Сварка - Евгений Банников

Различают следующие виды плазменной технологии:

• плазменная сварка со сквозным проплавлением (толщина материала свыше 3 мм);

• плазменная сварка плавлением (толщина материала 1–3 мм);

• микроплазменная сварка (толщина материала 0,01–1 мм).

На рисунке 10 представлена конструкция микроплазменной горелки.

Оборудование для плазменно-дуговой сварки, резки, напыления:

• источник питания плазменной дуги с вертикальной вольт-амперной характеристикой;

• плазменная горелка-плазмотрон;

• системы подачи газа и охлаждения горелки;

• порошковый питатель (для напыления);

• устройства перемещения и фиксации деталей;

• система приточно-вытяжной вентиляции.

Преимущества плазменной технологии:

• высокая концентрация теплоты;

• высокая стабильность горения, что обеспечивает лучшее качество сварных швов;

• возможность сварки металлов до 10 мм без разделки кромок и применения присадочных материалов;

• возможность вести сварку на низких токах 0,1–25 А, в режиме микроплазменной сварки листов металла толщиной 0,01–0,8 мм;

• при увеличении тока дуги и расхода газа проникающая плазменная дуга позволяет вести резку любых современных материалов;

• введением в плазменную дугу присадочных металлов производят напыление, наплавку любых металлов, от легкоплавких и до тугоплавких;

• возможность сваривать металлы с неметаллами;

• минимальная, по сравнению с другими способами, зона термического влияния;

• более низкие термические деформации по сравнению с другими видами сварки;

• возможность обработки (сварка, напыление, резка) тугоплавких, жаропрочных металлов;

• пониженный расход защитных газов по сравнению с аргонно-дуговой сваркой;

• высокотехнологичный процесс, возможность автоматизации.

Рис. 9.

Схема получения плазменных источников нагрева:

а – плазменная струя, выделенная из дуги; б – плазменная дуга, совмещенная с плазменной струей.

Рис. 10. Конструкция микроплазменной горелки:

1 – корпус горелки; 2 – втулка керамическая; 3 – зажимная цанга; 4 – вольфрамовый электрод; 5 – металлическое сопло; 6 – керамическое сопло; 7 – металлический корпус (неразъемный); 8 – керамическая изоляционная втулка; 9 – пружина; 10 – верхняя часть корпуса; 11 – кольцо опорное; 12 – гайка для зажима цанги; 13, 14 – винт и головка для регулировки зазора; 15 – защитный колпачок; 16 – кнопка для перемещения электрода к соплу.

Недостатки плазменной технологии:

• высокочастотный шум в комбинации с ультразвуком;

• электромагнитное излучение оптического диапазона (УФ, ИК, видимый спектр);

• ионизация воздуха;

• выделение паров материала в виде аэрозолей;

• недолговечность сопла плазменной горелки вследствие высокотемпературной нагрузки;

• сложность аппаратуры требует подготовки высоко-квалифицированного персонала.

Лазерная сварка

Лазер или ОКГ – оптический квантовый генератор когерентного монохроматического излучения. Что означают эти понятия? Придется вспомнить физику.

Современные понятия в физике наделяют элементарные частицы света (фотоны) свойствами либо волны, либо корпускул (частиц), так как свет проявляет свойства волны в одном случае – при явлениях интерференции и дифракции. В другом случае свет проявляет квантовые свойства. Например, в случае явления фотоэффекта о свете можно говорить, что он состоит из частичек, т. е. квантов. Однако квантовый и волновой подходы к природе света не противоречат свойствам света, а успешно дополняют друг друга.

В соответствии с постулатами квантовой физики любое вещество состоит из атомов и молекул. Каждая система атомов (молекул) обладает изначально запасами внутренней энергии. Атомы и молекулы вещества образуют так называемые микросистемы.

Микросистемы подчиняются законам квантовой механики и обладают основным свойством квантовых систем – дискретностью (т. е. прерывистостью) их энергетических состояний. Иначе говоря, энергия этих микросистем изменяется как бы скачками и принимает лишь некоторые определенные значения – энергетические уровни. Атомы (молекулы) веществ в микросистемах тоже находятся на определенных уровнях энергии, а переход с одного уровня на другой совершается мгновенно, скачком. Переход атома на верхний уровень сопровождается поглощением фотона света (т. е. кванта), а при переходе атома на нижний уровень энергии – выбросом фотона света или его испусканием. При этом энергия поглощенного испускаемого фотона равна разности энергий уровней атома, между которыми совершается квантовый скачок.

При естественных условиях атомы вещества самопроизвольно (спонтанно) переходят с уровня на уровень, излучая или поглощая кванты света – фотоны, например, при излучении света в электрической лампочке.

Предположим, имеется вещество, состоящее из атомов с энергетическими уровнями Е1, и Е2, причем Е1 меньше Е2. При облучении вещества, атомы которого находятся на уровне Е2, фотонами с энергией Е=(Е2 – Е,) атомы вещества могут перейти обратно на уровень Е1. При переходе происходит выброс фотонов, т. е. вынужденное излучение света. Появившийся новый фотон света будет точной копией того фотона, который вызвал его появление. Это явление и есть когерентность. Далее появление нового фотона света приводит к образованию двух таких же фотонов (рис. 11).

Рис. 11.

Схема поглощения кванта света (а) и вынужденного испускания света (б)

При определенных условиях, если среда является активной, процессы вынужденного излучения фотонов преобладают над процессами поглощения, процесс переходит в лавинообразное испускание вторичных фотонов. Но фотоны света испускаются во всех направлениях. Чтобы упорядочить процесс генерации лазерного излучения в заданном направлении, используют оптические резонаторы. Оптический резонатор – это два зеркала с общей оптической осью, которая фиксирует в пространстве направление лазерного луча.

Направление генерации лазерного излучения обозначено на рис. 12 стрелкой.

Рис. 12.

Развитие фотонной лавины вдоль оси резонатора О—О:

а – начало процесса; б – конец процесса

Спонтанные фотоны, случайно родившиеся в направлении О—О, будут проходить внутри активного элемента относительно длинный путь, который многократно увеличивается вследствие отражения от зеркал резонатора. Взаимодействуя с возбужденными активными центрами, эти фотоны, набирая энергию, инициируют мощную лавину вынужденно испущенных фотонов, которые образуют лазерный луч. Спонтанные фотоны, которые родились в других направлениях, равно как и соответствующие им лавины вторичных фотонов, пройдут внутри активного элемента сравнительно короткий путь и выйдут за его пределы.

Таким образом, зеркала оптического резонатора выделяют в пространстве определенное направление, вдоль которого реализуются наиболее благоприятные условия для развития фотонных лавин. Это и есть направление лазерного луча, который выходит из резонатора через одно из зеркал. Для облегчения процесса выхода одно из зеркал делают частично прозрачным для лазерного излучения.

Принципиальная схема лазера проста и показана на рисунке 13.

Теперь осталось ответить на вопрос о монохроматичности лазерного излучения.

По-гречески – «монос» означает «один», а «хромос» значит цвет. Таким образом, монохроматичность означает, что луч лазера – одноцветный. В физическом плане высокая монохроматичность проявляется в том, что луч лазера имеет практически одну длину волны. Элементарные волны света («волновые цуги») кроме монохроматичности идеально когерентны, т. е. распространяются в одном и том же направлении, имеют одинаковую длину волны и находятся в фазе друг с другом.

Высокая степень когерентности позволяет сфокусировать лазерный луч в пятно, равное длине волны излучения – т. е. порядка 1–10 микрон.

Если мощность лазера, например на основе СО2–1 кВт, сфокусировать на площадке диаметром в 1 мм, то получим интенсивность лазерного луча 105 Вт/см2.

Эта очень высокая концентрация тепловой энергии позволяет испарять все земные элементы и естественно сваривать при определенных условиях металлы. Современные лазерные установки способны выстреливать эту колоссальную мощность за доли секунды в импульсе.