Способы предсварочного анализа и сопутствующей лазерной сварки и волоконные лазеры с применением предварительно выбранной ширины спектральных полос для обхода спектра..

Научная библиотека Комментарии к записи Способы предсварочного анализа и сопутствующей лазерной сварки и волоконные лазеры с применением предварительно выбранной ширины спектральных полос для обхода спектра.. отключены
Изобретение относится к способу предварительного выбора параметров процесса сварки металлов/сплавов независимо от спектральных свойств защитного газа, способу создания сварочного шва металла/сплава в заготовке независимо от спектра защитного газа и узкополосному волоконному лазеру. Осуществляют определение спектра электронного перехода пара металла/сплава посредством анализа спектра излучения процесса сварки металлов/сплавов с применением широкополосного источника энергии и выбор длины волны лазера и ширины линии вне спектра электронного перехода пара металла/сплава. Лазер содержит волоконную брэгговскую решетку для получения выходного излучения в заданной узкой спектральной полосе, соответствующей ширине спектральной полосы, которая отличается от спектра электронного перехода пара металла/сплава, активное волокно, выполненное с возможностью подавления нелинейностей, и лазерные диоды, выполненные с возможностью накачки активного волокна, чтобы оно могло генерировать лазерное излучение с узкой спектральной полосой. Технический результат изобретения заключается в том, что предварительно выбранная ширина спектральных полос, которые обходят спектр электронного перехода пара металла/сплава, позволяет получать сварочный шов практически без отложений, т.е. неокрашенный шов. 3 н. и 10 з.п. ф-лы, 12 ил.
Формула изобретения
1. Способ предварительного выбора параметров процесса сварки металлов/сплавов независимо от спектральных свойств защитного газа, включающий
a. определение спектра электронного перехода пара металла/сплава посредством анализа спектра излучения процесса сварки металлов/сплавов с использованием широкополосного источника энергии, и
b. выбор длины волны лазера и ширины линии вне спектра электронного перехода пара металла/сплава.
2. Способ по п. 1, в котором металл/сплав представляет собой титан или титановый сплав.
3. Способ создания сварочного шва металла/сплава в заготовке независимо от спектра защитного газа, включающий
a. выбор одного из ряда значений ширины спектральной полосы, отличающегося от спектра электронного перехода пара металла/сплава;
b. использование спектрально устойчивого лазера с мощностью, достаточной для создания сварочной ванны с одним из выбранных значений ширины спектральной полосы, и
c. воздействие выходного излучения вышеупомянутого лазера на заготовку для создания сварочного шва.
4. Способ по п. 3, в котором металл/сплав представляет собой титан или титановый сплав.
5. Способ по п. 3, в котором в сварочном шве отсутствуют окрашивания от плазменных отложений.
6. Способ по п. 3, в котором получают наплавочный валик, в котором отсутствуют неоднородности геометрической высоты или ширины.
7. Способ по п. 3, в котором на обнаруженные в режиме реального времени сигналы от процесса сварки не влияют связанные с поглощением помехи.
8. Узкополосный волоконный лазер, содержащий:
a. волоконную брэгговскую решетку для получения выходного излучения в заданной узкой спектральной полосе, которая соответствует ширине спектральной полосы, отличающейся от спектра электронного перехода пара металла/сплава;
b. активное волокно, выполненное с возможностью подавления нелинейностей, и
с. лазерные диоды, выполненные с возможностью накачки активного волокна, чтобы оно могло генерировать лазерное излучение с узкой спектральной полосой.
9. Волоконный лазер по п. 8, в котором металл/сплав представляет собой титан или титановый сплав.
10. Волоконный лазер по п. 8, в котором активное волокно представляет собой активное волокно с большой плотностью моды.
11. Волоконный лазер по п. 10, который выполнен с возможностью обеспечения многомодового выходного излучения.
12. Волоконный лазер по п. 8, в котором центральная длина волны узкой спектральной полосы находится в диапазоне от 1020 нм до 1090 нм.
13. Волоконный лазер по п. 8, в котором центральная длина волны узкой спектральной полосы находится в диапазоне от 1400 нм до 2100 нм.
 
Описание
Область техники настоящего изобретения
[0001] Настоящее изобретение относится к способам предсварочного анализа, а также к способам и лазерам для лазерной сварки металлов и металлических сплавов, в частности, титана или титановых сплавов, независимо от какого-либо защитного газа. В частности, настоящее изобретение относится к предварительному определению спектра электронного перехода пара металла в процессе сварки и к получению узкополосного волоконного лазера, где предотвращено оптическое взаимодействие лазерного пучка со спектром электронного перехода металлов и металлических сплавов.
Уровень техники настоящего изобретения
[0002] Сварка лазерным пучком представляет собой технологию сварки, которую используют для соединения множества металлических деталей с применением лазера. Однако сварочные дефекты, такие как трещины затвердевания, пористость, потеря (распыление) материала, бугорки и впадины (подрез), неполное проплавление, окрашивание (окисление) и т.д., в некоторых приложениях могут оказаться неприемлемыми по функциональным или эстетическим причинам. Двое из авторов настоящей заявки имеют предшествующий опыт создания сварочных решений сложных проблем сварки. Заявка PCT/US2010/050626 (далее называется «заявка 626»), которая была опубликована 05 апреля 2012 г. как WO 2012/044285 А1, и содержание которой во всей своей полноте включено в настоящий документ посредством ссылки, относится к применению волоконных лазеров для сварки титана с использованием защитного газа. Эта заявка описывает способ и систему для уменьшения загрязнения получаемого сварочного шва от плазмы, которую производит волоконный лазер. Согласно этой заявке загрязнение сварочного шва может быть уменьшено посредством уменьшения ширины полосы волоконного лазера, который воздействует на заготовку из титана или титанового сплава, что сокращает или устраняет оптическое взаимодействие между лазерным пучком и так называемым инертным буферным или защитным газом, предпочтительно аргоном. В этой заявке было предположено, что нагар образуется в результате взаимодействия излучения волоконного лазерного пучка с защитным газом, поскольку на предшествующем уровне техники используемый лазер Nd:YAG в сочетании с аргоном, представляющим собой буферный (защитный) газ, производил ограниченный нагар, если он вообще присутствовал.
[0003] В частности, заявка 626 относится к решению проблемы, заключающейся в том, что применение стандартного волоконного лазера приводит к неудовлетворительному оптическому качеству сварки по сравнению с лазером Nd:YAG (фиг. 1).
[0004] В заявке 626 было предположено, что этот эффект вызван взаимодействием лазерного излучения с электронными переходами защитного газа, наблюдаемыми при 1050,65 и 1067,36 нм (Ar) или при 1066,76 и 1082,91 нм (Не). Кроме того, в заявке 626 описано, что изменение центральной длины волны и уменьшение ширины линии излучения лазера от 1070±5 нм до 1064±0,5 нм предотвращает взаимодействие с электронными уровнями защитного газа и в результате этого обеспечивает хорошее визуальное качество сварочного шва (фиг. 2).
[0005] В заявке 626 также описано, что длину волны лазерного излучения можно дополнительно регулировать, чтобы сокращать до минимума взаимодействие лазерного пучка с электронными уровнями ионов свариваемого материала в целях дальнейшего улучшения внешнего вида сварочного шва. Один из недостатков решения, предложенного в заявке 626, заключается в том, что волоконная лазерная система работает в определенной оптимальной конфигурации, включающей лазерный спектр, где учтены только эффекты взаимодействия лазерного излучения с электронными переходами защитного газа (например, аргона), а также с электронными уровнями ионов свариваемого материала.
[0006] Настоящая заявка утверждает, что предположение заявки 626 не является вполне правильным в отношении того, что нагар или другие отложения, которые производят окрашивание сварочного шва (в результате окисления, отложения частиц и аналогичных эффектов или их комбинаций), не вызваны взаимодействием ионов свариваемого материала или взаимодействием спектра лазера и спектра защитного газа. Тем не менее, для решения, представленного ниже в настоящем документе, все же требуются узкополосные волоконные лазеры, раскрытые в заявке 626.
[0007] Необходимость создания узкополосных устойчивых лазеров, предназначенных для обеспечения достаточной мощности, которые являются экономичными и простыми, привело одного из авторов настоящей заявки к разработке многомодовых лазеров, которые удовлетворяют указанным сложным требованиям. Как описано в заявке PCT/US2014/40454, которая была опубликована 11 декабря 2014 г. как WO 2014/197509 А1, и содержание которой во всей своей полноте включено в настоящий документ посредством ссылки, нелинейные эффекты могут вызывать нежелательное спектральное уширение спектра лазерного излучения, когда требуются повышенные плотности мощности.
[0008] Степень, в которой можно было бы модифицировать такие лазеры, все еще требуется исследовать, не говоря уже о том, будет ли достаточным для сварки качество излучения по сравнению с тем, что обеспечивает одномодовый лазер.
[0009] Соответственно, требуются улучшенная система и способ для предварительного выбора лазерного спектра в целях сварки металла/сплава, а также обеспечение соответствующего процесса сварки и волоконных лазеров, которые способны его осуществлять.
Краткое раскрытие настоящего изобретения
[0010] Настоящее изобретение предлагает способ предварительного выбора параметров процесса сварки металлов/сплавов независимо от спектральных свойств защитного газа. Этот способ предусматривает определение спектра электронного перехода пара металла/сплава посредством анализа спектра излучения процесса сварки металлов/сплавов с применением широкополосного источника энергии и выбор длины волны лазера и ширины линии вне спектра любого электронного перехода пара металла/сплава. Оказывается, что в определенных обстоятельствах спектры электронных переходов могут быть доступны в литературе, и описанная выше первая экспериментальная стадия может становиться необязательной.
[0011] Согласно настоящему изобретению способ предварительного выбора параметров процесса сварки металлов/сплавов независимо от спектральных свойств защитного газа предусматривает определение спектра электронного перехода пара металла/сплава посредством анализа спектра излучения процесса сварки металлов/сплавов с применением широкополосного источника энергии или получение этой информации из литературы и выбор длины волны лазера и ширины линии вне спектра любого электронного перехода пара металла/сплава. Однако если выбор длины волны лазера и ширины линии вне спектра любого электронного перехода пара металла/сплава оказывается невозможным, длину волны лазера и ширину линии модифицируют таким образом, чтобы сократить до минимума взаимодействия с линиями высокой осцилляторной силы. Следует отметить, что высокая осцилляторная сила обычно означает высокую вероятность поглощения фотона определенной длины волны.
[0012] Система металла/сплава, для которой может быть непосредственно полезным настоящее изобретение, представляет собой титан или титановый сплав, который может быть использован, например, в медицинских приложениях для изготовления медицинских устройств, где требуются чистые сварочные швы. Как описано ниже в настоящем документе, обход спектра пара титана в плазменном факеле приводит к сварочному шву, в котором практически отсутствуют отложения. Хотя в заявке 626 описано сокращение до минимума нагара, авторы заявки признают, что нагар и другие загрязнения могут вызывать окрашивание сварочного шва (в результате окисления, отложения частиц и аналогичных эффектов или их комбинаций), и, следовательно, используют термин «отложения» вместо термина «нагар».
[0013] Кроме того, настоящее изобретение предлагает способ создания сварочного шва металла/сплава в заготовке независимо от спектра защитного газа. Этот способ предусматривает выбор одного из ряда значений ширины спектральной полосы для обхода спектра электронного перехода пара металла/сплава. В частности, оказывается предпочтительным, что в способе создания сварочного шва металла/сплава в заготовке независимо от спектра защитного газа предусмотрены следующие стадии: выбор одного из ряда значений ширины спектральной полосы для обхода спектра электронного перехода пара металла/сплава; обеспечение спектрально устойчивого лазера с достаточной мощностью для создания сварочной ванны с одним из вышеупомянутых значений ширины спектральной полосы и достаточное воздействие выходного излучения вышеупомянутого лазера на заготовку для создания сварочного шва. Очевидно, что для этого необходима практика вышеупомянутого анализа перед выбором.
[0014] Для осуществления сварки необходимо иметь спектрально устойчивый лазер с достаточной мощностью для создания сварочной ванны с одним из вышеупомянутых значений ширины спектральной полосы, причем мощность выходного излучения должна быть достаточной для создания сварочного шва.
[0015] Особенно предпочтительным является металл/сплав, который представляет собой титан или титановый сплав.
[0016] Согласно другому предпочтительному варианту осуществления способа создания сварочного шва металла/сплава сварочный шов отличается практическим отсутствием окрашивания от плазменных отложений.
[0017] Кроме того, оказывается предпочтительным наплавочный валик, который отличается практическим отсутствием неоднородностей геометрической высоты или ширины. Наплавочные валики обладают более или менее периодическими колебаниями высоты вдоль линии лазерной сварки. Указанные неоднородности вызваны колебаниями теплового потока в процессе затвердевания материала в условиях значительного воздействия колебаний поглощенного лазерного излучения.
[0018] Согласно следующим предпочтительным вариантам осуществления способа создания сварочного шва металла/сплава на обнаруженные в режиме реального времени сигналы от процесса сварки практически не воздействуют связанные с поглощением помехи. Обнаружению сигнала в течение процессов сварка мешают сигналы, поступающие от взаимодействия факела пара металла с лазерным излучением. Таким образом, уменьшение поглощения в факеле пара значительно увеличивает качество обнаружения сигнала. Последнее обеспечивает уменьшение интенсивности или даже устранение присутствия сигнала.
[0019] Хотя осуществленные до настоящего времени эксперименты относятся к применению титана и титановых сплавов, настоящее изобретение не ограничено только указанными материалами. Предусмотрено, что физические принципы титановых факелов, описанных в настоящем документе, применимы к другим материалам или системам на основе металлов/сплавов.
[0020] Главная идея настоящего изобретения заключается в том, чтобы избегать создания сварочных швов, страдающих от окрашивания, которое возникает вследствие отложения выбросов из плазмы. Как четко показывают экспериментальные результаты, регулирование спектра лазера таким образом, чтобы обходить пар металла/сплава, приводит к иной геометрии факела, чем в случае взаимодействия.
[0021] Настоящее изобретение также предлагает узкополосный волоконный лазер, в частности, многомодовый волоконный лазер с устойчивым пучком узкополосного излучения, который модифицирован таким образом, чтобы производить лазерный пучок с необходимыми параметрами. Этот волоконный лазер содержит волоконную брэгговскую решетку, предварительно выбранную, чтобы генерировать выходное излучение в заданной узкой спектральной полосе, где узкая ширина полосы соответствует ширине спектральной полосы, которая обходит спектр электронного перехода пара металла/сплава, как определено выше в настоящем документе; активное волокно, выполненное с возможностью подавления нелинейностей; и диодные лазеры, выполненные с возможностью накачки активного волокна таким образом, чтобы оно могло генерировать лазерное излучение в узкой полосе. Подавление нелинейностей представляет собой важный аспект настоящего изобретения, поскольку лазер должен надежно излучать в узкой полосе, и в одномодовых лазерах предшествующего уровня техники, выполненных с такой возможностью, требуются дополнительные компоненты для осуществления этой задачи. Как упомянуто выше, экономичный и простой пример такой узкополосной волоконной лазерной системы можно найти в международной заявке PCT/US2014/40454, которая была опубликована 11 декабря 2014 г. как WO 2014/197509 А1, и содержание которой определенно включено в настоящий документ посредством ссылки, чтобы избежать повторов.
[0022] Вкратце, в заявке PCT/US2014/40454 раскрыт осциллятор, имеющий конфигурацию Фабри-Перо. В частности, конфигурацию описанного осциллятора составляет имеющее множество поперечных мод или просто многомодовое (ММ) активное волокно со ступенчатым изменением показателя преломления. Противоположные концы активного волокна присоединены к соответствующим многомодовым пассивным волокнам. Резонирующая полость определена между двумя многомодовыми волоконными брэгговскими решетками, вписанными в соответствующие сердцевины многомодовых пассивных волокон. Как известно, одна из основных причин уширения линий одномодовых (ОМ) волоконных лазеров представляет собой присутствие так называемых нелинейных эффектов (НЛЭ), таких как комбинационное рассеяние и четырехволновое смешение, которые становятся более выраженными при увеличении мощности. Порог для НЛЭ может снижаться посредством увеличение диаметра сердцевины и длины полости. Следовательно, многомодовые волокна, имеющие сердечники большого диаметра и полости малой длины, отличаются относительно узкими спектральными линиями.
[0023] Кроме того, в этом случае оказывается предпочтительным, что металл/сплав представляет собой титан или титановый сплав.
Полное содержание статьи: https://yandex.ru/patents/doc/RU2730346C1_20200821

Рекомендуем для Вас


© Интернет журнал "ЛАЗЕРНЫЙ МИР", 2019
Напишите нам:
laser.w@yandex.ru

Back to Top