ОБУЧАЮЩАЯ ПРОГРАММА САМАЯ СОВРЕМЕННАЯ – ЛАЗЕРНАЯ

ОБУЧАЮЩАЯ ПРОГРАММА САМАЯ СОВРЕМЕННАЯ – ЛАЗЕРНАЯ ТЕХНИКА Лазерная сварка – новые возможности для ремесел и промышленности EXIT вперед

ОГЛАВЛЕНИЕ Из истории Сущность и типы лазерной сварки Когерентное излучение Разница между пространственной и временной когерентностью Степени когерентности Принципы работы твердого лазера Принципы работы газового лазера Преимущества и недостатки технологии Основные области применение Заводы производящий новейшее оборудование Новейшее оборудование Тенденции Контроль знаний Критерии оценивания назад EXIT вперед

Впервые… Термин "лазер" происходит от первых букв английской фразы: "Light amplification by the stimulated emission of radiation", что означает в переводе: «Усиление света посредством индуцирования эмиссии излучения". Академик Н. Г. Басов, удостоенный в 1964 г. совместно с академиком А. М. Прохоровым и американским ученым Ч. Таунсом Нобелевской премии за теоретическое обоснование и разработку лазеров, так характеризует лазер: "Это устройство, в котором энергия, например тепловая, химическая, электрическая, преобразуется в энергию электромагнитного поля - лазерный луч. При таком преобразовании часть энергии неизбежно теряется, но важно то, что полученная в результате лазерная энергия обладает несравненно более высоким качеством. Качество лазерной энергии определяется ее высокой концентрацией и возможностью передачи на значительное расстояние". MENU назад EXIT вперед

Сущность лазерной сварки v При облучении поверхности тела светом энергия квантов (порций) света поглощается этой поверхностью. Образуется теплота, температура поверхности повышается. Если световую энергию сконцентрировать на малом участке поверхности, можно получить высокую температуру. На этом основана сварка световым лучом оптического квантового генератора - лазера. v Лазерный луч по сравнению с обычным световым лучом обладает рядом свойств – направленностью, монохроматичностью и когерентностью. v Если обычный «белый» свет состоит из лучей с различными частотами, то лазерный луч является монохроматичным – имеет определенную частоту и длину волны. За счет этого он отлично фокусируется оптическими линзами, поскольку угол преломления луча в линзе постоянен. v Для лазерной сварки обычно используются следующие типы лазеров: ü твердотельные ü газовые – с продольной или поперечной прокачкой газа, газодинамические. Схема процесса лазерной сварки приведена на рисунке 1. Рисунок 1. Схема процесса MENU назад EXIT вперед лазерной сварки

Когерентное излучение v Когерентность является одним из важнейших понятий в области оптики и имеет самое прямое отношение к способности света проявлять интерференционные эффекты. v Световое поле называется когерентным, когда есть фиксированная связь фаз между значениями электрических полей в разных местах или в разное время. Частичная когерентность означает, что есть некоторые (хотя и не идеальные) корреляции между значениями фаз. Существуют различные способы количественной оценки степени когерентности, как описано ниже. v Пространственная и временная когерентность: • Временная когерентность означает сильную корреляцию между электрическими полями в одном месте, но в разное время. • Лазеры могут излучать пучки света с очень высокой пространственной когерентностью, и это, пожалуй, самое принципиальное различие между лазерным излучением и излучением от других источников света. Высокая пространственная когерентность возникает из-за существования мод резонатора, которые определяют в пространстве коррелированные модели поля. В ситуациях, когда только одна мода резонатора имеет достаточное усиление для возникновения генерации, может быть выбрана только одна продольная мода для получения одночастотной генерации лазера, также с очень высокой временной когерентностью. MENU назад EXIT вперед

Разница между пространственной и временной когерентностью q На рисунке справа 2 показана разница между пространственной и временной когерентностью. v На верхнем рисунке 2 показан монохроматический гауссов пучок, демонстрирующий идеальную пространственную и временную когерентность. v На среднем рисунке 2 показан пучок с высокой пространственной когерентностью, но с маленькой временной когерентностью. Волновые фронты образованные выше, и качество пучка по- прежнему очень высоки, но амплитуда и фаза луча изменяется вдоль направления распространения. Обратите внимание, что амплитуды и расстояния между фронтами могут варьироваться в некоторой степени. Такой пучок может быть создан, например, при генерации суперконтинуума. v На нижнем рисунке 2 показан лазерный луч с плохой пространственной когерентностью, но с высокой временной когерентностью. Волновые фронты деформируются, иэто приводит к высокой расходимости пучка и низкому качеству луча. С другой Рисунок 2. Разница стороны, пучок монохроматичен , так что расстояние между деформированными фронтами остается постоянным. Такой пучок пространственной и может быть получен при прохождении излучения одночастотного временной когерентности лазера через оптически неоднородные материалы. MENU назад EXIT вперед

СТЕПЕНИ КОГЕРЕНТНОСТИ v Существуют различные способы количественной оценки степени когерентности: § Корреляционные функции указывают степень корреляции в зависимости от пространственной или временной дистанции. § Контраст интерференционной картины , образованной наложением двух лучей, характеризует их степень когерентности. § Время когерентности определяется как время, при котором когерентность теряется. § Длина когерентности равна длине когерентности, умноженной на скорость света в вакууме. Она также характеризует временную когерентность (не пространственную!) вдоль того пути распространения, на котором эта когерентность теряется. § Ширина спектральной линии одночастотного лазера также сильно зависит от временной когерентности: узкая ширина спектральной линии (высокая монохроматичность) означает высокую временную когерентность. MENU назад EXIT вперед

Принципы работы твердого лазера Схема твердотельного лазера приведена на рисунке 3 (представлен ниже). В качестве активного тела используется стержень из рубина, стекла с примесью неодима ( Nd - Glass ) или алюмо-иттриевого граната, легированного неодимом ( Nd - YAG ) либо иттербием ( Yb - YAG ). Он размещается в осветительной камере. Для возбуждения атомов активного тела используется лампа накачки, создающая мощные вспышки света. Рисунок 3. Схема твердотельного лазера По торцам активного тела размещены зеркала – отражающее и частично прозрачное. Луч лазера выходит через частично прозрачное зеркало, предварительно многократно отражаясь внутри рубинового стержня и таким образом усиливаясь. Мощность твердотельных лазеров относительно невелика и обычно не превышает 1– 6 к. Вт. Твердотельными лазерами в связи с их небольшой мощностью свариваются только мелкие детали небольшой толщины, обычно объекты микроэлектроники. Катод представляет собой трубку длиной 2 мм, диаметром 1, 8 мм, толщиной стенки 0, 04 мм. К трубке привается донышко толщиной 0, 12 мм, материал изделия – хромоникелевый сплав. Сварка таких мелких деталей возможна за счет высокой степени фокусировки луча и точной дозировки энергии путем регулировки длительности импульса в пределах 10 -2– 10 -7 с. MENU назад EXIT вперед

Принципы работы газового лазера Более мощными являются газовые лазеры, в которых в качестве активного тела используют смесь газов, обычно СО 2+ N 2+Не. Схема газового лазера с продольной прокачкой газа приведена на рисунке 4. Газ из баллонов прокачивается насосом через газоразрядную трубку. Для энергетического возбуждения газа используется электрический разряд между электродами. По торцам газоразрядной Рисунок 4. Газовый лазер с продольной трубки расположены зеркала. Электроды прокачкой газа подключены к источнику питания. Лазер охлаждается водяной системой. Недостатком лазеров с продольной прокачкой газа являются их большие габаритные размеры. Поперечной прокачкой газа (см. рисунок 5) позволяют достичь общей мощности 20 к. Вт и больше, что дает возможность сваривать металлы толщиной до 20 мм с достаточно высокой скоростью, около 60 Рисунок 5. Газовый лазер с поперечной м/ч. прокачкой газа MENU назад EXIT вперед

ПРЕИМУЩЕСТВО И НЕДОСТАТКИ Важнейшим преимуществом лазерной сварки твердотельными лазерами является возможность очень точной дозировки энергии, поэтому удается обеспечить получение качественных соединений при изготовлении очень мелких деталей. Для мощных газовых лазеров преимуществом является получение большой глубины проплавления при малой ширине шва. Это позволяет уменьшить зону термического влияния, сократить сварочные деформации и напряжения. Кроме того, лазерная сварка обладает рядом преимуществ , не присущих другим способам сварки. Лазер может быть расположен на достаточно большом удалении от места сварки, что в ряде случаев дает существенный экономический эффект. Например, известна установка для лазерной сварки при ремонте трубопроводов, проложенных по дну водоема. Внутри трубы перемещается тележка с вращающимся зеркалом. Лазер же находится у конца секции трубопровода и посылает луч внутри трубы. Это позволяет осуществлять лазерную сварку, не снимая с трубопровода балласт и не поднимая его на поверхность. Легкость управления лазерным лучом с помощью зеркал и волоконной оптики позволяет осуществлять сварку в труднодоступных, иногда не находящихся в пределах прямой видимости местах. Возможна также лазерная сварка нескольких деталей от одного лазера расщепленным с помощью призм лучом. Недостатками лазерной сварки являются высокая сложность и стоимость оборудования, низкий КПД лазеров. По мере развития лазерной техники эти недостатки устраняются. MENU назад EXIT вперед

ОСНОВНЫЕ ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЕ Точное машиностроение. Точная сварка металлических деталей. Изготовление матриц и пресс-форм. Ремонт поверхностных дефектов и пустот любой оснастки от небольших пресс-форм до массивных матриц. Медицинские технологии. Сварка хирургических инструментов пассивных и активных имплантатов, эндоскопических компонентов. Сенсорные технологии. Сварка термоэлементов, измерительных датчиков и мембран манометров. Работы с листовым металлом. Сварка корпусов для электрооборудования, частей электробытовых приборов из нерж. стали, архитектурных элементов и скульптур. MENU назад EXIT вперед

ЗАВОДЫ ПРОИЗВОДЯЩИЕ НОВЕЙШЕЕ ОБОРУДОВАНИЕ WD лазер компания “Aramis” фирма «ТЕТА» КВАНТ Laser. Star Standard Fronius Ukraine Альт Лазер, ООО 3 D Jewel, ООО MENU назад EXIT вперед

Новейшее оборудование Установка лазерной сварки металла GM 7 Высокотехнологичное решение для сварки металла, позволяющее получать высочайшее качество шва. Максимальная надежность и производительность. Установка лазерной сварки металла GM 7 является высокотехнологичным инструментом, предназначенным для автоматической точечной и шовной сварки по произвольному контуру. Комплекс позволяет обеспечить высокую прочность и надежность сварного соединения. Стандартный комплект поставки: üИмпульсный ND: YAG лазер(или полупроводниковый), имеющий широкий диапазон регулирования для управления энергией, формой и длительностью импульса, а также частотой повторения. üОптическая система, состоящая из унифицированного модуля силовой оптики и телевизионной системы контроля, в комплекте со сменными силовыми объективами для резки и сварки. üОпорный каркас. üЗащитная камера. üПульт управления и управляющая педаль, набор индикаторов, компьютер. üСистема охлаждения. üПневматическая система. üОпциональный вращающийся стол. MENU назад EXIT вперед

Технические характеристики станка лазерной сварки металла GM 7 Параметры Ед. изм. Значение Тип лазера ND: YAG, полупроводниковый Форма импульсов прогр. Размер пятна в зоне обработки мм 0, 2 -2 Средняя мощность излучения Вт 100, 200, 400, 700, 1000 Кинематическая схема Портальная, Крестовый стол Базовые варианты размеров поля обработки мм 150× 150; 250× 250; 600× 800; 1250× 800 Тип привода координат X, Y линейный Тип привода координаты Z Сервопривод Точность позиционирования по координате Х мм ± 0. 01 Точность позиционирования по координате Y мм ± 0. 01 Максимальная скорость перемещения мм/мин 60000 Тип охлаждения автономное Напряжение питания ~380± 18%; 50 Гц; 3 -фазы Масса комплекса кг 800 Срок службы установки до списания, не менее лет 10 Гарантийный срок мес. 12 Свариваемые материалы: черная и нержавеющая сталь, алюминий, медь и другие металлы и сплавы , в том числе тугоплавкие, такие как титан и т. д. Высокая контролируемость процесса сварки позволяет получать шов наиболее высокого качества Область применения: машиностроение, автомобилестроение, легкая промышленность, изделия электронной техники, точного приборостроения, медицинские изделия. MENU назад EXIT вперед

ТЕНДЕНЦИИ Управление и контроль параметров процесса сварки со сложными изменениями циклов тока при любом способе сварки могут обеспечить электронная аппаратура и компьютеры Электронный контроль повышает гибкость работы источника питания, позволяя легко использовать его особенности для различных процессов сварки Высокая скорость реакции источника питания позволяет оперативно управлять процессом сварки MENU назад EXIT вперед

Контроль знаний 1. В каком году академик Н. Г. Басов совместно с академиком А. М. Прохоровым и американским ученым Ч. Таунсом получил Нобелевскую премию? 1) 1960; 2) 1965; 3) 1964. 2. Основные физические процессы при взаймодествии лазерного излучения с веществами. 1) тепловое; 2) химическое; 3) световой луч. 3. Одно из свойств преобладания лазерной сварки над световым лучом. 1) монохроматичностью; 2) давление; 3) когерентностью. 4. Типы лазерной сварки 1) твердотелые; 2) газовые; 3) твердотелые и газовые. MENU назад EXIT вперед

Контроль знаний 5) Какие существуют способы оценки степени когерентности? 1) пространственные; 2) часовые; 3) временные. 6) Что называют поглощением света вещества? 1) атом с уровня элемент 2 переходит уровень 1 с испусканием фатона; 2) атом находиться на уровне элемента 1 поглощает фатон переходит на элемент 2 с высоким запасом энергии; 3) атом вещества находиться на элементе 2 испускает фатон и перходит на элемент 1 с высоким запасом энергии. 7) Виды оценки степени когерентности. 1) время, температура, контраст; 2) время, текучесть, давление; 3) время, длина, контраст, ширина. 8) Один из недостатков газового лазера с продольной прокачкой газа. 1) большие габаритные размеры; 2) маленькое вакуумирование; 3) маленькая скорость сварки. MENU назад EXIT вперед

Контроль знаний 9) Основные преимущества лазерной сварки. 1) низкое КПД; 2) легкость управления лучом; 3) большие габаритные размеры. 10) Для чего предназначена установка GM 7. 1) автоматическая точечная и шовная сварка с контролированным контуром; 2) шовная сварка с контролированным контуром; 3) автоматическая точечная и шовная сварка с произвольным контуром.

Критерии оценивания ПРОВЕРЬ СВОИ ЗНАНИЯ ЗАДАНИЕ№ КЛЮЧ К ТЕСТУ 1 3 2 3 1, 3 4 3 5 1, 3 6 2 7 3 8 1 9 1, 2 10 3 ОБРАБОТКА ТЕСТОВ КОЛИЧЕСТВО ПРАВИЛЬНЫХ ОТВЕТОВ ОЦЕНКА 10 -9 5 8 -7 4 6 -5 3 и менее 2 MENU назад EXIT