Proiectarea unor procese tehnologice de sudare cu laser pentru realizarea unor sisteme mecatronice

Universitatea Politehnica BucurestiFacultatea de Inginerie Mecanica si Mecatronica

Proiectarea unor procese tehnologice de sudare cu laser pentru realizarea unor sisteme mecatronice

AbsolventŞtefanescu Cristian Valeriu

Indrumator prof. dr. ing. Grigore Octavian Donţu

Proiectarea unor procese tehnologice de sudare cu laser pentru realizarea unor sisteme mecatroniceStefanescu Cristian Valeriu

IUNIE 2008

Cuprins:

1. Procedee de sudare ……………………………………………………….. 3 1.1 Procedee de sudare utilizate in mecatronica ………………………... 7

1.1.1. Procedee de sudare conventionale …………………………….. 7 1.1.1.1. Sudarea cu arc electric..……………………………7 1.1.1.2. Sudare cu flacara de gaze, oxiacetilenica ……….. 10

1.1.2. Procedee de sudare neconventionale ………………………….. 121.1.2.1. Sudarea la rece prin presiune …………………….121.1.2.2. Sudarea prin frecare ……………………………... 141.1.2.3. Sudarea cu ultarasunete …………………………. 171.1.2.4. Sudarea cu laser ………………………………….. 181.1.2.5. Sudarea prin difuzie ……………………………… 21 1.1.2.6. Sudarea cu fascul de electroni …………………… 23 1.1.2.7. Sudarea cu inalta frecventa ……………………… 251.1.2.8. Sudarea cu explozie ………………………………. 271.1.2.9. Sudarea cu arc rotitor ……………………………. 29

2. Instalatii laser pt uz tehnologic ………………………………………….. 31 2.1. Caracteristici ale radiatiilor laser …………………………………. 31 2.2. Generatoare laser …………………………………………………… 35 2.2.1. Principiul functionarii laserului …………………… 35 2.2.2. Inversia de populatie ……………………………….. 36 2.2.3. Pomparea laser….. ……………………………….... 42 2.2.4. Medii active laser ………………………………...…. 45 2.2.5. Rezonatorul optic …………………………………... 46 2.3. Tipuri de generatoare laser utilizte pentru sudare ……………….. 51

2.3.1. Laser cu mediu activ solid Yag ND, sticla Neodim . 52 2.3.2. Laser cu mediu activ gazos (emisie continuua) ... 56

2.4. Metale sudabile cu laser .. …………………………………………….60

3. Sudarea cu laser pentru sisteme mecatronice ……………………………. 65 3.1. Princpiul …...…………………………………………………………. 66 3.2. Caracteristici ale procesului …………………….…………..………. 67 3.3. Factorii care influienteaza calitatea asamblarii ………………….... 70 3.4. Parametrii fascicolului laser ...…………………………………….... 72 3.5. Parametrii sistemului de focalizare ..……………………………….. 74 3.6. Pozitia punctului focal in raport cu suprafata materialului …….... 77

4. Rezultatele cercetarilor experimentale privind procesele de sudare……..78

4.1. Prezenatrea instalatiei utlizate………………………………………..784.2. Elemente deafisaj si comanda ……………………………………….. 894.3. Necesitatea pozitionarii precise a pieseleor ce vor fi sudate cu laser.98

4.3 Rezultatele cercetarilor experimentale ……………………….…… 1014.4. Aplicatii ale experimentelor utilizate in diferite domenii ………... 106

5. Perspective privind dezvoltarea in viitor a sudarii cu laser ………………… 108

2


6. Bibliografie …………………………………………………………………….. 109

3


Capitolul 1. Procedee de sudare

1.1. Procedee de sudare utilizate in mecatronica

Sudarea este procedeul tehnologic de asamblare nedemontabilă a metalelor şi aliajelor,

prin topire locală, cu sau fără metal de adaos.

Procesul de sudare cuprinde totalitatea fenomenelor prin care se realizează îmbinarea

sudată între două sau mai multe repere ale unei structuri sudate. Îmbinarea sudată

materializează continuitatea materială între piesele de îmbinat ca urmare a coalescenţei

localizate a materialelor. Pentru a realiză continuitatea materială între piesele de îmbinat se

apelează la topirea locală a zonei de îmbinare, fără aplicarea simultană a unei presiuni sau la

deformarea plastică a acesteia ca urmare a unei presiuni cu sau fără încălzire simultană,

utilizând sau nu material de adaos.

Putem clasifica tipurile de sudare în funcţie de modul prin care se face îmbinarea

pieselor de sudat:

• sudarea prin topire: sudarea cu arc electric; sudarea cu flacără oxiacetilenică;

sudarea cu jet de plasmă.

• sudarea prin presiune: sudarea în puncte; sudarea în linie.

Urmare a încălzirii şi deformării plastice locale a zonei de îmbinare, a

condiţiilor particulare în care se desfăşoară procesul de sudare (temperatură, presiune,

protectia zonei de îmbinare, natura materialelor îmbinate, etc), la nivelul zonei de

îmbinare se desfăşoară o serie de fenomene care concură la realizarea îmbinării sudate.

Este vorba de: fenomene termice; fenomene chimice; fenomene fizice; fenomene

metalurgice, etc.

Fenomenele termice sunt determinate de sursa termică utilizată în procesul de

sudare, de modul de transmitere al căldurii spre piese şi în profunzimea lor, de modul

de variaţie în timp a temperaturii la nivelul zonei de îmbinare.

Fenomenele chimice au în principal ca şi cauză particularităţile procesului de

sudare, respectiv temperatura din zonă, prezenţa gazelor şi a zgurii în zona de sudare,

reacţiile desfăşurate ca urmare a interacţiunii complexe metal-gaz-zgură. Rezultatul

fenomenelor chimice desfăşurate la nivelul zonei de sudare este modificarea

4


compoziţiei chimice a materialului în diversele zone ale îmbinării sudate, a

proprietăţilor de întrebuinţare a acestuia.

Fenomenele fizice desfăşurate la nivelul îmbinării sudate se referă la

modificările de volum ale materialului din zona de îmbinare, ca rezultat al acţiunii asupra

sa a ciclului termic implicat în proces şi de deformarea plastică specifică, ele conducând în

final la apariţia deformaţiilor şi tensiunilor în îmbinarea sudată.

Fenomenele metalurgice decurg din precedentele, asociate naturii, structurii şi

proprietăţii materialelor îmbinate, conducând în final la modificarea proprietăţilor de

întrebuinţare a îmbinării sudate, corespunzător scopului urmărit prin procesul de sudare aplicat.

Considerând ca principale elemente de clasificare, temperatura şi presiunea

deformarea plastică locală din zona de îmbinare necesare stabilirii interacţiunii

energetice între atomii mărginaşi de pe suprafeţele de îmbinat, procesele de sudare pot:

• procese de sudare prin topire, situaţie în care TC>Tt, pc ≈ 0;

• procese de sudare prin presiune , când Tc≤Tt, pc≠0.

Activare mecanică

Activare mecanică

Activare termică

* Activare termică

Domeniul de realiyare al sudarii

N/m 2

0.001

0.002

0.003

0.004

973 1173 1373 1573 1773 1993

c

T, K

Delimitarea proceselor de sudare corespunzator valorilor Tc si pc

5


Datorită accesibilităţii tehnologice şi a vitezei mari de desfăşurare procesele de

sudare prin topire sunt cele mai utilizate. Activarea termică a materialului în zona;

de contact determină creşterea locală a temperaturii peste valoarea celei de topire,

astfel că în zona de îmbinare materialul ajunge în stare lichidă. Faza lichidă din zona de

contact, baia de sudură, udă faza solidă, materialul de bază realizând coeziunea în zona

de contact.

La scăderea temperaturii sub cea de topire, la solidificarea băii de sudură

coeziunea moleculară uşurează stabilirea interacţiunii energetice, respectiv a

continuităţii materiale dintre piesele îmbinate sau a îmbinării sudate prin topire.

Procesele de sudare prin topire se desfăşoară fără dificultăţi dacă piesele

îmbinate sunt relativ identice sub aspect structural, al proprietăţilor termofizice şi cu

solubilitate reciprocă totală în stare lichidă. În cazul solubilităţii reciproce reduse sau în

caz de insolubilitate în stare topită a materialelor pieselor de îmbinat, procesele de

sudare prin topire se desfăşoară dificil sau doar apelând la măsuri tehnologice speciale.

Procesele de sudare prin presiune, cu sau fără încălzire locală, sunt mai puţin

răspândite fiind mai lente şi mai puţin accesibile tehnologic. Realizarea interacţiuni

energetice a atomilor din zona de îmbinare, a continuităţii materiale dintre piesele de

îmbinat se bazează pe deformarea elasto-plastică a materialului din zona de contact la

valori ale temperaturii sub cea de recristalizare. Se apelează doar la activare mecanică

sub acţiunea unei presiuni, în cazul proceselor de sudare prin presiune la rece. Încălzirea

locală a zonei de contact la o valoare a temperaturii situată între cea de recristalizare şi cea de

topire, respectiv printr-o activare mecanică şi termica se măreşte agitaţia termică, se reduce

valoarea presiunii necesară, rezistenţa la deformare plastica şi durata procesului de sudare.

Este cazul proceselor de sudare prin presiune în stare solidă.

Îmbinarea sudată, prin topire sau presiune rezultată în urma unui proces de sudare

are unele elemente componente caracteristice:

6


14 3 2 5 64

a) b)

14 3 2 5 64

a) b)

Elementele componente ale unei îmbinări sudate

a. prin topire; b. prin presiune;

1-sudură; 2-zona de trecere; 3-zona influenţată termic; 4-materialul de bază; 5- linia de

îmbinare; 6-zona influenţată termomecanic /mecanic.

• sudura este zona îmbinării sudate prin topire ce materializează continuitatea

materială între piesele îmbinate, rezultată în urma solidificării băii de sudură. Baia de

sudură este rezultatul amestecării materialului topit provenit din materialul de bază şi

respectiv materialul depus;

• zona de trecere sau linia de fuziune între sudură şi materialul de

bază, este o zonă extrem de îngustă, deseori vizibilă doar microscopic, dar eterogenă sub

aspect chimic, structural şi evident al proprietăţilor;

• zona influenţată termic este zona îmbinării sudate prin topire

provenită din materialul de bază netopit, în care se produc modificări structurale şi de fază

sub influenţa ciclului termic al procesului de sudare;

• linia/ zona de îmbinare a îmbinării sudate prin presiune este o zonă

îngustă ce materializează continuitatea materială între piesele îmbinate, gradul de

eterogenitate al ei depinzând de gradientul de concentraţie al materialelor pieselor

îmbinate şi de condiţiile sudării;

• zona influenţată termomecanic sau mecanic a îmbinării sudate prin

presiune este o parte din materialul de bază ce suferă transformări structurale sau

7


mecanice, ecruisări etc. ca urmare a temperaturii şi/sau deformaţiei plastice locale a

pieselor din zona de îmbinare.

1.1.1. Procedee de sudare conventionale

1.1.1.1. Sudarea cu arc electric.

La acest procedeu căldura este produsă de un arc electric format între metalul de bază

şi un electrod sau între mai mulţi electrozi. În cazul sudării cu electrod de metal, care este

procedeul cel mai răspândit, arcul electric este stabilit între electrod şi piesele de sudat (fig.

1.1.). Arcul electric topeşte marginile pieselor din care se formează baia de sudură la care se

adaugă metalul topit din electrod.

Sudarea cu electrod de metal poate fi realizată manual, senii automat şi automat.

Sudarea automată sub strat de flux

Sudarea automată sub strat de flux cu aport continuu de metal prezintă faţă de sudarea

manuală cu electrozi înveliţi, avantaje expuse în continuare.

Vergea metalica

Invelis

Arc

Crater

Metal topit

Zgura topitaZgura solida

Zona de trecere

Metal de baza

Sensul de avans al electrodului

Electrod de sudura

a. Sudurile realizate prin acest procedeu sunt superioare celor obţine prin sudarea

manuală. Stratul de flux protejează complet metalul topit al cusăturii contra oxidării şi

pătrunderii azotului din atmosferă. Sub stratul de flux metalul topit se răceşte lent şi astfel

gazele pătrunse în metalul topit au posibilitatea să se degaje. Elementele de aliere din metalul

de bază şi din electrod, nefiind în contact cu oxigenul din atmosferă, nu ard, ci trec aproape

integral în cusătură. Prin folosirea unor fluxuri de calitate corespunzătoare poate fi obţinută

8


alierea metalului depus cu elementele necesare realizării unei cusături cu proprietăţile dorite.

Numărul mare de începuturi de depuneri şi de cratere finale, inevitabile la sudarea manuală,

se reduc complet la sudarea automată, ceea ce influenţează de asemenea pozitiv calitatea

îmbinării.

b. La sudarea automată sub flux productivitatea muncii este mult mai mare, viteza de

sudare putând să fie mărită de 5...10 ori, iar numărul straturilor de sudură este mai mic decât

în cazul cusăturilor executate manual. Astfel, în timp ce viteza de înaintare a electrodului, în

cazul sudării manuale a unei piese de 8...10 mm grosime, nu depăşeşte 6...8 m/h, la sudarea

automată sub flux viteza de înaintare a sârmei este de 30...50 m/h.

c. Pierderile de metal prin ardere, împroşcare, resturi de electrozi, sunt mult mai mici

decât în cazul sudării manuale.

d. Consumul de energie electrică este mai mic în cazul sudării sub flux, deoarece la

acest procedeu căldura dezvoltată de arcul electric este mult mai bine folosită.

e. În cazul sudării sub flux sudorul nu are nevoie de o protecţie specială a ochilor şi a

pielii, deoarece, arcul electric fiind acoperit, nu se produc radiaţii luminoase sau radiaţii

vătămătoare.

f. Nu se cere o calificare specială pentru operatori ca în cazul sudării manuale,

calitatea îmbinărilor sudate, în cazul sudării automate sub flux, ne mai depinzând atât de mult

de cel care o execută.

Sudarea semiautomată sub strat de flux.

Cu toate avantajele ce le prezintă sudarea automată în comparaţie cu sudarea manuală,

la o serie de lucrări de sudare, legate de realizarea unor cusături scurte, sau pe conture curbe,

ca şi în cazul cusăturilor greu accesibile, utilizarea sudării automate nu este raţională. În

asemenea cazuri este indicată folosirea sudării semiautomate sub strat de flux cu tub flexibil.

La acest procedeu, ca şi la sudarea automată, sârma se introduce în mod automat în spaţiul

arcului, dar conducerea arcului de-a lungul cusăturii, spre deosebire de sudarea automată, este

manuală.

Sudarea în mediu de gaz protector.

Prezintă un progres faţă de sudarea manuală şi chiar faţă de sudarea automată şi

semiautomată sub strat de flux, din următoarele motive:

- arcul electric poate fi supravegheat direct;

- procedeul poate fi aplicat la suduri scurte şi cu forme curbe, indiferent de poziţia lor;

- productivitatea este mai mare şi preţul de cost mai redus, datorită coeficienţilor de depunere

mai mari şi faptului că după sudare pe cusătură nu rămâne zgură.

9


La aceste procedee nu este necesar să se folosească flux electrozi înveliţi, deoarece

gazul asigură o protecţie complet metalului topit. Sudarea se execută cu electrod fuzibil.

Sârma de sudare utilizată trebuie să conţină elementele de aliere necesare pentru obţinerea

unei cusături corespunzătoare.

La sudarea oţelului se foloseşte de obicei, ca gaz protector bioxidul de carbon, iar la

sudarea cuprului se foloseşte argonul sau azotul. Sudarea în mediu de CO2 se aplică la

îmbinarea tablelor de oţel cu conţinut redus de carbon, având până la 25 mm grosime.

Sudarea în mediu de argon se aplică, în special, la confecţionarea pieselor de tablă

subţire din oţeluri inoxidabile şi oţeluri rezistente la temperaturi înalte. La sudarea tablelor

subţiri se recomandă procedeul WIG, la care arcul electric se formează între doi electrozi de

wolfram.

Sudarea în mediu de abur.

Un interes deosebit îl prezintă folosirea aburului ca mediu protector la sudarea

electrică cu arc a oţelurilor, procedeu utilizat îndeosebi la remedierea defectelor de turnare ale

pieselor din oţel cu conţinut redus de carbon. Fată de sudarea în mediu de CO2 sudarea în

mediu de abur are o productivitate mai mare şi un consum de energie electrică mai redus

Sudarea cu hidrogen atomic.

La sudarea cu hidrogen atomic arcul electric este format între doi electrozi de wolfram

independent de piesele ce se sudează. În jurul arcului se suflă un curent de hidrogen care

protejează metalul topit de acţiunea aerului. Datorită temperaturii ridicate a arcului electric,

moleculele de hidrogen se disociază. Atomii de hidrogen, întâlnindu-se cu metalul mai rece,

se asociază din nou în molecule; acest procedeu este însoţit de o puternică degajare de

căldură, care accelerează topirea metalului în locul de sudare. Procedeul este indicat atît la

sudarea oţelurilor obişnuite, a oţelurilor aliate cu crom şi nichel sau mangan, cît şi la sudarea

metalelor neferoase, cu excepţia nichelului şi a cromului.

Sudarea în baie de zgură.

În cazul pieselor de grosime mare, sudarea cu arcul electric devine nerentabilă, din

cauza numărului mare de straturi care trebuie depuse prin topire. Procedeul cel mai indicat în

asemenea cazuri este sudarea în baie de zgură.

Electronituirea.

Procedeul de sudare prin puncte, cu topire sub flux sau în mediu de CO2, este cunoscut

sub denumirea de electronituire.

10


Intrerupator

Cofret de comanda

Table de sudat

Electronituitor

Flux

Electrod

Procedeul constă în descărcarea unui arc electric, produs de un curent de

intensitate mare, cu ajutorul căruia este topită tabla superioară, iar metalul topit pătrunde

în tabla inferioara. Electrodul este introdus într-un ajutaj cu flux, aşezat deasupra tablei

superioare.

După topirea capătului electrodului şi după solidificarea băii formate, rezultă un

electronit care îmbină puternic cele două table.

Procedeul se aplică la îmbinarea tablelor sub 10 mm grosime, şi la îmbinarea

tablelor subţiri cu profile laminate. în cazul tablelor sau profilelor cu grosime mai mare,

procedeul poate fi utilizat dacă se prevăd găuri în piesa superioară.

1.1.1.2. Sudarea cu gaze.

La sudarea cu gaze, încălzirea până la topire a pieselor în locul de îmbinare şi a

metalului de adaos, se realizează cu ajutorul căldurii dezvoltate prin arderea unui amestec

de gaz cu oxigen. De obicei, drept gaz combustibil se foloseşte acetilena, mai rar

hidrogenul, metanul, propanul, butanul etc. Ca material de adaos se utilizează sârme

având compoziţie chimică apropiată de cea a metalului de bază.

Datorită faptului că la sudarea cu gaze este încălzită o zonă mai mare din

apropierea cusăturii, eforturile remanente şi deformaţiile piesei după sudare sunt mult mai

mari decât la sudarea cu arcul electiric. Procedeul este utilizat mai ales la sudarea tablelor

11


subţiri, sub 4 mm grosime, şi la sudarea metalelor neferoase, la care dă rezultate mai bune

decât sudarea cu arc electric.

Sudare cu flacara oxiacetilenica

Flacãra de sudare oxiacetilenicã se formeazã prin aprinderea amestecului gazos compus din gazul combustibil - acetilena - si oxigenul, la ieşirea dintr-un arzãtor.

În condiţiile arderii normale o flacãrã oxiacetilenicã prezintã trei zone distincte, : - nucleul luminos corespunde disocierii acetilenei si începutului arderii carbonului :

C2H2 + O2 → 2 C + H2 + O2

2 C + H2 + O2 → 2 CO + H2 + 450 000 kJ/kmol

Nucleul are o formã cilindricã si este înconjurat la exterior de un strat de carbon liber incandescent care-i conferã luminozitatea caractristicã :

- flacãra primarã este sediul reacţiei de ardere primarã cu formarea oxidului de carbon si degajarea unei cantitãţi mari de cãldurã . Are caracter reducãtor datoritã CO si H2 conţinute , este conicã ca formã îmbrãcând nucleul luminos, se evidenţiazã datoritã transparentei sale;

- flacãra secundarã corespunde arderii complete :

2 CO + H2 + O2 → 2 CO2 + H2O + 850 000 kJ/kmol cu oxigen din aerul înconjurãtor. Gazele de ardere completã - CO2 si vaporii de apã îi conferã luminozitate, are temperaturã mai scãzutã decât flacãra primarã datoritã efectului de rãcire al mediului înconjurãtor.

Din punct de vedere practic flacãra oxiacetilenicã este caracterizatã de structura si forma sa; compoziţia si proprietãţile chimice; temperatura.

Structura si forma flãcãrii depinde de raportul volumetric al componentelor amestecului gazos: k = DO2/DC2H2 care în condiţiile unei arderi complete trebuie sã fie unitar. Practic în condiţiile enunţate, k = 1,1 – 1,2 corespunzãtor unei presiuni pC2H2 = max. 1,5 daN/cm2 si respectiv pO2 = 5 daN/cm2 .

Dacã k = 1,1 – 1,5 flacãra este oxidantã, în zonele 1 si 2 predominã oxigenul. Flacãra este redusã ca dimensiuni, arde zgomotos, este violetã pe fond albastru, ca nuantã. Este utilizatã doar pentru sudarea alamelor.

Dacã k = 1,1 – 1,2 flacãra este normalã, neutrã, zonele flãcãrii sunt perfect delimitate, structura si nuanţa flãcãrii sunt constante. Este flacãra cea mai utilizatã la sudarea metalelor feroase si neferoase (Ol, Cu, Zn, Ni, etc.) datoritã caracterului reducãtor al flãcãrii primare si temperaturii înalte.

12


Dacã k = 0,7 – 1,0 flacãra este carburantã, c, zonele flãcãrii se întrepãtrund, flacãra este deformatã, lungã, de culoare roşiaticã. În zona primarã existã carbon , flacãra se utilizeazã doar pentru sudarea aluminiului, fontelor si la încãrcarea prin sudare.

Temperatura flãcãrii este una din caracteristicile importante, depinde de compoziţia amestecului gazos fiind maximã pentru k = 1,1 – 1,3. Ea variazã în lungul si transversal flãcãrii în diverse zone,. Temperatura maximã apare în flacãra primarã la cca. 5 – 20 mm de extremitatea nucleului, în funcţie de debitul de amestec combustibil, variind între 3100 – 3200 grade C, în funcţie de puritatea gazelor. Cu toate acestea randamentul tehnic al flãcãrii este foarte redus ( n = 0,80 – 0,11) datoritã dispersiei pronunţate al cãldurii flãcãrii. 1.1.2. Procedee de sudare neconventionale

1.1.2.1. Sudarea la rece prin presiune

Acest tip de sudură se realizează pentru obţinerea unor îmbinări rezistente între metale

sau aliaje metalice, prin deformarea lor plastică comună la temperatura mediului ambiant.

Pentru metalele uşor difuzibile, la care la temperatura mediului ambiant formarea

îmbinării, ca urmare a deformaţiei plastice, se combină cu evidente procese de difuziune,

sudarea la temperatura mediului ambiant îşi pierde caracterul de sudare la rece.

Forta

Cu sau fara M .A.

PiesaPiesa

Suport

13


Termenul de “sudare la rece” se aplică doar în cazul acelor metale ţi aliaje metalice al

căror temperatură de recristalizare este mai mare decât a mediului ambiant.

Putem defini temperatura mediului ambiant prin relativitatea ei faţă de temperatura

de topire a metalului sau aliajului metalic de sudat şi se exprimă cu relaţia:

tr T

T=θ

în care: T – temperatura mediului ambiant în K

T – temperatura de topire în K

În comparaţie cu metalele pure, aliajele metalice au temperatura de recristalizare

mai înaltă şi temperatura de topire, de obicei, mai joasă.

Formarea legăturilor metalice între două componente care se sudează la rece este

o consecinţă a apropierii lor prin deformaţie plastică, astfel ca distanţa dintre ele să fie de

ordinul de mărime al parametrului reţelei cristaline. În cazul corpurilor cristaline, la o

orientare arbitrară a cristalelor, mai este necesar, în afara micşorării distanţei dintre ele,

înălţarea, corespunzătoare fiecărei combinaţii de materiale, a nivelului energetic la nivel

atomic. Aceasta provoacă o creştere a energiei potenţiale a atomilor. Revenirea într-o

nouă stare de echilibru, corespunzătoare unui minim al energiei potenţiale, se face prin

transformarea energiei potenţiale în energie cinetică. Această transformare are ca urmare

o reaşezare a atomilor excitaţi într-o reţea cristalină comună celor două materiale, adică

are loc sudarea lor.

Apariţia legăturilor metalice între componentele în contact începe în nişte centre

active, care au, la formarea îmbinărilor, rolul radicalilor din reacţiile chimice în lanţ.

Natura acestor centre active depinde de condiţiile în care se face contactul între cele două

componente. Astfel, pot avea rol de centre active suprapunerile întâmplătoare a

legăturilor cristaline, dislocaţiile, vacanţele, atomii dislocaţi, particulele cu energie

potenţială ridicată sau zonele cu energie înmagazinată sub formă calorică.

Trebuie menţionat că centrele, intră uşor în interacţiune cu atomi diferitelor

impurităţi prezente în mediul înconjurător sau chiar în reţeaua cristalină. Drept urmare,

energia centrelor active scade considerabil, ceea ce conduce la ruperea reacţiei în lanţ şi

la îngreunarea formării îmbinării.

14


1.1.2.2. Sudarea prin frecare

Procedeul de sudare prin frecare este un procedeu de sudare neelectrică prin

presiune, la care energia necesară realizării sudurii este obţinută prin transformarea

energiei mecanice de frecare, dintre componentele de sudat, în căldură.

Procesul de sudare cuprinde următoarele faze:

- antrenarea uneia dintre componentele de sudat într-o mişcare de rotaţie, cu

o viteză constantă sau variabilă şi presarea pe ia a celeilalte componente,

fixă, cu o forţă axială;

- încălzirea capetelor componentelor, datorită frecării celor două suprafeţe

în contact, sub acţiunea forţei axiale constante sau variabile în timp.

Componentele sunt menţinute în mişcare relativă sub acţiunea presiuni

axiale până la atingerea temperaturii necesare deformării plastice –

refulării – componentelor în contact;

- refularea componentelor în vederea sudării lor se execută după oprirea

mişcării relative sau în timpul opririi acesteia. Refularea se realizează

menţinând valoarea forţei axiale de la încălzire sau cu o forţă axială mai

mare decât aceasta.

-

15


BlocuriFrana

Piese

Sudura

F. frecare

F. refulare

În funcţie de modul cum este dezvoltată energia cinetică de frecare, procesul are

următoarele variante:

1. Sudarea prin frecare continuă (convenţională)

La sudarea prin frecare continuă, componentele de sudat sunt presate una faţă de

cealaltă cu o forţă axială, una din ele fiind rotită cu o viteză constantă o perioadă

îndelungată de timp, pentru a asigura condiţiile de plasticitate necesară formării sudurii.

Rotaţia este oprită cu o frânare bruscă, menţinându-se constantă sau mărindu-se presiunea

de apăsare a componentelor. Sudarea se realizează prin deformarea plastică a lor.

Puterea specifică necesară la acest tip de sudare este de 12…15 W/mm2

2. Sudarea prin frecare cu energie înmagazinată

Puterea necesară la acest tip de sudare este de 20…175 W/mm2

Se poate realiza în două moduri:

a) Sudare cu frecare prin volant

16


În acest caz energia cinetică se înmagazinează într-un volant şi este eliberată în

cantităţi determinate de un dispozitiv cuplare-decuplare a arborelui principal.

Valoarea energiei cedată de volant este determinată de valoarea vitezei iniţiale a

acestuia şi a vitezei la care cuplajul eliberează arborele principal de volant.

b) Sudare prin inerţie

Se utilizează energia cinetică înmagazinată în arborele principal şi la dispozitivul

de prindere a componentelor de sudat în mişcare de rotaţie. Această variantă diferă de

sudarea prin frecare cu volant prin aceea că toată energia înmagazinată se consumă la

un ciclu de sudare, neexistând cuplajul între arborele principal şi dispozitivul de

prindere al uneia din componentele de sudat.

3. Sudarea prin frecare HUP (heat under power)

Procedeul utilizează în prima fază a ciclului de sudare modul de antrenare în

mişcarea de rotaţie de la procedeul de sudare prin frecare continuă, continuându-se apoi

cu ciclul de la sudarea cu oprire inerţială.

4. Sudarea prin frecare cu impuls

Energia necesară sudării este introdusă în componentele de sudat sub formă de

impulsuri determinate de forţe centrifugale ale unor mase rotitoare neechilibrate.

5. Sudarea prin frecare orbitală

Se aplică la sudarea componentelor care au secţiunea diferită de cea circulară.

Componentele de sudat execută o mişcare de rotaţie în jurul axelor proprii, iar axele,

distanţate între ele şi reciproc paralele, execută o mişcare de rotaţie pe o orbită radială

una faţă de cealaltă. Componentele în mişcare sunt presate una pe cealaltă iar când

temperatura capetelor atinge valoarea sudării distanţa dintre axele componentelor de

sudat se reduce la 0.

6. Sudarea prin frecare cu încălzire suplimentară prin inducţie a

componentelor de sudat

Presiunile necesare de frecare şi refulare sunt mai mic şi timpul de sudare mai

scurt, în comparaţie cu sudarea prin frecare fără încălzire suplimentară. Utilizarea acestei

variante se recomandă când dorim să sudăm componente ale căror secţiuni depăşesc

capacitatea normală a maşinilor de sudat prin frecare de care dispunem.

7. Sudare prin frecare cu material de adaos

17


Încălzirea componentelor se realizează prin rotaţia unei piese intermediare din

acelaşi material sau material diferit de cel al componentelor de sudat. În acest mod se

extinde domeniul de aplicare a procedeului la ţevi şi bare de orice lungime, având

secţiunea rotundă sau profilată, respectiv la sudarea unor piese de legătură între două

flanşe sau plăci

8. Sudare prin frecare indirectă

Procedeul este denumit indirect, deoarece generarea căldurii este realizat de un

element separat, spre exemplu, de un disc care se roteşte între componentele de sudat.

Acesta îşi continuă mişcarea de rotaţie până se atinge temperatura de 220…2500C după

care se îndepărtează şi urmează refularea. Astfel se asigură o rezistenţă la tracţiune de

0,8…1 din valoarea materialului de bază.

1.1.2.3. Sudarea cu ultrasunete.

Este un procedeu de sudare în stare solidă. Energia necesară sudării se introduce

în componentele de sudat, prin provocarea unor vibraţii localizate a lor în locul îmbinării

cu o frecvenţă corespunzătoare ultrasunetelor (16∙103…1010Hz), în timp ce, cele două

componente sunt presate una faţă de cealaltă cu o forţă perpendiculară pe suprafaţă lor de

contact. Legătura metalică se realizează fără topirea metalelor care se sudează şi, astfel,

ea este lipită de structurile de turnare care însoţesc topirea. În sudură se evidenţiază mici

deformaţii plastice.

18


TraductorSonotroda

Scula oscilanta

Piese

Osciltie U.S.

Sudura

Pricipiul sudarii cu ultrasunete

Procesul are aplicaţii industriale interesante în cazul îmbinărilor bimetalice cu

forme variate ale sudurii.

Sudurile realizate cu ultrasunete pot fi de tipul “în puncte”, inelare, în linie

întreruptă sau în linie continuă.

Amplitudinea oscilatiilor 10µm

Amboβ

Nicovala

Sonotrode

Schema unei instalatii de sudare cu ultrasunete

19


Sudurile în puncte au, în planul combinării, o formă eliptică. Componentele de

sudat sunt presate una faţă de cealaltă, între dispozitivul activ al echipamentului de sudat

(sonotrodă) şi o piesă suport – contra piesă. Vârful sonotrodei vibrează într-un plan

paralel cu planul sudurii, adică într-un plan perpendicular cu axa forţei de presare a

componentelor.

Sudarea în linie întreruptă se realizează cu sonotrode având vârf de formă

paralelipipedică cu, colţuri rotunjite. Vibraţiile sonotrodei se produc într-un plan paralel

cu cel al suprafeţei de contact al componentelor, perpendicular pe direcţia forţei de

apăsare şi pe linia du sudare. Se pot obţine astfel suduri în linie îngustă , cu lungimi de

până la 150m.

Sudare în linie continuă are loc dacă se folosesc sonotrode tip disc, în mişcare

de rotaţie. Mişcarea relativă a componentelor de sudat faţă de sonotrodă se realizeză fie

prin aşezarea lor pe o masă în mişcare rectilinie, fie prin mişcarea rectilinie a sonotrodei

aflată în rotaţie.

1.1.2.4. Sudarea cu laser.

Sudarea cu laser face parte dintre procedeele de sudare prin topire Din punctul de

vedere al densităţii de putere ocupă locul întâi (109 W/cm2), făcând parte din aceeaşi

categorie cu procedeul de sudare cu fascicul de electroni. Densitatea mare de putere este

determinată de posibilitatea focalizării energiei radiaţiei în spoturi cu dimensiuni de

ordinul a zecilor de μm.

Avantajele sudării cu laser în comparaţie cu alte procedee de sudare sunt :

- posibilitatea sudării unor metale cu proprietăţi fizice diferite;

- posibilitatea sudării printr-o fereastră transparentă pentru lungimea de undă a laserului

(interesantă atunci când nu există o accesibilitate a capului de sudare la locul îmbinării):

- fasciculul laser nu este perturbat de câmpul magnetic parazit al componentelor de sudat

sau al echipamentului de sudat;

- printr-o dispunere convenabilă a oglinzilor, fasciculul laser poate fi dirijat spre punctele

de sudat greu accesibile;

20


- spre deosebire de fasciculul de electroni, cu fasciculul laser se poate suda în diferite

medii transparente (aer, gaze inerte), fără a avea loc o slăbire semnificativă a lui şi

fasciculul laser nu produce raze X.

Dezavantajele sudării cu laser în comparaţie cu alte procedee de sudare sunt:

- randament energetic mai scăzut;

- cost mare al funcţionării determinat de consumul important de gaze (He, CO2) pentru

împrospătarea cavităţii de apă pentru răcire şi de gaze pentru protecţia sudurii;

- cost mare al echipamentului de sudat (la puteri de 6. . . 10 kW, la ora actuală, costul

este mai ridicat decât în cazul fasciculului de electroni);

- frecvenţa de baleiaj limitată faţă de fasciculul de electroni, datorită deflecţiei şi vibraţiei

fasciculului laser cu instalaţii mecanice.

Parametri de sudare

Puterea fasciculului P, reprezintă energia emisă de el în unitatea de timp. Ea

depinde de presiunea din cavitate şi de condiţiile de preionizare şi descărcare a mediului.

Reglarea puterii se face prin acţionarea asupra acestor factori, fie în buclă deschisă fie în

buclă închisă, utilizând în cazul din urmă informaţiile furnizate de fascicul la ieşirea din

cavitaţie.

Distanţa de lucru

Focalizarea fasciculului laser pe piesele de sudat. La un sistem optic dat, distanţa

focală este de asemenea dată. Schimbarea distanţei de lucru se poate face numai prin

apropierea sau îndepărtarea componentelor de sudat de focarul sistemului optic. Dacă

componentele de sudat sunt voluminoase sau au forme complexe, o asemenea reglare

prezintă dificultăţi.

Oscilaţia fasciculului

Mişcarea periodică - vibrarea - fasciculului în raport cu axa sa. Acest parmetru,

care poate fi necesar în anumite aplicaţii, poate fi reglat prin vibrarea mecanică a oglin-

zilor, plasate convenabil pe parcursul fasciculului. Ţinând însă seama de faptul că

sistemul de vibrare folosit este mecanic, frecvenţele obţinute sunt relativ scăzute (de

ordinul a 2000cicluri/secundă).

Viteza de sudare

21


Este definită prin viteza relativă a fasciculului în raport cu componentele de sudat,

se reglează prin sisteme clasice.

Pentru o pătrundere de ~ 12 mm este necesar un fascicul laser cu o putere de ~ 10

kW. O asemenea pătrundere se poate obţine dintr-o singură trecere cu o viteză de sudare

de 90 cm/min. Micşorarea vitezei sub această valoare nu măreşte pătrunderea, ci lărgeşte

doar zona topită. Mărirea puterii fasciculului la 20 kW măreşte pătrunderea doar la 15

mm. La pătrunderi sub 5 mm, laserul şi fasciculul de electroni au performanţe similare la

puteri egale. La grosimi ale componentelor de sudat peste 10 mm, pătrunderea

fasciculului de electroni continuă să crească cu puterea fasciculului, în timp ce

pătrunderea fasciculului laser pare să tindă la o valoare limită.

Performanţele care se pot realiza la sudarea cu laser depind, pe lîngă parametrii

fasciculului laser (putere, focalizare lungime de undă) şi de proprietăţile materialelor de

sudat (reflecţivitate, conductibilitate termică, grosime, starea suprafeţei). Coeficientul de

reflexie depinde atât de natura metalului de sudat, cât şi de lungimea de undă a

fasciculului laser utilizat.

Tipul de laser Rubin, λ=0,69 μm YAG: Nd, λ=1,06 μm CO2, λ=10,6 μm

Metalul Coeficientul de reflexie, %

Cupru 83 92 99

Fier 59 65 95

Nichel 69 75 97

Monel G4 73 95

Valoarea coeficienţilor de reflexie ale unor metale pentru diferite lungimi

de undă ale fasciculului laser

1.1.2.5. Sudarea prin difuzie.

Prin difuzia în corpuri solide se înţelege fenomenul de migrare a atomilor într-o

reţea cristalină ca urmare a existenţei unor diferenţe de concentraţie sau potenţiale

termice şi energetice între diferite puncte ale reţelei. Difuzia se produce la orice

temperatură deasupra temperaturii de zero absolut.

22


5

3

1

24

F

F

Schema unei instalaţii de sudare prin difuzie

1- cameră de vid

2- probă de sudură

3- sistem incălzire

4- acţionare forţă

5- pompă vid

23


Sudarea prin difuzie este un procedeu de sudare prin presiune în stare solidă la

care îmbinarea se produce prin interacţiunea la nivel atomic dintre cele două materiale de

sudat şi difuzia reciprocă prin suprafaţa de separare. Apropierea suprafeţelor de contact

necesară pentru asigurarea posibilităţii de interacţiune la nivel atomic se face prin

deformarea plastică la nivel microscopic, ca urmare a aplicării unei presiuni din exterior.

Pentru accelerarea procesului de difuzie componentele se încălzesc la o temperatură

inferioară temperaturii de topire. Procesul de sudare are loc în vid sau în atmosferă de gaz

de protecţie. Sudarea se face cu sau fără utilizarea unui material de adaos în stare solidă.

În timpul sudării nu se produce o deformare plastică la nivel macroscopic a materialului,

respectiv o deplasare relativă a componentelor de sudat.

Interesul pentru sudarea prin difuzie, concretizat în sudarea, până în prezent, a

peste 2500 combinaţii de materiale se datorează procedeului. Dintre acestea putem

amintii următoarele:

a. Procesul de sudare decurgând în stare solidă se elimină dificultăţile

legate de apariţia fazei topite în îmbinare (structură de turnare, compuşi chimici fragili

etc). Aceasta ace ca procedeul să poată fi aplicat la îmbinarea materialelor greu fuzibile,

precum

şi a materialelor disimilare cu caracteristici fizice mult diferite (oţel - aluminiu,

metal - material ceramic, metal - sticlă etc);

b. Procesul de sudare nu modifică esenţial caracteristicile fizice,

mecanice, structurale ale materialelor în zona îmbinării. Zona de îmbinare are

dimensiuni foarte reduse, în multe situaţii ea neputînd fi delimitată de materialul de bază.

îmbinările sudate

au, în general, caracteristici similare cu cele ale materialului de bază;

e. Sudarea se face fără o deformare macroscopică a materialului şi deci, nu apar

modificări ale dimensiunilor componentelor prin sudare. Se pot suda astfel componente

în stare finită, fără a. mai fi necesară o prelucrare după sudare. în acelaşi timp, parametrii

de sudare pot fi aleşi astfel încît să se elimine necesitatea unor tratamente termice după

sudare.

d. Forma şi dimensiunile componentelor în zona de îmbinare nu <int limitate de

procedeu.

24


e. Procedeul de sudare poate fi automatizat, există posibilitatea efectuării

simultane a mai multor suduri la una sau mai multe piese.

Sudarea prin difuzie prezintă însă, în acelaşi timp, o sene de neajunsuri şi anume :

a. Cerinţe de prelucrare pretenţioasă a suprafeţelor de îmbinat;

1.1.2.6. Sudarea cu fascicul de electroni.

Sudarea cu fascicul de electroni face parte din grupa procedeelor de sudare prin

topire. Sursa termică o constituie un fascicul de electroni concentrat, având o viteză şi, ca

urmare, o energie cinetică mare care bombardează componentele de sudat. La impactul

fasciculului de electroni cu componentele de sudat, energia cinetică a acestuia se

transformă în căldură şi are loc o încălzire locală, rapidă, a materialului. Procesul de

sudare decurge în vid, deoarece atmosfera ar provoca o frânare şi dispersie a

fasciculului.

Procedeul de sudare cu fascicul de electroni operează cu o densitate de putere

foarte mare. în tabelul de mai jos se prezintă puterile specifice pentru diferite procedee

de sudare prin topire. Sunt indicate de asemenea, suprafeţele minime de acţiune ale

surselor termice respective. În comparaţie cu celelalte procedee de sudare prin topire

sudarea cu fascicul de electroni se plasează pe locul al doilea sub aspectul densităţilor de

putere realizate, rezpectiv al dimensiunilor minime ale suprafeţei de acţiune.

Densitatea de putere mare a procedeului reduce pierderile în conducţie termică,

mărind astfel pătrunderea sudurii. Se ajunge, în felul acesta, să se sudeze printr-o trecere,

fără material de adaos, componente cu grosimi pînă la 300mm, respectiv cu viteze de

sudare ridicate (până la 15...20 m/min). Coeficientul de supleţe al sudurilor, definit ca

raportul dintre pătrundere şi lăţime, are valori pînă ia 50 : 1. Se aminteşte, comparativ, că

la sudarea sub strat de flux se pot suda dintr-o trecere, cu material de adaos, componente

eu grosimi pînă la cea 20mm, cu viteze de sudare pînă la 0,8 m/min, coeficientul de

supleţe al sudurilor fiind de circa 1 : 1.

Puterile specifice şi suprafeţele minime de acţiune pentru surse termice folosite la sudarea

prin topire

25


Sursă termică Puterea specifică, W/cm2Suprafaţa minimă de

acţiune, cm2

Flacără oxiacetilenică 5∙104 10-2

Arc electric 105 10-3

Arc de plasmă 106 10-4

Fascicul de electroni 5∙108 10-7

Laser 109 <10-7

Energia liniară la sudarea cu fascicul de electroni este numai 3...10% din valoarea

corespunzătoare sudării manuale cu electrozi înveliţi. În tabelul următor se prezintă

energiile liniare folosite la sudarea prin diferite procedee a unor table din oţel carbon cu

grosimea de 10mm. Datorită concentrării puternice a energiei, precum şi a formei sudurii,

tensiunile şi deformaţiile introduse prin sudare cu fascicul de electroni sunt semnificativ

mai reduse decât în cazul altor procedee de sudare. Astfel, de exemplu, contracţia

transversală la sudarea cap la cap a unor table cu grosimea de 30 mm este de cea 3 mm la

sudarea manuală cu electrozi înveliţi şi de circaea 0,3 mm la sudarea cu fascicul de

electroni.

Energii liniare folosite la diferite procedee de sudare prin topire

Procedeu de sudare Energie liniară, k.T/cm

Sudare oxiacetilenică 13,0

Sudare manuală cu electrozi înveliţi 8,0

Sudare în mediu de GO2 2,5

Sudare cu fascicul de electroni 0,3

Sudarea cu fascicul de electroni având loc în vid se asigură protecţiea materialului

topit faţă de acţiunea gazelor. Procentul de impurificare la sudarea cu fascicul de

electroni la un nivel de vid de 10-4 torr reprezintă circa 10-3 din valoarea corespunzătoare

sudării în mediu de argon.

Pe lângă particularităţile cu aspect favorabil menţionate, procedeul de sudare cu

fascicul de electroni are şi o serie de neajunsuri, dintre care se remarcă complexitatea

echipamentelor de sudare şi generarea radiaţiei X în timpul sudării.

26


1.1.2.7. Sudarea cu înaltă frecvenţă.

Sudarea cu înaltă frecvenţă este un procedeu de sudare la care sudarea se face prin

încălzirea componentelor cu ajutorul unui curent de înaltă frecvenţă, cu sau fără aplicarea

unei presiuni de refulare. Denumirea de „sudare cu înaltă frecvenţă" cuprinde mai multe

metode de sudare diferite între ele prin modul de formare a sudurii, respectiv prin modul

de aplicare a curentului de înaltă frecvenţă în circuitul de sudare. Astfel, în funcţie de

modul de formare a sudurii se disting două variante şi anume :

a. sudare cu înaltă frecvenţă prin presiune;

b. sudare cu înaltă frecvenţă prin topire.

În primul caz, sudura se realizează prin încălzirea materialului cu înaltă frecvenţă şi

deformarea plastică a acestuia după ce încălzirea a atins un anumit nivel, asemănător cu

cazul sudării electrice prin presiune în stare solidă. În cazul al doilea, sudura se formează

prin topirea simultană a marginilor celor două componente prin încălzire cu înaltă

frecvenţă şi solidificarea băii de metal topit. În funcţie de modul în care se aplică

curentul de înaltă frecvenţă în componente se definesc două posibilităţi si anume:

a. sudare cu înaltă frecvenţă prin inducţie;

b. sudare cu înaltă frecvenţă prin contact.

Prin combinarea celor doua criterii rezultă patru variante ale sudării cu

înaltă frecvenţă. În mod uzual, sudarea cu înaltă frecvenţă se realizează utilizând curenţi

de frecvenţă în domeniul 3...1760 kHz. În funcţie de frecvenţa curentului se utilizează în

literatură următoarea clasificare :

a. sudare cu medie frecvenţă (3 ...10 kHz),

b. sudare cu frecvenţă intermediară (40...100 kHz),

c. sudare cu radiofrecvenţă (peste 200 kHz, de obicei 220 kHz 440 kHz sau 1 760 kHz).

Procedeul de sudare cu înaltă frecvenţă se aplică atât la sudarea cap la cap

(sudarea făcîndu-se simultan pe întreaga secţiune de îmbinat), cât şi la sudarea în linie

(continuă) a unor componente cu lungime mare.

Faţă de procedeele de sudare convenţionale, sudarea cu înaltă frecvenţă are o serie

de avantaje de natură tehnică şi economică :

27


a. eficienţa transferului de energie la sudare este ridicată, circa 60% din energia

consumată reprezintă energie utilă pentru sudare;

b. energia utilizată la sudare poate fi controlată şi introdusă în mod localizat în

componente;

c. sistemul de transmitere a energiei la componente este mai simplu decât la sudarea

electrică prin presiune; există posibilitatea transmiterii energiei fără contact fizic de la

sursă la componente.

d. solicitarea termică a materialului de sudat, zona influenţată termic şi deformaţiile la

sudare sunt mai reduse decât în cazul altor procedee de sudare, ca urmare a aplicării

energiei în mod localizat şi a sudării cu viteze mari (la sudarea în linie pînă la 300

m/min).

Sudarea cu înaltă frecvenţă poate fi aplicată la îmbinarea unui număr mare de

materiale de bază, ca, de exemplu, oţeluri carbon, slab aliate şi aliate, aluminiu, cupru,

zirconiu. În funcţie de materialul de bază sudarea se efectuează în aer, în atmosferă de

gaz protector (neutru sau reducător) sau în vid.

1.1.2.8. Sudarea prin explozie.

Sudarea, respectiv placarea prin explozie constă din îmbinarea a două sau mai

multe componente din metale identice sau diferite prin provocarea între ele a unei

coliziuni dirijate, cu viteză mare şi presiune înaltă. În principiu, sudarea prin explozie

constă din proiectarea cu o viteză convenabilă a unei componente - placă de adaos, pe o

componentă - placă de bază. Proiectarea necesară se obţine prin amorsarea unui exploziv

amplasat pe placa de proiectat. Energia eliberată în timpul exploziei determină mişcarea

accelerată a plăcii şi presiunea necesară formării îmbinării sudate.

În concluzie se poate spune că, sudarea prin explozie este un procedeu de sudare

prin presiune, cu energie înmagazinată într-un exploziv.

28


În figuri sunt prezentate trei moduri de dispunere a componentelor în vederea

sudării lor prin explozie.

Dispunerea în diedru a componentelor de sudat (figura 1.2.7.1). Placa de bază se

aşează pe un dispozitiv suport sau pe un pat de nisip, iar placa de adaos se aşează astfel

încât să formeze un unghi α cu placa de bază. Explozivul se repartizează uniform pe

întreaga suprafaţă a plăcii de adaos, după ce în prealabil aceasta a fost protejată cu un

strat amortizor. Amorsarea explozivului se face în lungul liniei iniţiale de contact între

cele două componente de sudat. În timpul operaţiei de sudare placa de adaos suferă o

inflexie, formând cu placa de bază, la linia de impact, un unghi β numit unghi de placare

dinamic.

1

55

1

2

2

3

34

4

βα

Fig.. Dispoziţie în diedru a componentelor de sudat. 1 - placă de bază; 2 - placă de

adaos; 3 - amortizor; 4 - şarjă explozivă ; 5 – dispozi suport.

23 4

55

1

1

2

34

β ee

Fig. Dispoziţie paralelă a componentelor de sudat. 1 - placă de bază; 2 - placă de adaos;

3 - amortizor; 4 - şarjă explozivă; 5 – dispozitiv suport.

29


Dispunerea paralelă a componentelor de sudat (figura 1.2.7.2). La momentul

iniţial componentele sunt paralele, aşezate la o distanţă e una faţă de cealaltă. Datorită

energiei eliberate în cursul detonaţiei stratului exploziv, are loc inflexiunea plăcii de

adaos şi se formează acelaşi unghi de placare dinamic β. Şi în acest caz placa de bază se

aşează pe un dispozitiv suport. La dispunerea în diedru şi paralelă a componentelor,

stratul exploziv se plasează numai pe placa de adaos, de grosime mai mică, care se

proiectează pe placa de bază.

Dispunerea simetrică în unghi a componentelor de sudat (figura 1.2.7.3), face

posibilă sudarea prin explozie a două componente cu grosimi comparabile. Ele sunt

aşezate simetric faţă de un plan orizontal şi sunt acoperite, fiecare în parte, cu un strat

exploziv. În acest caz, unghiul iniţial α se modifică în cursul operaţiei de placare într-un

unghi dinamic β, rezultat prin inflexiunea simultană a celor două componente.

În fiecare din cele trei cazuri descrise, amorsarea explozivului se face de-a lungul

unei linii şi detonaţia se va propaga paralel cu această linie; presiunea care se produce

determină placarea cu viteză mare a plăcii de adaos pe placa de bază.

Fenomenul placării prin explozie se poate examina pe două căi:

a. în cursul desfăşurării lui, prin filmări rapide sau cu raze X;

b.după realizarea lui, prin examinarea microscopică a unor secţiuni paralele cu direcţia

de propagare a detonaţiei şi perpendiculare pe suprafaţa componentelor ce se sudează.

Studiul microscopic al îmbinărilor realizate în diferite condiţii

operaţionalepermite tragerea unor concluzii generale privind influenţa asupra calităţii

îmbinării, a naturii materialelor de sudat, a unghiului de incidenţă şi a naturii explozivului

utilizat

23

α

1

23

1

Fig. Dispoziţie simetrică a componentelor de sudat. 1 - componente de sudat;

30


2 - amortizor ; 3 - şarjă explozivă.

1.1.2.9. Sudarea cu arc rotitor.

Sudarea cu arc rotitor este un procedeu de sudare cu arc electric prin presiune.

Încălzirea pieselor pentru sudare se face cu un arc electric care se roteşte pe suprafeţele

frontale ale pieselor ce se sudează, sub acţiunea unui câmp magnetic exterior. După ce

încălzirea pieselor a atins un anumit nivel se comandă refularea lor, prin care se

realizează sudura.

În figura 1.2.8.1 se prezintă principiul procedeului de sudare cu arc rotitor. Rotaţia

arcului electric este comandată de un câmp magnetic radial, forţa electromagnetică

rezultată fiind tangentă la conturul pieselor ce se sudează.

R

+ -

Piese

B

F

B F

R

Piese

Arc electric

Fig. Principiul sudării cu arc rotitor

31


Capitolul 2. Instalatii laser pt uz tehnologic

2.1. Caracteristicile radiatiei laser

Lumina coerentă

Coerenţa este una din proprietăţile unice ale luminii laser. Apare din emisiile

stimulate, proces care creează amplificare. Deoarece stimulii comuni pornesc emisiile,

evenimente ce creează lumina amplificată, fotonii emişi sunt "in step" şi au definite relaţii

de fază unii cu alţii. Această coerenţă este descrisă în termeni de coerenţă temporală şi

coerenţă spaţială, ambele fiind importante în producerea interferenţei care e folosită

pentru producerea hologramelor.

Lumina obişnuită, produsă de surse clasice generatoare de lumină, nu este

coerentă deoarece provine din atomi independenţi care emit între duratele aproximativ de

10-8 secunde. Este un anumit grad de coerenţă în surse precum „mercury green line” şi

alte surse spectrale, dar coerenţa lor nu se apropie de coerenţa unui laser.

Coerenţa radiaţiilor

Conceptul de coerenţă este strâns legat de fenomenele de interferenţa radiaţiilor.

Două radiaţii sunt coerente spaţial dacă, provenind din două puncte diferite ale unei surse

luminoase, pot interfera, prin suprapunerea lor obţinân-du-se franje de interferenţă. În

experienţa clasică cu două fante a lui Fresnel, prezenţa franjelor de interferenţă indică

gradul de coerenţă dintre fasciculele de lumină ce provin de la cele două fante. Vizibilitatea

V a franjelor de interferenţă, care are legătură cu gradul de coerenţă, este definită prin

relaţia:

m inm axm inm ax

II

IIV

+−

=

unde Imax şi Imin reprezintă intensitatea maximelor şi minimelor vecine, din zona de

interferenţă.

Pentru: V = 1, coerenţa este perfectă (totală), iar pentru V = 0 avem incoerenţă.

32


Deoarece o perturbaţie electromagnetică intr-un P de unde este o funcţie de

coordonatele spaţiu şi timp, se disting două tipuri de coerenţă: spatia1ă şi temporală.

Întrucât cele două puncte de pe suprafaţa sursei emiţătoare se pot afla la o distanţă

mai mica sau mai mare, acest parametru caracterizează proprietatea de coerenţă

spaţială a sursei de radiaţii.

Coerenţa spaţială antrenează mai multe consecinţe determinate experimental,

şi anume: direcţionalitatea fascicolului laser şi posibilitatea focalizării

cvasipunctuale a acestuia.

Durata de coerenţă se defineşte prin intervalul de timp necesar pentru ca

doua radiaţii ce sunt emise de acelaşi punct, al unei surse, la momente succesive, să

interfereze. Atunci sursa emite o radiaţie coerentă în timp. Durata de coerenţă se

poate exprima cu relaţia:

(sec)101 90

−≈∆

=v

t

în care Δv0 este lărgimea Doppler a liniei specifice.

Lumina monocromă

Lumina de la un laser vine tipic de la o tranziţie de atom cu o singură şi precisă

lungime de undă. Aşadar lumina laserului are o singură culoare spectrală şi este aproape

cea mai pură lumină monocromă posibilă.

Este proprietatea laserelor de a emite fascicole de radiaţie în domenii spectrale

foarte înguste, fiind determinată de procesul emisiei stimulate, modul de oscilaţie a

33


cavităţii rezonante, de lărgimea naturală (≈ 16MHz) şi lărgimea Doppler (≈ 1000MHz) a

tranziţiei atomice. Puterea spectrală deosebită a radiaţiilor laser (de ordinul 2-10 Hz) se

explică prin faptul că efectul laser se produce, la centrul unui mod de oscilaţie, al cavităţii

rezonante, părţile laterale ale acestuia rămânând neamplificate, monocromaticitatea

emisiei laser fiind dependentă de caracteristicile cavităţii de rezonanţă utilizate.

Direcţionalitatea

Prin modul de generare al emisiei, laserul radiază toată puterea sa într-un

fascicul direcţionat, puternic colimat. Însă, ca orice undă electromagnetică coerentă

spaţial, fasciculul laser are o divergenţă intrinsecă datorită difracţiei, dar de valoare

redusă. Astfel, pentru un laser cu mediu activ-solid, unghiul de divergenţă este de (0,1 ...

1)°, iar pentru laserii cu mediu gazos este sub un minut. Aceasta arată că direcţionalitatea

emisiei laser este foarte bună şi depinde de modul de obţinere a radiaţiei laser, fiind

funcţie de mărimea lungimii de undă X şi de diametrul fasciculului df

Divergenţa minimă a fasciculului putîndu-se aprecia cu relaţia (criterul lui

Rayleigh):

fd

λθ ⋅= 22,1min

Fascicole paralele

Lumina de la un laser tipic se produce într-o rază foarte subţire cu o divergenţă

foarte mică. Altfel spus este că raza este foarte comprimată. Într-un laborator normal un

laser cu heliu-neon poate fi mutat prin camera iar spotul rosu de pe peretele din spate pare

sa fie aceeasi marime ca pe un perete vecin.

34


Gradul mare de aliniere optica reiese din faptul că, cavitatea laser are oglinzile din

faţă şi din spate aproape paralele care „constrâng” raza finală de laser pe o cale care este

perpendiculară pe aceste oglinzi. Oglinda din spate este făcută aproape perfect reflectând

în timp ce oglinda din faţă reflectă în proporţie de 99%, lăsând afară 1% din fascicol.

Acest 1% este ceea ce se vede, însă lumina s-a plimbat între oglinzi de multe ori ca să

crească în intensitate prin emisia stimulată de protoni în aceiaşi lungime de bandă. Dacă

lumina nu este centrată pe axă o să fie pierdută din fascicol. Natura aliniere optică

crescută a fascicolului de laser contribuie în acelaşi timp şi la pericol şi la folosinţa

acestuia.

Intensitatea radiaţiilor

Intensitatea foarte mare a fasciculelor laser este consecinţa direcţionalităţii şi a

proprietăţii de coerenţă spaţială. Radiaţiile laser fiind rezultatul emisiilor stimulate

caracterizate printr-o foarte rapidă emisie a sistemelor atomice excitate, permit obţinerea

unor densităţi ridicate ale radiaţiilor generate, datorită faptului că secţiunea si unghiul

solid sub care se emit sînt foarte mici.

Astfel un laser cu CO2 (λ = 10,6 μm), ce emite la o putere de 100 W, are o

strălucire de 106 ori mai mare decît o lampă cu vapori de mercur cu aceeaşi putere de

ieşire, iar emisia unui laser cu rubin este de aproximativ 5∙109 ori mai puternică decât

emisia unei arii echivalente a suprafeţei solare.

Cunoscând parametrii caracteristici ai instalaţiei şi fasciculului laser, se poate

calcula densitatea de putere a radiaţiilor laser, cu relaţia:

if

Eq

τθπ ⋅⋅⋅=

224

în care E este energia radiaţiilor laser, f distanţa focală a lentilei de focalizare, ө

divergenţa fasciculului, τi durata impulsului laser.

Intensitatea mare şi divergenţa mică a radiaţiilor laser face posibilă obţinerea

unor densităţi de putere foarte mari (prin focalizare puternică se ajunge pâna la

1015 W/cm2) cu largi aplicaţii în tehnologie si ştiinţă.

2.2. Generatoare laser

35


L.A.S.E.R. – Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

Laserul este un dispozitiv optic care generează un fascicul coerent de lumină. Mai exact

este un amplificator cuantic care funcţionează, după cum arată şi numele, pe baza emisiei

stimulate a fotonilor care compun radiaţia electromagnetică realizată pe baza

inversiei de populaţie.

În principiu, laserul este un dispozitiv care transformă alte forme de energie în

radiaţie electromagnetică. Aceasta este o definiţie generală, dar ajută la o mai bună

înţelegere a fizicii laserelor. Energia introdusă în lasere poate fi sub orice formă cum ar

fi: radiaţie electromagnetică, energie electrică, energie chimică, şi altele. Energia emanată

de către laser este totdeauna radiaţie electromagnetică (care include unde de lumină).

În ziua de azi există o gamă variată de lasere, fiecare având aplicaţii bine definite

de către proprietăţile mediului activ.

Putem enumera ca domenii medicina, comunicaţii optice (dioda laser, fibra

optică), citiri şi scrieri de memorii optice (CD şi DVD), şi nu în ultimul rând în industria

de prelucrare unde laserele se utilizează pentru diferite operaţiuni cum ar fi găurire,

tăiere, sudare, dar şi pentru operaţiuni de control cum ar fi defectoscopia.

2.2.1. Principiul funcţionării laserului

Laserul este un dispozitiv complex ce utilizează un mediu activ, ce poate fi solid,

lichid sau gazos, şi o cavitate optică de rezonanţă. Mediul activ, cu o compoziţie şi

parametri determinaţi, primeşte energie din exterior prin ceea ce se numeşte pompare.

Pomparea se poate realiza electric sau optic, folosind o sursă de lumină (flash, alt laser

etc.) şi duce la excitarea atomilor din mediul activ, adică aducerea unora din electronii

din atomii mediului pe niveluri de energie superioare. Faţă de un mediu aflat în echilibru

termic, acest mediu pompat ajunge să aibă mai mulţi electroni pe stările de energie

superioare, fenomen numit inversie de populaţie. Un fascicul de lumină care trece prin

acest mediu activat va fi amplificat prin dezexcitarea stimulată a atomilor, proces în care

un foton care interacţionează cu un atom excitat determină emisia unui nou foton, de

36

http://ro.wikipedia.org/wiki/Mediu_activ%2C_laser

http://ro.wikipedia.org/w/index.php?title=Inversie_de_popula%C5%A3ie&action=edit&redlink=1

http://ro.wikipedia.org/w/index.php?title=Echilibru_termic&action=edit&redlink=1

http://ro.wikipedia.org/w/index.php?title=Echilibru_termic&action=edit&redlink=1

http://ro.wikipedia.org/w/index.php?title=Nivel_de_energie&action=edit&redlink=1

http://ro.wikipedia.org/wiki/Atom

http://ro.wikipedia.org/wiki/Electron

http://ro.wikipedia.org/w/index.php?title=Cavitate_optic%C4%83&action=edit&redlink=1

http://ro.wikipedia.org/wiki/Gaz

http://ro.wikipedia.org/w/index.php?title=Lichid&action=edit&redlink=1


aceeaşi direcţie, lungime de undă, fază şi stare de polarizare. Astfel este posibil ca

pornind de la un singur foton, generat prin emisie spontană, să se obţină un fascicul cu un

număr imens de fotoni, toţi având aceleaşi caracteristici cu fotonul iniţial. Acest fapt

determină caracteristica de coerenţă a fasciculelor laser.

Rolul cavităţii optice de rezonanţă, formată de obicei din două oglinzi concave

aflate la capetele mediului activ, este acela de a selecta fotonii generaţi pe o anumită o

anumită direcţie (axa optică a cavităţii) şi de a-i recircula numai pe aceştia de cît mai

multe ori prin mediul activ. Trecerea fotonilor prin mediul activ are ca efect dezexcitarea

atomilor şi deci micşorarea factorului de amplificare optică a mediului. Se ajunge astfel la

un echilibru activ, în care numărul atomilor excitaţi prin pompare este egal cu numărul

atomilor dezexcitaţi prin emisie stimulată, punct în care laserul ajunge la o intensitate

constantă. Având în vedere că în mediul activ şi în cavitatea optică există pierderi prin

absorbţie, reflexie parţială, împrăştiere, difracţie, există un nivel minim, de prag, al

energiei care trebuie furnizată mediului activ pentru a se obţine efectul laser.

În funcţie de tipul mediului activ şi de modul în care se realizează pomparea

acestuia laserul poate funcţiona în undă continuă sau în impulsuri. Primul MASER şi

primul LASER funcţionau în regim de impulsuri.

M.A.S.E.R. - Microwave Amplification by Stimulation Emission of Radiation

Inversia de populaţie

Inversia de populaţie are loc atunci când într-un sistem de atomi sau molecule o

parte din aceştia/acestea se găsesc într-o stare energetică excitată, superioară unei stări

iniţiale de echilibru energetic. Conceptul este foarte important în fizica laserelor deoarece

producerea unei inversii de populaţie este un pas mai mult decât necesar în funcţionare

unui laser.

Distribuţia Boltzmann şi echilibrul termic.

Pentru a înţelege conceptul de inversie de populaţie este necesar să cunoaştem

puţină termodinamică şi modul prin care lumina interacţionează cu materia. Pentru a face

acest lucru, ne ajută să considerăm o simplă formaţiune de atomi care formează un mediu

laser.

37


Să presupunem că există un grup de N atomi, fiecare dintre ei putând fi capabil să

existe într-una dintre cele două stări menţionate mai sus:

1. Starea iniţială, cu energia E1 sau

2. Starea excitată, cu energia E2, unde E2>E1.

Numărul de atomi care sunt în stare iniţială este dat de numărul N1, iar numărul de

atomi în starea excitată de N2:

N1 + N2 = N

Diferenţa de energie dintre cele două stări este dată de relaţia:

ΔE = E2 − E1 şi determină caracteristica frecvenţă de lumină ν21 care va interacţiona cu

atomi după cum putem vedea mai bine în relaţia de mai jos:

E2 − E1 = ΔE = hν21, unde h reprezintă constanta lui Planck.

Dacă grupul de atomi este în echilibru termic, poate fi arătat din termodinamică că

raportul numărului de atomi care se află în fiecare din stări este dată de distribuţia

Boltzmann:

unde T este temperatura grupului de atomi, iar k este constanta Boltzmann. Temperatura

T trebuie să fie dată Kelvin sau grade Rankine, şi nu în grade Celsius sau grade

Fahrenheit.

Putem calcula raţia de populaţiei a atomilor sau moleculelor a doua stari de

energie la temperatura mediului ambiant (T≈300 K) pentru o diferenţă de energie ΔE care

corespunde luminii la o frecvenţă vizibilă (ν≈5*1014 Hz). În acest caz ΔE = E2 - E1 ≈ 2.07

eV, şi kT ≈ 0.026 eV. Începând de la E2 - E1 >> kT, deducem că argumentul

exponenţialului în ecuaţia alăturată este un număr negativ mare, şi deci N2/N1 este foarte

mic; deci, putem spune că aproape nu există atomi în stare excitată. Când avem echilibru

termic, atunci, se poate observa că starea de energie scazută este mai intens populată

decât starea de energie superioară, iar aceasta este starea normală a sistemului. Cu cât T

creşte, cu atât numărul de electroni din starea de energie superioară (N2) cresc, dar N2 nu

depăşeşteniciodată N1 pentru un sistem în echilibru termic; mai degrabă, la temparatură

38

http://en.wikipedia.org/wiki/Kelvin


infinită, populaţia N2 şi N1 devin egale. Cu alte cuvinte, inversia de populaţie (N2/N1 > 1)

nu poate exista pentru un sistem care se află în echilibru termic. Pentru a obţine inversie

de populaţie prin urmare este necesar să împingem sistemul într-o stare de non-echilibru.

2.2.2. Producerea inversiei de populaţie

După cum am văzut mai sus, inversia de populaţie este necesară pentru

producerea undei laser, dar nu poate fi realizată în cadrul cazului nostru teoretic de grup

de atomi cu două nivele energetice când sunt în echilibru termic. De fapt, orice metodă

prin care atomii sunt direct şi continuu excitaţi din starea iniţială spre starea excitată (cum

ar fi absorbţia optică) va ajunge până la urmă la echilibru prin procesul de dezexcitare al

emisiei spontane şi stimulate. În cel mai bun caz, o populaţie egală din cele două stări, N1

= N2 = N/2, poate fi realizată, astfel rezultând transparenţă optică însă nu o creştere

optică.

Lasere cu trei nivele

Diagrama energetică a laserului cu trei nivele.

Pentru a obţine un nonechilibru continuu, o metodă indirectă de populare al stării

excitate trebuie să fie folosită. Vom considera un grup de N atomi, fiecare atom putând

exista în una dintre cele trei stări energetice, nivelele 1, 2 şi 3, cu energiile E1,E2 şi E3, şi

populaţiile N1, N2 şi N3.

39


Notăm E1 < E2 < E3; adică, nivelul de energie 2 se află între starea iniţială şi

nivelul energetic 3.

Iniţial, sistemul de atomi se află în echilibru termic, şi majoritatea atomilor se vor

afla în starea iniţială; aşadar N1 ≈ N, N2 ≈ N3 ≈ 0. Dacă vom supune la un moment dat

sistemul la o radiaţie cu o frecvenţă ν31, unde E3 - E1 = hν31, procesul de absorbţie optică

va excita atomi din starea iniţială până la nivelul 3 energetic. Acest proces de numeşte

pompare, şi în general nu întotdeauna implică direct absorbţia de lumină; pot fi folosite şi

alte metode de excitare a mediului laser cum ar fi descărcări electrice sau reacţii chimice.

Nivelului 3 i se mai spune şi nivel de pompare sau bandă de pompare, şi transmisiei de

energie E1 → E3 transmisie de pompare, care în diagrama de mai sus este reprezentată de

săgeata marcată cu P.

Dacă continuăm pomparea atomilor, vom excita o mare parte a acestora până la

nivelul 3, astfel încât N3 > 0. Într-un mediu adecvat pentru crearea laserului, avem nevoie

ca aceşti atomi excitaţi să cadă cât mai repede pe nivelul energetic 2. Această energie

eliberată din acest proces poate fi emisă ca foton (emisie spontană), totuşi în practică

transmisia 3→2 (marcată cu R pe diagramă) este de obicei fără radiaţie, iar energia

alimentează mişcarea de vibraţie (căldură) al materialului gazdă care înconjoară atomi,

fără generarea de fotoni.

Un atom care se află în nivelul 2 poate sa cadă prin emisie spontană pe nivelul 1,

adică starea iniţială, eliberând un foton de frecvenţă ν21 (dat de E2-E1 = hν21), după cum

vedem în diagramă prin săgeata notată L, numită tranziţie laser. Dacă durata tranziţiei,

τ21 este mult mai mare decât durata tranziţiei fără radiaţie 3→2, adică τ32 (dacă τ21 >> τ32,

cunoscut ca un raport de timp favorabil), populaţia din E3 va fi practic 0 (N3 ≈ 0) iar o

populaţie de atomi de stare excitată se va acumula în nivelul 2 (N2 > 0). Dacă mai mult de

jumătate din întreg sistemul de atomi N pot fi acumulaţi în această stare, aceştia vor

depăşi populaţia din starea iniţială N1. Inversia de populaţie (N2 > N1 ) s-a realizat efectiv

între nivelele 1 şi 2, iar amplificaţia optică la frecvenţa ν21 poate fi realizată.

Deoarece măcar jumătate din populaţia de atomi trebuie să fie excitată din starea

iniţială pentru a obţine o inversie de populaţie, mediul laser trebuie să fie foarte bine

pompat. Acest lucru face ca laserele în trei nivele in ciuda faptului că au fost primele

lasere descoperite (bazat pe mediu laser cu rubin, Theodore Maiman în 1960). Un sistem

40


cu trei nivele poate avea o tranziţie cu emisie de radiaţii între nivelele 3 şi 2, şi una fără

emisie de radiaţie între 2 şi 1. În acest caz, cerinţele de pompare sunt mai mici. În

practică, cele mai multe dintre lasere sunt cu patru nivele.

Lasere cu patru nivele

Diagrama energetică a laserului cu patru nivele

În acest caz, avem patru nivele energetice, E1, E2, E3, E4, cu populaţiile N1, N2, N3,

N4. Energiile celor patru nivele sunt după cum urmează E1 < E2 < E3 < E4.

În acest sistem, tranziţia de pompare P excită atomi din starea iniţială adică

nivelul 1 spre banda de pompare adică nivelul 4. Din banda de pompare, atomii din nou

cad foarte repede, fără emisie de radiaţii Ra pe nivelul 3. Deoarece durata tranziţiei L

este cu mult mai mare în comparaţie cu Ra (τ32 >> τ43), în nivelul 3 (nivel laser superior)

se acumulează o populaţie, care se poate destinde prin emisie stimulată spontană până la

nivelul 2(nivel laser inferior). Acest nivel are de asemenea o cădere rapidă fără emisie de

radiaţie Rb până la starea iniţială.

Ca mai sus, prezenţa unei rapide căderi, fără emisie de radiaţie produce o

micşorare drastică a populaţiei în banda de pompare (N4 ≈ 0). La sistemele în patru

nivele, orice atom din nivelul laser inferior E2 este de asemenea rapid dezexcitat, ceea ce

duce la neglijarea populaţiei din acest strat (N2 ≈ 0). Acest lucru este foarte important, din

momentul în care orice populaţie acumulată în nivelul 3, nivelul laser superior, va forma

o inversie de populaţie cu legătură cu nivelul 2. Deci inversia de populaţie se poate

41


obţine, doar când N3 > 0, şi N3 > N2. Astfel amplificarea optică, şi funcţionarea laser,

poate avea loc la o frecvenţă ν32 (E3-E2 = hν32).

Din momentul în care doar foarte puţini atomi trebuie excitaţi până la nivelul de

pompare, pentru a putea avea o inversie de populaţie, un laser cu patru nivele este mult

mai eficient decât unul în trei nivele. În realitate, mai mult de patru nivele energetice pot

fi implicate în procesul laser, cu procese complexe de excitare şi relaxare implicate între

aceste nivele. În particular, banda de pompare poate fi compusă din mai multe nivele

energetice distincte, sau continue, ceea ce permite pomparea optică al unui mediu activ

pe o plajă mai mare de lungimi de undă.

Trebuie să menţionăm că la amândouă tipuri de lasere cu trei şi patru nivele,

energia de tranziţie de pompare este mai mare decât cea al tranziţiei laser. Aceasta

înseamnă că, dacă laserul este pompat optic, frecvenţa luminii de pompare trebuie să fie

cu mult mai mare decât unda de lumină laser care rezultă din proces. Cu alte cuvinte,

lungimea de undă de pompare este mai mică decât lungimea de undă a laserului. Este

posibil ca unele medii active să folosească multiple absorbţii de fotoni între multiple

tranziţii pe nivelele energetice pentru a ajunge la nivelul de pompare; cum are fi laserele

up-conversion.

În timp ce la cele mai multe cazuri procesul laser implică tranziţia atomilor între

diferite stări energetice, cum am descris în modelele de mai sus, acesta nu este singurul

mod prin care se poate genera un laser. De exemplu, există multe lasere comune (ex.

lasere colorate, laser cu dioxid de carbon) unde mediul laser constă în molecule complete,

iar stările de energie corespund mişcării de vibraţie şi rotaţie oscilatorie al moleculelor.

Acesta e şi cazul maserelor cu apă, care au loc în natură.

În unele medii este posibil, prin impunerea unui câmp adiţional optic sau cu

microunde, să se folosească efectul cuantum coerent pentru a reduce probabilitatea

producerii tranziţiei din stare excitată în stare iniţială. Această tehnică, numită laser fără

inversie, permite amplificarea optică să aibă loc fără a produce o inversie de populaţie

între cele două stări.

2.2.3. Pomparea laserelor

42


Pomparea laserelor este un proces de transfer de energie de la o sursă externă spre

mediul activ laser. Energia este absorbită de mediul activ, producând stări excitate ai

atomilor săi. Când numărul de particule dintr-unul din stările excitate depăşeşte numărul

de particule din starea iniţială sau al unei stări mai puţin excitate, are lor fenomenul de

inversie de populaţie. În această condiţie, mecanismul emisiei stimulate poate avea loc iar

mediul activ poate acţiona ca un amplificator optic sau laser. Puterea de pompare trebuie

să fie mai mare decât limita laserului. (lasing threshold)

Energia de pompare de obicei este asigurată sub formă de lumină sau curent

electric, dar se mai folosesc şi alte surse mai exotice, cum ar fi reacţii chimice sau

nucleare.

Pomparea optică

Pomparea optică al unei bare laser (la bază) cu o lampă arc (deasupra). Roşu

reprezintă zonele calde. Albastru reprezintă zonele reci. Verde reprezintă lumina. Săgeţile

albastre reprezintă debit de apă. Solid colors: metal. Light colors: fused quartz.

Lămpile cu bliţ sunt cele mai vechi surse pentru pomparea laserelor. Sunt folosite

atât pentru laserele cu mediu activ sold cât şi pentru laserele cu mediu activ lichid.

Acestea produc o lumină cu o bandă largă în spectru, determinând ca cea mai mare parte

a energiei să se transforme în căldură în mediul activ laser. Lămpile cu bliţ de asemeni

tind să aibă o durată de viaţă relativ scăzută.

În configuraţiile cele mai întâlnite, mediul activ laser este sub forma unei bare

situată la un punct focalizare al rezonatorului optic de secţiune eliptică perpendicular pe

43

http://en.wikipedia.org/wiki/Image:Long_arc_lamp.svg


axa barei. Lampa este sub forma unui cilindru situat la celălalt punct de focalizare al

elipsei. De obicei învelişul oglinzilor este ales special pentru a propaga lungimile de undă

mai scurte pentru a minimaliza efectul termic. În alte cazuri se foloseşte un absorbant

pentru aceste lungimi de undă scurte. Cu cât elipsa este mai mare cu atât sunt mai mici

abaterile, producând o intensitate mai ridicată în centrul barei. Cu cât elipsa se apropie de

forma unui cerc, cu atât este mai simetrică pomparea, ceea ce măreşte calitatea razei

laser. Lampa se află în interiorul unei carcase cilindrice cu un înveliş dielectric care

reflectă lungimile de undă nepotrivite ale luminii înapoi în lampă. Această lumină este

absorbită şi o parte din ea este reemisă la lungimi de undă potrivite prin căi fluorescente.

Carcasa de asemenea are şi rol de a proteja bara în cazul în care se produce o cădere

violentă a lămpii, şi poate asigura şi o cale de curgere pentru agentul de răcire. Bara şi

lampa sunt relativ lungi pentru a minimaliza pierderile la capete şi pentru a asigura o

lungime suficientă a mediului activ. Oglinzile plate sunt deseori folosite la capetele

cavităţii de pompare pentru a reduce pierderile. Barele ieftine folosite au exteriorul

neşlefuit, în timp ce barele scumpe pot avea o lentilă cilindrică pe o parte pentru a putea

focaliza lumina pompată înspre bară. O bară neşlefuită scade intensitatea la centru barei

înrăutăţind unda laser. De asemeni o lampă cu manta sau o bară fără manta antireflexie

duce la apariţia pierderilor.

Alte modalităţi de pompare optică folosesc oglinzi complexe compuse din forme

eliptice suprapuse, pentru a permite mai multor lămpi cu bliţ să pompeze o singură bară.

Aceasta permite atingerea unor puteri mai mari, dar este mai puţin eficient deoarece nu

toată lumina este corect emisă înspre bară, ducând la creşterea pierderilor prin căldură.

Totuşi această abordare a pompării poate permite o mai bună pompare simetrică,

crescând calitatea undei laser.

O altă metodă constructivă foloseşte o bară şi o lampă cu bliţ într-o cavitate

executată dintr-un material reflectorizant cum ar fi spectralon. Aceasta nu cuplează

lumina la fel de bine în mediul activ, din momentul în care lumina se reflectă de mai

multe ori înainte să ajungă la bară. Numărul mare de reflexii este compensat de mediul

activ foarte reflexiv: 99% în comparaţie cu 97% pentru oglinda din aur. Această abordare

este mai compatibilă cu bare neşlefuite sau lămpi multiple.

44


Materialele din mediul activ trebuie alese să aibă absorbţie mică, doar dopajul

absorbind. Aşadar orice lumină la frecvenţă care nu sunt absorbite de dopaj vor merge

înapoi în lampă reîncălzind plasma. Lămpile folosite au depuneri din materialul catodic

pe sticlă şi deci sunt ineficiente. Lămpile cu arc electric pot fi executate de orice mărime

şi putere. Dacă lampa este îndeajuns de groasă lumina din lampă este în echilibru termic

cu gazul şi astfel se ajunge la strălucirea optimă. La lampa cu bliţ voltajul poate fi oprit

până la 10ms după fiecare ieşire de undă laser înainte ca prea mulţi ioni să se recombine.

Un laser de un anumit fel poate fi folosit pentru pompa alt laser. Spectrul îngust

al laserului de pompare oferă o mai mare eficienţă în transferul de energie decât lampa cu

bliţ. Laserele cu diode pompează lasere cu mediu activ solid pompate de diode.

Microunde sau radiofrecvenţe EM pot fi folosite pentru a pompa lasere cu mediu

activ gazos.

Pompare electrică

Descărcări electrice sunt folosite în mod frecvent în pomparea laserelor cu gaze.

Spre exemplu, în laserul heliu-neon electroni de la descărcările electrice se ciocnesc cu

atomi de heliu, excitându-i. Atomi de heliu excitaţi apoi se ciocnesc cu atomi de neon,

transferând energia. Acest lucru permite populaţiei de atomi de neon să se acumuleze pe

straturile superior excitate.

Curentul electric de obicei este folosit pentru pomparea laserelor cu

semiconductori.

Unde de electroni pompează câteva lasere cu electroni liberi şi câteva lasere

excimer.

2.2.4. Medii active, laser

45


Partea esenţială a unui dispozitiv laser o constituie mediul activ, adică un mediu în

care se găsesc atomii aflaţi într-o stare energetică superioară celei de echilibru. În acest

mediu activ se produce amplificarea radiaţiei luminoase (dacă avem o radiaţie luminoasă

incidentă) sau chiar emisia şi amplificarea radiaţiei luminoase (dacă nu avem o radiaţie

luminoasă incidentă).

Mediul activ este factorul principal care determină lungimea de undă la care

operează laserul, precum şi alte proprietăţi ale laserului. Există sute chiar mii de diferite

medii active în care s-a reuşit crearea de laser. Mediul activ este excitat de sursa de

pompare pentru a produce inversia de populaţie, şi în cadrul mediului activ are loc emisia

spontană şi stimulată a fotonilor, care duce la formarea fenomenului de amplificare

optică.

Exemple de diferite medii active:

• Lichide, cum ar fi lasere colorate. Aceştia sunt de obicei solvenţi chimici organici,

cum ar fi metanol, etanol sau etilenglicol, la care se adaugă coloranţi chimici cum

ar fi cumarină, rodamină şi fluoresceină. Structura chimică al moleculelor de

colorantului determină lungimea de undă la care va funcţiona laserul.

• Gaze, cum ar fi dioxid de carbon CO2, argon, cripton şi amestecuri cum ar fi

heliu-neon. Aceste tipuri de lasere sunt de obicei pompate prin descărcări

electrice.

• Solide, cum ar fi cristale şi lentile. Solidul gazdă de obicei este dopat cu o

impuritate cum ar fi ioni de crom, neodim, erbiu sau titan. De obicei materialul

gazdă YAG (silicat de aluminiu ytriu), YLF (fluorură de ytriu litiu), safir (oxid de

aluminiu) şi diferite alte cristale. Exemple de lasere cu mediu activ solid includ

Nd:YAG, Ti:safir, Cr: safir (cunoscut ca rubin), Cr:LiSAF (fluorură de crom

dopat simultan cu litiu-stronţiu-aluminiu), Er:YLF, Nd:sticlă, şi Er:sticlă. Laserele

cu mediu activ solid de obicei sunt pompate cu lumină de la alt laser sau cu o

lampă de semnalizare (flashlamp).

• Semiconductori, un tip de solid, în care mişcarea electronilor dintre materiale cu

diferite nivele de dopare pot genera apariţia laserului. Laserele cu semiconductori

au dimensiuni reduse, şi pot fi pompate cu un simplu curent electric, astfel făcând

46

http://ro.wikipedia.org/w/index.php?title=CO2&action=edit

http://ro.wikipedia.org/wiki/Laser


capabil utilizarea lor în pe scară largă la aparate de larg consum, cum ar fi citiri şi

scrieri de memorii optice (CD şi DVD).

2.2.5. Rezonator optic

Rezonatorul optic, sau cavitatea optică de rezonanţă, în cea mai simplă formă a

sa este formată din două oglinzi paralele plasate în jurul mediului activ laser care asigură

revenirea luminii în mediul activ. Oglinzilor li se aplică un înveliş optic care determină

proprietatea lor de a reflecta. În mod evident una va fi cu un grad de reflexie mai ridicat,

iar cealaltă va avea un grad de reflexie parţial. Cea de-a doua oglindă se mai numeşte

poarta de ieşire, deoarece permite o parte din lumină să părăsească rezonatorul optic

pentru a produce unda de laser.

Lumina din mediul activ laser, produsă prin emisie spontană, este reflectată de

oglinzi înapoi în mediul activ, unde poate fi amplificată de emisie indusă. Lumina poate

să fie reflectată de oglinzi, astfel trecând prin mediul activ de foarte multe ori (sute)

înainte ca să poată ieşi din cavitate. În lasere mai complexe, se pot utiliza patru sau mai

multe oglinzi pentru a forma cavitatea. Proiectul şi alinierea oglinzilor în conformitate cu

mediul activ este foarte important pentru determinarea lungimii de undă şi al altor

parametri la care va funcţiona sistemul laser.

Alte procedee optice, cum ar fi oglinzi care se învârt, modulatoare, şi filtre pot fi

plasate în interiorul rezonatorului optic, pentru a produce o variaţie de efecte la ieşirea

laserului, cum ar fi schimbarea lungimii de undă sau producerea de pulsuri de lumină

laser.

47


Unele lasere nu folosesc cavitate optică, în schimb se bazează pe un înalt câştig

optic pentru a produce o emisie spontană amplificată semnificativ (ASE) fără a necesita

întoarcerea luminii înapoi în mediul activ. Aceste lasere se presupun a fi

superiluminiscenţe, şi emit lumină cu o joasa coerenţă dar cu o lungime de undă mare.

Din momentul în care ele nu folosesc procesul de revenire a luminii în zona de cavitate

acestea nu sunt considerate a fi lasere.

Caracteristicile fasciculului laser (divergenţa, distribu ţia spaţială, modul

de oscilaţie, banda spectrală) depind în mare măsură de elementele optice care

formează cavita tea de rezonanţă laser (oglinzi, prisme) ce este diferită de

cavităţile utilizate în construcţia maserilor prin dimensiu nea longitudinală mult

mai mare, de aproximativ (10 5. . . 106) lungimea de undă a radiaţiei laser. De

aceea într-o cavitate de rezonanţă laser, numărul modurilor de oscilaţie este

mult mai mare, condiţiile ce se pun în pro blema modurilor în aceşti rezonatori

reducindu-se numai la considerarea lor faţă de oglinzile terminale ale cavităţii

nu şi faţă de suprafeţele laterale ale barei laser. Geo metriile mai frecvent

utilizate pentru configuraţia cavi tăţilor de rezonanţă laser sunt:

48


L

r1 = r2 = ∞

r1

r2

r1>>L r2>>L

a b

r1 r2r1 r2

c

r1 = r2 = L r1 = r2 = L/2

d

r1 r2

e

r1 > L/2 r2 > L/2

r1 r2

f

r1 < L/2 r2 < L/2

r1

g

r1 > L r2 = -(r1 - L)

r1

h

r1 = L r2 = ∞

Cavităţi rezonante laser: a) rezonatorul cu oglinzi plan-paraele; b) rezonatorul

cu oglinzi cu rază mare de curbură; c) rezonatorul confocal ; d) rezonatorul

sferic; e şi f) rezonatori cu oglinzi cu raze diferite de curbură; g)

rezonator covex-concav; h) rezonatori semiconfocali .

49


Rezonatorul cu oglinzi plan-paralele (de tipul inter ferometrului Fabry—

Perot); această cavitate rezonantă a) poate fi considerată un caz limită al

rezona torului cu oglinzi cu rază mare de curbură, aflîndu-se la marginea

diagramei de stabilitate. Diametrul efectiv al emisiei, care are o distribuţie

aproximativ gaus siană, este determinat de dimensiunile oglinzilor, iar mă rimea

fasciculului laser corespunde la jumătate din dia metrul oglinzilor. Principalul

dezavantaj al acestui tip de rezonator este că pierderile prin difracţie sînt destul

de ridicate şi este foarte sensibil la erorile de aliniere.

Rezonatorul cu oglinzi cu rază mare de curbură b) prezintă pierderi prin

difracţie minime, are însă o mare sensibilitate la aliniere. Diametrul optim al

fasciculului nu se obţine prin modificarea lungimii rezona torului ci numai

printr-o alegere potrivită a razelor de curbură ale oglinzilor.

Rezonatorul conjocal c) se caracterizează prin coincidenţa celor două

focare ale oglinzilor, adică centrul de curbură al unei oglinzi se află pe

suprafaţa ce leilalte oglinzi.

Rezonatorul sferic, concentric d) constă din două oglinzi sferice avînd

aceeaşi rază de curbură r şi separate la distanţa L, astfel ca centrele de

curbură ale oglinzilor să coincidă (L = 2r)

Rezonatori cu oglinzi cu raze diferite de curbură sunt prezentaţi în e şi j.

Rezonatorul convex-concav este prezentat în g.

Rezonatori semiconfocali (hemisferid) care sunt constituiţi dintr-o oglindă

sferică (r1 = L…2L) şi una plană (r2 = ∞) h).

O condiţie importantă pe care trebuie să o îndeplinească o cavitate de

rezonanţă este să fie cît mai stabilă, adică pierderile de radiaţii să fie cît mai mici.

Notându-se cu g1 = 1 – L/r1 şi g1 = 1 – L/r2 se consideră că un rezonator este

stabil câînd este îndeplinită condiţia:

0 ≤ g 1 ∙ g 2 ≤ 1

Într-o cavitate rezonantă laser, pentru reducerea nu mărului mare

de moduri de oscilaţie ce au loc, este folosită proprietatea de directivitate

a cavităţii (de propagare a undei într-un spaţiu cu dimensiuni mult mai

mari decât lungimea de undă) utilizând cavităţi de tipul interferometrului

50


Fabry-Pérot. În acest cay cavitatea va favoriza oscilaţiile în modul axial

fundamental TEM 00.

I

r

I

r

I

r

TEM00 TEM10 TEM20

Reprezentarea grafic ă a modurilor de oscilaţie TEM 00,10,20

Reprezentarea grafică pentru modul fundamental de oscilaţie TEM00 (TEM

-mod transversal electromagnetic), cu profilul radial gaussian, este dată în figigura

de mai sus, în care sunt prezentate şi modurile de ordin superior TEM10 şi TEM20.

Frecvenţele de rezonanţă pe modurile axiale de oscilaţie dominante corespund

condiţiei ca distanţa dintre oglinzi să fie un număr întreg de semilungimi de undă,

adică:

vc = n ∙ c/2L

unde: n este număr întreg, c — viteza luminii, L — distanţa dintre oglinzile

cavităţii, condiţie ce trebuie îndeplinită la montajul oglinzilor cavităţii rezonante şi

la alinierea elementelor generatorului laser.

Din punct de vedere tehnologic, realizarea calităţilor reflectante (parţiale şi

totale) pentru cele două oglinzi se face prin depuneri alternative în vid, pe suportul

de sticla optică (profilat corespunzător), a unor straturi subţiri din două materiale

transparente cu indici de refracţie diferiţi; de exemplu ZnS, cu indicele de refracţie

2,3, şi MgF2, cu indicele 1,38).

51


2.3. Tipuri de generatoare laser utilizte pentru sudare

Laserul cu rubin a fost primul generator laser realizat în 1960. Rubinul, utilizat

ca mediu activ se obţine pe cale sintetică din corindon (A12O3) impurificat (dopat) în mod

controlat cu ioni de crom (Cr3+), substituiţi în reţea în proporţii bine definite: (0,06 . . . 0,5)

% Cr.

Sistemul de cristalizare al rubinului este romboedric, iar din punct de vedere

optic este un cristal uniax, indicele de refracţie ordinar este — 1,769, iar cel

extraordinar — 1,760. Obişnuit, bastoanele de rubin utilizate ca medii active laser

au diametre de (5 . . . 10) mm şi lungimi de (30 .. . 100) mm. Reprezentarea nivelurilor

de energie pentru ionul de Cr+ + + în A1,O3 pentru rubinul roz este arătată în figura

3.1. Pompajul se face cu lămpi flash cu xenon, de formă elicoidală, laserul începînd

să emită la (0,3 . . . 0,5) ns după aprinderea lămpii. Emisia stimulată este dată de raza

de fluorescentă (Ho) de pe nivelul (2 E) pe nivelul (4A2).

Întrucât lampa flash degajă o cantitate mare de căldură (cîţiva kj pe impuls),

se impune o Limitare a frecvenţei de repetiţie a impulsurilor laser, rata fiind de cî-

teva impulsuri pe minut, in cazul utilizării sistemelor de răcire cu apa distilată în

circuit închis si de un impuls la cîteva minute cînd răcirea laserului se face cu aer.

Lasern cu rubin pot functiona în diferite regimuri de emisie în regim: relaxat

pulsat putând genera impulsuri cu valori ale energiei de (1..100) J cu durata de

aproximativ 1 ms

52


0

5

10

15

20

25p

om

pa

j

albastru

verde

Tranzitii ne radiative

Tranzitii laser

29 cm

0.38cm

R1

R2

g(R2)=2

g(R1)=2

En

erg

ia

şi în regim declanşat, cu densitatea de energie de cîţiva jouli pe cm2 şi durate ale

impulsurilor laser de (10 . . . 30) ns. Este posibilă şi funcţionarea în regim continuu, dar

este mai puţin utilizată deoarece se complică mult configuraţia cavităţii de pompaj şi

sistemele de realizare a răcirii pentru bastonul laser şi lampa flash

2.3.1. Laser cu mediu activ solid: Yag ND, sticla dopata cu Neodim

Laserii cu neodim

Apăruţi mai recent decit laserul cu rubin, au cunoscut o dezvoltare rapidă datorită

superiorităţii acestora prin faptul că posedă 4 niveluri energetice, avind nivelul laser

inferior la circa 2 000 cm"1 de nivelul fundamental, deci depopulat chiar la temperatura

de 20°C. Din cauza existentei a numeroase subniveluri, emisia laser poate avea loc

la mai multe lungimi de unda, aflate în vecinătate. tate cuprinse în intervalele (1,7 . . .

53


2 1) µm, (1,3 ... 1,4) µm si (1,06 ... 1,095) µm, această ultimă plaja conţimnâd

tranyiţia, - 06 um, care este foarte intensă şi care s-a generalizat în utilizare

Pompajul poate avea loc pe cinci benzi cu o lăţime de aproximativ 300 A situate la (0

52 . . . 0,58) µm, 0,75 µm, 0,81 um şi 0,87 µm.

Eficienţa pompajului, pragul şi caracteristicile radiaţiilor laser rezultate depind

în principal de calităţile optice ale materialului care este gazda ionilor de neodirn.

Două materiale s-au impus ca cele mai eficiente: sticla optică dopată cu neodim şi

granatul de ytriu-aluminiu-YAG, dopat cu neodim.

Laserul cu sticlă dopată cu neodim.

A fost realizat de Snitzer în 1961. Ulterior s-au elaborat mai multe sorturi de sticlă

dopate cu neodim, cu indici de refracţie cuprinşi între (1,5 . . . 2) şi cu maximul liniei de

fluorescentă în domeniul (1,047 . . . 1,063) µm. Sticla optică fiind un amestec de oxizi

(SiO2, B2O3, P2O5), omogen şi cu proprietăţi izotrope, oferă o mare flexibilitate în obţinerea

diferitelor forme şi dimensiuni pentru bastoanele laser. Aceste calităţi fac ca sticla

dopată să fie singurul material utilizat ca mediu activ pentru realizarea laserilor de mare

putere, la care este necesar ca mediul activ să aibă dimensiuni mari. Randamentul

laserilor cu sticlă dopată cu neodim poate atinge 2. . . 3%.

Acest laser prezintă schema tipică cu patru niveluri energetice. Nivelul superior

(4 F 3/2) este meta-stabil, despicat în doi dubleţi a căror poziţie exactă depinde de

compoziţia sticlei. Nivelul inferior laser (4I 11/2) este situat la aproximativ 2 000 cm"1

deasupra nivelului fundamental, fapt ce permite laserului să lucreze eficient la

temperaturi pînă la 1 000°C. Tranziţia laser are loc între nivelurile (4 F 3/2) şi (4I

n/2)si anume între subnive-lunle inferioare ale acestora, la lungimea de undă de

aproximativ 1,06 µm, valoarea foarte exactă a lui — λ, mnd funcţie de compoziţia

sticlei (pompajul optic avînd loc prin intermediul nivelurilor superioare a lui 4F 3/2)

Întrucât nivelurile corespunyătoare benzilor de absorbţie sunt apropiate, orice

tranyiţie intre acestea va conduce la popularea nivelului metastabil responsabil de

absorbţie la 880nm.

54


T i m p u l d e v i a ţ ă o u o r e a l f l s c e n ţ e i i o n u l u i d e n e o d i m

depinde atât de cantitatea şi calitatea dopajului cât si de compozitia sticlei gazdă.

Laserul cu mediu activ sticla dopata cu neodim este un bun „acumulator de energie” (de

exemplu, energia stocată în aceleaşi condiţii este de aproximativ de 60 de ori mai

mare decît la laserul cu mediu activ YAG).

Bastoanele de sticlă dopată cu neodim utilizate ca medii active laser au

următoarele dimensiuni: diametre cuprinse între (5 . . . 30) mm şi lungimi de (100 . . .

1 200) mm.

Laserul cu YAG: Nd.

A fost realizat în l964. YAG-ul (Y3A15O12), adică granatul de ytriu-aluminiu,

este un cristal optic izotrop (cristalizează în sistemul cubic), avînd indicele de

refracţie 1,83 la temperatura de 20°C, radiaţia emisă de acest tip de laser fiind

nepolarizată.

Cristalul de YAG prezintă proprietăţi optice şi mecanice foarte bune, având

un prag al efectului laser foarte scăzut şi o conductibilitate termică ridicată, fiind

singurul tip de laser cu mediu activ capabil sa functioneze la temperatura de 20 ...

25 de grade celsius in regim continuu sau regim pulsat având o foarte mare

frecventa de repetitie Atomii de neodim in YAG, prezentând benzi de absorbţie

largite in infraroşu apropiat, (0,75—0,9) µm permit

55


Tabel Performantele realizate de mediile active rubin, sticla: Nd si Yag:Nd

Material mediu activ

Lungimea de unda [µm]

Modul de emisie

Puterea maxima[W]

Energia maxima a unui impuls

Durata impulsului

Dimensiune lungime x diametru [mm]

Preţul($/1mm lungime)

Rubin 0,6943 1. Impulsuri

1*10 5 80 3/6 * 104−

(30…200) * (5…10)

120 … 160

2. Q-Switched

1*10 9 20 1,5 * 108−

Nd: Sticla

1,06 1. Impulsuri

1*10 6 125 1* 10 3− (100… 1200)* (5…12)

40… 75

2. Q-Switched

1*10 9 30 1,5 * 108−

Nd: Yag

1,06 1. Impulsuri

5*10 3 4 1* 10 3− (12,5 … 150)* (5,5… 9,25)

250

2.Continuu 1,1*103

- -

2. Q-Switched

2*10 7 0,0005 1,5 * 108−

realizarea pompajului optic cu lămpi de cuarţ cu fila ment de wolfram cu

halogenuri sau lămpi cu xenon şi eripton la înaltă presiune. Ca şi la laserul cu

mediu activ sticla dopată cu neodim, tranziţia laser, corespunzînd lun gimii de

undă Â.=l,0641 um, are loc între nivelul supe rior 4F 3/2 şi nivelul inferior 4 1

11/2

Eficienţa laserului cu YAG : Nd este de aproximativ 2%, puţind emite

în anumite condiţii puteri de 1 Kw, în regim continuu pentru necesităţi de

laborator, uzual rea- lizînd puteri de (20 . . . 100) \V. Laserul cu YAG : Nd poate

funcţiona in regim declanşat sau în regim de cuplare a modurilor. în regim

pulsat, puterea medie a generatoare lor YAG : Nd este aproximativ egală cu

puterea de ieşire in regim continuu.

Începând din anul 1984, firma Heraeus [133] a realizat un nou material

pentru medii active laser solide — YAP; Nd, (Ytriu — Aluminiu — Perovskite)

— YALO 3, ce cristalizează în sistemul ortorombic. în funcţie de orien tarea axei

cristalului, generatoarele laser YAP : Nd pot emite radiaţii cu două lungimi de

undă, λ1= 1,079 um şi λ2 = l,064 um, fiind preferată prima variantă, λ1. Bastoa -

56


nele din YAP : Nd sunt executate la următoarele dimen siuni: 0 4X50 mm; 63

mm; 75 mm; 0 5X 50 mm; (30 mm; 75 mm şi 06x75 mm.

Principalele caracteristici fizico-optice ale celor trei medii active laser

utilizate curent, în funcţie de anumite criterii standard de comparaţie sînt date,

iar performanţele obţinute, dimensiunile şi preţul de cost sînt prezentate în

tabelul 2.2.2

Comparaţie între laserii cu rubin, sticlă: Nd şi YAG: Nd

Privind comparativ cele trei tipuri de medii active uti lizate curent se

observă din tabele că din punctul de vedere al conductivităţii termice (care

este o caracteristică importantă pentru puterea medie a genera torului) rubinul

are conductivitatea de 3 ori mai marc comparativ cu YAG : Nd şi de 35 de

ori mai mare decît a sticlei : Nd .

Din punct de vedere al performanţelor mediului în raport cu variaţia

temperaturii de funcţionare faţa de valorile nominale de lucru,rubinul preyinta cea

mai mare sensibilitate.Astfel intr-un generator laser cu rubin, utiliyat la 77 K,

pragul puterii absorbite scade cu cel puţin 2 ordine de mărime faţă de funcţionarea

la tempertaura ambianta, iar pentru generatoarele YAG: Nd şi s t ic lă : Nd, puterea

absorbită se reduce cu 0,25 şi respectiv cu 0,5 pentru acelaşi interval de

temperatură.

Dintre cele 3 medii active, se observă că cel mai indicat pentru aplicaţii care solicită emisie continuă a fascicolului este YAG : Nd, întrucât solicită cel mai scăzut nivel al inversiei de populaţie, dar prezintă şi cel mai ridicat preţ de cost.

2.3.2. Laser cu mediu activ gazos (emisie continuua)

57


Laserii cu gaz, datorită densităţii scăzute a mediului activ laser (gaz sau vapori

metalici), cât şi a nivelurilor energetice foarte înguste, realizarea inversiei de populaţie -

excitarea se face prin ciocniri electronice sau transfer rezonant de energie şi, mai rar, prin

pompaj optic sau reacţii chimice.

Laserii cu gaz emit de obicei în unda continua, sau în anumite condiţii, în

impulsuri. Se disting trei tipuri de laser cu gaz utilizaţi la prelucrarea materialelor: laseri

atomici (care folosesc tranziţiile atomilor neutri), laseri ionici (care utilizează tranziţiile

atomilor ionizaţi) şi laseri moleculari. Prezintă interes pentru utilizări tehnologice laserii

ionici şi laserii moleculari, întrucât pot realiza energii mari.

Laserii ionici

Pot funcţiona în regim de impulsuri, sau emisie continuă, fasciculul laser având o

divergenţă mică, sub 10-3 radiani, iar randamentul fiind ridicat, putând ajunge până la 7%.

Dintre laserii ionici, dezvoltarea cea mai mare au avut-o laserii cu gaze nobile, care,

datorită inerţiei chimice ridicate, au condus la micşorarea dificultăţilor tehnologice de

realizare practică. Laserul cu argon ionizat este cel mai bine pus la punct, constituind

exemplul tipic al acestei clase de laseri.

Puterea maximă obţinută de un laser cu argon ionizat (λ = 4 880 A, diametrul

tubului 12 mm, lungimea descărcării 2 400 mm) este 300 W în vizibil şi 34 W în ultra-

violet.

Din punct de vedere constructiv, la laserul cu argon ionizat, tuburile de descărcare

(diametrul 1...12mm) trebuie să reziste la densităţile mari de curent (10 A/cm2) folosite

pentru excitare, iar catodul trebuie să asigure curentul înalt de emisie necesar funcţionării

laserului. Catozii se execută dintr-un suport de nichel sau wolfram pe care se

pulverizează oxizi de Ba, Sr, şi Ca, încălzindu-se la un curent de 10 ... 300 A. Anodul

laserului se execută din cupru şi este răcit cu apă.

Laserul cu argon ionizat este cea mai puternică sursă de radiaţie coerentă din

vizibil, având o serie de aplicaţii: sursă de pompaj optic pentru laseri cu coloranţi

acordabili în frecvenţă, în tehnica holografică.

58


Laseri moleculari

Au o serie de proprietăţi şi caracteristici deosebite:

- construcţie relativ simplă;

- putere de ieşire foarte mare în regim continuu iar în regim de impulsuri o putere

de vârf foarte ridicată în condiţiile atingerii unor randamente superioare de (10 ...

35) %;

- nu prezintă limitare mare prin saturaţie, fiind posibilă creşterea puterii de ieşire,

prin mărirea dimensiunilor incintei de descărcare cu mediu activ gazos;

- excitaţia gazelor se obţine prin descărcări în curent continuu, alternativ sau în

impulsuri.

Dintre laserii moleculari, cel mai mult utilizat pentru prelucrări este laserul cu

CO2 + N2 + He. Iniţial a fost folosit CO2 pur ca mediu activ, dar nu a dat satisfacţie din

cauza randamentului scăzut. Prin introducerea gazelor aditive, N2 şi He, care joacă un rol

important în procesele de excitare şi dezexcitare, a fost posibilă funcţionarea laserului în

undă continuă cu eficienţă ridicată la nivele de putere foarte mari.

Astfel, azotul intervine eficient în pompajul nivelului laser superior din CO2 prin

transferul rezonant de energie de la N2 (care are nivelul de rezonanţă foarte apropiat de

nivelul CO2), contribuind la mărirea timpului de viaţă al nivelului laser superior. Azotul

prezintă avantajul că se poate excita uşor printr-o descărcare în gaz, chiar la presiuni

joase (numărul moleculelor de azot în stare excitată poate atinge 10 ... 30% din numărul

total de molecule).

Heliul în amestecul respectiv, joaca un rol mai complex, contribuind la mărirea puterii şi

eficienţei laserului cu CO2 şi N2, prin concentrarea luminiscenţei descărcări spre tubului

şi reducând astfel difuzia moleculelor de CO2 spre pereţii tubului. De asemenea, heliul

contribuie la accentuarea inversiei de populaţie, influenţând şi plasma formată în laser

prin mărirea ratei cu care sunt excitate moleculele de CO2 pe nivelul 00°l (figura 2.4.2.1),

fie direct prin procese de ciocnire cu electronii, fie indirect, prin creşterea ratei de

excitare vibraţională a moleculelor de N2. În acelaşi timp la nivelele inferioare acţionează

ca dezexcitant, iar prin modificarea impedanţei descărcării, favorizează creşterea valorii

curentului ce trece prin tub.

59


RecombinareE

ne

rgia

de

exc

itaţie

[cm

-1]

1∙103

3∙103

2∙103

v = 0

v = 1

0001

1000

0200

01101

3

2

4

667,3 [cm-1]

720,5 [cm-1] 23

30,7

[cm

-1]

23

49

,16

[cm

-1]

ΔE

≈ 1

8[c

m-1

]

N2CO2

10,6

36 μ

m

9,6

μm

0000

Figura 2.3.2.1 Diagrama nivelurilor energetice şi a tranziţiilor laser la generatorul cu mediu

gazos CO2 + He + N2.

Excitarea directă prin ciocniri electronice a nivelului 00°1 are loc prin procesul

CO2(00°0) + ĕ → CO2(00°l) + ĕ

Alături de CO2 în descărcarea electrică se excită vibraţional şi moleculele de azot:

N2(v=0) + ĕ → N2− → N2

◦ + ĕ

Datorită coincidenţei energiilor primului nivel de vibraţie al N2 (2331 cm-1) cu

nivelul laser superior 00°1 al CO2, moleculelor acestuia pot prelua eficient energia de la

azot, având ca efect popularea selectivă a nivelului 00°1:

CO2(00°0) + N2(v=1) → CO2(00°0) + N2(v=0) – 18 cm-1

Considerând împreună cele două procese de excitare, s-a constatat că

pentru un raport 1 : 1 : 8, în amestecul CO2 : N2 : He, aproximativ 45% din energia

electronilor este transferată direct nivelului laser superior CO2(00°1) şi peste 40% pe

60


nivelele vibraţionale ale N2, deci peste 90% din energia electronilor contribuie la

excitarea vibraţională a CO2 (00°l şi N2).

Emisia stimulată laser caracteristică spectrului de vibraţie-rotaţie a moleculei de

CO2 este formată din mai multe linii repartizate în două grupe centrale figura 2.4.2.1:

unul la λ=10,6 μm şi alta la λ = 9,6 μm. Durata mare de viaţă a nivelelor excitate, de

aproximativ 2,5ms, permite obţinerea unor densităţi ridicate ale energiei radiate.

Faţă de emisiile celorlalte generatoare laser, în cazul laserelor moleculari cu

CO2+N2+He se remarcă numeroase linii cu frecvenţe vecine deoarece nivelurile de ener-

gie vibraţională ce corespund configuraţiei diferiţilor atomi din interiorul moleculei sunt

subdivizate în subniveluri rotaţionale, creându-se posibilitatea unor tranziţii multiple.

Există mai multe variante constructive de generatoare laser cu CO2+N2 + He,

comun pentru toate variante fiind tubul de sticlă pirex cu pereţi dubli în care se află

amestecul gazos (dozat în proporţii riguroase) ce este reîmprospătat continuu. Între pereţii

dubli ai tubului circulă în permanenţă agentul de răcire (de obicei apă). Cavitatea

rezonantă este formată din două oglinzi (plane sau concav-confocale) din oţel inoxidabil,

acoperit de aur. Ieşirea fasciculului laser este asigurată printr-un orificiu circular practicat

într-o oglindă şi apoi printr-o fereastră din clorură de sodiu (sau germaniu pur) material

care nu absoarbe radiaţiile laser cu λ = 10,6 μm.

2.4. Materiale sudabile cu laser

Ţinând seama de similitudinea între sudarea cu fascicul de electroni şi sudarea cu laser, se poate afirma că toate metalele sudabile cu fascicul de electroni se pot suda şi cu fascicul laser. Deoarece sudarea cu laser se realizează în aer, este necesară prevederea unei protecţii gazoase a băii de sudură, ca şi în cazul sudării cu arcul electric în mediu de gaz inert (WIG). Această protecţie nefiind perfectă, nu se pot suda cu laser acele metale şi aliaje metalice care necesită spaţiu vid (de ex. Zircaloy). În tabelul de mai jos se prezintă unele materiale care au fost deja sudate cu laser.

61


Natura materialuluiGrosimea

Puterea fascicululuilaser

Caracteristicile mecanice ale

îmbinăriiOţeluri:- inoxidabile - pentru structuri sudate

Până la : - 15 mm - 6 mm

- 10 kW - 2 kW

Proprietăţi mecanice foarte bune

Oţeluri înalt aliate Nimomic

2.. .4 mm 2. .. 5 kW Proprietăţi mecanice Excelente

Aluminiu Până la 8 mm 7...10kW

Dificultate la obţinerea de cusături fără pori la rădăcină, dar totuşi proprietăţi

mecanice bune.Titan şi aliaje de

titan Până la 8 mm 6... 10 kWRezultate foarte

bune

Dificultatea semnalată în tabelul la sudarea aluminiului se datoreşte în primul rând reflexiei fasciculului laser care după cum am vazut joacă un rol foarte important în sudarea cu laser.

Se observă că proprietăţile mecanice ale sudurilor realizate cu laser sunt în general bune. În cazul încercărilor la tracţiune s-au obţinut ruperi în materialul de bază; de asemenea s-au obţinut rezultate bune la încercarea la indoire-pliere. Ca şi în cazul sudării cu fascicul de electroni, rezilienţa îmbinărilor sudate lasă de dorit în cazul anumitor oţeluri, datorită transformărilor structurale suferite de metalul topit la sudare, în cursul răcirii rapide a lui. În ultimul timp s-au obţinut rezultate încurajatoare şi privind sudarea cu laser, folosind material de adaos.

62


Performanţe obţinute la sudare, utilizând diferite tipuri de lasere:

Materiale care se pot suda cu laserul rubin

Materiale de acelaşi fel Materiale diferite

Aur - Aurmolibden - molibden

aur - aluminiu cupru - cupru aurit nichel - tantal

Argint - Argint wolfram -wolfram aur – aliaj luminiu cupru - cupru zincatNichel - aliaj Fe-Ni

Aluminiu - Aluminiu

niobiu - niobiu aur - nichel cupru - nichel nichel -wolfram

Aliaj aluminiu - Aliaj aluminiu

oţel Cr-Xi –oţel Cr-Xi

aur - siliciucupru zincat - nichel

Nichel - folie Cr - Cu-Au pe sticla

Cupru - Cupruoţel carbon nealiat - oţel carbon nealiat

aur – siliciu placat cu aluminiu

cupru - siliciu

Cupru zincat -Cupru zincat

Aur- germania cupru - constantan

Cupru aurit - Cupru aurit

Covar - Covar aur - invarcupru – bronz fosforos

paladiu – bronz fosforos

Nichel - Nichelcovar aurit – covar aurit

argint - nichel cupru - tantaltantal - molibden

Titan -TitanAluminiu – aliaj aluminiu

cupru zincat -oţelWolfram - aluminiu

Tantal - Tantal aluminiu - nichel cupru - covaroţel inox. - tantal

La stadiul actual de dezvoltare a tehnologiei de sudare cu laser, laserul rubin se

aplică la sudarea componentelor cu grosimi de 0,01. ..0,5 mm.

63


Laserul YAG : Nd (λ = l,06 μm) este singurul tip de laser cu mediu activ solid

care se utilizează atât în regim de funcţionare cu impulsuri, cât şi în regim continuu. În

regim de impulsuri, acest tip de laser este utilizat acolo unde se cere o frecvenţă mare a

impulsurilor (~ 104 Hz) la o energie mică a lor (câţiva joule/impuls), respectiv realizarea

unor prelucrări cu o productivitate mare (microelectronică, ceasornicărie). Grosimea

maximă a materialului care se poate suda cu acest tip de laser este 1 mm.

Spre exemplu sudarea cap la cap a două tuburi din oţel inoxidabil cu diametrul exterior

de 12,5 mm şi grosimea peretelui tubului de 0,85 mm. Sudura s-a efectuat în 3 minute;

utilizând un laser cu energia de 7 juole/impuls la o frecvenţă de 60 impulsuri/minut,

focalizarea fiind de 0,6 mm. Un alt exeplu ar fi un laser YAG: Nd cu putere de 1100 W,

funcţionând în regim continuu. El este utilizat la sudarea unor metale şi aliaje metalice

ca: zirconiu, titan, oţel inoxidabil. La sudarea oţelului inoxidabil s-a obţinut o

pătrundere de 3,2 mm la o viteză de sudare cuprinsă între 45. . .60 m/h.

Luserul sticlă: Nd (λ = l,06 μ.m) funcţionează în regim, de impulsuri. Cu acest

laser se pot suda sârme şi piese sub formă de folii subţiri (δ < 1 mm), clar productivitatea

este scăzută.

Laserul eu CO2 (λ = 10,6 μm) poate funcţiona atât în regim continuu, cât şi în

regim de impulsuri. La sudare prezintă, interes în special laserul CO2 în regim continuu,

deoarece cu el se pot realiza cusături continue, etanşe.

La începutul aplicării acestui tip de laser la sudarea metalelor şi aliajelor metalice

s-au întâmpinat următoarele dificultăţi:

1. Obţinerea unei puteri relativ scăzute a fasciculului (câteva sute de watt), în comparaţie

cu alte surse termice de sudare (fasciculul de electroni, arcul de plasmă etc.);

2. Pierderile mari prin reflexie în cazul metalelor, datorită lungimii de undă mari a

fasciculului laser;

3. Imposibilitatea realizării aşa numitului efect de pătrundere adâncă (caracteristic

sudării cu fascicul de electroni), prin care se obţini suduri înguste la grosimi mari de

material.

Soluţiile găsite până în prezent la problemele enumerate sunt următoarele:

- realizarea unor focalizări corespunzătoare (0,05.. .0,125 mm) atunci când laserul e de

putere relativ mică; astfel cu un laser de 250 W s-au putut suda cu viteză de 230 m/h table

64


subţiri din oţel inoxidabil, inconel, titan, cu un laser de 200 W; la o viteză de 120 m/h s-

au sudat table de titan cu grosimea de 0,4 mm şi cu un laser de 900 W şi o viteză de 180

m/h s-au sudat piese din oţel inoxidabil cu grosimea de 1 mm;

- micşorarea reflectivităţii (mărirea, absorbţiei) prin diferite tratamente speciale de

suprafaţă (rugozare, acoperire cu un strat absorbant metalic sau nemetalic). În cazul

acoperirii suprafeţei metalice a piesei de sudat cu un strat absorbant trebuie observat că

odată cu creşterea puterii fasciculului laser are loc o reducere a proprietăţilor absorbante,

ca urmare a evaporării pe o zonă mai largă a stratului de acoperire, în cazul suprafeţelor

neacoperite s-a constatat că există un prag al puterii fasciculului laser peste care

pătrunderile prin reflexie sunt semnificativ diminuate. Acest prag depinde de densitatea

de putere a fasciculului şi de durata de menţinere a acestuia în acelaşi loc;

- micşorarea dispersiei fasciculului laser prin insuflarea unui gaz auxiliar; în cazul unui

laser de 20 kW, utilizând un gaz auxiliar insuflat la locul sudurii s-a obţinut un raport

între pătrunderea şi lăţimea cusăturii de 6:1. În acest fel fasciculele laser având puteri

mari (până la 20 kW) se pot utiliza la sudarea cu viteze ridicate a materialelor cu grosimi

relativ mari (până la 15 mm).

În tabelul următor sunt prezentate rezultatele experimentale obţinute la sudarea

oţelului inoxidabil cu laseri de mare putere.

Rezultate experimentale obţinute la sudarea oţelului inoxidabil cu laseri de putere mare

Grosimea, mm Viteza de sudare,

m/h

Lăţimea cusăturii,

mm

Puterea laserului,

kW20,3 76 3,3 2012,7 152 2,3 208,9 46 2,3 8

65


Capitolul 3. Sudarea cu laser pentru sisteme mecatronice

Sudarea cu laser, este astăzi un procedeu foarte performant în anumite domenii.

Piaţa actuală oferă difetite tipuri de surse laser pentru care puterea şi fiabilitatea sunt două

criterii de alegere importante.

Alte procese precum sudarea cu plasmă, nu sunt capabile să atingă densităţi de

putere mari, necesare pentru penetrarea foarte adâncă necesară procesului de sudare.

În comparaţie cu metodele convenţionale, sudarea cu laser oferă unele avantaje

precum :

- în afară de sudarea cu fascicul de electroni a cărui folosire este limitată de

utilizarea unei camere cu vaccum, nici un alt proces nu atinge asemenea densităţi de

putere precum fasciculul laser ;

66


Fig 3 Procedee laser realizabile în funcţie de densitatea de putere furnizată şi dimensiunea spotului focal

- piesele sunt prelucrate făra contact fizic, la o viteză mare ;

- în urma acţiunii fasciculului rezultă zone afectate termic mici ;

- sudarea cu laser permite realizarea procesului în zone ale; pieselor greu

accesibile altor procedee;

- uniformitatea şi calitatea superioară a suprafeţelor sudate cer o finisare

minimă;

- instalaţia laser poate fi uşor controlată ceea ce permite un înalt grad de

automatizare al procesului de sudare.

Realizarea unei suduri se bazează pe fenomenul de topire locală a materialului în

punctul de impact al fasciculului laser cu materilul.

3.1. Principiul

Fig.3.1.. Schematizarea procesului de sudare cu laser

67


Procedeul cere densităţi de energie mari, realizabile în punctul focal al sistemului

optic.

Pentru densităţi specifice de putere suficient de ridicate (105 W/cm2 până la 106

W/cm2) în interiorul materialului va apărea un capilar umplut cu vapori metalici. Pereţii

capilarului sunt formaţi din metal lichid în fuziune. Baia de fuziune, astfel creată şi

întreţinută, este deplasată între piesele de asamblat, materialul resolidificându-se după

trecerea fasciculului , asigurând asamblarea pieselor.

Acest fenomen, valabil pentru un fascicul continuu (laser CO2 sau YAG) este

puţin diferit în cazul fasciculului emis în mod pulsatoriu (laserul YAG în functionând în

mod pulsatoriu). De fapt, în acest caz, cordonul de sudură este realizat printr-o succesiune

de puncte ce se suprapun parţial. Procedeul este astfel foarte apropiat de precedentul : din

cauza energiilor atinse, materialul este topit, sau vaporizat instantaneu. Este urmat apoi

de o condesnare şi o solidificare imediată.

Pentru puteri specifice inferioare de 105 W/cm2, sudarea se efectuează prin

conducţie (difuzia căldurii de la suprafaţa materialului).

3.2. Caracteristici particulare ale procedeului

Capilarul

Puterile specifice dezvoltate de fasciculele de energie înaltă, dau naştere, în cazul

interacţiunii cu materia, unui fenomen de penetrare caracteristic datorat formării a ceea ce

se numeşte capilar.

Formarea sa se explică astfel :

Puterea fasciculului se dezvoltă integral în punctul de impact cu ţinta dând loc unei

sublimări instantanee a materiei. În cazul unui material metalic, vaporii metalici rezultaţi

refulează peste marginile băii un film de metal topit dând nastere, prin urmare, la

suprafaţă unei mici cavităţi prin care fasciculul înaintează în interiorul metalului. Din

aproape în aproape se va forma un puţ strâmt ce se propaga în material. Acest puţ, de

diametru puţin superior celui al fasciculului, este fizic ocupat de o plasmă de vapori

metalici şi pereţii săi fiind căptuşiţi de un film de metal topit, menţinut de capilar.

68


Fig.3.2.1. Formarea capilarului

Acest capilar, caracteristic sudării la densitate de energie înaltă, are un rol foarte

important în procedeul de sudare cu laser, deoarece permite transferul direct de energie în

centrul materialului.

Puterea fasciculului se diminuează treptat pe măsură ce acesta înaintează în

interiorul capilarului. Dacă fasciculul se deplasează dealungul planului de legătură,

metalul topit se resolidifică formându-se astfel cordonul de sudură.

Dimensiunile axiale şi transversale ale capilarului influentează morfologia

cordonului de sudură, conferindu-i un raport lătime/adâncime de 1 la 10, în general.

Acest raport depinde de numeroşi factori legaţi de natura şi starea materialului

(proprietăţi fizice la temperaturi înalte) cât şi de proprietăţile fasciculului în punctul de

impact (putere, diametru, profil).

69


Fig.3.2.2. Fazele procesului de sudare

Crearea capilarului este însoţită de apariţia plasmei la suprafaţa băii de fuziune.

Această plasmă este formată din vapori ionizaţi, foarte absorbanţi faţă de fasciculul laser.

Energia absorbită este astfel transmisă mediului înconjurător şi constituie o sursă

secundară de încălzire. În cazul laserilor YAG, este mai puţin densă prin consecinţă

afectând mai puţin fasciculul.

Plasma este un mediu ce are o temperatură ridicată, ce emite în toate spectrele :

Ultra Violet, Vizibil, Infra Roşu. Posedă o încarcatură electrică variabilă, ceea ce face

imposibilă folosirea traductoarelor capacitive sau inductive, ca cele folosite la operaţia de

decupare cu laserul, folosite pentru a urmări profiele. Cu toate acestea, analiza sa în timp

real permite extragerea de informaţii asupra calităţii interacţiei şi mai ales continuitatea

sa.

Comportamentul plasmei este strâns legat de densitatea de energie a fasciculului şi de natura şi presiunea gazului de asistenţă folosit.

70


3.3. Factorii care influenţează calitatea asamblării

În funcţie de energia incidentă, plasma va avea o influenţă mai mult sau mai puţin

importantă asupra morfologiei cordonului, dimensiunea superioară a acestuia fiind strâns

legată de aceasta (capul de cui).

Zona topită A : datorată acţiunii plasmei (pâna la 60% din puterea fasciculului

este absorbită).

Zona topită B : datorată acţiunii capilarului (partea ramasă din fasciculul incident

exceptând fasciculul reflectat).

Fig.3.3.1.. Schematizarea secţiunii transversale a unui cordon de sudură

Folosind diferite tipuri de gaze, se poate mări zona topită, dar volumul de material

topit va ramâne acelaşi şi deci adâncimea de penetrare se va micşora.

Injectarea gazului de asistenţă poate deforma şi partea superioară a cordonului,

împraştiind plasma într-un mod asimetric.

În cursul operaţiei de sudare cu un laser ce funcţionează în mod pulsatoriu,

intervin un număr mare de parametrii (cei ce depind de sursa de energie, cei legaţi de

modul de transport al fasciculului de focalizare a acestuia asupra piesei, cei ce depind de

mediul înconjurător şi în sfârşit cei ce sunt legaţi de material şi în general cei ai piesei de

sudat).

71


Parametrii sursei laser

Pentru o configuraţie dată a cavităţii, aportul de energie se face prin impulsuri de

durată definită τ la o frecvenţă F. Fiecare impuls furnizează o energie E a cărei repartiţie

temoprală poate fi modulată.

Este vorba de parametrii operaţionali ce pot induce o modificare a parametrilor de

lucru :

- puterea medie FEPm ⋅= ;

- puterea maximă τE

P = ;

- timpul de interacţiune laser/materie f (F,E,τ, natura materialului).

Repartiţia spaţială a energiei depinde direct de modurile de ieşire din cavitatea

laser şi de interacţia lor. Pentru un laser YAG, repartiţia energetică a secţiunii fasciculului

nu este nici gaussiană nici uniformă. Aceast lucru va avea consecinţe asupra interacţiei

laser-materie.

În figura 3.3.2. a se poate observa multitudinea de vârfuri de energie prezente în

spotul focal. Totodată se poate vedea (3.3.2.b) şi în acelaşi timp explica diferenţa dintre

rezultatele obţinute de la o instalaţie laser la alta, datorată diferenţei între parametrii

operaţionali sau cei ai instalaţiei.

Fig.3.3.2. Repatriţia energetică în secţiune longitudinală a unui fascicul laser emis de o instalaţie YAG

pentru:

a) Putere medie 300W mod continuu

b) Putere medie 1200W mod continuu

72


Fig.3.3.3. Vedere tridimensională şi în secţiune longitudinală a repartiţiei spaţiale de energie la ieşirea

dintr-o cavitate laser YAG

3.4. Parametrii fasciculului laser

Modul TEM

Una din caracteristicile esenţiale ale fasciculului laser este modul TEM, care

descrie cum este distribuită energia în fascicul. Modul gaussian (TEM00) este modul de

referinţă, ce permite atingerea celor mai mari densităţi de energie în punctul de

focalizare.

Un coeficient fară dimensiune numit M2, sau K (K=1/M2) a fost introdus pentru a

caracteriza calitatea fasciculelor laser în raport cu fasciculul de referinţă gaussian.

Determinarea acestui coeficient se bazează pe relaţiile urmatoare :

qdK

14

0

⋅=⋅

⋅=πλ

θπλ

(1) 20

θ⋅= wq (2)

Astfel, calitatea radiatiei laser este indicată de factorul de propagare al fasciculului K sau

de un parametru q, pentru laserii cu Nd :YAG, dar nu si pentru laserii cu CO2.

73


Fig.3.4.1. Factorul de propagare al fasciculului

Unde :

ө : unghiul de divergenţă al fasciculului ;

w0 : raza fasciculului în punctul focal 2rF=2w0 ;

b : distanţa cap laser – punct focal;

d0: diametrul fasciculului asa cum se găseşte la ieşirea din cavitate ;

λ : lungimea de undă a fasciculului considerat ;

K : factorul de propagare al fasciculului ;

q : parametru produs ;

2zRF : adâncimea câmpului unde fasciculul are distribuită cea mai mare densitate

de energie (lungimea Rayleigh) ;

Pentru fasciculul de referinţă, M2=1. Pentru fasciculele apropiate de cel gaussian,

M2 tinde către 1, în timp ce fasciculele de ordin superior (fasciculele multimod) sunt

caracterizate de un factor de calitate M2 cuprins între 1.5 şi 5 pentru laserele cu CO2 iar

pentru laserii Nd :YAG fiind şi mai mare.

Utilizarea acestui factor de calitate al fasciculului este generală, permiţând

compararea diferitelor instalaţii industriale, şi mai ales calcularea diametrului de

focalizare, în funcţie de caracteristicile reale ale fasciculului.

74


Puterea şi viteza Puterea P si viteza v, caracterizează energia conform formulei :

v

PE = (3)

unde :

E : energia în [J/m]

P : puterea [W]

v : viteza [m/s]

Această energie permite topirea unui anumit volum de material, deci de a penetra

şi de a forma cordonul dorit. La putere constantă, diminuarea vitezei atrage după sine

mărirea penetrării , a cordonului şi în mod implicit a zonelor afectate termic (ZAT).

Ţinând cont de cele spuse, este inutil în general să se scadă viteza de sudare sub 0.5

m/min deoarece nu se va obţine o penetrare mai bună ci din contră o mărire a lărgimii

cordonului şi în acelaşă ZAT-ului (antrenând o încalzire importantă a piesei şi totodată

creştere a deformărilor piesei).

Fasciculele de putere sunt caracterizate în acelaşi timp şi de parametrii de

concepţie ai instalaţiei laser, dintre care modul, divergenţa şi diametrul, ce pot fi afectate

de starea componentelor optice ce transportă fasciculul.

3.5. Parametrii sistemului de focalizare

Lentilele sau oglinzile sunt capabile de a modela forma fasciculului cu o calitate

comparabilă, însă cu toate că principiul de funcţionare (transmitere al fasciculului) este

acelaşi, lentilele sunt mai putin rezistente ca oglinzile.

75


Fig.3.5.1. a) Oglindă de focalizare captuşită cu cupru, b) Oglindă de focalizare captuşită cu

silicon

Lentilele cu înveliş de cupru sunt caracterizate de o reflexivitate şi o

conductibilitate termică ridicată. Ca dezavantaj este dilatarea termică mare.

Lentilele cu înveliş de silicon, în comparaţie cu cele din cupru, sunt caracterizate

de o slabă reflexivitate şi o slabă conductibilitate termică ceea ce face ca distorsiunile

termice să fie foarte mici.

În figura de mai jos se poate observa modul de transmitere şi focalizare al unui

fascicul laser emis de o sursa laser (CO2).

Fig.3.5.1. Exemplu de ghidare a fasciculului laser spre postul de lucru

76


1. telescop laser ;

2. oglindă de focalizare a unităţii de miscare ;

3. fascicul laser ;

4. oglindă de focalizare ;

5. oglindă de focalizare şi schimbător de fază în polarizare circulară ;

6. oglinzi de focalizare ;

7. lentila de focalizare din capul laser ;

Distanţa focală

Un parametru esenţial al procedeului de sudură este diametrul fasciculului în

punctul de focalizare şi care este strâns legat şi de densitatea de putere.

Densitatea de putere se exprimă prin raportul P/S unde :

P – puterea incidentă ;

S – suprafaţa de interacţiune fascicul-piesă ;

Utilizând factorul de calitate M2, putem aproxima diametrul real al spotului focal

conform relaţiei urmatoare:

D

FMd

πλ42 ×= (4)

unde:

- diametrul spotului focal în mm;

- M2 factorul de calitate al fasciculului ;

- λ: lungimea de unda în nm ;

- F : distanţa focală in mm ;

- D : diametrul fasciculului înainte de a traversa sistemul de focalizare în mm ;

Lungimea de undă şi diametrul fasciculului D, depinzând de concepţia instalaţiei

laser, utilizatorul poate regla lungimea focală a sistemului optic pentru a modifica

diametrul de focalizare.

Asftel cu cât distanţa focală este mai scurtă, cu atât diametrul de focalizare este

mai mic iar densitatea de energie concentrară în spotul focal este mai mare.

Acest lucru se concretizează în faptul că de obicei se lucrează cu distanţe focale

mici pentru a beneficia de cea mai mare densitate de energie în punctul de lucru. Cu toate

77


acestea, o distanţă focală prea mică riscă expunerea părţii optice proiecţiilor de material

topit şi automat distrugerii acestora.

3.6. Poziţia punctului focal în raport cu suprafaţa materialului

Adâncimea de penetrare este foarte sensibilă la poziţia punctului focal. În general

se preferă plasarea punctului focal în interiorul materialului de sudat, pentru a obţine cele

mai bune performanţe.

Din contră, cresterea distanţei focale are ca efect scăderea adâncimii de penetrare

deoarece diametrul spotului focal creşte iar în acelaşi timp şi densitatea de energie scade.

Fixând arbitrar o plajă de variaţii maxime ale diametrului de focalizare în care

putem considera că variaţiile diametrului fasciculului vor avea un efect moderat asupra

performanţelor sudării, putem aprecia că adâncimea câmpului este dată de relaţia

următoare :

2

2

2 M

dPf

⋅⋅=

λ (5)

unde :

- d: diametrul spotului focal în mm;

- M2 factorul de calitate al fasciculului ;

- λ: lungimea de undă în nm ;

- Pf : adâncimea câmpului în mm ;

În cazul în care precizia de poziţionare şi de prelucrare a pieselor de sudat este mică, este convenabil să se folosească o distanţă focală îndeajus de lungă pentru a compensa variaţile de nivel şi pentru a se putea garanta o penetrare constantă

78


Capitolul 4. Rezultatele cercetarilor experimentale privind procesele de sudare

4.1. Prezenatrea instalatiei utlizate

Fig. 1 Sistemul de monitorizare vizualizare pe monitor a procesului de prelucrare

Laserul de microsudare aflat in dotarea laboratorului special dedicat acestui scop este un sistem complet ce permite sudarea rapida, fiabila si precisa a tuturor materialelor metalice si a aliajelor metalice uzuale.

Pentru aceasta, piesele ce urmeaza a fi asamblate si pentru a asigura o pozitie exacta, instalatia am echipat-o cu un stereomicroscop dotat cu un reticul. Acest reticul indica pe piese impactul precis al viitorului impuls laser punctul de focalizare al fasciculului laser.Calitatea punctului de sudare este influentata de tensiunea de sudare (V) si de timpul de actiune al impulsului (ms).Tensiunea si durata impulsurilor sunt reglabile.O buna calitate a punctelor de sudura nu poate fi obtinuta decat daca utilizam un gaz protector. Pentru aceasta , instalatia este echipata cu un racord la un gaz protector.Fumul degajat de microdudura fasciculului laser cu materialele metalice din camera de lucru este aspirat de o instalatie de aspirare.

Fiecare impuls laser (in modul manual ) este declansat de un intrerupator cu pedala ce este prevazut cu doua pozitii de comutare.Prima pozitie activeaza aspiratia si accesul gazului protector in timp ce a doua pozitie (pedala in totalitate apasata) declanseaza conform parametrilor prereglati un impuls laser discret sau o rafala de impulsuri laser atat timp cat pedala este apasata.

79


Generarea fasciculului laser are loc intr-o cavitate laser elipsoida (1) in care sunt pozitionate un cristal cilindric granatul de ytriu – aluminiu dopat cu neodim (YAG:Nd) (5) , si ca sursa pentru pompajul optic se utilizeaza o lampa flash liniara (2).

Fig 2 Schema de principiu a unui generator laser

Pentru a realiza o eficienta sporita a pompajului si implict a emisiei laser, lampa de pompaj si bastonul de mediu activ se monteaza cuplat intr-o cavitate de pompaj, care formeaza un sistem optic inchis ce concentreaza energia luminoasa emisa de lampa pe bastonul de mediu activ laser.Cavitatea de pompaj trebuie sa realizeze, pe langa o buna cuplare intre lampa- bastonul laser si o distributie uniforma a energiei de pompaj in mediu activ, aceasta cerinta influentand mult uniformitatea, divergenta, distorsiunea optica si nivelul de energie al radiatiilor laser rezultate.Constructia cavitatii trebuie sa asigure in acelasi timp, o buna racire pentru bastonul laser si lampa de pompaj, intrucat conditiile de racire influenteaza procesul emisiei, afectand frecventa si puterea impulsurilor laser.

Caracetristicile fasciculului laser (divergenta, distributia spatiala,, modul de oscilatie) depind in mare masura de elementele optice care formeaza cavitatea de rezonanta laser (oglinda semitransparenta 4 si oglinda total reflectanta (3).

Proprietatile unui impuls laser de sudare si efectele sale asupra materialului sunt influentate de urmatorii parametriParametri folositi la sudarea cu laser sunt:

• Tensiunea – ( V ), de la 190 la 400;• Durata unui impuls (ms) de la 0,5 la 50;• Frecventa de impuls : 1 la 20 (Hz)• Focalizarea de la 0 la 42• Forma impulsului

80


In figura este reprezentat principiul de functionare a instalatiei laser cu diferitele elemente componente

Fig 3 Principiul de functionare al instalatiei laser

Conceptia modulara a laserului de microsudare , permite un acces rapid asupra unitatilor functionale.Modulele sunt montate pe o tabla de lucru mobila. In paragrafele urmatoare sunt descrise diferitele module functionale.

Caracteristici tehnice:

I. Dimensiuni:L x H x l = 580 x 1250 x 960 mmGreutate : 130 KgAlimentare electrica : 230 V/ 50 Hz 16 A monofaza

II. Caracteristicile laserului:Cristal laser YAG:Nd;Lungime de unda : 1,06 μm;Energia maxima a unui impuls : 30...110 J;Puterea nominala : 35...60 W;Puterea maxima a unui impuls: 4,5...10,6 kW;Frecventa de impuls 1...20 Hz;Durata unui impuls (ms) de la 0,5 la 50;

81


Clasa laserului : 4III. Nivelul zgomotului:

Nivelul zgomotului emis de aparat este inferior 60 dB.IV. Comanda :

Comanda prin intermediul unui microprocesor cu posibilitatea de programare externa printr-o interfata RS 232.

V. Circuite de control:Apa de racire (temperatura, nivel si debit)Obturator al razei laserObturator pentru protectia ochilor in stereomicroscopTensiunea blocului de alimentareSaturatia filtrului

VI. Blocul de alimentare:Convertor sinusoidal, cu separatie galvanica a retelei 1500 W, 190,,, 400 V, optiune 350 V sau 450 V.Comutarea curentului lampii : max. 600 A

VII. Racire :Schimbator de caldura intern apa – aerFiltru cu particule si filtru de deionizare in circuitul intern al apei de racireTemperatura maxima a apei de racire 550 CTemperatura maxima a ambientului 300 C.

VIII. Instalatia de aspirare si filtrare :Debit maxim 120 m3/hCartus pentru filtru cu particule in suspensie Clasa S/H13, rata de separare 99,997%

IX. Gaz protectorPresiunea maxima de serviciu 8 bar (recomandata 1 bar)

Postul de lucru se compune din urmatoarele elemente: Camera de lucru (4), fig. 4, la care operatorul poate sa acceada prin deschizaturile

prevazute pentru trecerea mainilor (5).

82


Fig. 4. Elementele componente ale postului de lucru STARWELD PERFORMANCE

O fereastra de observare (3), care permite observarea interiorului camerei de lucru luminata in asa fel incat sa se poata pozitiona grosier obiectele.Fereastra de observatie se compune dintr-un geam filtrant special care absoarbe razele laser precum si componenta UV a luminii plasmei;

Stereomicroscopul (2), plasat deasupra postului de lucru care serveste la pozitionarea precisa a obiectelor;Stereomicroscopul (2) este alcatuit dintr-o oglinda cu putere mare de reflectie (3),

figura 4, care reflecta fasciculul laser in traiectoria fasciculului stereomicroscopului, un obiectiv laser special (4) care focalizeaza fasciculul laser pe obiect in planul imaginii stereomicroscopului (6).Acest obiectiv laser constituie in acelasi timp obiectivul stereomicroscopului; un geam de protectie (5), contra proiectiilor de metal ce protejeaza obiectivul laserului; un filtru protector pentru ochi (1), ce nu lasa sa treaca raza laser la ochii observatorului; un obturator de observatie care impiedica componenta UV a luminii

83


plasmei, susceptibila de a fi produsa in timpul sudarii sa atinga lentilele stereomicroscopului si in consecinta ochii operatorului.

1

2

3

4

5

6

295 V 1.1 ms

F5.0 M07Ø2

Fig. 5. Sistemul optic al postului de lucru (a),afisarea parametrilor de lucru (b)

Stereomicroscopul permite pe langa vizualizarea si pozitionarea precisa prin intermediul reticulului a fasciculului laser pe suprafete pieselor ce urmeaza a fi sudate si afisarea parametrilor de lucru (tensiune (V) si durata impulsului (ms) pima linie, precum si frecventa (F) respectiv focalizarea) in campul de lucru.

Fig.6 Traseul optic al laserului

84


1 – zona de afisaj vizual 5 – ferestre ce permite accesul mainilor in camera de lucru 6 – cartusul filtrului pentru aspiratie 7 – sistem de bloca 9 – intrerupator cu pedala pentru declansarea impulsurilor laser si acomenzii

gazului protector 10 – filtru de apa 11 – intrerupator principal 12 – acces la filtrul de aspiratie 13 – capac ce permite accesul in camera de lucru 14 – tastatura 15- capac protectie laser

Impulsul laser de inalta energie

Toate componentele unui laser de inalta energie sunt montate pe o sina optica.Unitatea de excitare (1) cuprinde o lampa flash si un cristal laser.Partea de

alimentare este montata pe aceata unitate.Oglinda reflectorizanta (2) formeaza impreuna cu oglinda de iesire (5) rezonatorul laser.Pe laserele de tip sweet-spot , oglinda de iesire este realizata direct sub forma unui strat special prin metalizarea in vid a suprafetei de la extremitatea barei laser.In aceste cazuri, oglinda semi-transparenta (5) este suprimata.Totusi, laserele de acet tip necesita un al doilea obturator de siguranta, montat intre bara laser si oglinda retroreflectorizanta (2).Oglinda retroreflectorizanta reflecta integralitatea razelor, in timp ce oglinda de iesire capteaza o parte a razelor laser ca raze utile.

Fig. 7. Generatorul laser, fig.a – elemente componente

85


Cand este inchis, obturatorul laser (4) impiedica producerea razei laser.De exemplu este inchis in timpul deschiderii capacului de sigiranta.O optica de largire a fascicolului (6) condusa de un motor pas cu pas, permite reglarea diametrului fasciculului laser.Se poate astfel influenta diametrul sarcinii (si astfel densitatea de energie a fasciculului laser).O oglinda cu putere mare de reflectie permite reflectarea fasciculului laser in axul optic al stereomicroscopului si, gratie obiectivului laser, permite focalizarea in planul reprezentarii stereomicroscopului.

Fig. 7. Generatorul laser, fig.b – vedere generala

Comada prin microprocesor raspunde de integralitatea functiilor de comanda, de supraveghere si de siguranta, respectiv:

• Comanda blocului de alimentare a lampii flash pentru producerea impulsului laser;

• Controlul tuturor elementelor de comanda si de afisaj;• Comanda elementelor de siguranta (obturator de observatie pe traiectoria

fasciculului de observatie si obturator de siguranta);• Supravegherea circuitelor de siguranta (circuite de declansare)

Circuitele de siguranta permit supravegherea tuturor functiilor necesare bunei functionari:

• Debitul apei de racire;• Temperatura apei de racire;• Nivelul apei de racire in rezervorul de stocare;• Deschiderea obturatorului de siguranta;• Inchiderea obturatorului laser de siguranta;• Inchiderea camerei de lucru;• Detector infrarosu pentru analiza bratului;Daca se produce o defectiune la una sau mai multe functii, blocul de alimentare al

lampii flash este scos din tensiune si producerea fasciculului laser este impiedicata.Blocul de alimentare al lampii flash nu poate fi repus sub tensiune decat atunci cand defectiunea a fost eliminata si tabloul de comada a fost actionat.Dupa punerea sub tensiune, comanda prin microprocesor efectueaza o serie de teste.In afara componentelor electronice, ea

86


controleaza blocul de alimentare a laserului si verifica de asemenea buna functionare a obturatorului de observatie.Atunci cand este descoperita o eroare, un mesaj corespunzator este afisat.

Blocul de alimentare a lampii flash

Blocul de alimentare a lampii flash contine urmatoarele componente:• Incarcator de condensatoare;• Intrerupator al curentului lampii;• Descarcare fortata;• Selector de frecventa;

In blocul de alimentare al lampii flash, tensiunea alternativa de intrare (230 V), este redresata si adusa la un redresor comandat in frecventa sub forma unei tensiuni continue.Conform frecventei de comanda, este posibila prelevarea din partea secundara a unui circuit de transformator L- C acordat, o tensiune continua regulata cuprinsa intre 190 si 400 V care serveste la incarcarea bacului de condensatoare.Dupa punerea sub tensiune a blocului de alimentare a lampii flash, aceasta este aprinsa prin intermediul unei bobine a unitatii de excitatie a laserului.Un curent slab permanent (curent Simmer) traverseaza apoi lampa flash.

Fig. 8. Pozitionarea lampii de descarcare flash (1)

Flash-ul propiu zis care produce impulsul laser se obtine gratie unei descarcari partiale a condensatorilor.Pentru acesta, un comutator cu tranzistor (declansat prin impingerea completa a intrerupatorului din pedala) leaga bancul de condensatoare incarcat cu lampa flash laser.Durata de atractie este determinata de valoarea reglata pentru durata impulsului (cuprinsa intre 0,5 si 50 ms).In acet timp, o parte slaba de eenrgie pastrata in bancul de condensatoare este descarcata in lampa flash, ceea ce scade

87


tensiunea bancului de condensatoare.La finalul impulsului laser, tensiunea bancului de condensatoare este automat reincarcat la consemnul tensiunii predefinite (timp sde recuperare).Durata acestui timp de recuperare este in functie de valorile reglate pentru tensiunea (inaltimea impulsului) si durata impulsului si forma impulsului si oscileaza intre 0,1 si 3 secunde.Dupa scoaterea de sub tensiune a blocului de alimentare, bancul de condensatoare sufera o descarcare fortata gratie unor rezistente de mare putere.

Schimbatorul de caldura

Fiecare flash presupune o degajare de caldura in lampa, care este eliminata de unitatea de excitatie de catre apa deionizata.Pentru aceasta, o pompa aspira apa purificata si deionizata dintr-un rezervor de stocare (1) printr-o combinatie de filtru cu particule si un filtru de deionizare (filtru mixt cu apa) si o lasa sa treaca de-a lungul lampii in unitatea de excitatie.Apa absoarbe caldura emisa si o arunca apoi in atmosfera prin intermediul unui schimbator de caldura apa- aer.Evident, apa este racita in schimbatorul de caldura.

Fig. 9. Schimbatorul de caldura

Doua ventilatoare (2) comandate de temperatura contribuie la efectul de racire.Un controlor de debit, un controlor de nivel si un intrerupator de crestere a temperaturii controleaza circuitul apei de racire si scot din circuit blocul de alimentare al lampii laser, in caz de defectiune.

Gaz protector / Aer de suflare

Instalatia este dotata cu prize destinate gazului protector (argon) si aerului comprimat (de racire).In camera de lucru sunt dispuse doua tevi mobile (1) , ce pot fi aduse in orice pozitie in apropierea obiectului, fig. 10,

88


Fig. 10. Prize destinate gazului protector

Instalatia de aspirare

In spatele camerei de lucru se gaseste o deschidere de aspirare care aspira fumul de sudura degajat.Un grlaj metalic din fire fine retine practic toate particulele produse de sudura.Instalatia de aspirare si filtrare, fig. 11, conceputa special, aspira fumul de sudura prin tevi de racordare.Un filtru pentru materii in suspensie din clasa filtrelor EU 13 separa chiar si particulele cele mai fine.Pentru a reduce zgomotul si uzura, instalatia de filtrare nu e pusa in functiune decat in timpul procesului de sudura, de catre al doilea nivel de comutare a intrerupatorului cu pedala.

Fig. 11. Filtru de aspirare si filtrare

89


4.2. Elemente de afisaj si comanda

Instalatia de microsudare, este echipata cu un ecran de afisare cu 8 linii , fig. 12, adaptat graficelor, permitand reprezentarea graficelor simple care pot fi utilizate pentru tratamentul formelor de impuls laser si pentru reprezentarea analizelor statistice.

Fig. 12. Zona de afisaj vizual

V – tensiunea actuala a bancului de condensatoare (190...400 V)ms –durata reglata a impulsului laser (0,5...50 milisecunde)Hz – frecventa de pulsatie aleasa (mod de pulsatie discreta 0.0; mod de pulsatie

continua 1... 20 Hz)Acest simbol se afiseaza sub unitatea Hz cand parametrii reglati pentru tensiunea

bancului de condensatoare, durata impulsului laser si frecventa pulsatiei au atins energia maxima a blocului de alimentare.Reglarea focalizarii (0...42)Reprezentarea frafica a formei impulsurilor de descarcareM1......M90 – locuri de memorie sub forma de parametrii de sudura predefiniti

Tttt

90


Tastatura

taste deplasare stanga, dreapta, sus, jos

Modificare parametrii si variabile

Fig. 13. Vedere generala tastatura

Comanda numerica a instalatie laser pentru microsudare

Caracteristici tehnice ale axelorLungime axe : 80 x 80 x 140 Viteza maxima : 10 mm/sFidelitatea : < 20 µResolutia : 2.5 µIncarcarea maxima : 20 KgCotele maxime ale pieselor ce urmeaza a fi sudate : 400 x 200 x 100 mmLogica de comada NCCAD 6Fisier importat : 3D CAD (2D DXF, HPGL, 3D STL)Programarea directa cod NC ISO 66025Interfata seriala : RS 232Resurse Hardware: Pentrium 800 MHz/ 32 MB (minim)Resurse Software : Windows 98/ NT/2000/XP

91


Programul de lucru nccad6 permite deschiderea unui fisier nou pentru desenarea unui desen sau schimbarea unui fisier deja existent.In meniul CNC avem un editor de texte pentru creare, editare si lansare de programe CNC.Pentru Crearea unui nou desen se clicheaza pe iconul Fichier CAD/CAM – Nouveau dessin, fig. 14

Fig. 14. Crearea unui nou desen

Daca se doreste lucrul in CNC sau CAD/CAM (DAO/FAO) si dorim desenarea unui nou desen avem posibilitatea activarii meniului ce permite accesul functiilor de prelucrare CAM, grupul Edit ce permite modificarea , corectarea unui desen, grupul CAD standard ce permite constructia desenului la nivelul axelor X-Y si grupul 3D ce permite constructia in relief, fig. 15.

92


Fig. 15.Meniurile si submeniurile CNC Nouveau programme

Comanda CNC , manuala a laserului se poate face de la tastatura sau prin intermediul softului prin functiile afisate in menu.Aceasta comanda permite deplasarea pe cele trei axe X, Y, Z, activand meniul Machine / Machine CNC, fig. 16, aparand fereastra de dialog ce permite comanda manuala , fig. 17.

Fig. 16. Activarea meniului CNC manual

93


Selectarea originii piesei pe masa masinii in modul automat

Incarcare program

Pozitioneaza in punctul de 0 al masinii

Pozitie de degajare facila , permitand deplasarea

Afisarea coordonatelor piesa , respectiv a originii

Fig. 17 . Fereastra de comanda manuala

Aceasta fereastra de dialog utilizeaza o mare parte din resursele calculatorului, toate functiile sunt trecute sugestiv pe ecran, zonele active avand urmatoarele semnificatii prin activarea tastelor :

- stanga deplasare –X- dreapta deplasare + X- sus deplasare + Y- jos deplasare – Y - Pg Up deplasare + Z- Pg Dn deplasare -Z

NCCAD creeaza, editeaza si utilizeaza programe de comanda numerica corespunzator normelor ISO 66025.Programele NC sunt scrise si editate de un editor de text, permitand simularea grafica (Menu Simulation) apoi transferul la masina pentru prelucrare (Menu Machine).In principiu functiile de codificare sunt functiile G (ce permit

94


deplasarea) si functiile M (functii de masina).Pe langa functiile principale avem si functii complementare separate de un spatiu, exemplu G00 X123.45 Y167.89 Z1.22 F100M10 O1.1Modul CNC permite transferul in zona de lucru a modelului CAD functie de coordonate.

I. Mod de lucru in cazul cand se traseaza un contur pe suprafata piesei ce urmeaza a fi sudata

1. deschidem un nou program CNC – Fisier/CNC Nouveau programme2. lansam comanda manuelle din meniul Machine/Machine CNC, deschizandu-se

fereastra de lucru Commande manuelle, fig.18

Fig. 18 Fereastra de lucru

3. fixam origine piesa4. deplasam masa pe care este fixata piesa ce urmeaza a fi sudata in prima pozitie

respectiv in primul punct din conturul piesei, cu ajutorul comenzilor manuale pe axele X, respectiv Y, pana cand punctul este fixat de reticul si apasam tasta INSERT, aparand in zona text o linie de comanda CNC de exemplu G01 X....Y....Z.... cu coordonatele respective

5. ne deplasam la urmatorul punct de pe conturul piesei6. dupa parcurgerea intregului contur apasam tasta CNC Machine – Stop,in fereastra

din stanga editandu-se liniile de program ce pot fi completate de xemplu cu viteza de avans (F), fig. 19

II. In cazul cand dorim sa incarcam un program deja existent avem optiunea CNC – Charger Program (Exemplu omulet, ale carui linii de program sunt - descrise in Anexa ), fig. 19.

In acest caz se efectueaza urmatoarele operatii:

95


1. se activeaza punctul de zero al masinii2. se aduce piesa in planul focal3. se valideaza Machine CNC FIN4. se deschide fereastra CAD/CAM Charger Program – Open5. Se deschide programul de comanda

Fig. 19. Exemplu de sudura executata dupa un program existent

III. Mod de lucru CAD/CAM

Se lanseaza Fichier CAD/CAM –Nouveau dessin pentru a face un nou desen, deschizandu-se o zona de desenare care corespunde dimensiunilor mesei Y, stanga – dreapta si axa X, a masinii CNC.Unitatea de masura este data de pasul gridului de 1 cm, la baza fiind afisate coordonatele X, respectiv Y.

Se selecteaza o figura Rectangle din grupul CAD standard si se construieste un dreptunghi, fig. 20.

Fig. 20. Deschiderea mediului de lucru CAD/CAM- nou desen

96


Fig. 21. Iconul CAD standard

Pentru efectuarea uzinajului desenului CAD, se actioneaza asupra iconului Technologie din grupul CAM .Plasam reticulul pe un punct al dreptunghiului si il marcam printr-un click.In fereastra Technologie se valideaza valorile prin OK, fig. 20.

97


Fig.22. Validarea valorilor prin butonul OK

Se deschide meniul Machine/Machine CNC, iar in fereastra Comande manualle, activam butonul Degagement fin d’usinage, fig. 23, se fixeaza originea piesa, clicam pe butonul Lancement du programe.

98


Fig. 23 Activarea butonului Degagement Fin d’usinage

4.2 Necesitatea pozitionarii precise a pieseleor ce vor fi sudate cu laser

Pentru o mai buna pozitionare a pieselor pe masa masinii si o focalizare optima, instalatia de microsudare cu laser a fost dotata cu o masa de pozitionare ce permite deplasarea in planul focal , pe axa - Z, respectiv + Z, , cat si cu o masa de pozitionare micrometrica pe cele trei directii X, Y , respectiv Z, fig. 24.

99


Fig. 24. Sistemele de pozitionare a pieselor pe masa masinii, a – in planul focal, ; b – axele X, Y, Z cu precizie micrometrica

100


Anexa

Program sudare omuletG00 Z-95 Y35 X35M05 ; POZITIA ZEROG91 ; MOD RELATIVM10 O2.1 ;PORNIRE GAZM30 P18 ;PauseM10 O3.1 ;PORNIRE LASERG02 X0 Y0 I2 J2 F15 ;CAPM10 O3.0 ;OPRIRE LASERM10 O2.0 ;OPRIRE GAZM05 ;G90 ;MODUL ABSOLUTG00 X35.24 Y33.02M10 O2.1 ;PORNIRE GAZM30 P18 ;PauseM10 O3.1 ;PORNIRE LASERM30 P25 ;PauseM10 O3.0 ;OPRIRE LASERM10 O2.0 ; OPRIRE GAZG00 Y26.10M10 O2.1 ; PORNIRE GAZM30 P18 ;PauseM10 O3.1 ; PORNIRE LASERM30 P25 ;PauseM10 O3.0 ; OPRIRE LASERM10 O2.0 ;OPRIRE GAZG00 X39.21M10 O2.1 ;PORNIRE GAZM30 P18 ;PauseM10 O3.1 ; PORNIRE LASERM30 P25 ;PauseM10 O3.0 ;OPRIRE LASERM10 O2.0 ;OPRIRE GAZG00 Y33.04M10 O2.1 ;PORNIRE GAZM30 P18 ;PauseM10 O3.1 ; PORNIRE LASERM30 P25 ;PauseM10 O3.0 ;OPRIRE LASERM10 O2.0 ;OPRIRE GAZM05 ;PARAMETRII LASERG00 X37.17 Y34.1G91 ;MODUL RELATIVM10 O2.1 ;PORNIRE GAZM30 P18 ;PauseM10 O3.1 ; PORNIRE LASERG01 Y-5 F15 ;CORPG01 Y-3 X2 ;MANA DREAPTAM10 O3.0 ;OPRIRE LASERM10 O2.0 ;OPRIRE GAZG00 Y3 X-2 ;NOUA POZITIEM10 O2.1 ;PORNIRE GAZM30 P18 ;Pause

M10 O3.1 ;PORNIRE LASERG01 Y-3 X-2 F15 ;MANA STANGAM10 O3.0 ;OPRIRE LASERM10 O2.0 ;OPRIRE GAZG00 Y5 X2 ;NOUA POZITIEM10 O2.1 ;PORNIRE GAZM30 P18 ;PauseM10 O3.1 ;PORNIRE LASERG01 Y2 X2 F15 ;PICIOR STANGAM10 O3.0 ;OPRIRE LASERM10 O2.0 ;OPRIRE GAZG00 Y-2 X-2 ;NOUA POZITIEM10 O2.1 ;PORNIRE GAZM30 P18 ;PauseM10 O3.1 ;PORNIRE LASERG01 Y2 X-2 F15 ;PICIOR DREPTM10 O3.0 ;OPRIRE LASERM10 O2.0 ;OPRIRE GAZG00 Y3 X1 ;NOUA POZITIEM05 ;M10 O2.1 ;PORNIRE GAZM30 P18 ;PauseM10 O3.1 ;PORNIRE LASERG03 X2 Y0 I1 J0 F15 ;GURAM10 O3.0 ;OPRIRE LASERM10 O2.0 ;OPRIRE GAZG00 Y2 ;NOUA POZITIEM10 O2.1 ;PORNIRE GAZM30 P18 ;PauseM10 O3.1 ;PORNIRE LASERG02 X0 Y0 I0.2 J0.2 F15 ;OCHI STANGM10 O3.0 ;OPRIRE LASERM10 O2.0 ;OPRIRE GAZG00 X-2.4 ;neue PositionM10 O2.1 ;PORNIRE GAZM30 P25 ;PauseM10 O3.1 ;PORNIRE LASERG02 X0 Y0 I0.2 J0.2 F15 ;OCHI DREPTM10 O3.0 ;OPRIRE LASERM10 O2.0 ;OPRIRE GAZG90 ;MODUL ABSOLUT

101


4.3. Rezultate ale încercărilor privind sudarea cu laser

Pentru realizarea practică a unei suduri de calitate, pe lângă toate condiţiile ce

trebuie respectate (densităţi de putere potrivite, asistenţă gazoasă, distanţă focală, etc.)

poziţionarea pieselor în raport cu spotul focal trebuie făcută foarte precis deoarece se ştie

că sudarea laser este un procedeu ce nu necesită metal de aport.

Această precizie cere pregătirea pieselor cu atenţie şi toleranţe de poziţionare

destul de severe în raport cu procedeele de sudare convenţionale. Erorile de poziţionare

de alungul axei de deplasare a spotului nu trebuie să fie superioare razei spotului focal.

Astfel o toleranţă de 0.1mm este de reţinut. În cazul grosimilor mici această toleranţă

trebuie redusă şi mai mult.

În continuare vom prezenta punerea în practică a celor mai importante tipuri de

sudură:

- sudare cap la cap;

- sudare în unghi;

- sudare prin suprapunere;

Pentru a realiza aceste sudări, am determinat mai întâi, prin încercări, parametrii

funcţionali ai procesului ce au condus la realizarea corectă a unui cordon.

Ca material s-a utilizat o tablă de inox (inox 301L), de grosime 0.5 mm.

Sudare cap la cap

Figura 3.2.1 Schemă sudare cap la cap (secţiune transversală)

Pentru acest tip de sudură am constatat că cordonul de sudură realizat are o formă

regulată, fără defecte şi fără proiecţii de material topit în vecinătate.

Am utilizat următorii parametri funcţionali :

214V – tensiunea actuala a bancului de condensatoare

102


2.2 ms – durata reglata a impulsului laser

15 Hz – frecvenţa de pulsaţie aleasă

Reglarea focalizării

Ø 15

Figura 3.2.2 Sudare cap la cap: dreapta – vedere jos, stânga – vedere sus

Figura 3.2.3 Defect de poziţionare la sudarea cap la cap (aliniament)

În figura de mai sus se poate observa un cordon de sudură realizat incorect

datorită poziţionării necorespunzătoare a celor două piese în raport cu axa fasciculului. În

figura din dreapta cordonul nu a pătruns cele două piese, deci nu este omogen repartizat

pe toată grosimea materialului.

Astfel de cordoane prezintă o rezistenţă slabă la solicitare. Jocul maxim admisibil

în cazul acestui tip de procedeu este: eJ ⋅≤ 05,0max , unde e este grosimea materialului.

Figura 3.2.4 Schematizarea defectului de poziţionare

103


Sudarea prin suprapunere

În cazul acestui procedeu am recurs la determinarea altor parametrii de lucru

întrucât volumul de material ce trebuie topit este mai mare datorită modului de

poziţionare al celor două piese.

Figura 3.2.5 Schemă sudare prin suprapunere (secţiune transversală)

Pentru realizarea acestui tip de sudură am utilizat următorii parametri de lucru

pentru tabla inox cu grosimea de 0.5 mm:

210V– tensiunea actuala a bancului de condensatoare

2 ms–durata reglata a impulsului laser

10Hz– frecvenţa de pulsaţie aleasă


Ø 15

Figura 3.2.6 Sudare prin suprapunere: dreapta – vedere jos, stânga – vedere sus (10mm)

104


Se poate observa în figură diferenţa între un cordon realizat cu parametrii folosiţi

la sudarea cap la cap (cordonul din centru vedere de sus) şi un cordon realizat cu noii

parametri determinaţi. În figura din dreapta putem vedea cordoanele care au străpuns

amândouă piesele fiind şi cele corect realizate. Pentru acest procedeu jocul maxim admis

între cele două piese este : eJ ⋅≤ 2,0 , unde e este grosimea materialului.

Am utilizat următorii parametri funcţionali (3-3) :

I

210 V– tensiunea actuala a bancului de condensatoare


10 Hz– frecvenţa de pulsaţie aleasă


Ø 8

II



10 Hz– frecventa de pulsaţie aleasă


Ø 15

Figura 3.2.7 Sudarea prin suprapunere a doua table inox cu grosimea de 0.2 mm

105


Am utilizat următorii parametri funcţionali :

210V– tensiunea actuala a bancului de condensatoare

2.5 ms–durata reglata a impulsului laser

12 Hz– frecvenţa de pulsaţie aleasă


Ø 8

Figura 3.2.8 Sudarea prin suprapunere a doua sârme inox

Sudarea în unghi

Figura 3.2.9 Schemă sudare în unghi (secţiune transversală)

În urma realizării practice a acestui tip de sudură s-au obţinut următoarele probe,

utilizându-se tabla inox cu grosimea de 0.5 mm.

106




15 Hz– frecventa de pulsaţie aleasa


Ø 15

Figura 3.2.10 Sudare în unghi (11.5mm)

4.4. Aplicaţii ale experimentărilor realizate în diferite domenii

Ultimii 20 de ani au fost foarte fertili în evenimente tehnice în domeniul

prelucrărilor laser. Caracteristicile şi puterile surselor laser sunt din ce în ce mai

importante, iar gradul de automatizare al instalaţiilor a făcut astfel posibilă utilizarea

acestora într-o gama largă de domenii : industria automobilelor, industria aeronautică,

industria nucleară, medicină, industria alimentară şi nu numai.

Cererea de structuri mai fine şi mai precise, îndeosebi în domeniul medical şi

electronic, poate fi satisfăcută numai până la un anumit grad de metodele convenţionale.

Instalaţiile laser moderne cu mediu activ solid sau gazos în această privinţă pot prelucra

aproape toate metalele şi aliajele rapid şi precis.

Instalaţiile laser cu mediu activ solid sunt folosite în special pentru decupări fine

datorită calităţii fasciculului laser şi lungimii de undă mică. Fasciculul poate fi focalizat

107


pe un diametru foarte mic cu o precizie foarte mare. Aceasta permite dimensiuni ale

decupărilor de până la 10 µm cu o mărime foarte mică a zonelor afectate termic (în jur de

3µm) datorită modelării spotului şi timpului foarte scurt de contact cu materialul, acesta

fiind un lucru foarte important în anumite cazuri.

Ca regulă generală, contururile tăiate sunt curate, ne mai necesitând un alt proces

de îndepărtare a materialului topit şi rămas ataşat. Grosimea şi viteza de tăiere sunt

atractive, de exemplu un material cu grosimea de 1mm cu o dimensiune a tăieturii de

0.18 µm, poate fi decupat cu o viteza de 10 mm/s. În aceste cazuri se cere o calitate foarte

bună a fasciculului astfel ca produsul să fie de bună calitate. Flexibilitatea este o altă

caracteristică a fabricării cu laser datorită sistemelor CAD. Aceste avantaje, precum şi

multe altele sunt motivele pentru care metodele tradiţionale sunt din ce în ce mai puţin

folosite.

Sudarea este procesul de alipire a materialelor de aceeaşi natură sau de naturi

diferite fără adăugarea unui material liant. Contrar metodelor convenţionale de sudare,

folosirea instalaţiilor laser cu mediu activ solid, căldura este trimisă în interiorul piesei în

mod regulat. Cu toate că principiul discutat are o serie de avantaje, există şi unele

inconveniente de care trebuie ţinut cont în obţinerea unei bune calităţi. Printre cele mai

importante este pregătirea pieselor înaintea prelucrării. Acestea trebuie să fie curate şi

lipsite de impurităţi (vopsea, fibre de ţesătură, grăsimi, picături de apă, etc..). Energia de

sudare vaporizează aceste elemente generându-se astfel defecte de sudură (porozităţi,

fisurări, cratere). Anumite materiale precum aluminiul, cuprul, magneziul se oxidă foarte

repede la suprafaţă. Va trebui făcută deci o decapare înaintea sudării în scopul evitării

prezenţei oxidului în baia de metal topit. Muchiile decupate cu oxigen cu asistenţă

gazoasă, trebuie şi ele curăţate de oxizii rezultaţi în urma procesului, înainte de a fi

supuse sudării.

108


Capitolul 5. Perspective privind dezvoltarea in viitor a sudarii cu laser

Aprecierea posibilităţilor şi avantajelor sudurii cu laser nu trebuie

făcută la concurenţă cu procedeele clasice de sudare, acest procedeu

justificându-se a se aplica numai atunci când celelalte metode nu pot fi

folosite sau nu dau satisfacţie. Asamblarea prin sudare cu laser

se utilizează îndeosebi pentru piese de dimensiuni mici şi cu

configuraţie complexă, prezentând următoarele avantaje:

- se pot suda piesele din materiale greu sudabile cu puncte de fuziune foarte

diferite;

- se pot îmbina prin sudare şi materiale magnetice;

- rezistenţa cordonului de sudură cu laser este mult superioară

îmbinărilor realizate prin procedee clasice;

- se pot suda folii şi micro fire şi pe depuneri meta lice, realizate pe

materiale dielectrice;

- întrucât durata de execuţie a sudurii este foarte mică, zona

influenţată termic, adiacentă punctului de su dură, este minimă, acesta fiind un

avantaj deosebit la asamblarea componentelor electronice, şi realizarea

cone xiunilor din circuitele integrate, sudarea materialelor tra tate termic;

- se pot realiza şi suduri cu penetrare profundă, având un raport

adâncime de sudare/lăţime (diametru) de 10.. . 15 la 1;

- se pot executa suduri şi în incinte închise sau zone mai puţin

accesibile;

- cu laser se pot realiza viteze de sudare foarte mari, de maximum

120. . . 140 m/min ;

- se pot suda micro fire si folii metalice de grosimi re duse; în figura

3.1 se prezintă un dispozitiv pentru sudarea continuă cu viteză ridicată (până

la 140 m/min ) a foliilor metalice;

109


Bibliografie

1. O. Donţu, Tehnologii de prelucrare cu laserul, Editura Tehnică Bucureşti, 1986

2. Carmen Liliana Şchiopu, Paul Schiopu, Electrooptic Devices, Editura Printech

2005

3. Eugen Scarlat, Laseri cu vapori de cupru, Editura CONPHYS, 2000

4. Diaconescu Gh., Donţu O., Consideraţii privind microsudura cu laser pentru

piese de mecanică fină, Conferinţa Internaţională „Dezvoltarea industrială a

tehnologiilor neconvenţionale”, Bucureşti, noiembrie 1977

5. O. Donţu, ş.a., Sudarea cu laser a unor oţeluri inoxidabile utilizate la instalaţii de

proces din industria chimică, Revista de Chimie, vol. 56, nr. 3/2004

6. Donţu O., Besnea Daniel, Tatamentul termic cu laser aplicat cordoanelor de

sudură la oţeluri inoxidabile pentru îmbunătăţirea rezisţentei la coroziune, Revista

de Chimie, vol. 56, nr. 4, 2005

7. Donţu O., Perfecţionarea sistemelor cu laser pentru îmbunătăţirea performanţelor

tehnologiilor specifice mecanicii fine, Teza doctorat, 1985

8. Donţu O., Trimerizarea cu laser pentru componente electronice pasive, Volum

COMEFIN – 3 , Braşov 1991, vol II

9. Donţu O, ş.a., Influenta deformaţiilor termice ale mediului activ laser solid

asupra distribuţiei radiale a intensităţii fasciculului laser emis, Volum –

COMEFIN – 4, Bucureşti 1994, vol II

10. Ganatios S., Donţu O. Despina D., Influence of the thermal stress in the solid

active laser medium on the technological parameters of the laser beam, Academia

Română Romanian Journal of Technical Sciences, Tome 47, 2002

11. Hamatani H., Miyazaki Y., ş.a., Experimental study of laser welding with

applied electrical potential, Science and Technology of Welding and Joining Vol.

6

12. Ilie Ivanov, Laseri ionici cu gaze nobile – Editura MATRIX ROM, Bucureşti,

1998

13. Ion M. Popescu, Fizica şi ingineria laserilor, Editura Tehnică, Bucureşti, 2000

14. www.wikipedia.org

110

http://www.wikipedia.org/


15. www.welding-advisers.com

16. www.thefabricator.com

17. www.myfen.com.au

18. *** Manual de utilizare instalaţie de sudare ROFIN Model STARWELD 6000

111

http://www.myfen.com.au/

http://www.thefabricator.com/

http://www.welding-advisers.com/

Documents

Proiectarea unor procese tehnologice de sudare cu laser pentru realizarea unor sisteme mecatronice