Для чего лазерная сварка
Лазерная сварка металла
Лазерная сварка металла — один из самых новых методов создания неразъемных соединений. Он отличается исключительной точностью, производительностью и высоким качеством сварного шва. Нагрев и плавление металла в рабочей зоне проводится лазерным лучом. Метод позволяет сваривать разнородные материалы. Несмотря на высокую стоимость и сложность оборудования, популярность этого метода постоянно растет. Для домашних мастерских становятся доступны аппараты бытового уровня.
Технология лазерной сварки
Световой поток, генерируемый лазером, отличается монохромностью. Все волны потока, в отличие от солнечного спектра, имеют равные длины волн. Это облегчает управление потоком с помощью фокусировки линзами и отклонения призмами. В лазере возникает явление волнового резонанса, что многократно увеличивает мощность пуска.
Принцип действия лазерной сварки базируется на поглощении энергии пучка лазера металлом в рабочей зоне. При этом происходит сильный локальный нагрев.
Технология сварки лазером напоминает технологию газовой сварки. Подготовительные операции заключаются в механической обработке и химическом обезжиривании зоны соединения. Далее луч лазера направляется в начало шва, происходит нагрев металла, его плавление и образование сварочной ванны. Луч перемещается вдоль линии шва, за ним движется сварочная ванна и зона кристаллизации.
Схема лазерной сварки
После кристаллизации шов проводится зачистка шва от окалины и шлаков.
Лазерная сварка позволяет получить однородный, прочный и долговечный шов.
Условия и методы проведения процесса
Для достижения высокой мощности луча необходима его фокусировка. Она проводится в ходе серии последовательных отражений от переднего и заднего полусферических зеркал. Когда интенсивность пучка превышает пороговое значение, он проходит через центр переднего зеркала и далее, через систему направляющих призм, к рабочей зоне.
Лазерная сварка металлов может проводиться при различном взаиморасположении соединяемых заготовок. Глубину проплавления металла в рабочей зоне можно регулировать в широком диапазоне — от поверхностного до сквозного. Работу также можно вести непрерывным лучом или прерывистыми импульсами.
Способ позволяет сваривать как детали из тонкого листового проката, так и сложные профили и детали большой толщины.
Различают следующие виды процесса:
Лазерная сварка в стык
Компактные аппараты бытового класса позволяют проводить лазерную сварку своими руками.
Аппараты лазерной сварки металлов
Для проведения точечной или сплошной лазерной сварки необходимо:
По конструкции активного излучателя все аппараты лазерной сварки разделяют на два типа:
Оба типа могут работать как в импульсном, так и в непрерывном режиме.
Лазеры с твердым активным элементом
Такие установки могут излучать световой поток как непрерывно, так и дискретными импульсами. Активный излучатель делают из розового искусственного рубина, смешивая оксид алюминия и ионы хрома. Торцы стрежня полируют, создавая на них зеркальные поверхности, отражающие свет. Ионы хрома, облучаемые излучением лампы накачки, переизлучает свет на частоте работы лазера.
Функционирование их проходит следующим способом:
Лазер с твердым активным элементом
Аппараты с твердым активным телом работают на волне длиной 0,69 микрон. Мощность их достигает нескольких сотен ватт.
Аппараты с элементами на основе газовой среды
Установки с газообразным активным телом потребляют более высокое напряжение, и позволяет развивать большую мощность — до десятков киловатт. Лампа накачки облучает в таких приборах не твердотельный стержень, а газовую смесь в колбе. Для смеси используют углекислый газ, азот и гелий. Она находится под давлением в несколько атмосфер. Два (или более) электрода периодически инициируют электрический разряд в газовой смеси. Импульс так же усиливается многократным отражением от торцевых зеркал. Когда интенсивность достигает порогового значения, когерентный импульс проходит через полупроницаемое зеркало и сквозь оптическую систему направляется в рабочую зону.
Схема аппарата с элементом на основе газовой среды
Газовые установки работают с длинами волны около 10 микрон. Практический коэффициент полезного действия доходит до 15%
Особенности работы с тонкостенным металлом
При сваривании заготовок средней и большой толщины необходимо проплавление материала на всю толщину. Для этого используют излучение высокой интенсивности. Особенностью сварки лазером тонкостенных металлов является высокий риск прожигания листа. Чтобы избежать этого, необходимо строго контролировать следующие характеристики:
Сваривание тонкостенных заготовок проводят на минимальной мощности. При непрерывном режиме повышают скорость движения рабочего пятна. В импульсном режиме сокращают длительность импульса и повышают их скважность.
Лазерная сварка тонкостенных металлов
Если же на минимальной мощности плотность потока все равно слишком высока — используют преднамеренную расфокусировку луча. Это снижает КПД, но исключает прожигание листа и разбрызгивание металла.
Различия в технологии для разных металлов
Существуют отличия в технологическом процессе для различных металлов и их сплавов.
При сваривании заготовок из стали требуется провести механическую зачистку от ржавчины и других загрязнений. Детали должны быть тщательно обезжирены и высушены. Присутствие в зоне шва влаги может привести к повышенной гидратации материала шва и снижению его прочности и долговечности.
Аналогичная механическая подготовка и обезжиривание требуется для большинства цветных металлов и сплавов.
Нержавеющие сплавы сваривать допускается только встык. Нахлест может привести к возникновению тепловых напряжений в материале.
Благодаря высокой скорости ведения луча в рабочей области не успевают образоваться окислы. Это позволяет сваривать нержавеющие и титановые сплавы без применения флюсовых порошков и атмосферы защитных газов. Эта уникальная способность делает лазерный метод незаменимым при сваривании особо ответственных конструкций атомной, аэрокосмической и оборонной индустрии.
Ручная сварка
Технический прогресс последних лет позволил создать компактный аппарат для ручной лазерной сварки. На рынке представлено множество моделей с различными параметрами и функциональностью.
Они позволяют провести:
Стоимость таких аппаратов все еще значительная. Окупится он при условии большого объема работ.
Применение сварки лазером
Метод применяется для соединения особо ответственных конструкций либо в том случае, когда другими методами соединить заготовки не удается. Наиболее распространен метод в таких областях, как:
Весьма важная область применения лазерной сварки — оборонная промышленность.
Плюсы и минусы лазерной сварки
Основные достоинства метода следующие:
Минусы, как и у любой действующей технологии, также присутствуют:
В конечном счете, сопоставляя преимущества и недостатки сварки лазером, все больше предприятий и даже небольших мастерских принимают решение о переходе на новую технологию.
Используемое оборудование
Несмотря на различные габариты и мощность, оборудование для лазерной сварки относится к одному из основных типов: с твердым или с газообразным рабочим телом. Они различаются лишь методом возбуждения светового излучения. С металлом оба типа станков лазерной сварки работают одинаково.
Твердотельные установки
Такие приборы чаще используются в режиме непрерывного излучения. Они характеризуются более высокими рабочими частотами и ограниченным КПД и мощностью. Твердотельные агрегаты чаще используют для сваривания малогабаритных и тонкостенных изделий.
Импульсный твердотельный лазер
Газовые аппараты
Если требуется соединять заготовки большой толщины, применяют устройства с газообразным рабочим телом. Излучение возбуждается в газовой среде электрическим разрядом. Такие аппараты сваривают детали до 20 миллиметров. Такой способ позволяет достичь высоких мощностей в луче и более высоких значений КПД. Однако устройство прибора более сложное, в нем используется хрупкая стеклянная колба.
Гибридные установки
Для сложных конфигураций свариваемых деталей и листов большой толщины были разработаны гибридные сварочные установки. Рядом с лазерной головкой в них располагается горелка электродугового полуавтомата.
Гибридный лазерно-дуговой процесс сварки в среде защитного газа
Проволока используется в качестве присадочного материала и заполняет сварочный зазор, участвуя в формировании шовного материала.
Лазерная сварка
Сущность и основные преимущества сварки лазерным лучом
При облучении поверхности тела светом энергия квантов (порций) света поглощается этой поверхностью. Образуется теплота, температура поверхности повышается. Если световую энергию сконцентрировать на малом участке поверхности, можно получить высокую температуру. На этом основана сварка световым лучом оптического квантового генератора — лазера.
Что такое лазер
Термин «лазер» происходит от первых букв английской фразы: «Light amplification by the stimulated emission of radiation». Перевод: «Усиление света посредством индуцирования эмиссии излучения». За теоретическим обоснование и разработкой лазеров стоят трое ученых: академик Н. Г. Басов, академик А. М. Прохоров и американский физик Ч.Таунс. В 1964 году это открытие принесло им Нобелевскую премию.
Академик Басов охарактеризовал лазер так: «Это устройство, в котором энергия, например тепловая, химическая, электрическая, преобразуется в энергию электромагнитного поля — лазерный луч. При таком преобразовании часть энергии неизбежно теряется, но важно то, что полученная в результате лазерная энергия обладает несравненно более высоким качеством. Качество лазерной энергии определяется её высокой концентрацией и возможностью передачи на значительное расстояние».
Виды и принцип работы лазера
Основные элементы лазера — это генератор накачки и активная среда. По активным средам различают твердотельные, газовые и полупроводниковые лазеры.
Твердотельные лазеры
В твердотельных лазерах (рис. 1) 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.
Рис. 1. Схема твердотельного лазера:
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
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 алюмоиттриевом гранате, активированном атомами неодима (приблизительно 1%).
Газовые лазеры
Ещё 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 (рис. 2). 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.
Рис. 2. Схема газового лазера:
1 — разрядная трубка; 2 — непрозрачное зеркало; 3 — источник питания; 4 — вакуумный насос; 5 — полупрозрачное зеркало
Как проходит процесс лазерной сварки
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.
Лазерная сварка отличается высокой концентрацией энергии в пятне диаметром 0,1 мм и менее. Для нее характерны небольшой объем сварочной ванны, малая ширина зоны термического влияния, высокие скорости нагрева и охлаждения. На практике это означает, что лазерная сварка обеспечивает технологическую прочность сварных соединений, небольшие деформации сварных конструкций. Например, лазерная сварка вилки с карданным валом автомобиля увеличивает срок службы карданной передачи в три раза по сравнению с дуговой сваркой. Главные факторы: площадь сечения сварного шва уменьшается более чем вдвое, а время сварки — в несколько раз. Деформации вилки, вызывающие преждевременный износ, практически отсутствуют.
Основные энергетические характеристики процесса лазерной сварки — это плотность Е мощности лазерного излучения и длительность t его действия. При непрерывном излучении t определяется продолжительностью времени экспонирования, а при импульсном — длительностью импульса. Превышение верхнего предела Е вызывает интенсивное объемное кипение и испарение металла. Это приводит к выбросам металла и дефектам шва. На практике лазерную сварку ведут при Е=106…107 Вт/см2. При Е 2 / (4α),
где δ и α — соответственно толщина и коэффициент температуропроводности свариваемого материала.
Значения τ для тонких деталей (δ = 0,1…0,2 мм) составляют несколько миллисекунд. Поэтому для меди длительность импульса будет в районе 0,0001…0,0005 с, для алюминия — 0,0005…0,002 с, для сталей — 0,005…0,008 с. При увеличении δ более 1,0 мм τ возрастает и может значительно превосходить достижимую длительность лазерных импульсов. Поэтому лазерная сварка металлов толщиной более 1,0 мм импульсным излучением затруднена.
Правильный диаметр сфокусированного излучения
Диаметр сфокусированного излучения d определяет площадь нагрева и плотность мощности Е. При сварке d изменяют от 0,05 до 1,0 мм путем расфокусировки луча. При этом фокальную плоскость, на которой сфокусированный световой пучок имеет наименьший диаметр, располагают выше или ниже поверхности свариваемых деталей.
Сварной шов при импульсном излучении
Сварной шов при импульсном излучении образуется наложением сварных точек с их взаимным перекрытием на 30…90% в зависимости от типа сварного соединения и требований к нему.
Промышленные сварочные установки с твердотельными лазерами позволяют вести шовную сварку со скоростью до 5 мм/с при частоте импульсов до 20 Гц. Сварку можно вести с присадочным материалом в виде проволоки диаметром менее 1,5 мм, ленты или порошка.
Присадка позволяет увеличить сечение шва, устраняя один из наиболее распространенных дефектов — ослабление шва, а также легировать металл шва. Легирующие элементы при лазерной сварке можно также наносить предварительно на поверхности свариваемых кромок напылением, обмазкой, электроискровым способом и т.п.
Лазерная сварка деталей разной толщины
Наиболее распространена лазерная сварка импульсным излучением в электронной и электротехнической промышленности, где сваривают угловые, нахлесточные и стыковые соединения тонкостенных деталей. Хорошее качество соединений обеспечивается сваркой лазерным лучом тонких деталей (0,05…0,5 мм) с массивными. Когда свариваемые детали значительно отличаются по толщине, луч смещают на массивную деталь, чем выравнивают температурное поле и достигают равномерного проплавления обеих деталей. Чтобы снизить разницу в условиях нагрева и плавления таких деталей, толщину массивной детали в месте стыка уменьшают, делая на ней бурт, технологическую отбортовку или выточку (рис. 3).
При лазерной сварке нагрев и плавление металла происходят так быстро, что деформация тонкой кромки может не успеть произойти до того, как металл затвердеет. Это позволяет сваривать тонкую деталь с массивной внахлестку. Для этого надо, чтобы при плавлении тонкой кромки и участка массивной детали под ней образовалась общая сварочная ванна. Это можно сделать, производя сварку по кромке отверстия в тонкой детали или по её периметру.
Рис. 3. Сварные соединения деталей разной толщины:
а — по бурту на массивной и отбортовке на тонкой детали; б — тавровое соединение; в — по кромке выточки в массивной детали; г — по отверстию в тонкой детали. Стрелками показано направление лазерного луча
Детали малой толщины можно сваривать также газовыми и твердотельными лазерами непрерывного действия мощностью до 1 кВ-А. Лучше всего формируется шов при стыковом соединении тонких деталей. Однако при сборке таких соединений под лазерную сварку предъявляются более жесткие требования: должен быть обеспечен минимальный и равномерный зазор в стыке и практически полное отсутствие смещения кромок.
Сложнее формируется шов при сварке деталей толщиной более 1,0 мм с глубоким проплавлением. Как только плотность мощности лазерного излучения станет больше критической, скорость нагрева металла значительно превысит скорость отвода теплоты в основной металл за счет теплопроводности. На поверхности жидкого металла под действием реакции образуется углубление. Увеличиваясь, оно образует канал, заполненный паром и окруженный жидким металлом. Давления пара оказывается достаточно для противодействия силам гидростатического давления и поверхностного натяжения, и полость канала не заполняется жидким металлом.
При некоторой скорости сварки форма канала приобретает динамическую устойчивость. На передней его стенке происходит плавление металла, на задней — затвердевание. Наличие канала способствует поглощению лазерного излучения в глубине свариваемого материала, а не только на его поверхности. Формируется так называемое «кинжальное проплавление». При этом образуется узкий шов с большим соотношением глубины проплавления к ширине шва.
Сварочная ванна при лазерной сварке
Сварочная ванна (рис. 4) имеет характерную форму, вытянутую в направлении сварки. В головной части ванны расположен канал (кратер) 3. Это область наиболее яркого свечения. На передней стенке канала существует слой расплавленного металла, испытывающий постоянные возмущения. Здесь наблюдается характерное искривление передней стенки в виде ступеньки, которая периодически перемещается по высоте канала.
Удаление расплавленного металла с передней стенки осуществляется при перемещении ступеньки сверху вниз. Перенос расплавленного металла из головной части ванны в хвостовую происходит по боковым стенкам в горизонтальном направлении. В хвостовой части ванны 4 расплавленный металл завихряющимися потоками поднимается вверх и частично выносится на поверхность сварочной ванны. При образовании канала 3 над поверхностью металла появляется светящийся факел 2 из продуктов испарения, частиц конденсированного пара и мелких, выбрасываемых из ванны капель металла. 
Рис. 4. Схема сварочной ванны при лазерной сварке:
1 — лазерный луч; 2 — плазменный факел; 3 — парогазовый канал; 4 — хвостовая часть ванны; 5 — металл шва; 6 — свариваемый металл; Vсв — направление сварки
Скорость сварки и проплавляющая способность
При значительной скорости сварки факел отклоняется на 20…600 в сторону, противоположную направлению сварки. Этот факел поглощает часть энергии луча и снижает его проплавляющую способность.
При сварке деталей толщиной более 1,0 мм на проплавляющую способность луча в первую очередь влияет мощность излучения. Поскольку сварка таких деталей ведется при непрерывном излучении, то к основным параметрам режима здесь относится и скорость сварки. При выбранном значении мощности излучения скорость сварки определяют исходя из особенностей формирования шва: минимальное значение скорости ограничено отсутствием кинжального проплавления, а максимальное — ухудшением формирования шва, появлением пор, непроваров. Скорость сварки может достигать 90…110 м/ч.
Фокусировка луча и качество сварных швов
На качество сварных швов влияет фокусировка луча. Для сварки луч фокусируют в пятно диаметром 0,5…1,0 мм. При меньшем диаметре повышенная плотность мощности приводит к перегреву расплавленного металла, усиливает его испарение — появляются дефекты шва. При диаметре более 1,0 мм снижается эффективность процесса сварки. Формирование шва зависит также от положения фокальной плоскости относительно поверхности свариваемых деталей. Максимальная глубина проплавления достигается, если фокус луча будет находиться над поверхностью детали.
Два процесса проплавления металла
Форма сварочной ванны в продольном сечении также отличается от её формы при дуговой сварке (рис. 5). На поверхности фронта кристаллизации имеется выступ, который делит ванну на две характерные части. Нижняя часть значительно заглублена и имеет малую протяженность в поперечном сечении, тогда как верхняя часть более широкая и вытянута вдоль шва.
Отсюда очевидно, что при лазерной сварке имеют место два процесса проплавления металла. Первый процесс связан с образованием канала, как это было показано выше. Именно он обеспечивает эффект глубокого проплавления. Второй процесс — поверхностное плавление за счет теплопроводности свариваемого материала. Преимущественное развитие того или иного процесса зависит от режима сварки и определяет очертания сварочной ванны.
Рис. 5. Продольное сечение сварочной ванны
Качество, защита шва и дефекты при лазерной сварке
Для лазерной сварки характерны высокая концентрация энергии, большая скорость по сравнению с дуговыми способами, незначительное тепловое воздействие на околошовную зону из-за высоких скоростей нагрева и охлаждения металла. Эти факторы существенно повышают сопротивляемость большинства конструкционных материалов образованию горячих и холодных трещин. Поэтому можно достичь высокого качества сварных соединений из материалов, плохо свариваемых другими способами сварки. Деформации сваренных деталей существенно (до десяти раз) снижаются, что уменьшает затраты на правку.
При лазерной сварке с глубоким проплавлением металл шва защищают от окисления, подавая через сопло в зону сварки защитный газ. Для этого применяют специальные сопла (рис. 6). При сварке 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. Тогда дефектов можно избежать, и лазерная сварка показывает себя еще более надежным решением на производстве.