Лазерная сварка. Сущность и основные преимущества сварки лазерным лучом

Рис. 5. Продольное сечение  сварочной ванны

Высокая концентрация энергии, большая скорость лазерной сварки по сравнению с дуговыми способами, незначительное тепловое воздействие  на околошовную зону вследствие высоких скоростей нагрева и охлаждения металла существенно повышают сопротивляемость большинства конструкционных материалов образованию горячих и холодных трещин. Это обеспечивает высокое качество сварных соединений из материалов, плохо свариваемых другими способами сварки. Существенно (до десяти раз) снижаются деформации сваренных деталей, что снижает затраты на правку.

При лазерной сварке с глубоким проплавлением металл шва защищают от окисления, подавая через сопло  в зону сварки защитный газ. Применяют  специальные сопла (рис. 6). Для сварки алюминия, титана и других высокоактивных металлов требуется дополнительная защита корня шва. Для защиты используют те же газы, что и при дуговой  сварке, чаще это аргон, гелий или  их смеси. Защитные газы влияют на эффективность  проплавления: чем выше потенциал  ионизации и теплопроводность газа, тем она больше. Качественную защиту можно обеспечить при расходе  гелия 0,0005...0,0006 м3/с, аргона 0,00015...0,0002 м3/с, смеси, состоящей из 50 % аргона и 50 % гелия, - 0,00045...0,0005 м3/с. Для защиты зоны лазерной сварки можно использовать флюсы такого же состава, что и при дуговой сварке. Применяют их в виде обмазок, наносимых на свариваемые кромки.

Рис. 6. Схемы защитных сопел:

а - при сварке деталей  малой толщины; б - при сварке с  глубоким проплавлением; 1 - лазерный луч; 2 - свариваемые детали

Наиболее часто встречающиеся  дефекты при лазерной сварке больших  толщин - это неравномерность проплавления корня шва и наличие полостей в шве. Для снижения вероятности  образования пиков проплавления при сварке с несквозным проплавлением  рекомендуют повышать скорость сварки и отклонять лазерный луч от вертикали  на 15... 17° по направлению движения луча. При сварке со сквозным проплавлением  неравномерность проплава устраняют, применяя остающиеся или удаляемые  подкладки.

Повысить эффективность  процесса лазерной сварки можно, увеличивая проплавляющую способность луча. Перспективно применение для этого  импульсных режимов сварки. При частоте  импульсов 0,4... 1 кГц и при длительности импульсов 20...50 мс глубина проплавления может быть увеличена в 3...4 раза по сравнению с непрерывным режимом. При импульсном режиме КПД луча в 2...3 раза выше, чем при непрерывном. Однако импульсная сварка требует очень точной наводки луча на стык, более высокого качества подготовки кромок к сварке, а ее скорость в несколько раз уступает скорости сварки с непрерывным излучением.

Другой путь повышения  эффективности - это подача в зону сварки дополнительного потока газа под давлением. Глубина проплавления при этом увеличится, но чрезмерное повышение расхода газа легко  приводит к ухудшению формирования шва, появлению в нем пор, раковин, свищей. Затем газ начинает выдувать жидкий металл, процесс сварки переходит в резку. При сварке с несквозным проплавлением применяют разработанный в МГТУ им. Н. Э. Баумана способ импульсной подачи дополнительного газа. Это повышает глубину проплавления на 30...40 %, стабилизирует проплав. Эффективность процесса лазерной сварки можно повысить, вводя в зону сварки химические элементы, способствующие ионизации газа в зоне сварки и снижающие экранирующее действие факела. Это достигается нанесением на поверхности свариваемых кромок покрытий, содержащих элементы с низким потенциалом ионизации (калий, натрий).

Широкое применение лазерной сварки сдерживается экономическими соображениями. Стоимость технологических лазеров  пока еще высока, что требует тщательного  выбора области применения лазерной сварки. Однако, если применение традиционных способов не дает желаемых результатов либо технически неосуществимо, можно рекомендовать лазерную сварку. К таким случаям относится необходимость получения прецизионной (высокоточной) конструкции, форма и размеры которой не должны меняться в результате сварки. Лазерная сварка целесообразна, когда она позволяет значительно упростить технологию изготовления сварных изделий, выполняя сварку как заключительную операцию, без последующей правки или механической обработки. Экономически эффективна лазерная сварка, когда необходимо существенно повысить производительность, поскольку скорость ее может быть в несколько раз больше, чем у традиционных способов.

При изготовлении крупногабаритных конструкций малой жесткости  или с труднодоступными швами, а  также при необходимости соединения трудно свариваемых, в том числе  разнородных материалов, лазерная сварка может оказаться единственным процессом, обеспечивающим качественные сварные  соединения.