Електронно-променеве та лазерне зварювання, Навчальні матеріали

При електронно-променевому та лазерному зварюванні використовують променеві джерела енергії. При ЕЛС носієм енергії є електрони, при лазерній – фотони.

Характерною ознакою для променевих джерел є висока густина енергії в плямі нагріву. Концентрація потоку енергії досягається спеціальними фокусуючими пристроями. Площа нагріву може бути порівняно з дугою в 1000 разів меншою за щільності енергії в 1000 разів більшою. При використанні фотонного променя ця різниця ще значніша.

Висока щільність енергії в малій плямі нагрівання визначає основні переваги при зварюванні електронним променем та лазером: - вигідна форма проплавлення (ножова, кинджальна); - Можливість отримання прецизійних сполук; – зварні з'єднання виходять зі сприятливою структурою та властивостями, особливо з високоміцних сталей зі зниженою тріщиностійкістю.

Схеми процесу, переваги, недоліки та сфера застосування

Електронно-променеве зварювання– зварювання плавленням, при якому нагрівання металу здійснюється електронами, що швидко рухаються у вакуумі. Електронний промінь створюється в електронній гарматі із високовольтним джерелом постійного струму. Вакуум порядку до 133 · 10 -4 Па забезпечується вакуумною насосною системою.

Основні параметри режиму ЕЛС - сила струму, напруга електронного променя, швидкість зварювання. Потужність джерел енергії становить від 2 кВт до 60 кВт, що дозволяють виконувати зварювання під час використання малої потужності виробів мікроелектроніки, за великих потужностей – для зварювання великих товщин до 200…500 мм.

Лазерне зварювання– для місцевого розплавлення частин, що з'єднуються, використовують енергію світлового променя, отриманого від оптичного квантового генератора-лазера. Фотон є елементарноючастинку, порцію світла, що має нульову масу спокою і рухається зі швидкістю, що дорівнює швидкості світла у вакуумі.

Переваги лазерного променя є можливість передачі енергії на великі відстані неконтактним способом, зварювання через прозорі оболонки, так як для світлових променів прозорі середовища не є перешкодами, отримання якісних сполук на металах, особливо чутливих до тривалої дії теплоти. Зварювання виконується на повітрі, у захисній атмосфері та вакуумі. Основний недолік – низькі значення ККД установок, висока вартість та недостатня потужність серійного обладнання. ЛЗ застосовується для з'єднання дрібних деталей.

У основі дії оптичних квантових генераторів та підсилювачів лежить індуковане випромінювання збуджених атомів, тобто. атомів, у яких значна кількість електронів переведено на верхній рівень. Такий стан називають станом із інверсною заселеністю рівнів. Воно може бути створене, наприклад, зовнішнім джерелом випромінювання з певною довжиною хвилі. Цей стан є нестійким і через деякий проміжок часу збуджений атом може спонтанно перейти в рівноважний стан і випромінювати енергію у вигляді фотонів. Поки атом перебуває у збудженому стані, можна стимулювати, тобто. спонукати випускати енергію під впливом зовнішнього фотона. Таке випромінювання називається індукованим і використовується у квантових підсилювачах. Випромінювачем служить рубін, силікатне або фосфатне скло з неодимом, ітрід-алюмінієвий та алюмонатрієвий гранат – з неодимом та ін.

Для зварювання металів використовуються твердотільні та газові лазери.

Твердотільні лазери мають середні потужності випромінювання, що досягають лише до сотень ват. Обмеження потужності пов'язані з малими лінійними розмірами штучнокристалів, що вирощуються, і їх низькою теплопровідністю, що ускладнює їх охолодження в лазерних установках.

Газові лазери, в яких як активне середовище використовується діоксид вуглецю СО2, здатні розвивати в даний час середню потужність від декількох сотень ват до десятків кіловат у безперервному та імпульсно-періодичному режимах роботи.

Особливістю лазерного випромінювання є можливість його легкого транспортування. За допомогою дзеркальних оптичних систем лазерний промінь можна спрямовувати у важкодоступні місця, подавати на значні відстані, одночасно або послідовно використовувати на кількох робочих місцях.

На відміну від електронного променя, дуги і плазми на лазерний промінь не впливають магнітні поля деталей, що зварюються, і технологічного оснащення, що дозволяє отримувати стійке якісне формування зварного шва по всій довжині.

У порівнянні з дуговим зварюванням плавленням лазерна має такі переваги:

За рахунок високої концентрації енергії та малої плями нагрівання об'єм зварювальної ванни у кілька разів менший. Цей фактор позитивно позначається на ряді характеристик зварного з'єднання: зниження ширини шва в 2...5 разів, обмежується тепловий вплив на метал, що зварюється, отримання швів з глибоким проплавленням, що дає можливість зменшити деформації деталей до 10 разів (дозволяє зменшити розміри допусків, економія часу на редагування, виключення механічної обробки після зварювання); малий обсяг розплавленого металу та специфічна форма шва покращує умови кристалізації зварних швів.
Гостро фокусування променя та можливість передачі його на значні відстані дозволяє вести зварювання у важкодоступних місцях, наприклад, у поглибленнях гофрованих конструкцій, внутрішніх порожнинта ін.
Жорсткий термічний цикл з високими швидкостями нагріву та охолодження дає можливість суттєво скоротити зону термічного впливу. Це дозволяє знизити ефект фазових та структурних перетворень у навколошовній зоні, що призводять до розміцнення; тріщиноутворення, зниження корозійної стійкості.
Процес зварювання здійснюється в атмосфері повітря, або в середовищі нейтральних захисних газів (Аr, Ge), в середовищі вуглекислого газу (СО2) та ін. Тому створюється можливість зварювання для з'єднання елементів конструкцій будь-яких габаритів.

Однак при зварюванні з присадного дроту (для легування або зниження вимог при складанні) необхідно забезпечувати точну з великою швидкістю подачу дроту Ø 1,0...1,5 мм у зону плавлення шириною 1,0...2,0 мм. К.п.д. лазерних установок вбирається у 10%.