CCBot/2.0 (http://commoncrawl.org/faq/)
Главная   Информационные статьи   Индустрия   Лазерная сварка: технологии современности и будущего

Лазерная сварка: технологии современности и будущего

Добавлено: 13.05.2009

Лазерная сварка: технологии современности и будущего

Согласно инновационному подходу во многих производственных отраслях предпочтение отдается недавно разработанным материалам –  лучше один раз вложить миллионы, чем десятилетия тратить миллиарды на старые технологии. Универсальные пластики, демонстрирующие отменные механические показатели в широком температурном диапазоне, постепенно вытесняют дорогие сплавы. И дело тут не в меньшем весе, а в экономных с энергетической точки зрения технологиях. В эпоху перехода на новые энергоносители, огромное значение отдается внедрению в производство пластика, что зачастую делает невозможным использование обычных технологий сварки.

Лазерная сварка

История развития лазеров и сварки на их основе демонстрирует довольно редкий в научном мире факт: рубиновое сердце, впервые использованное в 1960 году для импульсной накачки, активно используется спустя почти полвека. Сегодня в большом количестве можно встретить лазеры, где в качестве залежи квантов используется жидкость или газ, как предложил Али Яван, однако твердотельные аппараты продолжают удерживать позиции.

Современные твердотельные генераторы накачки используют в качестве активной среды все тот же рубиновый стержень из окисленного алюминия с примесью хрома и обрамленный с двух сторон серебряными стеклами. Тыловая решетка на основе серебра непрозрачна для испускаемых квантов, а фронтальная – обеспечивает эффект полупроницаемости. Возбужденные электрическим током ионы хрома испускают кванты света, которые по достижению определенной концентрации циркулируют внутри замкнутого пространства и выводят на новый энергетический уровень все новые ионы. В конечном счете, наиболее мощные твердотельные установки дают лазерное излучение сечением в квадратный сантиметр и мощностью до 100 ватт, разогревая металлическую поверхность до миллиона градусов. Конечно, в большинстве случаев используются менее мощные агрегаты с диаметром квантового потока 0,1 мм, но даже они не смогли противостоять банальному клею.

Рубиновое сердце, впервые использованное в 1960 году для импульсной накачки, активно используется спустя почти полвека

В основе технологии трансмиссионной сварки усовершенствованных пластмасс лежит использование двух типов пластиковых листов и инфракрасного излучения: прозрачный материал ложится наверх, поглощающий слой становится подложкой,  разогревание происходит на месте стыка. Это достаточно удобно, ведь верхний прозрачный слой может быть любой толщины, но трансмиссионная сварка внахлест может применяться далеко не всегда. В итоге, внедрение пластмассы затруднялось тем, что лазерное излучение в достаточной мере не поглощается непрозрачными пластиками, процент коих достаточно велик. Лучшие умы США, Германии, Великобритании бились над усовершенствованием генератора накачки, увеличением КПД и внедрением газово-импульсной технологии.

А русские ученые нашли ответ буквально «на поверхности». На практике лазерное излучение может проникать в непрозрачные тела, демонстрируя при определенных условиях на линии раздела сред эффект самофокусировки. За счет объединения нескольких квантов происходит многократное увеличение частоты, вызывающее генерацию второй и третьей гармоники. В более широком смысле инфракрасный лазер при строго заданных физических параметрах излучения становится зеленым со 100% КПД. Недостатком же самофокусировки являются нестабильные биения, вызванные столкновением в твердой среде встречных волн.
Сложный физический процесс положил начало разработке инновационных высокоточных сварочных аппаратов, демонстрирующих скоростное соединение абсолютно любых материалов, отсутствие вибрации и тепловой деформации, минимальное структурное повреждение материала, повышенную прочность швов. Разработка российских ученых позволила использовать лазерную сварку даже для соединения окрашенных смол без потери эстетической привлекательности.

Плазменная сварка

Фундамент плазменной сварки составляет электрическая дуга, зажигаемая между двумя электродами посредством короткого импульса или обычного замыкания. Первые плазмотроны в качестве катода использовали материал заготовки – это исключало из процесса сварки неметаллические изделия. Сквозь электрическую дугу из сопла прибора под давлением в несколько атмосфер подается сжатый воздух, превращающийся под действием высокоамперного тока в плазму с температурой в десятки тысяч градусов. Воздух не только питает плазму, но и выполняет функцию охлаждения форсунок.

Разработка российских ученых позволила использовать лазерную сварку даже для соединения окрашенных смол без потери эстетической привлекательности

Не так давно Российские ученые патентуют особую технологию жидкостного охлаждения, и, хотя вода в сверхмощных установках применялась и ранее, ученые предложили особое строение выходных каналов. Переработка конструкции позволила одновременно использовать воду для питания плазмы и охлаждения сопла. Кроме того, молекулы воды обжимают столб плазмы, стабилизируя его в пространстве и блокируя выброс летучих расплавов.

Все эти достижения реализованы в универсальном приборе «Мультиплаз-3500». Рабочий вес 9 килограмм (из которых 8 приходится на инвертор), питание от сети в 220/110 вольт (или дизельного генератора на 4кВТ для полевых условий), 100 грамм воды для резки или столько же 45%-ного спирта для наплавки/сварки. Действительно универсальное экономичное решение, позволяющее резать любой известный негорючий земной материал при температуре в 8000⁰С и ширине шва в 1 мм.

«Мультиплаз-3500» стал венцом энерго- и ресурсосберегающих сварочных технологий: низкое потребление воды, обогащение рабочего места кислородом посредством расщепления молекулы воды и отсутствие необходимости в дополнительном освещении за счет яркого пламени. Кроме того, кристаллизующийся металл образует поверхностную оксидную пленку, препятствующую ржавлению шва.

Ультразвуковая сварка

В основе технологии лежит использование упругих высокочастотных колебаний, источником которых служит ферритный сердечник, иначе именуемый магнитно-стрикционным преобразователем. Соединяемые заготовки зажимаются в специальные тиски, ультразвуковые волны направляются на место сварки, где за счет вибрационных колебаний возникают сдвиговые деформации, вызывающие разрушение поверхностного слоя. Одновременно с этим, за счет теплового излучения от гистерезисного сдвига происходит нагрев поверхности до пластического состояния и осуществляется внешнее вертикально направленное воздействие, приводящее к пластинчатой деформации и сближению слоев на расстояние в 10-15 длин свободного пробега атома.

Ультразвуковая сварка

Разработки Ульяновского государственного технического университета, направленные на внедрение ультразвуковой сварки пластмассовых и резиновых изделий  были  отмечены в 2005 году призовыми местами на Женевском Международном салоне изобретений. Текущая экономическая ситуация не позволяет полноценно внедрить отечественное изобретение, однако западные производственники уцепились за простую и экономичную технологию. Ультразвуковая сварка обладает высоким КПД, ведь основной выброс энергии происходит на стыке, а не на поверхности верхнего слоя. Кроме того, Ульяновская разработка не требует предварительной очистки поверхностей свариваемых изделий, дополнительных присадок или защитной среды. В конечном счете, ультразвуковая сварка позволяет соединять многочисленные пластмассы в любом сочетании, синтетические волокна и ткани за доли секунды.

Вибрационная сварка

Доподлинно определить создателя вибрационной сварки достаточно трудно. Не так давно в патентном бюро разгорелась нешуточная шумиха, закончившаяся обнулением выданного патента, поскольку технология, по мнению заявителя, является частным случаем термической сварки.

Вибрационная сварка

Технология, как и все гениальное, абсолютно проста. Нижняя часть заготовки вращается с частотой 100-300 герц, а на верхнюю деталь оказывается вертикальное давление. Через некоторое время детали притираются настолько сильно, что сила трения начинает расти по экспоненциальному закону. Возросшее тепловыделение приводит к оплавлению металла, и расплав проявляется по периметру. В этот момент отключается верхний пресс, чтобы детали могли вращаться вместе до полной кристаллизации сварного шва. Сварка по вибрационной технологии может выполняться даже на токарном станке.
Для соединения пластмассовых изделий дополнительно применяется электрическое поле, увеличивающее нагрев изделия до состояния расплава. Методика получила название высокочастотной вибрационной сварки и породила совершенно иные сварочные аппараты. Полуавтоматы российского и немецкого производства позволяют автоматизировать контроль над амплитудой и частотой магнитного поля, а также временем сварки, запоминая до 1000 различных комбинаций.

Стоит отметить, что вибрационная сварка, несмотря на свою простоту не получила должного развития и применяется в основном там, где не предъявляются особые требования к качеству шва. Кристаллизующийся металл не защищается газовой средой, что приводит к его окислению и ухудшению показателей на разрыв. Что касается пластмассы, то большое значение играет угол, на который вектор напряженности электрического поля опережает индукционный вектор. При отклонении меньше 0,6⁰ сварка вибрационным методом невозможна. Печально, но именно такими показателями обладают морозоустойчивый полистирол, полиэтилен и теплостойкий полипропилен.

Сегодня человечество вооружается простыми, экономичными и по большей части универсальными технологиями. Отказ от ресурсоемких процессов обусловлен не только проблемами с энергоносителями, но и повышающимися темпами производства. Сегодня решающим фактором выхода на рынок является стоимость и скорость изготовления. На оба этих фактора влияет универсальность оборудования, поэтому следующим шагом станет внедрение ротационной сварки, в основе которой лежит трение. На данный момент Кембриджская технология (Великобритания) находится на этапе тестирования, однако уже понятно, что сварка металлов в любом сочетании больше не проблема.


Александр Гуща, специально для www.Equipnet.ru Фотографии с сайтов laserteh.narod.ru, widos.ural.ru, bizator.ru

>>>Хотите обсудить эту статью подробнее? Ждем вас на нашем Форуме<<<

Комментарии

Оставить комментарий с помощью…
  • Equipnet (0)
  • Вконтакте (0)
  • Facebook (0)
Логотип компании
Комментариев пока нет

Вы можете разместить вашу статью в нашей ленте на коммерческой основе
Наш телефон: (495) 983-59-92. E-mail: manager@equipnet.ru

/articles/power-industry/power-industry_372.html 0
Интервью
10.03.2016
 Индукционные плиты: когда выгода покупателя означает и выгоду продавца
СУХОРУКОВ
Михаил
Ведущий менеджер технологического направления
Компания «Деловая Русь»
Что представляет собой рынок продаж индукционного оборудования в эпоху кризиса и с чем на него лучше выходить
Почему доллар будет стоить 50 рублей?
Как зарабатывать по 3 000 000 рублей в месяц?
Где купить станок, который делает деньги?
Ответы на эти и другие вопросы ищи в рассылке EquipNet.ru