Лазерная сварка

Лазерный луч обеспечивает высокую концентрацию энергии (до 10^8 Вт/см2), благодаря возможности его фокусировки в точку диаметром в несколько микрометров. Такая концентрация значительно выше чем, к примеру, у дуги. Сравнимой концентрацией энергии обладает электронный луч (до 10^б Вт/см2). Однако электронно-лучевая сварка осуществляется лишь в вакуумных камерах - это необходимо для устойчивого проведения процесса, лазерная же сварка не требует вакуума, что упрощает и убыстряет тех. процессы. Процесс лазерной сварки осуществляется либо на воздухе, либо в среде защитных газов: Аr, Не, СО2 и др. Лазерный луч, так же как и электронный легко отклоняется, транспортируется с помощью оптической системы. 

Для сварки металлов используются твердотельные и газовые лазеры как периодического, так и непрерывного действия.

Благодаря высокой концентрации энергии лазерного излучения в процессе сварки обеспечивается малый объем расплавленного металла, незначительные размеры пятна нагрева, высокие скорости нагрева и охлаждения металла шва и околошовной зоны. Эти особенности теплового воздействия предопределяют минимальные деформации сварных конструкций, специфику физико-химических и металлургических процессов в металле шва, высокую технологическую и конструкционную прочность сварных соединений. Лазерная сварка осуществляется в широком диапазоне режимов, обеспечивающих высокопроизводительный процесс соединения различных материалов толщиной от нескольких микрометров до десятков миллиметров. Разнообразие методов и приемов лазерной сварки затрудняет разработку конкретного технологического процесса.

Процесс сварки лазерным излучением весьма сложен и в настоящее время нет теоретической расчетной модели, описывающей его во всей полноте. Как правило, расчеты касаются какой-либо одной из физических характеристик процесса воздействия лазерного излучения на обрабатываемый материал.

Точечная сварка получила распространение с первых дней появления импульсных твердотельных лазеров для выполнения неразъемных соединений в электронике и приборостроении. Точечной сваркой соединяются тонколистовые материалы (при толщине 0,5...2,0 мм), проволока диаметром от 10 до 500 мкм, проволока к подложке, тонкие листы к массивным элементам

Размеры сварочной ванны, определяющие прочность сварного соединения, зависят прежде всего от длительности лазерного импульса и его энергии. Кроме того, размеры сварочной ванны зависят от коэффициента теплопроводности материала (для более теплопроводной меди размер сварочной ванны меньше, чем у сталей)

При точечной сварке импульсным излучением в зависимости от вида свариваемых материалов используется диапазон плотности мощности излучения q = 1О5...1О6 Вт/см2 и диапазон длительностей импульсов tauи = 2...10 мс. При этом диаметр сварных точек составляет D = 0,1..1,2 мм, а глубина проплавления h = 0,0З...1,3 мм. Производительность точечной сварки определяется частотой генерации импульсов f, скоростью перемещения детали (луча), в хорошо налаженном процессе достигается скорость до 200 сварных точек в секунду.

Шовная сварка обеспечивает надежное механическое соединение, высокую герметичность сварочного шва. Шовную сварку выполняют как с помощью импульсного излучения с высокой частотой генерации импульсов, так и с помощью непрерывного излучения. Последнее позволяет сваривать толстостенные детали.

Основными параметрами процесса шовной импульсной и непрерывной сварки, определяющими качество сварного соединения, считаются: энергия импульса Е, длительность воздействия лазерного излучения на обрабатываемый материал tauи, диаметр сфокусированного излучения d, частота следования импульсов (для ИПР) f и положение фокальной плоскости лазерного луча относительно поверхности свариваемых деталей F. Все параметры обычно определяются экспериментально, в зависимости от требований технического процесса. Приблизительно, tи =10-4...10-2 d = 0.05... 1 мм, средняя скорость сварки - до 5 мм/с, f - до 20 Гц

Качество металла сварных соединений, выполненных непрерывным лазерным излучением, по сравнению с традиционными видами сварки очень высокое. Как правило, в этом случае механические свойства металла шва превосходят свойства основного металла в исходном состоянии. Повышение механических свойств связано с получением мелкозернистой структуры переплавленного металла и металлургической очисткой и дегазацией расплава сварочной ванны при лазерном воздействии.

Лазерная сварка с глубоким проплавлением.

Принципиально отличается от сварки с неглубоким проплавлением, тем, что при образовании сварного соединения образуется газовый канал, по которому поднимается испаренный металл. Зона провара имеет вытянутую форму, шов не широкий, глубокий.

Защита при лазерной сварке.

Для защиты шва применяются газы аргон и гелий, помимо защиты они обеспечивают более эффективное проплавление, меняя параметры образующейся плазмы, ускоряют вывод газов, испаренного металла. Можно добиться значительного увеличения глубины проплавления, но качество шва, при высоком расходе газа, ухудшается, появляются поры. 

Повышения эффективности сварки можно добиться и применением дополнительного источника нагрева. В качестве такого источника может быть использована, например, электрическая дуга, подведенная с любой стороны шва. Увеличивается глубина проплавления, скорость резки. При подведении дуги, сопоставимой по мощности с лазером скорость проплавления увеличивается в четыре раза.

Достоинства:

1) В отличие от сварки электронным лучом, не требует вакуумной камеры, отсутствует рентгеновское излучение, на луч не влияют магнитные поля, возможна сварка магнитных материалов, так же, сварка лазером дешевле, чем сварка электронным лучом.

2) Пятно нагрева очень мало, при большой глубине проплавления, как следствие малы деформации свариваемых деталей, высокая точность, высокое качество сварного шва.

3) Процесс бесконтактен - возможна сварка в труднодоступных местах, проведение сварки через прозрачные материалы, в жидких прозрачных средах.

4) Гибкая, широкая настройка процесса, без необходимости смены оснастки, легкое перемещение луча по поверхности детали по любой траектории.

 

 

 

 

 

 

Лазер создает мощный импульс монохроматического излучения за счет возбуждения атомов примеси в кристалле или в газах. Среди известных в настоящее время источников энергии, используемых для сварки, лазерное излучение обеспечивает наиболее высокую ее концентрацию до 1011 Вт/см2. Такие высокие значения концентрации энергии определяются уникальными характеристиками лазерного излучения, в первую очередь его монохроматичностью и когерентностью. В таких условиях все известные материалы не только плавятся, но и испаряются.

 

Лазерное излучение легко передается с помощью оптических

систем в труднодоступные места, может одновременно или последовательно 

использоваться на нескольких рабочих постах. Оптические системы транспортировки и фокусировки лазерного излучения создают возможность легкого и оперативного управления процессом сварки. На лазерный луч не влияют магнитные поля свариваемых деталей и технологической оснастки.

 

Первые сообщения о лазерной сварке металлов относятся к 1962 г. В нашей стране публикации об этом способе соединения металлов

появились на год позже. Первоначально использовались твердотельные рубиновые лазеры. На их базе были разработаны первые лазерные установки СУ-1, К-3М, УЛ-2 и УЛ-20, предназначенные для сварки и обработки материалов. Первые три из них имели максимальную энергию излучения не выше 2 Дж. Длительность импульса изменялась дискретно от 0,5 до 8 мс. Эти установки предназначались для сварки металлов толщиной 0,1–0,2 мм.

 

Установка УЛ-20 имела энергию излучения до 20 Дж и применялась для сварки

металлов толщиной 0,5–1,0 мм. К сожалению, качество сварных 

соединений, получаемых с помощью указанных установок, было низким и 

нестабильным. Одной из причин этого была неудовлетворительная воспроизводимость режимов сварки на разных установках одного типа. Как показали исследования, это было связано с неоднородностью 

распределения показателя преломления в стержнях активной среды. К тому же оно индивидуально для каждого стержня.

 

Степень неоднородности активного стержня обуславливала низкую воспроизводимость режимов сварки за счет пространственно-временной неравномерности теплового потока.

 

Основные элементы лазера - это генератор накачки и активная среда. По активным средам различают твердотельные, газовые и полупроводниковые 

лазеры. В твердотельных лазерах в качестве активной среды чаще всего применяют стержни из розового рубина - окиси алюминия А12О3 с примесью ионов хрома Сг3+ (до 0,05 %). При облучении ионы хрома переходят в другое энергетическое состояние -возбуждаются и затем отдают запасенную энергию в виде света. На торцах рубинового стержня нанесен слой отражающего вещества (например, серебра) так, что с одного конца образовано непрозрачное, а с другого - полупрозрачное зеркало. Излучение ионов хрома, отражаясь от этих зеркал, циркулирует 

параллельно оптической оси стержня, возбуждая новые ионы, - идет лавинообразный процесс. Происходит бурное выделение лучистой энергии, которая излучается параллельным пучком через полупрозрачное зеркало и фокусируется линзой в месте сварки. Выходная мощность твердотельных лазеров достигает 107 Вт при сечении луча менее 1 см2. В фокусе достигается громадная концентрация энергии, позволяющая 

получать температуру до миллиона градусов

 

При работе в импульсном режиме существенный недостаток твердотельного лазера - низкий КПД (0,01...2,0 %). Более высокую мощность и больший 

КПД обеспечивают лазеры, работающие в непрерывном режиме, например твердотельный лазер на алюмоит-триевом гранате, активированном атомами 

неодима (приблизительно 1 %). Еще более высокий КПД и мощность у газовых лазеров. В качестве активной среды в них применяют чаще всего СО2 или смесь газов, генераторами накачки могут служить искровые разрядники или электронный луч.

 

Типичная конструкция газового лазера - это заполненная газом трубка, ограниченная с двух сторон строго параллельными зеркалами: непрозрачным и полупрозрачным). В результате электрического разряда между введенными в трубку электродами возникают быстрые электроны, которые возбуждают газовые молекулы. Возвращаясь в стабильное состояние, эти молекулы образуют кванты света так же, как и в твердотельном лазере. Газовые лазеры могут работать в непрерывном режиме. Для сварки используют твердотельные и газовые лазеры импульсного и непрерывного действия.

 

Лазерную сварку производят на воздухе или в среде защитных газов: аргона, СО2. Вакуум, как при электронно-лучевой сварке, здесь не нужен, поэтому лазерным лучом можно сваривать крупногабаритные конструкции. Лазерный луч легко управляется и регулируется, с помощью зеркальных оптических систем легко транспортируется

и направляется в труднодоступные для других способов места. В отличие от электронного луча и электрической дуги на него не влияют магнитные поля, что обеспечивает стабильное формирование шва. Из-за высокой концентрации энергии (в пятне диаметром 0,1 мм и менее) в процессе лазерной сварки объем сварочной ванны небольшой, малая ширина зоны термического влияния,высокие скорости нагрева и охлаждения. Это обеспечивает

высокую технологическую прочность сварных соединений,

небольшие деформации сварных конструкций. Например, лазерная сварка вилки с карданным валом автомобиля по сравнению с дуговой сваркой увеличивает срок службы карданной передачи в три раза, потому что более чем вдвое уменьшается площадь сечения сварного шва, в несколько раз -время сварки. Деформации вилки, вызывающие преждевременный износ, практически отсутствуют.

 

 

 

1 — рубиновый стержень; 2 — генератор накачки; 3 — отражатель; 4 — непрозрачное зеркало; 5 — охлаждающая среда; 6 — источник питания; 7 — полупрозрачное зеркало; 8 — световой луч; 9 — фокусирующая линза; 10 — обрабатываемые детали

 

 

 

• Рисунок 2 — Газовый лазер схема

1 — разрядная трубка; 2 — непрозрачное зеркало; 3 — источник питания; 4 — вакуумный насос; 5 — полупрозрачное зеркало

 

 

• Рисунок 3 — Сварочная ванна при лазерной сварке схема

 

1 — лазерный луч; 2 — плазменный факел; 3 — парогазовый канал; 4 — хвостовая часть ванны; 5 — металл шва; 6 - свариваемый металл; Vсв — направление сварки

 

 

 

 

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.</sp