Лазерный мир

Ахмадеев Марат // В сборнике: МОЛОДЕЖЬ И СИСТЕМНАЯ МОДЕРНИЗАЦИЯ СТРАНЫ. сборник научных статей 5-й Международной научной конференции студентов и молодых ученых. Курск, 2020. С. 205-208.

Глобальной тенденцией мирового прогресса в экономике наиболее раз- витых стран, является широкое применение и совершенствование новых наукоемких перспективных технологий, например, таких как лазерные. Использование лазерных технологий имеет решающее значение для повышения производительности труда и конкурентоспособности экономики. Отличительными особенностями применения лазеров в производстве являются высокое качество получаемых изделий, высокая производи- тельность процессов, экономия людских и материальных ресурсов, экологическая чистота.

Лазеры, благодаря таким уникальным свойствам как высокая концентрация мощности из-лучения, когерентность, монохроматичность, нашли широкое применение в различных отраслях промышленности, науки, техники, связи, медицине, биологии и других областях. [1]

Суть этого метода в том, что в качестве энергетического источника используется луч лазера. Такая технология имеет очень широкую сферу применения, так как обладает множеством преимуществ. Она может быть использована при работе с одинаковыми и разными металлами, активно при- меняется в электронной технике и радиоэлектронике. Главным свойством лазерной сварки является способность концентрации достаточной величины лазерной энергии, необходимой для плавления материалов при их со- единении. Процесс лазерной сварки происходит, когда лазерный луч с

энергетической плотностью, достаточной для плавления материалов, сталкивается с поверхностью, после чего его лазерное излучение поглощается ей. Лазерная сварка может применяться при обработке пластмассы, одна- ко, основная область её применения распространяется на металлы, поэтому в центре внимания данной статьи находится именно сварка металлов. [2]

Различают два типа лазерной сварки:

• Автогенная сварка, при которой материалы соединяются без добавле- ния особых материалов. Данный тип лазерной сварки требует наивысшей степени фиксации и подготовки соединения. Поскольку добавление осо- бых материалов не требуется, существенно важно, чтобы материалы, под- вергающиеся сварке, оставались в тесном контакте на протяжении всего процесса обработки. Разделение материалов, в лучшем случае, может при- вести к несоответствующему профилю шва, а в худшем – к разъединению сварного шва. Поэтому ключевым пунктом для выполнения успешной ла- зерной резки является обеспечение постоянного соединения сварного шва посредством соответствующих креплений.

• Сварка с добавлением присадочных материалов, при которой исполь- зуется особый материал, как правило, в форме металлической проволоки или порошка. В случае добавления особых материалов соединение стано- вится более устойчивым к несоответствию стыков, а соответствующие требованиям швы могут быть изготовлены на соединениях с небезупреч- ной степенью соприкосновения. Однако добавление в соединение прово- локи или порошка приводит к созданию дополнительных управляющих переменных, поэтому необходимо уделить особое внимание выбору под- ходящего типа сварки. [3]

При промышленном применении лазерной сварки наиболее подходящи- ми являются следующие типы лазеров:

• Углекислотный лазер (CO2). Лазерный луч образуется благодаря воз- буждению электрическим разрядом смеси углекислого газа, азота и гелия. Данный тип лазеров является одним из первых типов, применяемых в про- изводстве – первая запись о его применении компанией Боинг для резки и сварки титана датируется 1966 годом. Длина волны излучения данного ти- па лазера находится в дальней инфракрасной области спектра и составляет 10,6 мкм, отсюда следует, что некоторые металлы, в особенности медь и золото, обладают высоким коэффициентом отражения лазерного излуче- ния.

• Nd:YAG лазер. Лазерный луч образуется благодаря возбуждению кри- сталла АИГ (алюмо-иттриевого гараната) с добавлением неодима одной или несколькими высокоинтенсивными импульсными лампами или дио- дами. Длина волны излучения лазера находится в ближней инфракрасной области спектра и составляет 1,06 мкм. В настоящий момент Nd:YAG ла- зеры прежде всего используются в импульсном режиме, в то время как ти- пы лазеров с непрерывной волной в основном заменяются волоконными лазерами.

• Волоконный лазер. Лазерный луч образуется благодаря возбуждению оптоволокна с добавлением Yb (иттербия) лазерными диодами. Несмотря на наличие разных легирующих присадок для оптоволокна, на сегодняш- ний день иттербий является наиболее выгодным при выполнении сварки средней и высокой мощности. Длина волны излучения данного лазера также находится в ближней инфракрасной области спектра и составляет 1,07 мкм. [4]

При выборе наиболее подходящего лазерного источника для лазерной сварки необходимо учитывать характеристики обрабатываемых компонен- тов (материалы, тип шва) и требования потребителя к системам лазерной сварки (например, низкие затраты в сочетании с высокой производитель- ностью и гибкостью в применении в настоящий момент или в будущем). Поставщик систем сварки выбирает лазерный источник на основе сведе- ний таблицы.

Процесс лазерной сварки требует применения инертного газа в целях защиты металла во время сварки во избежание окисления сварного шва и окружающей его области. Выбор защитного газа зависит от типа обраба- тываемого материала (например, титановые сплавы вступают в реакцию с азотом, поэтому применяется аргон или гелий) и типа лазера, используе- мого при сварке. В зависимости от обрабатываемого материала и контура сварного шва, для подачи защитного газа может быть внедрен целый ряд дополнительных устройств. Чаще всего такие устройства представляют собой обычное сопло, расположенное соосно или эксцентрично, и приме- няемое для подачи облака защитного газа в соответствующую зону. Более сложные устройства могут иметь форму полностью инертной, сухой, ваку- умной камеры с рукавами-перчатками. [5]

К самым явным преимуществам применение лазера относятся:

· возможность дозировать подаваемую энергию в очень большом диапа- зоне. Это позволяет создавать высококачественные сварные соединения любых поверхностей;

· с помощью газовых лазеров можно получить большую глубину оплав- ления, при этом термическое повреждение не расходится в ширь, что очень важно при производстве радиотехнических деталей малого размера;

· управление лазерным потоком с помощью системы зеркал и отражате- лей позволяет достигнуть труднодоступных мест и участков.

Недостатки:

· лазерная технология является новейшей и обладает малым КПД, высо- кой стоимостью на производство и эксплуатацию оборудования;

· обучение сварщика лазерной сварке и приемам обучения с агрегатом требует длительных сроков и знаний.

В производстве автомобильных кузовов лазерная сварка применяется для внутренних соединений. Внешние же швы, для которых важна как прочность, так и косметика, — крыша, багажник и т.д. — выполняются методом лазерной пайки. Хотя первую строку в списке пока занимают европейские автоконцерны, от Европы не отстают и Азия и Северная Америка. В этот список входят Nissan, Toyota, Hyundai, так же как GM, Ford Motor Co., DaimlerChrysler. Возвращаясь к европейским производителям, надо отметить деятельность концерна Volkswagen (VW). Несмотря на то что они не- сколько опоздали с внедрением лазерных технологий в производство по сравнению с Volvo Cars и BMW, но успешно перешагнули через этап ис- пользования СО2 лазеров и в 1990 году сразу внедрили более эффективные Nd:YAG. Например, в пятой модели Golf около 70 м лазерного шва. Хотя первоначально и до сих пор широко используются лазеры с ламповой на- качкой, надо заметить, что в настоящее время европейские производители переходят на волоконные лазеры. [6]

На протяжении многих лет лазерная сварка используется для изготовления высококачественных сварных швов на компонентах из различных металлов и сплавов. Такой подход обеспечивается благодаря основным свойствам технологии. Быстрое нагревание и охлаждение обрабатываемых материалов способствуют образованию сварных швов с минимальным нагреванием граничащих зон и, как правило, лишь с незначительным искажением. Крепление заготовки, обеспечивающее достаточное соприкосновение сварных соединений, встроенная система управления лазерным лучом, перемещением, подачей вспомогательного газа, а также соответствующие датчики гарантируют стабильное качество обработки. Именно поэтому лазерная сварка представляет собой наиболее целесообразный тип обработки для аэрокосмической, автомобильной и медицинской промышленностей, который стремительно развивается в областях разработки инновационных продуктов, представляющих интерес для российских производителей. Диапазон используемых лазерных источников продолжает расширяться, а вместе с ним увеличивается и область применения технологии лазерной сварки.

Список литературы

1. Шапарев А.В., Савин И.А., Птичкин С.Н. Производство кронштейнов грузовых автомобилей с использованием лазерных технологий: монография/ Шапарев А.В., Савин И.А. Птичкин С.Н. Курск: Из-во «Университетская книга», 2018г. -258с.

2. Могилевец В.Д., Савин И.А. Применение лазерных технологий очистки, наплав- ки, термообработки ковочных штампов// Компетентность. М., 2016. № 5 (136). С. 43-55

3. Хакимзянова А.А., Савин И.А. Особенности лазерной резки листового материала для автомобильной промышленности// Научно-методический электронный журнал Концепт. 2016. № T15. С. 1056-1060.

4. Шапарев А.В., Савин И.А. Влияние содержания кислорода в технологическом га- зе на качество и скорость лазерной резки листовых заготовок из малоуглеродистых сталей// Заготовительные производства в машиностроении. 2019. Т. 17. № 12. С. 535- 539.

5. Схиртладзе А.Г., Гречишников В.А., Чемборисов Н.А., Григорьев С.Н., Савин И.А. Резание материалов. Режущий инструмент. М.: Юрайт, 2016. 365 с.

6. Шапарев А.В., Савин И.А. Совершенствование технологии изготовления загото- вок кронштейнов тяжелых грузовых автомобилей лазерной резкой// Заготовительные производства в машиностроении. 2020. Т. 18. № 3. С. 103-107.

Полное содержание: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=35117345