Міні-енциклопедія: Принцип лазерного зварювання та застосування в процесі
Рівні енергії
Матерія складається з атомів, а атоми складаються з ядра та електронів. Електрони обертаються навколо ядра. Енергія електронів в атомі не є довільною.
Квантова механіка, яка описує мікроскопічний світ, стверджує, що електрони займають фіксовані енергетичні рівні. Різні енергетичні рівні відповідають різним енергіям електронів: орбіти, далі від ядра, мають вищу енергію.
Крім того, кожна орбіта може утримувати максимальну кількість електронів. Наприклад, найнижча орбіта (найближча до ядра) може утримувати до 2 електронів, тоді як вищі орбіти можуть утримувати до 8 електронів тощо.
Перехід
Електрони можуть переходити з одного енергетичного рівня на інший, поглинаючи або вивільняючи енергію.
Наприклад, коли електрон поглинає фотон, він може перейти з нижчого енергетичного рівня на вищий. Аналогічно, електрон на вищому енергетичному рівні може опуститися на нижчий рівень, випромінюючи фотон.
У цих процесах енергія поглиненого або випромінюваного фотона завжди дорівнює різниці енергій між двома рівнями. Оскільки енергія фотона визначає довжину хвилі світла, поглинене або випромінюване світло має фіксований колір.
Принцип лазерної генерації
Стимульоване поглинання
Вимушене поглинання відбувається, коли атоми в низькоенергетичному стані поглинають зовнішнє випромінювання та переходять у високоенергетичний стан. Електрони можуть перестрибувати з низьких на високі енергетичні рівні, поглинаючи фотони.
Вимушене випромінювання
Вимушене випромінювання означає, що електрони на високому енергетичному рівні під дією «стимуляції» або «індукції» фотона переходять на низький енергетичний рівень та випромінюють фотон з тією ж частотою, що й падаючий фотон.
Ключовою особливістю стимульованого випромінювання є те, що згенерований фотон ідентичний оригінальному: та сама частота, той самий напрямок і абсолютно нерозрізнений. Таким чином, один фотон перетворюється на два однакові фотони в результаті одного процесу стимульованого випромінювання. Це означає, що світло посилюється або підсилюється — основний принцип генерації лазера.
Спонтанне випромінювання
Спонтанне випромінювання відбувається, коли електрони з високого енергетичного рівня падають на нижчий рівень без зовнішнього впливу, випромінюючи світло (електромагнітне випромінювання) під час переходу. Енергія фотона дорівнює E=E2−E1, різниця енергій між двома рівнями.
Умови для генерації лазера
Середній лазерний коефіцієнт посилення
Для генерації лазера потрібне відповідне середовище підсилення, яке може бути газоподібним, рідким, твердим або напівпровідниковим. Ключовим є досягнення інверсії населеності в середовищі, що є необхідною умовою для лазерного випромінювання. Метастабільні рівні енергії є дуже корисними для інверсії населеності.
Джерело насосного
Для досягнення інверсії населеності атомну систему необхідно збудити, щоб збільшити кількість частинок на верхньому енергетичному рівні.
Поширені методи включають:
- Електричне накачування: газовий розряд з використанням електронів з високою кінетичною енергією
- Оптичне накачування: опромінення імпульсними джерелами світла
- Теплове відкачування, хімічне відкачування тощо.
Ці методи разом називаються накачуванням. Безперервне накачування необхідне для підтримки більшої кількості частинок на верхньому рівні, ніж на нижньому, для стабільного лазерного випромінювання.
Резонатор
За допомогою відповідного середовища підсилення та джерела накачування можна досягти інверсії населеності, але інтенсивність вимушеного випромінювання занадто слабка для практичного використання. Потрібне подальше підсилення, яке забезпечується оптичним резонатором.
Оптичний резонатор складається з двох дзеркал з високою відбивною здатністю, розташованих паралельно на обох кінцях лазера:
- Одне дзеркало повного відбиття
- Одне дзеркало часткового відбиття та часткового пропускання
Дзеркало повного відбиття відбиває все падаюче світло назад по його початковому шляху. Дзеркало часткового відбиття відбиває фотони нижче певного енергетичного порогу назад у середовище, тоді як фотони вище порогу випромінюються у вигляді посиленого лазерного світла.
Світло коливається в резонаторі вперед і назад, запускаючи ланцюгову реакцію вимушеного випромінювання, яке посилюється лавиновим чином, створюючи високоінтенсивний лазерний вихід.
Що таке лампа-помпа?
Ксенонова лампа — це газорозрядна лампа, що працює на інертному газі, зазвичай має форму прямої трубки. Вона зазвичай складається з електродів, кварцової трубки та заповненої газоподібним ксеноном (Xe).
Електроди виготовлені з металу з високою температурою плавлення, високою ефективністю електронної емісії та низьким рівнем розпилення. Трубка лампи виготовлена з високоміцного, стійкого до високих температур, високопрозорого кварцового скла, заповненого ксеноном.
Що таке лазерний стрижень Nd:YAG?
Nd:YAG (легований неодимом ітрій-алюмінієвий гранат) – це найпоширеніший твердотільний лазерний матеріал.
YAG – це кубічний кристал з високою твердістю, чудовою оптичною якістю та високою теплопровідністю. Тривалентні іони неодиму заміщують деякі тривалентні іони ітрію в кристалічній решітці, звідси й назва – легований неодимом ітрій-алюмінієвий гранат.
Характеристики лазера
Гарна узгодженість
Світло від звичайних джерел хаотичне за напрямком, фазою та часом, і його неможливо сфокусувати в одну точку навіть за допомогою лінзи.
Лазерне світло є висококогерентним: воно має чисту частоту, поширюється в одному напрямку в ідеальній фазі та може бути сфокусоване в крихітній точці з висококонцентрованою енергією.
Відмінна спрямованість
Лазер має набагато кращу спрямованість, ніж будь-яке інше джерело світла, поводячись майже як паралельний промінь. Навіть якщо його спрямувати на Місяць (на відстані близько 384 000 км), діаметр плями становить лише близько 2 км.
Хороша монохроматичність
Лазерне світло, що випромінюється внаслідок стимульованого випромінювання, має надзвичайно вузький діапазон частот. Простими словами, лазер має чудову монохроматичність — його «колір» надзвичайно чистий. Монохроматичність є критично важливою для застосувань лазерної обробки.
Висока яскравість
Лазерне зварювання використовує чудову спрямованість та високу щільність потужності лазерних променів. Лазер фокусується в крихітну область за допомогою оптичної системи, утворюючи висококонцентроване джерело тепла за дуже короткий час, плавлячи матеріал та формуючи стабільні зварні плями та шви.
Переваги лазерного зварювання
Порівняно з іншими методами зварювання, лазерне зварювання пропонує:
- Висока концентрація енергії, висока ефективність зварювання, висока точність та велике співвідношення глибини до ширини зварних швів.
- Низьке теплове навантаження, мала зона термічного впливу, мінімальні залишкові напруження та деформація.
- Безконтактне зварювання, гнучка волоконно-оптична передача, гарна доступність та високий рівень автоматизації.
- Гнучка конструкція з'єднань, що економить сировину.
- Точно контрольована енергія, стабільні результати зварювання та чудовий зовнішній вигляд зварного шва.
Процеси лазерного зварювання металевих матеріалів
Нержавіюча сталь
- Гарних результатів можна досягти за допомогою звичайних прямокутних імпульсів.
- Проектуйте з'єднання таким чином, щоб зварні шви не торкалися неметалевих матеріалів.
- Залиште достатню площу зварювання та товщину заготовки для міцності та зовнішнього вигляду.
- Забезпечте чистоту заготовки та сухе середовище під час зварювання.
Алюмінієві сплави
- Висока відбивна здатність вимагає високої пікової потужності лазера.
- Схильний до розтріскування під час імпульсного точкового зварювання, що знижує міцність.
- Склад матеріалу може спричинити розбризкування; використовуйте високоякісну сировину.
- Кращі результати з великим розміром плями та довгою шириною імпульсу.
Мідь та мідні сплави
- Вища відбивна здатність, ніж у алюмінію; вимагає ще більшої пікової потужності лазера.
- Лазерну головку слід нахилити під кутом.
- Мідні сплави (латунь, мельхіор тощо) важче зварювати через легуючі елементи, потрібен ретельний вибір параметрів.
Поширені дефекти лазерного зварювання та рішення
Неправильні параметри або неправильна експлуатація часто призводять до дефектів зварювання, зокрема:
- Поверхневе розбризкування
- Внутрішня пористість зварного шва
- Тріщини при зварюванні
- Деформація зварювання
Зварювальні бризки
Розбризкування головним чином спричинене надмірно високою щільністю потужності лазера: заготовка поглинає занадто багато енергії за короткий час, що призводить до сильного випаровування матеріалу та бурхливої реакції розплавленої ванни.
Бризки пошкоджують зовнішній вигляд, точність складання та міцність зварювання.
Причини
- Надмірно висока пікова потужність лазера.
- Невідповідна форма хвилі зварювання, особливо для матеріалів з високою відбивною здатністю.
- Розшарування матеріалів, що призводить до локального високого поглинання енергії.
- Забруднення або неметалеві домішки на поверхні заготовки.
- Речовини з низькою температурою плавлення між або під заготовками, що виділяють газ під час зварювання.
- Закриті порожнисті структури, що спричиняють розширення газу та розбризкування.
Рішення
- Оптимізуйте параметри: зменште пікову потужність або використовуйте пікові форми хвиль.
- Використовуйте кваліфіковану, високоякісну сировину.
- Посиліть очищення перед зварюванням для видалення олії та домішок.
- Оптимізувати конструкцію зварювальної конструкції.
Внутрішня пористість
Пористість є найпоширенішим дефектом лазерного зварювання. Швидкий термічний цикл і короткий час життя розплавленої ванни запобігають витоку газу, утворюючи пори.
Поширені типи: пори водню, пори чадного газу та пори колапсу замкової щілини.
Тріщини від зварювання
Тріщини значно знижують міцність зварного шва та термін служби. Швидке нагрівання та охолодження під час лазерного зварювання збільшує ризик утворення розтріскування.
Більшість тріщин, що утворюються при лазерному зварюванні, є гарячими тріщинами, поширеними в алюмінієвих сплавах та високовуглецевих/високолегованих сталях.
Профілактика
- Для крихких матеріалів додайте форми хвиль попереднього нагрівання та повільного охолодження, щоб зменшити утворення тріщин.
- Оптимізуйте конструкцію з'єднання для зменшення зварювальних напруг.
- Вибирайте матеріали з меншою схильністю до розтріскування за еквівалентних характеристик.
Деформація зварювання
Деформація часто виникає в тонких листах, заготовках великої площі або багатоточковому зварюванні, впливаючи на складання та продуктивність. Вона спричинена нерівномірним підведенням тепла та непослідовним тепловим розширенням/стисканням.
Рішення
- Оптимізуйте параметри для зменшення тепловкладення: збільште пікову потужність, зменшуючи при цьому ширину імпульсу.
- Зменште швидкість зварювання та частоту імпульсів для зменшення нагрівання за одиницю часу.
- Оптимізуйте послідовність зварювання для забезпечення рівномірного нагрівання.
Час публікації: 25 лютого 2026 р.
