Мини-энциклопедия: Принципы и методы лазерной сварки
Уровни энергии
Материя состоит из атомов, а атомы состоят из ядра и электронов. Электроны вращаются вокруг ядра. Энергия электронов в атоме не является произвольной.
Квантовая механика, описывающая микроскопический мир, говорит нам, что электроны занимают фиксированные энергетические уровни. Разные энергетические уровни соответствуют разным энергиям электронов: орбиты, расположенные дальше от ядра, имеют более высокую энергию.
Кроме того, каждая орбита может вместить максимальное количество электронов. Например, самая нижняя орбита (ближайшая к ядру) может вместить до 2 электронов, более высокие орбиты — до 8 электронов и так далее.
Переход
Электроны могут перемещаться с одного энергетического уровня на другой, поглощая или выделяя энергию.
Например, когда электрон поглощает фотон, он может перейти с более низкого энергетического уровня на более высокий. Аналогично, электрон, находящийся на более высоком энергетическом уровне, может перейти на более низкий уровень, испустив фотон.
В этих процессах энергия поглощенного или испущенного фотона всегда равна разности энергий между двумя уровнями. Поскольку энергия фотона определяет длину волны света, поглощенный или испущенный свет имеет фиксированный цвет.
Принцип генерации лазерного излучения
Стимулированное всасывание
Стимулированное поглощение происходит, когда атомы в низкоэнергетическом состоянии поглощают внешнее излучение и переходят в высокоэнергетическое состояние. Электроны могут переходить с низкоэнергетических уровней на высокоэнергетические, поглощая фотоны.
Стимулированное излучение
Стимулированное излучение означает, что электроны на высоком энергетическом уровне под «стимуляцией» или «индукцией» фотона переходят на низкий энергетический уровень и испускают фотон с той же частотой, что и падающий фотон.
Ключевая особенность стимулированного излучения заключается в том, что генерируемый фотон идентичен исходному: та же частота, то же направление и полная неразличимость. Таким образом, один фотон в результате одного процесса стимулированного излучения превращается в два идентичных фотона. Это означает, что свет усиливается или амплифицируется — основной принцип генерации лазерного излучения.
Спонтанное излучение
Спонтанное излучение происходит, когда электроны с высокого энергетического уровня переходят на более низкий уровень без внешнего воздействия, испуская свет (электромагнитное излучение) во время перехода. Энергия фотона равна E = E² − E¹, где E — разница энергий между двумя уровнями.
Условия генерации лазерного излучения
Средний уровень усиления лазера
Для генерации лазерного излучения необходима подходящая активная среда, которая может быть газом, жидкостью, твердым телом или полупроводником. Ключевым моментом является достижение инверсии населенности в среде, что является необходимым условием для генерации лазерного излучения. Метастабильные энергетические уровни крайне благоприятны для инверсии населенности.
Источник перекачки
Для достижения инверсии населенности атомную систему необходимо возбудить, чтобы увеличить число частиц на верхнем энергетическом уровне.
К распространенным методам относятся:
- Электрическая накачка: разряд газа с использованием электронов с высокой кинетической энергией.
- Оптическая накачка: облучение импульсными источниками света.
- Термонасосы, химические насосы и т. д.
Эти методы в совокупности называются накачкой. Непрерывная накачка необходима для поддержания большего количества частиц на верхнем уровне, чем на нижнем, для обеспечения стабильной лазерной генерации.
Резонатор
При наличии подходящей среды усиления и источника накачки можно достичь инверсии населенности, но интенсивность стимулированного излучения слишком слаба для практического применения. Необходимо дальнейшее усиление, которое обеспечивается оптическим резонатором.
Оптический резонатор состоит из двух зеркал с высокой отражательной способностью, расположенных параллельно на обоих концах лазера:
- Одно зеркало полного отражения
- Одно зеркало с частичным отражением и частичным пропусканием
Зеркало полного отражения отражает весь падающий свет обратно по его первоначальному пути. Зеркало частичного отражения отражает фотоны с энергией ниже определенного порогового значения обратно в среду, в то время как фотоны с энергией выше порогового значения излучаются в виде усиленного лазерного света.
Свет колеблется взад и вперед в резонаторе, вызывая цепную реакцию стимулированного излучения, которое усиливается подобно лавине, создавая лазерный луч высокой интенсивности.
Что такое насосная лампа?
Ксеноновая лампа — это разрядная лампа инертного газа, обычно имеющая прямую трубчатую форму. Она, как правило, состоит из электродов, кварцевой трубки и заполненного ксеноном (Xe) газа.
Электроды изготовлены из металла с высокой температурой плавления, высокой эффективностью электронной эмиссии и низким уровнем распыления. Ламповая трубка изготовлена из высокопрочного, термостойкого кварцевого стекла с высокой светопропускаемостью, заполненного ксеноном.
Что такое лазерный стержень Nd:YAG?
Nd:YAG (легированный неодимом иттрий-алюминиевый гранат) — наиболее часто используемый материал для твердотельных лазеров.
Иттрий-алюминиевый гранат (YAG) — это кубический кристалл с высокой твердостью, превосходными оптическими свойствами и высокой теплопроводностью. Трехвалентные ионы неодима замещают некоторые трехвалентные ионы иттрия в кристаллической решетке, отсюда и название — легированный неодимом иттрий-алюминиевый гранат.
Характеристики лазера
Хорошая связность
Свет от обычных источников имеет хаотическое направление, фазу и временные характеристики, и его невозможно сфокусировать в одной точке даже с помощью линзы.
Лазерный свет обладает высокой когерентностью: он имеет чистую частоту, распространяется в одном направлении в идеальной фазе и может быть сфокусирован в крошечное пятно с высокой концентрацией энергии.
Отличная направленность
Лазер обладает гораздо лучшей направленностью, чем любой другой источник света, и ведет себя практически как параллельный луч. Даже при наведении на Луну (на расстоянии около 384 000 км) диаметр пятна составляет всего около 2 км.
Хорошая монохромальность
Лазерный свет, получаемый методом стимулированного излучения, имеет чрезвычайно узкий диапазон частот. Проще говоря, лазер обладает превосходной монохроматичностью — его «цвет» чрезвычайно чист. Монохроматичность имеет решающее значение для лазерной обработки.
Высокая яркость
Лазерная сварка использует превосходную направленность и высокую плотность мощности лазерных лучей. Лазер фокусируется в крошечной области с помощью оптической системы, образуя высококонцентрированный источник тепла за очень короткое время, расплавляя материал и формируя стабильные сварные швы и точки сварки.
Преимущества лазерной сварки
По сравнению с другими методами сварки, лазерная сварка предлагает:
- Высокая концентрация энергии, высокая эффективность сварки, высокая точность и большое соотношение глубины и ширины сварных швов.
- Низкий подвод тепла, небольшая зона термического воздействия, минимальные остаточные напряжения и деформации.
- Бесконтактная сварка, гибкая волоконно-оптическая передача, хорошая доступность и высокая степень автоматизации.
- Гибкая конструкция соединения, позволяющая экономить сырье.
- Точно контролируемая энергия, стабильные результаты сварки и превосходный внешний вид сварного шва.
Процессы лазерной сварки металлических материалов
Нержавеющая сталь
- Хороших результатов можно добиться с помощью обычных прямоугольных импульсов.
- При проектировании соединений учитывайте, что сварочные швы не должны соприкасаться с неметаллическими материалами.
- Для обеспечения прочности и эстетичного внешнего вида необходимо предусмотреть достаточную площадь сварки и толщину заготовки.
- Во время сварки необходимо обеспечить чистоту заготовки и сухость окружающей среды.
Алюминиевые сплавы
- Высокая отражательная способность требует высокой пиковой мощности лазера.
- Склонен к растрескиванию при импульсной точечной сварке, что снижает прочность.
- Состав материала может вызывать разбрызгивание; используйте высококачественное сырье.
- Лучшие результаты достигаются при большом размере пятна и большой длительности импульса.
Медь и медные сплавы
- Обладает более высокой отражательной способностью, чем алюминий; требует еще большей пиковой мощности лазера.
- Лазерную головку следует наклонить под углом.
- Сплавы меди (латунь, медно-никелевый сплав и др.) сложнее сваривать из-за наличия легирующих элементов; требуется тщательный подбор параметров.
Распространенные дефекты лазерной сварки и способы их устранения
Неправильные параметры или некорректная эксплуатация часто приводят к дефектам сварки, в том числе:
- Разбрызгивание на поверхности
- Внутренняя пористость сварного шва
- Трещины в сварных швах
- Деформация при сварке
Сварочные брызги
Разбрызгивание материала в основном вызвано чрезмерно высокой плотностью мощности лазера: заготовка поглощает слишком много энергии за короткое время, что приводит к сильному испарению материала и бурной реакции в расплавленной ванне.
Разбрызгивание металла ухудшает внешний вид, точность сборки и прочность сварных швов.
Причины
- Чрезмерно высокая пиковая мощность лазера.
- Неподходящая форма сварочного сигнала, особенно для материалов с высокой отражательной способностью.
- Разделение материалов, приводящее к локальному поглощению высокой энергии.
- Загрязнения или неметаллические примеси на поверхности заготовки.
- Низкоплавкие вещества, находящиеся между или под заготовками и выделяющие газ во время сварки.
- Закрытые полые структуры вызывают расширение газа и его разбрызгивание.
Решения
- Оптимизация параметров: снижение пиковой мощности или использование импульсных форм сигналов.
- Используйте качественное сырье, соответствующее требованиям рынка.
- Усильте предварительную очистку сварного шва для удаления масла и примесей.
- Оптимизация конструкции сварных соединений.
Внутренняя пористость
Пористость — наиболее распространенный дефект лазерной сварки. Быстрый термический цикл и короткий срок службы расплавленной ванны препятствуют выходу газа и образованию пор.
Распространенные типы: водородные поры, поры, образованные монооксидом углерода, и поры, образовавшиеся в результате схлопывания в форме замочной скважины.
Трещины в сварных швах
Трещины значительно снижают прочность сварного шва и срок его службы. Быстрый нагрев и охлаждение при лазерной сварке увеличивают риск образования трещин.
Большинство трещин, возникающих при лазерной сварке, являются горячими трещинами, характерными для алюминиевых сплавов и высокоуглеродистых/высоколегированных сталей.
Профилактика
- Для хрупких материалов следует применять методы предварительного нагрева и медленного охлаждения, чтобы уменьшить растрескивание.
- Оптимизация конструкции соединения для снижения сварочных напряжений.
- Выбирайте материалы с меньшей склонностью к растрескиванию при эквивалентных эксплуатационных характеристиках.
Деформация при сварке
Деформация часто возникает в тонких листах, заготовках большой площади или при многоточечной сварке, влияя на сборку и рабочие характеристики. Она вызвана неравномерным подводом тепла и непостоянным термическим расширением/сжатием.
Решения
- Оптимизация параметров для снижения тепловыделения: увеличение пиковой мощности при одновременном уменьшении длительности импульса.
- Снижение скорости сварки и частоты импульсов позволяет уменьшить количество выделяемого тепла в единицу времени.
- Оптимизируйте последовательность сварки для обеспечения равномерного нагрева.
Дата публикации: 25 февраля 2026 г.
