером

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.

Термическая резка

Воздушно-дуговая. Дуговая резка металла производится постоянным или переменным током угольными и металлическими электродами. По качеству реза и по производительности дуговая резка уступает кислородной; ее рекомендуется применять главным образом для резки металла толщиной не более 15 мм и при возможности в дальнейшем механической обработки кромок. При использовании постоянного тока с применением угольных (графитовых) электродов прямой полярности качество реза несколько лучше, чем при резке переменным током. Для повышения устойчивости дуги металлические электроды покрывают обмазкой.

Рационально применять воздушно-дуговую резку угольным электродом диаметром 6–12 мм (постоянным током обратной полярности) с подачей воздуха под давлением свыше 4 am (0,4 МПа) через специальный электрододержатель. Такой способ резки улучшает удаление металла из реза и увеличивает производительность. Высокая производительность при дуговой резке достигается при использовании кислорода вместо воздуха.

Дуговая резка применяется также для резки высоколегированных сталей, чугуна и цветных металлов и сплавов.

Значительной производительности достигают при дисковой резке стали толщиной не более 20…30 мм; скорость резки составляет до 70…100 м/ч (0,019…0,027 м/сек). Ток в несколько тысяч ампер от понижающего трансформатора, проходя через диск к разрезаемому металлу, создает мощный электрический разряд, благодаря которому быстро нагревается металл. Диск диаметром около 1 м, имеющий окружную скорость 100…120 м/сек, мало нагревается, так как каждая точка диска находится в зоне разряда весьма короткое время и затем охлаждается в окружающем холодном воздухе.

Сущность кислородной резки. Общие положения. Кислородной резкой называют способ разделения металла, основанный на использовании теплоты газового пламени и реакции окисления – для его нагрева до температуры воспламенения, а для удаления оксидов – кинетической энергии струи режущего кислорода.

По характеру и направленности кислородной струи различают три основных вида резки: разделительную, при которой образуются сквозные разрезы; поверхностную, при которой снимается поверхностный слой металла; кислородным копьем, которая заключается в прожигании в металле глубоких отверстий.

Разделительная резка происходит так:

Металл нагревают в начальной точке реза до температуры воспламенения (в среде кислорода сталь – до 1000…1200 С) подогревающим ацетиленокислородным пламенем , затем направляют струю режущего кислорода , и нагретый метал начинает гореть с выделением значительного количества теплоты т.е. происходит реакция 2Fe + 2О₂ → Fe₃О₄ + Q Теплота Q от горения железа вместе с подогревающим пламенем разогревает лежащие ниже слои и распространяется на всю толщину металла. Чем меньше толщина разрезаемого металла, тем большую роль играет подогревающее пламя. Так, при толщине 5 мм – до 80 % общего количества теплоты, выделяемой при резке, составляет теплота подогревающего пламени, при толщине более 50 мм – только 10 %. Образующиеся оксиды 5, а также частично расплавленный металл удаляются из зоны реза 4 под действием кинетической энергии струи кислорода. Постоянный подвод теплоты и режущего кислорода обеспечивает непрерывность процесса.

Условия резки и разрезаемость металлов. Не все металлы и сплавы поддаются резке окислением. Для обеспечения процесса резки должны быть выполнены следующие условия:

1) источник теплоты должен иметь необходимую мощность, чтобы обеспечить нагрев металла до требуемой температуры начала реакции сгорания металла, а количество теплоты, выделяющейся при сгорании металла в кислородной струе, должно быть достаточным для поддержания непрерывного процесса резки;

2) температура горения (окисления) металла в кислородной струе должна быть ниже температуры его плавления; в этом случае металл горит в твердом состоянии;

3) температура плавления металла должна быть выше температуры плавления образующихся в процессе резки оксидов, иначе тугоплавкие оксиды изолируют металл от контакта с кислородом и затрудняют процесс резки;

4) образующиеся оксиды и шлак должны быть жидкотекучими и легко выдуваться струей режущего кислорода, иначе контакт кислорода с жидким металлом будет замедлен или вовсе невозможен.

Всем перечисленным условиям удовлетворяет углеродистая сталь, поэтому ее можно резать кислородом.

Первому условию при газовой резке не удовлетворяет медь в связи с ее высокой теплопроводностью, сильно затрудняющей начало процесса резки, и низким тепловыделением при окислении. Поэтому мощности газовых резаков недостаточно для резки меди, и медь можно резать, применяя более мощный тепловой источник – электрическую дугу.

Второму и четвертому условию не удовлетворяет чугун. По мере повышения содержания углерода в железе процесс резки значительно ухудшается из-за снижения температуры плавления и повышения температуры воспламенения. Чугун, содержащий более 1,7 % углерода, кислородной резкой не обрабатывается. Кроме того, вязкость шлака значительно возрастает при увеличении содержания кремния, который обязательнее содержится в чугуне, что также является одной из причин невозможности вести кислородную резку чугуна.

Третьему условию не удовлетворяют алюминий, магний и их сплавы, а также стали с большим содержанием хроме и никеля. При нагревании этих сплавов в процессе резки на их поверхности образуется пленка тугоплавкого оксида, препятствующая поступлению кислорода к неокисленному металлу.

Плазменная резка. Дуговую плазменную струю для сварки и резки получают по двум схемам. При резке электродами могут, как и при сварке, служить вольфрамовые стержни или специальные охлаждаемые водой медные электроды с запрессованными в их рабочий торец циркониевыми или гафниевыми вставками. В этом случае плазмообразующими газами являются аргон, азот, смеси аргона с водородом и азотом, азота с водородом и т. д. При работе медными электродами со вставкой обычно применяют воздух (воздушно-плазменная резка). Резку металлов выполняют дугой прямого действия, неэлектропроводных материалов дугой косвенного действия. При воздушно-плазменной резке содержание азота в поверхностных слоях реза в 10…12 раз больше, чем в основном металле. Это вызывает опасность старения кромок конструкций. В сварных швах содержание азота вследствие разбавления их электродным металлом ниже, но все равно вдвое больше, чем в основном металле. Из-за этого в металле шва могут образовываться нитриды, снижающие его пластичность.

Плазменная резка характеризуется высоким качеством реза и экономичностью. При резке даже углеродистых сталей она во многих случаях более экономична, чем газокислородная, благодаря повышению скорости резки в 6…8 раз.

Лазерная резка относится к числу первых технологических применений лазерного излучения, апробированных еще в начале 70-х годов. За прошедшие годы созданы лазерные установки с широким диапазоном мощности (от нескольких десятков ватт до нескольких киловатт), обеспечивающие эффективную резку металлов с использованием вспомогательного газа, поступающего в зону обработки одновременно с излучением лазера. Лазерное излучение нагревает, плавит и испаряет материал по линии предполагаемого реза, а поток вспомогательного газа удаляет продукты разрушения. При использовании кислорода или воздуха при резке металлов на поверхности разрушения образуется оксидная пленка, повышающая поглощательную способность материала, а в результате экзотермической реакции выделяется достаточно большое количество теплоты.

Для резки металлов применяют технологические установки на основе твердотельных и газовых CO₂ – лазеров, работающих как в непрерывном, так и в импульсно-периодическом режимах излучения. Промышленное применение газолазерной резки с каждым годом увеличивается, но этот процесс не может полностью заменить традиционные способы разделения металлов. В сопоставлении со многими из применяемых на производстве установок стоимость лазерного оборудования для резки еще достаточно высока, хотя в последнее время наметилась тенденция к ее снижению. В связи с этим процесс газолазерной резки становится эффективным только при условии обоснованного и разумного выбора области применения, когда использование традиционных способов трудоемко или вообще невозможно.