Одно из основных задач изготовления деталей и узлов машин – повышение надежности, качества и эффективности технологического процесса специалисты сварочного производства пытаются решить за счет использования высококонцентрированных источников тепловой энергии, в частности, — энергии лазерного луча. Интерес к возможностям лазера привлек внимание сотрудников Института электросваривания им. Есть.А.Патона, Института металлургии им. Байкова, Московского высшего технического училища им. М.Е.Баумана и других организаций в В 1960-х годах, почти сразу же после создания первых промышленных установок на рубиновом ОКГ. Исследования, выполненные в ИЭС им. Есть.А.Патона, в МВТУ вместе с лазерным центром АН СССР в течение 1960-х гг. доказали перспективность разработки специальных технологических лазеров и технологий сварки металлов; в следующие годы были разработаны требования к сварочных установок, изучены процессы свариваемости конструкционных сталей, титановых и алюминиевых сплавов и др.
Было установлено, что лазер, как источник нагрева, характеризуют следующие технологические свойства: высокая концентрация энергии в пучке; практически безінерційна управление потоком тепловой энергии, что позволяет увеличить скорость и точность обработки материалов и полностью автоматизировать процесс; высокая точность фокусировка луча и большая скорость обработки, что обеспечивает минимизацию зоны нагрев и исключает температурные деформации; возможность делать обработку в труднодоступных местах, при сложных и прецизионных формах швов; возможность передачи лазерного луча на значительные расстояния с помощью оптической системы. Подробнее про технологию лазерной наплавки на страницах нашего специализированного сайта.
Испытания лазера рассматривается как процесс преобразование одной формы энергии в другую под действием определенного активной среды, способной под действием электрического разряда и ионизации «возбуждаться» и «выпускать» энергию в виде когерентных электромагнитных излучений. К таким сред относятся, например, кристаллы рубина, неодима в сочетании с другими полупроводниковыми материалами, плавиковая кислота и газовую среду. По этим признаках лазеры подразделялись соответственно на твердотільни, жидкостные (химические), полупроводниковые, газовые и лазеры на свободных электронах.
В 1969г. в СССР начался серийный выпуск сварочной установки СЛС-10-1 с энергией излучения до 10Дж и длительностью импульса 2-4мс. Мощности лазера было достаточно только для проплавления листов толщиной менее 0,4 мм. Первые опыты с этими и более мощными лазерами показали, что добиться удовлетворительного качества трудно необходимы широкие исследования процессов сварки и дальнейшее совершенствование установок. Аналогичная ситуация сложилась и за рубежом. Повысить мощность и частоту посылок импульсов до нескольких десятков герц удалось в установках с кристаллы иттрий — алюминиевого граната, легированного неодимом. Первые промышленные установки серии «Квант» позволяли осуществлять шовной сварки (с перекрытием точек) изделий небольшой толщины и применялись для герметизации электронных приборов. Модернизация установок этого типа привела к повышению мощности и увеличению частоты. (Так, «Квант-16» работал в импульсном режиме с энергией излучения до 30Дж и частотой 0,5 Гц с фокусировкой в пятне диаметром к 1 мм). В 1970-х гг. был начат выпуск ИАГ-Лазеров непрерывного излучения и возможности лазерной сварки значительно расширились. Однако наиболее перспективными оказались газоразрядные Со 2-лазеры. Использование лазеров этого типа приняли ориентацию металлообрабатывающие фирмы. Уже к началу 1980-х гг. выходная мощность лазерных установок в лучи превысила 500Вт. Характерной чертой газовых импульсных лазеров есть высокая мощность излучения в импульсе, достигающей тысяч кВт, небольшая продолжительность излучения в импульсе и несложной конструкции разрядной системы. В сравнении с другими системами, разработанными до конца 1970-х гг., эти лазеры более надежны, экономичны и имеют меньшие габариты. Возможность получения соединений удовлетворительного качества доказана рядом экспериментов. С 1981 г. в СССР начали выпускать твердотельные лазеры непрерывного действия типа ЛТН. Это существенно расширило диапазон возможностей твердотельных лазеров в промышленности, особенно для термоупрочнення инструмента и резки тонколистовых материалов.
Лазерный технологический комплекс включает собственно лазер, прецизионные исполнительные механизмы для перемещения детали и луча, систему управления с использованием ЭВМ, что позволяет автоматизировать процесс подготовки программ, контролировать и при необходимости корректировать режим работы. Для управления распределением интенсивности лазерного луча можно использовать гомогенезируючего устройства, расщепляющие поступающего луч на несколько лучей, после чего их можно складывать или отсекать с помощью диафрагмы только лучи с необходимой интенсивностью. Наибольшими техническими возможностями обладают установки с множеством Nd-Аиг-лазеров и головок, фокусуючего лучи. С помощью приводов, оптоволоконных світоводів и линзовых блоков можно выбирать лучей с различными направлениями поляризации и длиной волны, суммировать мощность лучей, объединять по группам [7]. Одной из существенных особенностей лазерного луча является концентрированный характер энергии, в результате чего металлургические процессы протекают в микрообъемах практически мгновенно. Исследовано влияние защитных газов (He, Ar, N2 , CO2, O2) и их двойных смесей на формирование и размеры однослойных швов, выполненных лазерной сваркой на стали перлітного и аустенитного классов. Определены составы защитных газов, что обеспечивают высокое проплавление и качество швов.
