Історія створення лазерів і аналіз впливу їх застосування при обробці матеріалів на розвиток певних галузей промисловості

The paper is devoted to the analysis of the history of the creation of the laser as one of the greatest technical inventions of the 20th century. This paper focuses on establishing a relation between the periodization of the stages of creation and implementation of certain types of lasers, with their influence on the invention of certain types of equipment and industrial technologies for processing the materials, the development of certain branches of the economy, and scientific-technological progress as a whole. In preparing the paper, the generally accepted methods, which are widely used in the preparation of historical research works, have been applied: the historical method – for the study and interpretation of the texts of primary sources and the search for other evidence used for research, as well as for the presentation of historical events associated with the development of laser technology; the historical-genetic method – for studying the genesis of specific historical phenomena and analyzing the causality of changes in the development of laser technology; the historical-critical method – for displaying cause-and-effect relationships, reconstructing events that influenced the development of laser technology; the method of historical periodization. The variety of different possible options for the use of lasers did not allow placing all the collected materials within the framework of one paper, and therefore, the authors have decided to dwell on the facts, which, in the opinion of the paper’s authors, are the most interesting, significant, poorly studied, and little known. The paper discusses the stages of: invention of the first laser; creation of the first commercial lasers; development of the first applications of lasers in industrial technologies for processing the materials. Special attention is paid to the “patent wars” that accompanied different stages of the creation of lasers. A comparative analysis of the market development for laser technology from the stage of creation to the present has been carried out. It has been shown that the modern market for laser technology continues to develop actively, as evidenced by the continued stable growth of laser sales over the past 10 years. This indicates that the demand for laser technology is inextricably linked with the development of high technology production and scientific-technological progress. The analysis has shown that recently, the trends in the use of laser technology have changed; in particular, their industrial and medical applications are decreasing, while there is an increase in their use in the fields of sensor production and communication.Статья посвящена анализу истории создания лазера, как одного из величайших технических изобретений 20 века. Настоящая статья посвящена установлению связи между периодизацией этапов создания и внедрения отдельных видов лазеров, с их влиянием на изобретение отдельных видов техники и промышленных технологий обработки материалов, развитием определенных отраслей экономики и научно-технического прогресса в целом. При подготовке статьи применялись общепринятые методы, широко используемые при подготовке исторических исследовательских работ: исторический метод, - для изучения и интерпретации текстов первоисточников и поиска иных доказательств, используемых для исследования, а также изложения исторических событий связанных с развитием лазерной техники; историко-генетический метод, - для изучения генезиса конкретных исторических явлений и анализ причинности изменений в развитии лазерной техники; историко-критический метод, для отображения причинно-следственных связей, воссоздания событий повлиявших на развитие лазерной техники; метод исторической периодизации. Многообразие различных возможных вариантов применения лазеров не позволило разместить все собранные материалы в рамках одной статьи и поэтому авторы решили остановиться на фактах, которые по их мнению являются наиболее интересными, значимыми, слабоизученными и малоизвестными. В статье рассмотрены этапы: изобретения первого лазера; создания первых коммерческих лазеров; разработки первых применений лазеров в промышленных технологиях обработки материалов. Отдельно уделено внимание «патентным войнам», которые сопровождали разные этапы создания лазеров. Проведен сравнительный анализ развития рынка лазерной техники от этапа создания до современности. Показано, что современный рынок лазерной техники продолжает активно развиваться, о чем говорит продолжающийся стабильный рост продаж лазеров за последние 10 лет. Это свидетельствует о том, что спрос на лазерную технику неразрывно связан с развитием наукоемкого производства и научно-техническим прогрессом. Проведенный анализ показал, что в последнее время изменились тенденции использования лазерной техники, в частности происходит сокращение их промышленного и медицинского применения, при этом наблюдается рост их применения в областях производства сенсоров и коммуникации.Стаття присвячена аналізу історії створення лазера, як одного з найбільш значущих технічних винаходів 20 століття. Ця стаття присвячена встановленню зв'язку між періодизацією етапів винаходу та впровадження окремих видів лазерів, з їх впливом на створення окремих видів техніки і промислових технологій обробки матеріалів, розвитком певних галузей економіки та науково-технічного прогресу в цілому. При підготовці статті використовувалися загальноприйняті методи, які широко використовуються при підготовці історичних дослідницьких робіт: історичний метод, – для вивчення та інтерпретації текстів першоджерел і пошуку інших доказів, які використовуються для дослідження, а також викладу історичних подій пов'язаних з розвитком лазерної техніки; історико-генетичний метод, – для вивчення генезису конкретних історичних явищ і аналізу причинності змін у розвитку лазерної техніки; історико-критичний метод, для відображення причинно-наслідкових зв’язків, відтворення подій, що вплинули на розвиток лазерної техніки; метод історичної періодизації. Різноманіття різних можливих варіантів застосування лазерів позбавило змоги розмістити всі зібрані матеріали в рамках однієї статті і тому автори вирішили зупинитися на фактах, які на їх думку є найбільш цікавими, значущими, слабовивченими і маловідомими. У статті розглянуті етапи: винаходу першого лазера; створення перших комерційних лазерів; розробки перших застосувань лазерів в промислових технологіях обробки матеріалів. Окремо приділено увагу «патентним війнам», які супроводжували різні етапи створення лазерів. Проведено порівняльний аналіз розвитку ринку лазерної техніки від етапу створення до сучасності. Показано, що сучасний ринок лазерної техніки продовжує активно розвиватися, про що говорить стабільне зростання продажів лазерів, що триває останні 10 років. Це свідчить про те, що попит на лазерну техніку нерозривно пов'язаний з розвитком наукоємного виробництва і науково-технічним прогресом. Проведений аналіз показав, що в останній час змінилися тенденції використання лазерної техніки, зокрема відбувається скорочення їх промислового і медичного застосування, при цьому спостерігається зростання їх застосування в областях виробництва сенсорів і комунікації

Лазерно-мікроплазмове зварювання алюмінієвих сплавів

The technological features and capabilities of the hybrid laser-microplasma welding process of aluminium alloys have been studied, as well as its comparison with the microplasma and laser welding has been carried out. The main properties of welded joints made by a hybrid method have been considered, characteristic defects in hybrid welding have been revealed and a method for their removal has been proposed. The prospects of practical application of laser-microplasma welding of thin-sheet aluminium alloys have been shown.Изучены технологические особенности и возможности гибридного лазерно-микроплазменного способа сварки алюминиевых сплавов, проведено его сравнение с микроплазменной и лазерной сваркой. Исследованы основные свойства сварных соединений, выполненных гибридным способом, выявлены характерные дефекты гибридной сварки и предложен способ их устранения. Показаны перспективы практического применения лазерно-микроплазменной сварки тонколистовых алюминиевых сплавов.Вивчено технологічні особливості та можливості гібридного лазерно-мікроплазмового способу зварювання алюмінієвих сплавів, проведено його порівняння з мікроплазмовим та лазерним зварюванням. Досліджено основні властивості зварних з’єднань, виконаних гібридним способом, виявлено характерні дефекти гібридного зварювання та запропоновано спосіб їх усунення. Показано перспективи практичного застосування лазерно-мікроплазмового зварювання тонколистових алюмінієвих сплавів

Прогнозування результатів гібридного лазерно-плазмового різання вуглецевої сталі

The prospects of hybrid laser-plasma cutting of metals have been justified, a design of an integrated plasmatron for hybrid cutting was proposed and the results of laser-plasma cutting of carbon sheet structural steels using such an integrated plasmatron were forecasted. It was shown that in order to minimize losses of laser radiation and obtain maximum penetration, it is advisable to assemble the integrated plasmatron according to a coaxial scheme with an axial arrangement of laser radiation and a minimum inclination of non-consumable electrodes (one or more), the distance from the working end of which to the axis of the laser beam should lie in the range of 2...3 mm. The diameter of the plasma-forming nozzle should lie within 2–5 mm and depth of focus under the surface of the cut sheet during hybrid cutting should be 1–2 mm. To simulate the processes of laser, plasma, and hybrid cutting, the SYSWELD software package was used which became possible due to taking into account the characteristic for cutting effect of removing sections of molten material in the cutting zone, performed by replacing the maximum overheating temperature during the calculation with the initial temperature (20 °C). The main parameters of the regimes of laser-plasma cutting were established which has made it possible to obtain minimum HAZ size with cut quality approaching that of the laser cut. At the same time, hybrid cutting requires an energy input of approximately half that of the air-plasma one. An increase in the speed of hybrid cutting by increasing the pressure and consumption of working gases makes it possible to compare energy input with the same indicator of gas laser cutting with more than a three-fold increase in the productivity of the processОбоснована перспективность гибридной лазерно-плазменной резки металлов, предложена конструкция интегрированного плазмотрона для гибридной резки, а также спрогнозированы результаты лазерно-плазменной резки листовых углеродистых конструкционных сталей с использованием такого интегрированного плазмотрона. Показано, что для минимизации потерь лазерного излучения и получения максимального проплавления интегрированный плазмотрон целесообразно компоновать по коаксиальной схеме с осевым расположением лазерного излучения и минимальным наклоном неплавящихся электродов (одного или более), расстояние от рабочего конца которых до оси лазерного пучка должно лежать в интервале 2…3 мм. Диаметр плазмообразующего сопла должен лежать в пределах 2–5 мм, а заглубление фокуса под поверхность разрезаемого листа при гибридной резке составлять 1–2 мм. Для моделирования процессов лазерной, плазменной и гибридной резки применяли программный комплекс SYSWELD, что стало возможным благодаря учету характерного для резки эффекта удаления участков расплавленного материала в зоне реза, выполняемого путем замены в ходе расчёта их максимальной температуры перегрева на исходную(20ºС). Установлены основные параметры режимов лазерно-плазменной резки, позволяющие получить минимальный размер ЗТВ при качестве реза, приближающемуся к лазерному. При этом для гибридной резки требуется энерговложение примерно вдвое меньшее, чем для воздушно-плазменной. Повышение скорости гибридной резки за счет увеличения давления и расхода рабочих газов, позволяет ее энерговложению сравнится с аналогичным показателем газолазерной резки при более чем трехкратном повышении производительности процессаОбґрунтовано перспективність гібридного лазерно-плазмового різання металів, запропоновано конструкцію інтегрованого плазмотрона для гібридної різання, а також спрогнозовано результати лазерно-плазмового різання листових вуглецевих конструкційних сталей з використанням такого інтегрованого плазмотрона. Показано, що для мінімізації втрат лазерного випромінювання і отримання максимального проплавлення інтегрований плазмотрон доцільно компонувати за коаксіальною схемою з осьовим розташуванням лазерного випромінювання і мінімальним нахилом неплавких електродів (одного або більше), відстань від робочого кінця яких до осі лазерного пучка повинна лежати в інтервалі 2...3 мм Діаметр плазмоутворюючого сопла повинен лежати в межах 2–5 мм, а заглиблення фокуса під поверхню листа, що розрізається, при гібридному різанні становити 1–2 мм. Для моделювання процесів лазерного, плазмового та гібридного різання застосовували програмний комплекс SYSWELD, що стало можливим завдяки врахуванню характерного для різання ефекту видалення ділянок розплавленого матеріалу в зоні різання, яке виконувалося шляхом заміни в ході їх розрахунку максимальної температури перегріву на початкову (20°С). Встановлені основні параметри режимів лазерно-плазмового різання, що дозволяють отримати мінімальний розмір ЗТВ при якості різу, яка наближається до лазерної. При цьому для гібридного різання потрібно енерговкладення приблизно вдвічі менше, ніж для повітряно-плазмового. Підвищення швидкості гібридного різання за рахунок збільшення тиску і витрати робочих газів дозволяє його енерговкладанню зрівнятися з аналогічним показником газолазерного різання при більш ніж трикратному підвищенню продуктивності процес

Аналіз сучасного стану адитивних зварювальних технологій для виготовлення об’ємних металевих виробів (огляд)

The current state of 3D technologies for manufacturing of volumetric metal products is analyzed. It is shown that the main advantages of additive welding technologies for obtaining three-dimensional metal structures of complex shape in comparison with SLM-technologies are:– increase of the process productivity by 1–2 orders with the same power consumption; 3–10 times reduction in the cost of equipment;– the possibility of increasing the overall dimensions of the created parts by a factor of 10 or more;– expansion of the range of used consumables (powders, wires, composite materials);– increase in the utilization factor of consumables by 20–50 %.The main drawbacks of additive welding technologies for the production of three-dimensional metal structures are quite large dimensions of the heat-affected zone and the build-up layer. This leads to the emergence of undesirable temperature gradients, the accumulation of residual stresses and, as a result, a decrease in performance. One of the methods for eliminating these drawbacks is to increase the thermal locality of the energy source. For example, the use of non-transferred arc plasma.The analysis of additive plasma-arc welding technologies and own research has shown that their advantages are:– high (5...50 kg/h and more) performance;– the possibility of obtaining sufficiently thin (1.5...5.0 mm) walls with a relatively small overheating;– about 5-fold saving of materials in combination with the increase in the quality (for example, strength and density) of the resulting metal parts, in comparison with the traditional methods of mechanical manufacture.Обобщен опыт применения сварочных дуговых технологий для изготовления крупногабаритных объемных деталей из различных типов сталей и сплавов. Показана возможность достижения при этом существенной экономии (до 5 раз) дорогостоящих сплавов. Обоснованы преимущества применения плазменно-дуговых технологий для 3D-печати. Описан образец промышленного 3D-принтера для выращивания металлических изделий размерами до 900×900×900 мм с применением порошковой микроплазменной и плазменной наплавкиУзагальнено досвід застосування зварювальних дугових технологій для виготовлення великогабаритних об’ємних деталей з різних типів сталей і сплавів. Показана можливість досягнення при цьому істотної економії (до 5 разів) дорогих сплавів. Обґрунтовано переваги застосування плазмово-дугових технологій для 3D-друку. Описано зразок промислового 3D-принтера для вирощування металевих виробів розмірами до 900×900×900 мм із застосуванням порошкового мікроплазмового та плазмового наплавленн

Прогнозування результатів гібридного лазерно-плазмового різання вуглецевої сталі

The prospects of hybrid laser-plasma cutting of metals have been justified, a design of an integrated plasmatron for hybrid cutting was proposed and the results of laser-plasma cutting of carbon sheet structural steels using such an integrated plasmatron were forecasted. It was shown that in order to minimize losses of laser radiation and obtain maximum penetration, it is advisable to assemble the integrated plasmatron according to a coaxial scheme with an axial arrangement of laser radiation and a minimum inclination of non-consumable electrodes (one or more), the distance from the working end of which to the axis of the laser beam should lie in the range of 2...3 mm. The diameter of the plasma-forming nozzle should lie within 2–5 mm and depth of focus under the surface of the cut sheet during hybrid cutting should be 1–2 mm. To simulate the processes of laser, plasma, and hybrid cutting, the SYSWELD software package was used which became possible due to taking into account the characteristic for cutting effect of removing sections of molten material in the cutting zone, performed by replacing the maximum overheating temperature during the calculation with the initial temperature (20 °C). The main parameters of the regimes of laser-plasma cutting were established which has made it possible to obtain minimum HAZ size with cut quality approaching that of the laser cut. At the same time, hybrid cutting requires an energy input of approximately half that of the air-plasma one. An increase in the speed of hybrid cutting by increasing the pressure and consumption of working gases makes it possible to compare energy input with the same indicator of gas laser cutting with more than a three-fold increase in the productivity of the processОбоснована перспективность гибридной лазерно-плазменной резки металлов, предложена конструкция интегрированного плазмотрона для гибридной резки, а также спрогнозированы результаты лазерно-плазменной резки листовых углеродистых конструкционных сталей с использованием такого интегрированного плазмотрона. Показано, что для минимизации потерь лазерного излучения и получения максимального проплавления интегрированный плазмотрон целесообразно компоновать по коаксиальной схеме с осевым расположением лазерного излучения и минимальным наклоном неплавящихся электродов (одного или более), расстояние от рабочего конца которых до оси лазерного пучка должно лежать в интервале 2…3 мм. Диаметр плазмообразующего сопла должен лежать в пределах 2–5 мм, а заглубление фокуса под поверхность разрезаемого листа при гибридной резке составлять 1–2 мм. Для моделирования процессов лазерной, плазменной и гибридной резки применяли программный комплекс SYSWELD, что стало возможным благодаря учету характерного для резки эффекта удаления участков расплавленного материала в зоне реза, выполняемого путем замены в ходе расчёта их максимальной температуры перегрева на исходную(20ºС). Установлены основные параметры режимов лазерно-плазменной резки, позволяющие получить минимальный размер ЗТВ при качестве реза, приближающемуся к лазерному. При этом для гибридной резки требуется энерговложение примерно вдвое меньшее, чем для воздушно-плазменной. Повышение скорости гибридной резки за счет увеличения давления и расхода рабочих газов, позволяет ее энерговложению сравнится с аналогичным показателем газолазерной резки при более чем трехкратном повышении производительности процессаОбґрунтовано перспективність гібридного лазерно-плазмового різання металів, запропоновано конструкцію інтегрованого плазмотрона для гібридної різання, а також спрогнозовано результати лазерно-плазмового різання листових вуглецевих конструкційних сталей з використанням такого інтегрованого плазмотрона. Показано, що для мінімізації втрат лазерного випромінювання і отримання максимального проплавлення інтегрований плазмотрон доцільно компонувати за коаксіальною схемою з осьовим розташуванням лазерного випромінювання і мінімальним нахилом неплавких електродів (одного або більше), відстань від робочого кінця яких до осі лазерного пучка повинна лежати в інтервалі 2...3 мм Діаметр плазмоутворюючого сопла повинен лежати в межах 2–5 мм, а заглиблення фокуса під поверхню листа, що розрізається, при гібридному різанні становити 1–2 мм. Для моделювання процесів лазерного, плазмового та гібридного різання застосовували програмний комплекс SYSWELD, що стало можливим завдяки врахуванню характерного для різання ефекту видалення ділянок розплавленого матеріалу в зоні різання, яке виконувалося шляхом заміни в ході їх розрахунку максимальної температури перегріву на початкову (20°С). Встановлені основні параметри режимів лазерно-плазмового різання, що дозволяють отримати мінімальний розмір ЗТВ при якості різу, яка наближається до лазерної. При цьому для гібридного різання потрібно енерговкладення приблизно вдвічі менше, ніж для повітряно-плазмового. Підвищення швидкості гібридного різання за рахунок збільшення тиску і витрати робочих газів дозволяє його енерговкладанню зрівнятися з аналогічним показником газолазерного різання при більш ніж трикратному підвищенню продуктивності процес

Лазерне зварювання в атмосфері низького тиску

The comparative study of laser welding opportunities under low pressure in the controlled atmosphere of protection gas and electron beam welding has been performed. It has been established that the application of the fine-focused laser irradiation source during welding in the low pressure atmosphere allows to increase the process velocity more than 3 times compared to the electron beam welding equal to heat source in power.Проведено сравнительное исследование возможностей лазерной сварки при низких давлениях в контролируемой атмосфере защитного газа и электронно-лучевой сварки. Установлено, что применение источника остросфокусированного лазерного излучения при сварке в атмосфере низкого давления позволяет более чем в 3 раза повысить скорость процесса по сравнению с электронно-лучевой сваркой равным по мощности тепловым источником.Проведено порівняльне дослідження можливостей лазерного зварювання при низьких тисках у контрольованій атмосфері захисного газу та електронно-променевого зварювання. Встановлено, що застосування джерела гостросфокусованого лазерного випромінювання при зварюванні в атмосфері низького тиску дозволяє більш ніж у 3 рази підвищити швидкість процесу порівняно з електронно-променевим зварюванням рівним за потужністю тепловим джерелом

Features of Intermetallic Formation in the Solid Phase on a Steel–Titanium Bimetal Interface under the Conditions of Arc Welding

The object of this study is the formation of intermetallic phases (IMPhs) in the heat-affected zone (HAZ) of joints of steel–titanium bimetal plates produced by arc welding. A titanium layer (2 mm) was welded by the plasma method (PAW), a barrier layer of Cusi3Mn1 bronze was deposited on it by the TIG method, the first steel layer was deposited by CMT, and Puls-MAG was used for filling the groove. Here, heating in the solid phase takes place in the HAZ, which may lead to undesirable formation of brittle IMPhs and further welded joint failure. Mathematical modeling was performed and metallurgical features formed during the processes of heating of the HAZ in bimetal steel–titanium plates were studied to identify the risk of IMPh formation. It was found that at a temperature increase from 900 to 1450 °C, a continuous intermetallic layer formed on the steel–titanium interface, which contained FeTi IMPh, and the width of which increased from 1 to 10 μm. In the temperature range 1300…1430 °C, an intermetallic TiFe2-type phase additionally formed from the titanium side. In the temperature range 1430…1450 °C, the TiFe2 phase was replaced by the TiXFe phase, which formed both from the steel side and from the titanium side. This phase consists of intermetallics (73–75% Ti + 27–25% Fe) and (80–85% Ti + 20–15% Fe), and it is close to the Ti2Fe-type phase. The interlayer of intermetallics, formed at temperatures of 900…1300 °C, has a continuous morphology (HV0.01–650…690). At temperatures rising above 1300 °C, the IMPh interlayer became more ramified (HV0.01–590…610) because of the formation of a larger number of pores and microcracks within it. In the temperature range 900…1450 °C, solid-phase diffusion proceeded in the steel–titanium bimetal near the interface of the two metals. A zone of iron diffusion, 5–10 μm to 40–60 μm in width, formed in titanium. In steel, a zone of titanium diffusion 15–20 μm to 120–150 μm in width formed, starting from 1300 °C and higher. It is recommended to perform industrial welding of steel–titanium bimetal in modes, for which the heat input is equal to 200…400 J/mm. Here, during the period 10–12 s, the heating temperature of the HAZ 1.5–3.5 mm in width is equal to 900–1150 °C. It promotes formation of an intermetallic FeTi-type interlayer of up to 1–2 μm width