Lāzera metināšanas attīstības vēsture

Mikro un mazu detaļu metināšanas metodes Lāzermetināšana ir efektīva un precīza metināšanas metode, kurā kā siltuma avotu izmanto augstas enerģijas blīvuma lāzera staru. Tā ir viena no svarīgākajām lāzermateriālu apstrādes tehnoloģijas pielietojuma jomām. 20. gs. 70. gados to galvenokārt izmantoja plānsienu materiālu metināšanai un lēnas darbības metināšanai, un metināšanas process piederēja siltumvadītspējas tipam. Konkrēti, lāzera starojums silda sagataves virsmu, un siltums uz virsmas izkliedējas uz iekšu caur siltumvadītspēju. Kontrolējot tādus parametrus kā lāzera impulsu platums, enerģija, maksimālā jauda un atkārtošanās frekvence, sagatave tiek izkausēta, veidojot īpašu kausējuma vannu. Pateicoties tās unikālajām priekšrocībām, tā ir veiksmīgi pielietota...Mikro un mazu detaļu precīza metināšana.Ķīnas lāzermetināšanas tehnoloģija ierindojas starp pasaules progresīvākajām tehnoloģijām. Tai ir tehnoloģija un iespējas veidot sarežģītus titāna sakausējuma komponentus, kuru platība pārsniedz 12 kvadrātmetrus, izmantojot lāzeru, un tā ir pielietota vairāku vietējo aviācijas pētniecības projektu prototipu un produktu ražošanā. 2013. gada oktobrī ķīniešu metināšanas eksperts ieguva Bruka balvu, augstāko akadēmisko apbalvojumu metināšanas jomā, kas apstiprināja Ķīnas pasaules līmeņa lāzermetināšanu.

## Attīstības vēsture Pasaulē pirmais lāzera stars tika ģenerēts 1960. gadā, ierosinot rubīna kristālus ar zibspuldzes lampu. Kristāla siltumietilpības dēļ tas varēja radīt tikai ļoti īsus impulsa starus ar zemu frekvenci. Lai gan momentānā impulsa maksimālā enerģija varēja sasniegt pat 10^6 vatus, tas joprojām piederēja pie zemas enerģijas jaudas. Ar neodīmu leģēts itrija alumīnija granāta (Nd:YAG) kristāla stienis ar neodīmu (Nd) kā ierosmes elementu var ģenerēt nepārtrauktu viena viļņa garuma lāzera staru ar jaudu 1–8 kW. YAG lāzeru ar viļņa garumu 1,06 μm var savienot ar lāzera apstrādes galviņu, izmantojot elastīgu optisko šķiedru, tam ir elastīgs iekārtu izkārtojums un tas ir piemērots metināšanas sagatavēm ar biezumu 0,5–6 mm. CO₂ lāzers, kurā kā ierosinātāju tiek izmantots oglekļa dioksīds (ar viļņa garumu 10,6 μm), var sasniegt izejas enerģiju līdz 25 kW un realizēt 2 mm biezu plākšņu vienvirziena pilnas iespiešanās metināšanu. Tas ir plaši izmantots metālapstrādē rūpniecības sektorā. 20. gs. astoņdesmito gadu vidū lāzermetināšana kā jauna tehnoloģija piesaistīja plašu uzmanību Eiropā, Amerikas Savienotajās Valstīs un Japānā. 1985. gadā ThyssenKrupp Steel AG (Vācija) un Volkswagen AG (Vācija) sadarbojās, lai veiksmīgi ieviestu pasaulē pirmo lāzermetināto sagatavi Audi 100 virsbūvei. 20. gs. deviņdesmitajos gados lielākie automašīnu ražotāji Eiropā, Ziemeļamerikā un Japānā sāka plaši izmantot lāzermetināto sagatavju tehnoloģiju automašīnu virsbūvju ražošanā. Gan laboratoriju, gan automašīnu ražotāju praktiskā pieredze ir pierādījusi, ka lāzermetinātas sagataves var veiksmīgi pielietot automašīnu virsbūvju ražošanā. Lāzera metināšana pēc pasūtījuma izmanto lāzera enerģiju, lai automātiski savienotu un sametinātu vairākus tēraudus, nerūsējošos tēraudus, alumīnija sakausējumus utt. ar dažādiem materiāliem, biezumiem un pārklājumiem integrētā plāksnē, profilā vai sendvičpanelī. Tas atbilst dažādu komponentu materiālu veiktspējas prasībām un nodrošina vieglu aprīkojumu ar visvieglāko svaru, optimālu struktūru un labāko veiktspēju. Attīstītajās valstīs, piemēram, Eiropā un Amerikas Savienotajās Valstīs,lāzera šuvēja metināšanatiek izmantota ne tikai transporta aprīkojuma ražošanas nozarē, bet arī plaši pielietota tādās jomās kā būvniecība, tilti, sadzīves tehnikas plākšņu metināšanas ražošana un tērauda plākšņu metināšana velmēšanas līnijās (plākšņu savienojums nepārtrauktā velmēšanā). Pasaulslaveni lāzermetināšanas uzņēmumi ir Soudonic (Šveice), ArcelorMittal Group (Francija), ThyssenKrupp TWB (Vācija), Servo-Robot (Kanāda) un Precitec (Vācija). Lāzera metināšanas sagatavju tehnoloģijas pielietošana Ķīnā ir sākusies. 2002. gada 25. oktobrī oficiāli tika nodota ekspluatācijā Ķīnas pirmā profesionālā komerciālā lāzermetinātu sagatavju ražošanas līnija. To ieviesa Wuhan ThyssenKrupp Zhongren Laser Tailor Welding no ThyssenKrupp TWB (Vācija). Vēlāk ražošanā pakāpeniski tika nodoti Shanghai Baosteel Arcelor Laser Tailor Welding Co., Ltd., FAW Baoyou Laser Tailor Welding Co., Ltd. un citi uzņēmumi. 2003. gadā ārvalstis saprata divu staru CO₂ lāzera pildvielas stieples metināšanu unYAG lāzera metināšana ar pildvielu stiepliA318 alumīnija sakausējuma apakšējās sienas paneļa konstrukcijai. Šī tehnoloģija aizstāja tradicionālo kniedēto konstrukciju, samazinot lidmašīnas fizelāžas svaru par 20% un ietaupot 20% no izmaksām. Gongs Šuili uzskatīja, ka lāzermetināšanas tehnoloģijai būs nozīmīga loma Ķīnas tradicionālās aviācijas ražošanas nozares pārveidošanā un modernizācijā. Viņš nekavējoties pieteicās vairākiem saistītiem pirmsizpētes projektiem, organizēja pētniecības komandu un uzņēmās vadību "divstaru lāzermetināšanas" tehnoloģijas ieviešanā pētniecības projektos Ķīnā. Jau no paša sākuma viņš plānoja pielietot šo tehnoloģiju lidmašīnu ražošanā. Ķīnas ekspertu komanda ziņoja par sākotnējo tehnoloģiju lidmašīnu projektēšanas institūtam un reklamēja divstaru lāzermetināšanas priekšrocības un iespējamību. Pēc vairākām pārbaudēm un novērtējumiem projektēšanas institūts nolēma pielietot šo tehnoloģiju rievotu sienu paneļu ražošanā konkrētam lidaparātam, sasniedzot sākotnējo mērķi - pielietot "divstaru lāzermetināšanas" tehnoloģiju lidmašīnu ražošanā. Tas ir ieviesis tādas galvenās tehnoloģijas kā viegla sakausējumu lāzermetināšanas pildvielas stieples precīza vadība, izstrādājis integrētu un inovatīvu divstaru lāzera pildvielas stieples hibrīdmetināšanas ierīci, izveidojis Ķīnā pirmo lieljaudas divstaru lāzera pildvielas stieples metināšanas platformu, realizējis divstaru un divpusējo T veida savienojumu sinhrono metināšanu lielās plānsienu konstrukcijās un pirmo reizi veiksmīgi to pielietojis aviācijas rievoto sienu paneļu galveno konstrukciju daļu metināšanas ražošanā, spēlējot svarīgu lomu Ķīnas jauno lidmašīnu izstrādē. 2003. gadā pirmais vietējais liela mēroga tiešsaistes lentes metināšanas pilns iekārtu komplekts, ko nodrošināja HG Laser, izturēja bezsaistes pieņemšanu. Šī iekārta integrē lāzergriešanu, metināšanu un termisko apstrādi, padarot HG Laser par vienu no ceturtajiem uzņēmumiem pasaulē, kas spēj ražot šādu aprīkojumu. 2004. gadā HG Laser Farley Laserlab projekts “Lieljaudas lāzergriešanas, metināšanas un kombinētās griešanas-metināšanas apstrādes tehnoloģija un aprīkojums” ieguva Nacionālās zinātnes un tehnoloģiju progresa balvas otro vietu, padarot to par vienīgo lāzeruzņēmumu Ķīnā ar šīs tehnoloģijas un aprīkojuma pētniecības un attīstības iespējām. Līdz ar rūpnieciskās lāzeru nozares straujo attīstību tirgus ir izvirzījis augstākas prasības lāzerapstrādes tehnoloģijām. Lāzera tehnoloģija pakāpeniski ir mainījusies no viena pielietojuma uz daudzveidīgākiem pielietojumiem. Lāzerapstrādes ziņā tā vairs neaprobežojas tikai ar vienu griešanu vai metināšanu. Tirgus pieprasījums pēc integrētām lāzerapstrādes iekārtām, kas apvieno griešanu un metināšanu, pieaug, un tādēļ ir parādījušās integrētas lāzergriešanas un metināšanas iekārtas. HG Laser Farley Laserlab izstrādāja integrēto griešanas un metināšanas iekārtu Walc9030 ar īpaši lielu formātu 9 × 3 metri, kas pašlaik ir pasaulē lielākā formāta integrētā lāzergriešanas un metināšanas iekārta. Walc9030 ir liela formāta griešanas un metināšanas iekārta, kas integrēlāzergriešanas un lāzermetināšanas funkcijas. Tā ir aprīkota ar profesionālu griešanas galviņu un metināšanas galviņu, un abas apstrādes galviņas koplieto vienu staru. Skaitliskās vadības tehnoloģija nodrošina, ka tās netraucē viena otrai. Iekārta var vienlaikus veikt divus procesus, kuriem nepieciešama griešana un metināšana. Tā var brīvi pārslēgties starp griešanu vispirms un pēc tam metināšanu vai metināšanu vispirms un pēc tam griešanu, realizējot gan lāzergriešanas, gan metināšanas funkcijas ar vienu iekārtu bez papildu aprīkojuma nepieciešamības. Tas ietaupa iekārtu izmaksas lietojumprogrammu ražotājiem, uzlabo apstrādes efektivitāti un apstrādes diapazonu. Turklāt, pateicoties griešanas un metināšanas integrācijai, apstrādes precizitāte ir pilnībā garantēta, un iekārtas darbība ir efektīva un stabila. Turklāt tā ir pārvarējusi plākšņu termiskās deformācijas grūtības īpaši lielu plākšņu metināšanas laikā un stabili realizējusi īpaši garus lidojošus optiskos ceļus. Tā var vienlaikus sametināt divas plakanas plāksnes 6 metru garumā un 1,5 metru platumā, un metinātā virsma ir gluda un līdzena bez papildu pēcapstrādes. Tajā pašā laikā tā var vienā formēšanas procesā griezt plāksnes ar platumu 3 metri, garumu virs 6 metriem un biezumu, kas mazāks par 20 mm, bez sekundāras pozicionēšanas. Ķīnas Zinātņu akadēmijas Šeņjanas Automatizācijas institūts veica starptautisku sadarbību ar IHI Corporation (Japāna). Ievērojot valsts zinātnes un tehnoloģiju attīstības stratēģiju “ievads, sagremošana, absorbcija un atkārtota inovācija”, tas pārvarēja vairākas galvenās tehnoloģijas.lāzera šuvēja metināšana, 2006. gada septembrī izstrādāja Ķīnas pirmo pilnīgu lāzera metināšanas ražošanas līniju komplektu un veiksmīgi izstrādāja robotizētu lāzera metināšanas sistēmu, kas realizē plakanu un telpisku līkņu lāzera metināšanu. 2013. gada oktobrī kāds ķīniešu metināšanas eksperts ieguva Bruka balvu, kas ir augstākais akadēmiskais apbalvojums metināšanas jomā. Metināšanas institūts (TWI, Apvienotā Karaliste) katru gadu iesaka un nominē kandidātus no vairāk nekā 4000 biedru vienībām vairāk nekā 120 valstīs un visbeidzot piešķir šo balvu vienam ekspertam, atzīstot viņa izcilo ieguldījumu metināšanas vai savienošanas zinātnē un tehnoloģijā, kā arī tās rūpnieciskajā pielietojumā. Šī balva ir ne tikai Goga Šuili un viņa komandas atzinība, bet arī AVIC lomas apliecinājums materiālu savienošanas tehnoloģijas attīstības veicināšanā.

## Strukturālie parametri

### Darba aprīkojums Tas sastāv no optiskā oscilatora un vides, kas novietota starp spoguļiem abos oscilatora dobuma galos. Kad vide tiek ierosināta līdz augstas enerģijas stāvoklim, tā sāk ģenerēt fāzes gaismas viļņus, kas atstarojas starp spoguļiem abos galos, veidojot fotoelektriskās konkatenācijas efektu. Tas pastiprina gaismas viļņus, un, kad ir iegūta pietiekama enerģija, lāzers tiek izstarots. Lāzeru var definēt arī kā ierīci, kas pārveido primāros enerģijas avotus, piemēram, elektrisko enerģiju, ķīmisko enerģiju, siltumenerģiju, gaismas enerģiju vai kodolenerģiju, elektromagnētiskā starojuma staros ar noteiktām optiskām frekvencēm (ultravioletā gaisma, redzamā gaisma vai infrasarkanā gaisma). Šo pārveidošanu var viegli veikt noteiktās cietās, šķidrās vai gāzveida vidēs. Kad šīs vides tiek ierosinātas atomu vai molekulu veidā, tās rada gaismas staru ar gandrīz vienādu fāzi un gandrīz vienu viļņa garumu – lāzeru. Pateicoties tā fāzes īpašībai un vienam viļņa garumam, novirzes leņķis ir ļoti mazs, un to var pārraidīt lielos attālumos, pirms tas tiek ļoti koncentrēts, lai nodrošinātu tādas funkcijas kā metināšana, griešana un termiskā apstrāde. ### Lāzeru klasifikācija Metināšanai galvenokārt izmanto divu veidu lāzerus, proti, CO₂ lāzerus un Nd:YAG lāzerus. Gan CO₂ lāzeri, gan Nd:YAG lāzeri ir ar neapbruņotu aci neredzama infrasarkanā gaisma. Nd:YAG lāzera radītais stars galvenokārt ir tuvā infrasarkanā gaisma ar viļņa garumu 1,06 μm. Termovadītājiem ir relatīvi augsts absorbcijas ātrums šāda viļņa garuma gaismai, un lielākajai daļai metālu atstarošanas spēja ir 20–30%. Tuvo infrasarkano staru var fokusēt līdz 0,25 mm diametram, izmantojot standarta optiskās lēcas. CO₂ lāzera stars ir tālā infrasarkanā gaisma ar viļņa garumu 10,6 μm. Lielākajai daļai metālu šāda veida gaismas atstarošanas spēja ir 80–90%, tāpēc ir nepieciešamas īpašas optiskās lēcas, lai fokusētu staru līdz 0,75–1,0 mm diametram. Nd:YAG lāzeru jauda parasti var sasniegt aptuveni 4000–6000 W, un maksimālā jauda šobrīd ir sasniegusi 10 000 W. Turpretī CO₂ lāzeru jauda var viegli sasniegt 20 000 W vai pat vairāk. Lieljaudas CO₂ lāzeri atrisina augstas atstarošanas problēmu, izmantojot atslēgas cauruma efektu. Kad gaismas punkta apstarotā materiāla virsma kūst, veidojas atslēgas caurums. Šis ar tvaiku piepildītais atslēgas caurums ir kā melns ķermenis, kas absorbē gandrīz visu krītošās gaismas enerģiju. Līdzsvara temperatūra atslēgas cauruma iekšpusē sasniedz aptuveni 25 000 °C, un atstarošanas spēja strauji samazinās dažu mikrosekundžu laikā. Lai gan CO₂ lāzeru izstrādes uzmanības centrā joprojām ir iekārtu izstrāde un pētniecība, vairs nav runa par maksimālās izejas jaudas palielināšanu, bet gan par to, kā uzlabot stara kvalitāti un fokusēšanas veiktspēju. Turklāt, ja argonu izmanto kā aizsarggāzi CO₂ lāzera metināšanā ar jaudu virs 10 kW, tas bieži vien izraisa spēcīgu plazmu, kas samazina iespiešanās dziļumu. Tāpēc hēliju, kas neģenerē plazmu, bieži izmanto kā aizsarggāzi augstas jaudas CO₂ lāzera metināšanā. Diožu lāzeru kombināciju pielietošana augstas jaudas Nd:YAG kristālu ierosināšanai ir svarīga pētniecības un attīstības tēma, kas ievērojami uzlabos lāzera staru kvalitāti un nodrošinās efektīvāku lāzera apstrādi. Tiešo diožu masīvu izmantošana lāzeru ierosināšanai un izvadei tuvajā infrasarkanajā diapazonā ir sasniegusi vidējo jaudu 1 kW un fotoelektriskās konversijas efektivitāti gandrīz 50%. Diodēm ir arī ilgāks kalpošanas laiks (10 000 stundas), kas palīdz samazināt lāzeriekārtu uzturēšanas izmaksas. Arī diodes sūknējamo cietvielu lāzeru (DPSSL) iekārtu attīstība virzās uz priekšu.