Альтернатива контактной сварке.

Кузов легкового автомобиля

Кузов автомобиля – это сложная и металлоемкая часть транспортного средства, которая служит для размещения водителя, пассажиров и груза. От состояния данного элемента зависит не только внешний вид автомобиля, но и такие важные параметры, как обтекаемость, комфортность, экономичность, экологичность и безопасны. Все это возможно благодаря использованию новых материалов при сборке кузова.

Всем привычная компоновка кузова (в начала XIX века), представляет собой конструкцию, которая состояла из нескольких крупногабаритных деталей (крыша, капот, панели пола, щиток передка) и большого числа сварных узлов, включающих относительно простые мелкие детали. Конструкция определяла и требования к материалам, и технологиям штамповки и сварки, того времени.

Так, основная масса деталей выполняется из отечественных сталей холоднокатаных прокатов стали 08Ю категорий сложной вытяжки (СВ) и особо сложной вытяжки (ОСВ), а наиболее простые детали — из сталей 08кп и 08пс. Прокат первой группы отделки поверхности, соответствующий категориям вытяжки ОСВ для лицевых деталей кузова.

Зарубежные марки стали. Тонколистовая, холоднокатаная спокойная сталь марки RRST 1405 по DIN 1623 (стандарт на качество), DIN 1541 (стандарт на размеры) с пределом прочности 270—350 МПа, относительным удлинением более 36%, с матовой, чистой поверхностью, толщиной 0,6—0.9 мм (поставляется с интервалом толщины 0,1 мм), используется для видовых (опрашиваемых) наружных панелей (крыша, капот, двери, боковины и т. д.);

Те же сорта стали, которые указаны выше, иногда тонколистовая кипящая сталь марки UST 1203 или UST 1303, т. е. худшего качества, с пределом прочности 270—410 МПа, относительным удлинением 28—32%, той же толщины, что указана выше, используется для невидовых (окрашиваемых), наружных панелей, а также деталей пола (внутренний каркас, усилители, панели пола, поперечины и т.д.);

Горячекатаная стальная лента по DIN 1624 (стандарт на качество), DIN 1606 (стандарт на размеры) марки ST 4 с пределом прочности 280—380 МПа, относительным удлинением более 38%, толщиной 1,5—2,5 мм и больше, используется для деталей, расположенных внизу кузова, особенно большой толщины (усилители, опоры, фланцы и т. д.).

Изначально сборка кузова, рассмотрим на примере (ВАЗ-2101 — ВАЗ-2107) состояла из поточных линий на базе многоточечных сварочных машин и стендов ручной сварки. То есть оборудования, предназначенного для сварки непокрытых сталей. Оно отличалось высокой производительностью, надежностью в эксплуатации, хорошей ремонтопригодностью и в то же время — недостаточной гибкостью, что не способствовало изменению конструкции деталей в процессе модернизации автомобиля или смены модельного ряда, имело ограничения по сварке деталей из оцинкованных сталей. В частности, в последнем случае существенно снижало свою производительность из-за необходимости остановок для проведения периодической ручной зачистки электродов контактных машин.

К моменту постановки на производство семейства автомобилей ВАЗ-2108 требования к кузову изменились. Соответственно другими стали и подходы к его проектированию. Например, кузов ВАЗ-2108, в отличие от кузова ВАЗ-2101, не имеет деталей и узлов, устанавливаемых в процессе доварки черного кузова. Он состоит из каркаса и съемных узлов (двери, капот, крылья), а каркас — из пяти основных узлов: пола, правой и левой боковин, рамы ветрового окна и крыши. В результате конструкция стала более технологичной, в ней снизилось число деталей и узлов. К примеру, если кузов автомобиля ВАЗ-21013 состоял из 536 деталей, то кузов ВАЗ-2108 — из 368. Благодаря этому удалось уменьшить и число сборочно-сварочных операций, и число сварочных точек. (К примеру, последних с 7300 до 4300.) При этом доля сварки в автоматических линиях увеличилась с 45 до 96 %. Итог трудоемкость изготовления кузова снизилась с 9,89 до 6,7 нормо-ч, численность рабочих в цехах сварки — на 350 чел.

Автомобили семейства ВАЗ-2108 были первыми среди отечественных АТС, где для повышения коррозионной стойкости кузова стали применять детали из электрооцинкованного проката. Всего таких деталей 16, а их масса составляет ~11 % обшей массы кузова.

Появление нового типа материала серьезно повлияло и на технологию изготовления кузова. Дело в том, что штамповать детали из оцинкованных сталей гораздо сложнее: покрытие существенно влияет на коэффициент трения в зоне контакта заготовки со штампом и, следовательно, на условия течения металла в процессе формовки и вытяжки; поверхностный слой имеет склонность к шелушению и отслоению в условиях пластической деформации металла-основы и контактного воздействия со стороны штампового инструмента, В силу этих особенностей штамповка электрооцинкованного проката требует дополнительных затрат и ужесточения технологической дисциплины. Например, при рубке заготовок, чтобы избежать отслоений покрытия в зоне реза и последующего их переноса с кромок заготовок на зеркало штампа, нужно очень точно выдерживать зазоры в режущем инструменте. Иначе в процессе штамповки, когда контактные давления очень высоки, сдираемые микрочастицы цинка привариваются к поверхности штампа, постепенно коагулируют и накапливаются в виде достаточно крупных металлических наростов, которые травмируют поверхность листа, оставляя на ней дефекты в виде выпуклостей, что совершенно недопустимо для лицевых деталей кузова.

Вторая группа особенностей оцинкованных сталей — их худшая, по сравнению с непокрытым металлом, свариваемость и повышенный износ сварочных электродов. Потому, что цинковое покрытие увеличивает контактные электросопротивления в парах "электрод — деталь" и "деталь — деталь". Следовательно, уменьшает сварочный ток и количество теплоты в зоне свариваемого соединения. Чтобы компенсировать это явление, сварочный ток приходится увеличивать, в зависимости от типа покрытия, на 5—15 %. Но в условиях высоких токов, температур и давления материал электрода начинает активно взаимодействовать с цинком, образуя легкоплавкие эвтектики (латуни). В итоге электрод по микронеровностям очень "охотно" приваривается к поверхности листа, а при размыкании контакта вызывает повышенную эрозию контактной поверхности. При этом масса данного участка поверхности возрастает, значит, снижаются плотность тока в контакте и диаметр ядра сварочной точки. Кроме того, постепенно образующийся слой латуни на контактной поверхности электрода повышает его электрическое сопротивление и соответственно снижает количество теплоты, выделяющейся в сварном соединении, что также уменьшает диаметр ядра сварной точки.

Переход на горячеоцинкованный прокат выгоден и в экономическом отношении: технологическая себестоимость изготовления данного проката на 10—15 % ниже, чем проката электрооцинкованного. Кроме того, он более технологичен с точки зрения штамповки. Во-первых, в качестве его основы используются высокопластичные стали со сверхнизким содержанием углерода (IF-стали); во-вторых, покрытие из более мягкого металла оказывает то же влияние, что и твердая смазка, т. е. в определенной степени облегчает процесс штамповки, улучшая условия течения металла.

Проблема обеспечения свариваемости горячеоцинкованного проката решается за счет использования сварочных роботов с современными системами управления циклом сварки и автоматической зачисткой электродов. Для снижения затрат на электродные материалы применяются электроды колпачкового типа с внутренним посадочным конусом.

Рассмотрим автомобили выпускаемые в 2017 году. Оцинковка кузова Весты не производится, однако автомобиль, в самом деле, неплохо защищен от коррозии. Осуществляется это путем катафорезного грунтования.

Технология оцинковки кузова наиболее эффективна. В ходе этого процесса кузов автомобиля окунается в ванну, наполненную расплавленным цинком. Температура раствора колеблется в пределах 445-460 °С. Однако данный метод является и наиболее дорогим. На Западе автопроизводители оцинковывают порядка 95% кузовов своих моделей. АвтоВАЗ пока не считает возможным применение подобного метода, так как это подразумевает масштабные модернизационные мероприятия на мощностях заводов и существенные инвестиции. Кроме того, затраты на оцинковку скажутся на конечной стоимости автомобилей Лада.

И зарубежной марки. По информации с официального сайта VW в России кузов автомобиля VW Polo Sedan полностью изготовлен из оцинкованной стали. Используется гальваническая оцинковка, которая надежно противостоит коррозии. Защитный слой предохраняет кузов от окисления в течение всего срока службы автомобиля. Готовый кузов подвергают катафорезному грунтованию, кузов полностью погружают в ванну с раствором электролита грунтовки. Кузов подключен к минусу источника постоянного тока, а плюс образует ряд анодов, расположенных на стенках ванны. В электрическом поле положительно заряженные частицы грунтовки под действием силового поля оседают на поверхности отрицательно заряженного кузова. Окраска кузова трехслойная, с покрытием лака.

Контактная сварка кузова.

Кузова легковых и кабины грузовых автомобилей выпускают в условиях крупносерийного производства, которые собираются из отдельных металлических штамповочных заготовок. Которые в дальнейшем будут соединены сваркой. К сборке предъявляют большие требования по точности, так как это конвейерное производство, и может привести к остановке линии, и различным проблемам. Сваривают элементы в основном точечной сваркой. Точечная сварка – разновидность контактной сварки, при которой детали соединяются по отдельным участкам, с помощью кратковременного касания электродов, передающих усилие сжатия и подводящих электрический ток, сварная поверхность ограниченна площадью самих торцов электродов. В настоящее время контактная сварка — один из ведущих—способов неразъемного соединения деталей в различных отраслях техники. Она отличается очень высокой степенью механизации, роботизации, автоматизации и, как следствие, высокой производительностью. Соединение свариваемых деталей происходит путем образования связей между атомными агрегатами в зоне контакта этих деталей. При этом для образования физического контакта и активации соединяемых поверхностей затрачивается тепловая и механическая энергия, подводимая извне.

Контактная сварка – явление соединения друг с другом двух, сжимаемых с большой силой металлических деталей, за счет нагревания места их контакта электрическим током большой величины.

Выделяющееся при этом процессе количество теплоты можно вычислить по закону Джоуля-Ленца: Q = I²R Δt, где I – средняя сила импульса тока, R – переходное сопротивление, Δt – длительность импульса. Для того чтобы это количество теплоты было достаточно для надежного соединения свариваемых деталей, сила сварочного тока должна быть достаточно большой: от сотен до сотен тысяч ампер при выходном напряжении 1-15 В. и внутреннем сопротивлении порядка 500 мкОм. Электроды для контактной сварки должны иметь достаточно большое поперечное сечение и изготавливаться из медных сплавов с малым удельным сопротивлением. Сила сжатия соединяемых деталей может меняться в широких пределах: от нескольких ньютонов до сотен килоньютонов.

.

Сердцем сварочной машины чаще всего является специальный трансформатор для контактной сварки, вторичная обмотка которого обычно имеет небольшое число витков провода с большой площадью поперечного сечения. На первичную его обмотку обычно подается переменное напряжение, но могут в ней создаваться и мощные импульсы выпрямленного тока. Так, например, работает конденсаторная схема контактной сварки. Импульсы в ней возникают при разрядке на первичную обмотку трансформатора заряженного конденсатора большой емкости.

Сварка контактная имеет следующие неоспоримые преимущества:

большая скорость выполнения отдельных операций, позволяющая обеспечить высокую производительность труда;

простота осуществления контроля за соблюдением оптимальных режимов процесса, что позволяет обеспечить надежность и высокое качество сварки даже при невысокой квалификации исполнителей;

процесс сварки можно легко механизировать и автоматизировать;

высокая степень экологичности

Недостатками является:

в случаях значительной программы выпуска, увеличивается продолжительность цикла сборки изделия, необходимы большие производственные площади для организации сборочного участка, требуется много одинаковых инструментов и приспособлений, а сборочные работы должны выполнять рабочие высокой квалификации, высокие энергетические затраты.

Сварка.

Сварка—это процесс получения неразъемных соединений посредством установления межатомных связей между свариваемыми частями при их локальном нагреве или пластическом деформировании.

Сварное соединение, характеризуется непрерывной структурной связью и монолитностью строения, достигаемое за счет образования атомно-молекулярных связей между элементарными частицами сопрягаемых деталей. Для того чтобы произошла сварка, нужно сблизить соединяемые элементы на расстояние порядка величины атомного радиуса (0,00000001 см) или разрушить атомное строение.

При сварке плавлением под сварным соединением понимают участок, включающий собственно шов-1, металл зоны термического влияния-2 и основной металл-3. Шов является литым сплавом основного или за счет расплавления основного и дополнительного металла, а зона термического влияния представляет участок основного металла с изменёнными в результате сварки свойствами и нетронутый основной металл. рисунок 1.

Рис. 1Сварное соединение.

При сварке плавлением металл в зоне сварки доводится до жидкого состояния. Локальное расплавление основного металла осуществляется по кромкам соединяемых элементов. Рисунок 2

Рисунок. 2 Стыковое сварное соединение а) с расплавлением основного металла б) с расплавлением дополнительного металла.

В практике преимущественное применение находит второй вариант. Металл расплавляют, путем ввода внешней энергии, и затем происходит сближение атомов металла сварочной ванны и основного металла до расстояния, при котором возникают атомно - молекулярные связи

По мере удаления источника нагрева жидкий металл остывает и происходит его затвердение – кристаллизация, представляющие собой элементарные кристаллические ячейки. В дальнейшем увеличивается количество центров кристаллизации при одновременном росте ранее образовавшихся кристаллов, однако температура при этом меняться не будет. Это объясняется тем что, при образовании центров кристаллизации и росте зерна выделяется энергия, которая компенсирует отвод тепла из системы в окружающую среду. После затвердевания металла наблюдается плавное понижение температуры до окружающей среды. Металлы, которые надо сварить их предварительно нагревают, как мы уже поняли. Для этого имеется очень много способов. От примитивного, с помощью трения, более технологически прогрессивным концентрированным источником.

Лазерный луч.

При облучении поверхности тела светом энергия квантов (порций) света поглощается этой поверхностью. Образуется теплота, температура поверхности повышается. Если световую энергию сконцентрировать на малом участке поверхности, можно получить высокую температуру.

Температура - физическая величина, характеризующая среднюю кинетическую энергию частиц макроскопической системы, находящейся в состоянии термодинамического равновесия.

Устройство, в котором энергия, например тепловая, химическая, электрическая, преобразуется в энергию электромагнитного поля - лазерный луч. При таком преобразовании часть энергии неизбежно теряется, но важно то, что полученная в результате лазерная энергия обладает несравненно более высоким качеством. Качество лазерной энергии определяется ее высокой концентрацией и возможностью передачи на значительное расстояние".

Квантовые генераторы оптического диапазона позволяют получать интенсивные и остронаправленные пучки света и концентрировать энергию на очень малые площадки, равные тысячным долям миллиметра. Созданное на этом принципе технологическое оборудование позволяет обрабатывать различные материалы, производить сварку и т. п.

Для более детального изучения, нужно разобраться в процессах поглощения и излучения атомами фотона света. Атом может находиться в различных энергетических состояниях с энергиями E₁, E₂ . В теории Бора эти состояния довольно таки стабильны. На самом деле стабильным состоянием, в котором атом в отсутствие внешних возмущений может находиться очень долго, является только состояние с наименьшей энергией. Это состояние называют основным. Все другие состояния нестабильны. В возбужденном состоянии, атом может пребывать лишь очень короткое время, порядка 10^–8 с, после этого он самопроизвольно переходит на нижний уровень, испуская квант света, частоту которого можно определить по второму постулату Бора. Излучение, испускаемое при самопроизвольном переходе атома из одного состояния в другое, называют спонтанным. На некоторых энергетических уровнях атом может пребывать значительно большее время, порядка 10^–3 с. Такие уровни называются метастабильными.

Переход атома в более высокое энергетическое состояние может происходить при резонансном поглощении фотона, энергия которого равна разности энергий атома в конечном и начальном состояниях.

Переходы между энергетическими уровнями атома не обязательно связаны с поглощением или испусканием фотонов. Атом может приобрести или отдать часть своей энергии и перейти в другое квантовое состояние в результате взаимодействия с другими атомами или столкновений с электронами. Такие переходы называются безызлучательными.

В 1916 году А. Эйнштейн предсказал, что переход электрона в атоме с верхнего энергетического уровня на нижний может происходить под влиянием внешнего электромагнитного поля, частота которого равна собственной частоте перехода. Возникающее при этом излучение называют вынужденным

или индуцированным. Вынужденное излучение обладает удивительным свойством. Оно резко отличается от спонтанного излучения. В результате взаимодействия возбужденного атома с фотоном атом испускает еще один фотон той же самой частоты, распространяющийся в том же направлении. На языке волновой теории это означает, что атом излучает электромагнитную волну, у которой частота, фаза, поляризация и направление распространения точно такие же, как и у первоначальной волны. В результате вынужденного испускания фотонов амплитуда волны, распространяющейся в среде, возрастает. С точки зрения квантовой теории, в результате взаимодействия возбужденного атома с фотоном, частота которого равна частоте перехода, появляются два совершенно одинаковых фотона-близнеца.

Именно индуцированное излучение является физической основой работы лазеров.

На рисунке 3 схематически представлены возможные механизмы переходов между двумя энергетическими состояниями атома с поглощением или испусканием кванта света.

Рисунок 3. Условное изображение процессов (a) поглощения, (b) спонтанного испускания и (c) индуцированного испускания кванта

Рассмотрим слой прозрачного вещества, атомы которого могут находиться в состояниях с энергиями E₁ и Е₂, где E₂ > E₁. Пусть в этом слое распространяется излучение резонансной частоты перехода ν = ΔE / h. Согласно распределению Больцмана, при термодинамическом равновесии большее количество атомов вещества будет находиться в нижнем энергетическом состоянии. Некоторая часть атомов будет находиться и в верхнем энергетическом состоянии, получая необходимую энергию при столкновениях с другими атомами. Обозначим населенности нижнего и верхнего уровней соответственно через n₁ и n₂ < n₁. При распространении резонансного излучения в такой среде будут происходить все три процесса, изображенные на рисунке 3. Эйнштейн показал, что процесс (a) поглощения фотона невозбужденным атомом и процесс (c) индуцированного испускания кванта возбужденным атомом имеют одинаковые вероятности. Так как n₂ < n₁ поглощение фотонов будет происходить чаще, чем индуцированное испускание. В результате прошедшее через слой вещества излучение будет ослабляться. Излучение, возникающее в результате спонтанных переходов, некогерентное, распространяется во всевозможных направлениях и не дает вклада в проходящую волну.

Чтобы проходящая через слой вещества волна усиливалась, нужно искусственно создать условия, при которых n₂ > n₁, т. е. создать инверснуюнаселенностьуровней. Такая среда является термодинамически неравновесной. Идея использования неравновесных сред для получения оптического усиления впервые была высказана В. А. Фабрикантом в 1940 году.

Среда, в которой создана инверсная населенность уровней, называется активной. Она может служить резонансным усилителем светового сигнала. Для того чтобы возникала генерация света, необходимо использовать обратнуюсвязь. Для этого активную среду нужно расположить между двумя высококачественными зеркалами, отражающими свет строго назад так, чтобы он многократно прошел через активную среду, вызывая лавинообразный процесс индуцированной эмиссии когерентных фотонов. При этом в среде должна поддерживаться инверсная населенность уровней. Этот процесс в лазерной физике принято называть накачкой рисунок 4.

Рисунок 4 Схема лазерной установки.

Начало лавинообразному процессу в такой системе при определенных условиях может положить случайный спонтанный акт, при котором возникает излучение, направленное вдоль оси системы. Через некоторое время в такой системе возникает стационарный режим генерации. Это и есть лазер. Лазерное излучение выводится наружу через одно из зеркал, обладающее частичной прозрачностью. На рисунке 5 схематически представлено развитие лавинообразного процесса в лазере.

Рисунок 5 Развитие лавинообразного процесса генерации в лазере.

Существуют различные способы получения среды с инверсной населенностью уровней. В рубиновом лазере используется оптическая накачка, атомы возбуждаются за счет поглощения света. Но для этого недостаточно только двух уровней. Каким бы мощным не был свет лампы–накачки, число возбужденных атомов не будет больше числа невозбужденных. В рубиновом лазере накачка производится через выше расположенный третий уровень рисунок 6.

Рисунок 6 Трехуровневая схема оптической накачки. Указаны «времена жизни» уровней E2 и E3. Уровень E2 – метастабильный. Переход между уровнями E3 и E2безызлучательный. Лазерный переход осуществляется между уровнями E2 и E1. В кристалле рубина уровни E1, E2 и E3принадлежат примесным атомам хрома.

После вспышки мощной лампы, расположенной рядом с рубиновым стержнем, многие атомы хрома, входящего в виде примеси в кристалл рубина, переходят в состояние с энергией E₃, а через промежуток τ ≈ 10^–8 с они переходят в состояние с энергией E₂. Перенаселенность возбужденного уровня E₂ по сравнению с невозбужденным уровнем E₁ возникает из-за относительно большого времени жизни уровня E₂.

Лазер на рубине работает в импульсном режиме на длине волны 694 нм (темно-вишневый свет), мощность излучения может достигать 10⁶–10⁹ Вт в импульсе. Исторически это был первый действующий лазер, построенный американским физиком Т. Майманом в 1960 г.

Пайка

Образование соединения с межатомными связями в результате нагрева соединяемых металлов называется пайкой (ниже температуры их плавления), смачивания их расплавленным припоем, затекания припоя в зазор и последующей его кристаллизации.

Рисунок. Пайка кузова автомобиля медным припоем.

Образование непрерывной межатомной связи при пайке происходит в процессе смачивания припоем поверхности соединяемых деталей. Смачивание и связь твердого тела с жидкостью обусловлены электростатическими силами Ван-дер-Ваальса и силами химического взаимодействия.

Адгезию и когезию между твердым и жидким веществами обычно принято называть смачиванием. Различают три типа смачивания: 1) физическое (или обратимое); 2) хемоадсорбционное; 3) химическое смачивание, при котором имеет место растворение одного вещества в другом, взаимное растворение или химическая реакция. Для осуществления химического смачивания при пайке необходим нагрев деталей и припоя, а также активация в специальных средах при обработке поверхности флюсом.

Поверхность деталей, полученных после заготовительных операций, особенно после операций, связанных с формообразованием, имеет на себе следы различных загрязнений: масло, краски, окалина, окисные пленки. Подобные загрязнения поверхности соединяемых деталей влекут за собой загрязнение и снижение качества металла шва, неудовлетворительное формирование шва при сварке плавлением, снижение устойчивости процесса и появление прожогов и выплесков при контактной сварке, плохое растекание припоев и различные дефекты соединений при пайке.

Поэтому для получения качественного сварного или паяного соединения необходимо провести перед сваркой или пайкой специальную подготовку поверхности деталей, входящих в узлы, или мест соединений. Особенно это существенно при таких способах соединения, при которых исключена возможность проведения интенсивной металлургической обработки металла ванны, т. е. при точечной и роликовой сварке, сварка плавлением в защитных газах, без флюсовой пайке и т. п. Такая подготовка в основном заключается в очистке детали от загрязнений, удалении окалины и поверхностных окисных пленок. Паяемые поверхности должны быть очищены от загрязнений и окислов. Детали очищают от жиров и масел путем их подогрева в различных щелочных растворах. Под действием щелочей жиры переходят в раствор. Оставшиеся жировые пленки могут быть удалены бензином, четыреххлористым углеродом и т. д. Образовавшуюся в процессе термообработки на поверхностях детали окалину, удаляют травлением или путем обдувки поверхности дробью.

Травление проводят в растворе серной или соляной кислоты с последующим погружением в щелочь и промывкой. Травление не только удаляет окисные пленки, но и способствует созданию микрорельефа поверхности, который благоприятен в отношении процесса пайки.

Перед пайкой для улучшения смачиваемости поверхностей и растекаемости припоя на них наносят тонкие металлические слои. Слои можно наносить гальваническим методом. При этом они защищают поверхность от внешних воздействий. После растекания по ним припоя слои становятся ненужными. В процессе пайки они могут растворяться и удаляться. Если необходимо сохранить покрытие в течение всего процесса пайки, например при соединении титановых деталей, то это следует учитывать при выборе припоя, флюса и при разработке всех технологических операций.

Я бы советовал повесить прибор для контроля качества. Качество сварного шва напрямую влияет на надежность всего элемента, особенно это важно для деталей испытывающих повышенные или несущие нагрузки. Поэтому, для контроля качества, после основных работ проводится проверка с целью выявить дефекты.

Ультразвуковой метод контроля. Ультразвуковая дефектоскопия дает возможность зафиксировать отклонения, образующиеся при отражении волн от границ сред с различными свойствами. Ультразвуковой источник посылает сигнал, который при достижении конца сплава отражается. Если на своем пути сигнал встречает дефект, то это отражается на волне, что в свою очередь фиксируется прибором. Различные дефекты имеют свои собственные отражения, поэтому определить природу изъяна достаточно просто. Ультразвуковой дефектоскоп считают наиболее удобным для использования. Это обусловлено возможностью определить изъян, как на поверхности, так и в глубине металла. Также, метод не имеет таких строгих ограничений, как магнитный. Есть ряд металлов с крупным зерном, например чугун, которые не поддаются ультразвуковому исследованию, но для всех других сплавов можно без труда вести контроль качества сварочных работ. Есть еще один недостаток – сложность расшифровки полученных данных. Увы, дефектоскопы дают пользователю очень специфические данные, которые следует расшифровать. Без предварительной подготовки сделать это практически невозможно, поэтому для работ нужен обученный специалист.

Лазерная сварка.

Одним из самых распространенных в настоящее время является газовый лазер на смеси гелия и неона. Общее давление в смеси составляет порядка 10² Па при соотношении компонент He и Ne примерно 10 : 1. Активным газом, на котором в непрерывном режиме возникает генерация на длине волны 632,8 нм (ярко-красный свет), является неон. Гелий – буферный газ, он участвует в механизме создания инверсной населенности одного из верхних уровней неона. Излучение He–Ne лазера обладает исключительной, непревзойденной монохроматичностью. Расчеты показывают, что спектральная ширина линии генерации He–Ne лазера составляет примерно Δν ≈ 5·10^–4 Гц. Это фантастически малая величина. Время когерентности такого излучения оказывается порядка τ ≈ 1 / Δν ≈ 2·10³ с, а длина когерентности cτ ≈ 6·10¹¹ м, т. е. больше диаметра земной орбиты!

На практике многие технические причины мешают реализовать столь узкую спектральную линию He–Ne лазера. Путем тщательной стабилизации всех параметров лазерной установки удается достичь относительной ширины Δν / ν порядка 10^–14–10^–15, что примерно на 3–4 порядка хуже теоретического предела. Но и реально достигнутая монохроматичность излучения He–Ne лазера делает этот прибор совершенно незаменимым при решении многих научных и технических задач. Первый гелий-неоновый лазер был создан в 1961 году. На рисунке 7 представлена упрощенная схема уровней гелия и неона и механизм создания инверсной населенности лазерного перехода.

Рисунок 7 Механизм накачки He–Ne лазера. Прямыми стрелками изображены спонтанные переходы в атомах неона.

Накачка лазерного перехода E₄ → E₃ в неоне осуществляется следующим образом. В высоковольтном электрическом разряде вследствие соударений с электронами значительная часть атомов гелия переходит в верхнее метастабильное состояния E₂. Возбужденные атомы гелия неупруго сталкиваются с атомами неона, находящимися в основном состоянии, и передают им свою энергию. Уровень E₄ неона расположен на 0,05 эВ выше метастабильного уровня E₂ гелия. Недостаток энергии компенсируется за счет кинетической энергии соударяющихся атомов. На уровне E₄ неона возникает инверсная населенность по отношению к уровню E₃, который сильно обедняется за счет спонтанных переходов на ниже расположенные уровни. При достаточно высоком уровне накачки в смеси гелия и неона начинается лавинообразный процесс размножения идентичных когерентных фотонов. Если смесь газов помещена между высокоотражающими зеркалами, то возникает лазерная генерация. На рисунке 8 изображена схема гелий-неонового лазера.

Современные высокостабильные гелий-неоновые лазеры производятся в моноблочном исполнении. Для этого используется стеклообразное вещество – ситалл, обладающий практически нулевым температурным коэффициентом расширения. В куске ситалла в форме прямоугольного параллелепипеда просверливается канал, к торцам которого на оптическом контакте приклеиваются лазерные зеркала. Ге́лий-нео́новый ла́зер.— лазер, активной средой которого является смесь гелия и неона. Гелий-неоновые лазеры часто используются в лабораторных опытах и оптике. Имеет рабочую длину волны 632,8 нм, расположенную в красной части видимого спектра.

Рисунок 8 Гелий-неоновый лазер.

Рабочим телом гелий-неонового лазера служит смесь гелия и неона в пропорции 5:1, находящаяся в стеклянной колбе под низким давлением (обычно около 300 Па). Энергия накачки подаётся от двух электрических разрядников с напряжением около 1000 вольт, расположенных в торцах колбы. Резонатор такого лазера обычно состоит из двух зеркал — полностью непрозрачного с одной стороны колбы и второго, пропускающего через себя около 1 % падающего излучения на выходной стороне устройства. Гелий-неоновые лазеры компактны, типичный размер резонатора — от 15 см до 0,5 м, их выходная мощность варьируется от 1 до 20 мВт.

В газовых лазерах в качестве активного тела применяется так же смесь газов, обычно углекислого газа, азота и гелия. В лазерах с продольной прокачкой газа смесь газов, поступающих из баллонов, прокачивается с помощью насоса через газоразрядную трубку. Электрический разряд между электродами, подключенными к источнику питания, используется для энергетического возбуждения газа. По торцам трубки размещены отражающее и полупрозрачное зеркала.
Более компактными и мощными являются лазеры с поперечной прокачкой газа. Их общая мощность может достигать 20 кВт и выше рисунок 9.

Рисунок 9. Схемы лазеров с продольной и поперечной прокачкой газа

Весьма эффективны щелевые CO₂-лазеры. Они имеют еще меньшие габариты, а мощность их излучения обычно составляет 600–8000 Вт. Режим излучения – от непрерывного до частотно-импульсного.

Рисунок. Схема щелевого лазера.

В щелевом лазере применяется поперечная высокочастотная накачка активной среды (с частотой от десятков МГц до нескольких ГГц). Благодаря такой накачке увеличивается устойчивость и однородность горения разряда. Щель между электродами составляет 1–5 мм, что способствует эффективному

отводу тепла от активной среды.
Наиболее мощные лазеры – газодинамические (100–150 кВт и выше). Газ, нагретый до температуры 1000–3000 К, протекает со сверхзвуковой скоростью через сопло Лаваля (суженный посередине канал), в результате чего он адиабатически расширяется и охлаждается в зоне оптического резонатора. При охлаждении возбужденных молекул углекислого газа происходит испускание когерентного излучения. Накачка лазера может осуществляться вспомогательным лазером или другим мощным источником энергии.

Рисунок. Схема газодинамического лазера

Длина волны излучения углекислотных лазеров составляет 9,4 или 10,6 мкм.

Твердотельные лазеры плохо обрабатывают неметаллы, поскольку ряд таких материалов полностью или частично прозрачен для излучения с длиной волны около 1 мкм, например, оргстекло. Лазерный луч более чувствителен к неровной поверхности обрабатываемого материала. Однако при раскрое алюминиевых сплавов, меди и латуни твердотельные лазеры имеют преимущество по сравнению с углекислотными, поскольку поглощение излучения поверхностью этих металлов значительно выше на длине волны твердотельного лазера.

Углекислотные