Лазерный мир

В сборнике: Юность и Знания — Гарантия Успеха — 2018 Сборник научных трудов 5-й Международной молодежной научной конференции. В 2-х томах. Ответственный редактор А.А. Горохов. 2018. С. 280-283.

СОФРОНОВ АРТЁМ АНДРЕЕВИЧ, Научный руководитель: ШАПАРЕВ А.В., к.т.н., доцент, Казанский национальный исследовательский технический университет им.А.Н.Туполева-КАИ. г.Набережные Челны

В статье рассматривается анализ возможности применения лазерной сварки при изготовлении деталей грузовых автомобилей. Указаны основные преимущества при использовании процесса лазерной сварки, технологические и физические процессы лазерной сварки, используемое оборудование.

Ключевые слова: лазерная сварка, технологический процесс сварки, установка лазерной сварки.

В конструкции автомобилей используется большое количество сварных деталей, в частности, различных кронштейнов для установки агрегатов на раму тяжелых грузовиков. Преимущественно используется электродуговая сварка, при этом требуется специальная высокоточная оснастка и качество сварных швов не всегда получается стабильным. [1]

С целью устранения указанных недостатков предлагается процесс лазерной сварки автомобильных кронштейнов.

Лазерная сварка — это процесс нагревания материалов с последующим их соединением при котором происходит расплавлением кромок с помощью концентрированного лазерного луча с последующим затвердеванием. Лазеры генерируют световую энергию, которая может всасываться в материалы и преобразуется в тепловую энергию. [1]

Поскольку лазер испускает когерентное излучение, луч энергии имеет минимальные расхождения и может проходить на большие расстояния без существенной потери качества света или энергии. Благодаря направленности лазерного луча его энергия концентрируется на сравнительно небольшом участке, что дает небольшой объем сварочной ванны, малая ширина, высокие скорости нагрева и охлаждения. Это дает высокую технологическую прочность сварных соединений и небольшие деформации сварных конструкций. Когерентность же дает усиление мощности излучения. Основными элементами лазера являются: генератор накачки и активная среда. По активной среде различают твердотельные, газовые и полупроводниковые лазеры. [2]

Для концентрирования и направления лазерного луча используется специальная оптика, состоящая из прозрачных и полупрозрачных зеркал. Сварка может происходить за счет расплавления кромок материала, либо с добавлением присадочной проволоки. В гибридных версиях сварки присадочный материал может создавать еще и электрическую дугу, плавящую кончик проволоки, которую сфокусированный пучок энергии лазера укладывает в шов. [3]

Сварка металлов лазером активно используется для соединения легированных сталей, особенно алюминия, титана и нержавейки. Сфокусированный пучок преображенного света способен расплавлять металл толщиной от 0,1 до 10 мм. Это позволяет сваривать как стандартные пластины, так и тоненькие элементы. Благодаря этому лазерные установки нашли широкое применение в электротехнике.

Оборудование — в состав оборудования для лазерной сварки входит лазер, системы фокусировки излучения, газовой защиты изделия, перемещения луча и изделия.

В сварке используют твердотельные и газовые лазеры. Твердотельные лазеры выполняют на основе рубина, стекла с присадкой ионов неодима, алюмоиттриевого граната (АИГ) с неодимом. Газовые лазеры — в качестве рабочего тела используют смесь СO2, N2 и Не.

Промышленность выпускает лазерные установки ЛГТ-2.01, ТЛ-5М, МУЛ-1, ЛТА4-1, ЛТА4-2. Установки позволяют проводить полуавтоматическую сварку в импульсном режиме с микропроцессорным управлением.

Твердотельный лазер представляет собой лазер, где в качестве активной среды применяют стержни из розового рубина — окиси алюминия с примесью ионов хрома (до 0,05 %) (т.е вещество, которое находится в твердом состоянии).

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 лучевой энергии, которая излучается параллельным пучком через полупрозрачное зеркало и фокусируется линзой в месте сварки. В фокусе достигается высокая концентрация энергии, позволяющая получать температуру до 1500…2000 градусов. [4]

Для сварки лазером, где требуется глубокая проплавка, преимущественно используют газонаполненные лазеры, преимущественно углекислотные. Первоначальным источником в них служит цилиндрическая трубка со смесью углекислого газа, гелия, азота в определенной пропорции. С каждой стороны трубка закрыта специальными зеркалами. Находящиеся внутри электроды производят разряд, который высвобождает электроны в газе. Происходит копирование фотонов с усилением энергии атомов. Линзы направляют поток света на изделие. Подача напряжения импульсом содействует максимальной концентрации энергии на выходе. Благодаря этому возможна сварка металлов толщиной до 10 мм.

В промышленности используются следующие виды лазерной сварки:

1) Точечная сварка получила распространение с первых дней появления импульсных твердотельных лазеров для выполнения неразъемных соединений в электронике и приборостроении. Точечной сваркой соединяются тонколистовые материалы (при толщине 0,5…2,0 мм), проволока диаметром от 10 до 500 мкм, проволока к подложке, тонкие листы к массивным элементам. В случае с точечной лазерной сваркой применяется как непрерывный, так и импульсный режим излучения лазера.

2) Шовная сварка обеспечивает надежное механическое соединение, высокую герметичность сварочного шва. Шовную сварку выполняют как с помощью импульсного излучения с высокой частотой генерации импульсов, так и с помощью непрерывного излучения. Последнее позволяет сва- ривать толстостенные детали;

Шовная сварка выполняется как посредством импульсного излучения с высокой частотой генерации импульсов, так и посредством непрерывного излучения. Сварка непрерывным излучением дает возможность сваривать детали с толстыми стенками.

Лазерная сварка с глубоким проплавлением принципиально отличается от сварки с неглубоким проплавлением тем, что при образовании сварного соединения образуется газовый канал, по которому поднимается испаренный металл. Зона провара имеет вытянутую форму, узкий и глубокий шов. [5]

В настоящее время лазерная сварка применяется для создания конструкций из сталей, алюминиевых, магниевых и титановых сплавов. Ей отдается предпочтение при необходимости получения прецизионных конструкций, форма и размеры которых практически не должны изменяться в результате сварки, а также при производстве крупногабаритных конструкций малой жесткости с труднодоступными швами. Лазерная сварка применяется для сварки одинаковых и разнородных металлов в радиоэлектронике и электронной технике.

Лазерная сварка является перспективной технологией в автомобиле- строении, использующая лазерный луч для расплава и соединения швов обрабатываемого изделия. На сегодняшний день высокие затраты препятствуют ее широкому промышленному применению в автомобилестроении. Возможность получения эффективной и высококачественной сварки в будущем может представлять лазерную сварку как перспективный технологический процесс при производстве качественных деталей грузовых автомобилей.

Список литературы

1. Григорьян А. Г. Лазерная сварка металлов. М.: «Высшая школа», 1988. — 207 с.

2. Емельянов Д.В., Савин И.А., Фасхутдинов А.И. Совершенствование процессов формирования винтовых канавок цилиндрических и конических концевых фрез со сфе- рическим торцем. Курск: Университетская книга, 2016. 212 с.

3. Могилевец В.Д., Савин И.А.Микроэлементное нормирование как метод повыше- ния эффективности производства/В.Д. Могилевец, И.А. Савин // Компетентность. — 2015. -№ 5 (126). -С. 49-55.

4. Shaparev A., Savin I. Calculation of the amount of the reduction required for the for- mation of compound layers during cold rolling of bimetals//Materials Science Forum. 2016. Vol. 870. Р. 328-333 DOI: 10.4028/www.scientific.net/MSF.870.328

5. Savin I.A. Determination of the effectiveness of the use of robotic systems in mechani- cal engineering//European Journal of Natural History. 2016. № 3. P. 94-97.