Лазерная сварка

Одним из применений лазера в машиностроении является соединение элементов сваркой.

Самое широкое применение в промышленности находит электродуговая сварка, выполняемая различными автоматами и вручную. Для защиты расплавленного металла от воздействия газов (кислорода, водорода, азота и др.), оказывающих вредное влияние на механические свойства сварных соединений, используется сварка под флюсом, в среде защитных газов (аргона, гелия, углекислого газа и др.). Распространена также контактная сварка, осуществляемая с использованием джоулевой теплоты. Находят применение диффузионная сварка и сварка трением, выполняемые пластическим деформированием ювенильных поверхностей, а также ультразвуковая сварка, сварка взрывом и др. Большую перспективу обеспечивает развитие электронно-лучевой сварки, выполняемой в вакуумных камерах.

Анализируются методы лазерной сварки по трем группам признаков: энергетическим, технологическим и экономическим. По совокупности рассмотренных признаков лазерная сварка делится на:

непрерывную с глубоким проплавлением;

импульсно-периодическую с глубоким проплавлением;

непрерывную лазерную сварку малых толщин;

импульсную лазерную сварку малых толщин.

Следует ввести в рассмотрение понятие пороговой плотности мощности Е*, определяющее условие нагрева металла без разрушения. Характерный уровень Е*, с превышением которого начинается активное испарение и разрушение, для большинства металлов составляет 10⁹...10¹¹ Вт/м² в зависимости от теплоты испарения, теплопроводности и длительности нагрева. При значительном превышении плотности мощности Е над пороговой плотностью мощности Е* основная доля энергии лазерного излучения расходуется на интенсивное испарение материала и увеличение внутренней энергии разлетающихся паров, капель и твердых частиц, а энергия, затрачиваемая на плавление металла, относительно мала. Соответственно жидкая фаза в зоне обработки практически отсутствует, и сварка в столь жестком режиме оказывается невозможной.

Снижение плотности мощности до Е@10⁹... 10¹⁰ Вт/м² приводит к увеличению доли жидкой фазы в зоне обработки; происходит интенсивное проплавление, называемое «кинжальным». При перемещении лазерного луча расплавленный металл под действием давления паров и вследствие разности сил поверхностного натяжения в центральной и хвостовой частях сварочной ванны оттесняется в хвостовую часть ванны. При кристаллизации расплавленного металла образуется шов.

Распределение энергии лазерного излучения при сварке в общем случае установившегося режима проплавления можно представить в виде схематизированного изображения на рис. 3.2 (по данным О.А.Величко и др.).

Рис. Схема энергозатрат в установившемся режиме проплавления металла сфокусированным лазерным пучком:

/ — сфокусированный луч лазера;

2 — основной металл; 3 — кратер (парогазовая каверна); 4 — жидкий металл; 5— переплавленный металл (сварной шов); 6— плазменный факел.

Здесь Qл — энергия сфокусированного лазерного луча в зоне обработки; Qф — энергия, поглощенная в объеме плазменно-парового факела внутри и над поверхностью кратера (высокотемпературная плазма возникает вследствие ионизации парогазовой среды концентрированным потоком энергии лазерного излучения); энергия, рассеиваемая в окружающую среду излучением из плазменного факела; Qотр — энергия лазерного излучения, отраженная от плоской поверхности основного металла и от дна кратера; Qразр — полная энергия продуктов разрушения, уносимая реактивной парогазовой струёй; Qв — полное теплосодержание жидкого металла в сварочной ванне; Отп — энергия, отводимая теплопроводностью в глубь основного и переплавленного металла.

Особенностью лазерной сварки является широкий диапазон варьирования режимов, обеспечивающих не только возможность сварки различных материалов толщиной от нескольких микрон до десятков миллиметров, но и осуществление принципиально различных механизмов проплавления. Для ориентации в таком многообразии возможностей лазерной сварки необходима классификация ее методов.

Плотность мощности, необходимая и достаточная для осуществления процессов сварки, лежит в диапазоне 10⁹...10¹¹ Вт/м². Нижний предел ограничивается плотностью мощности менее 10⁹ Вт/м², так как в данном случае более эффективны и экономичны другие методы сварки, например дуга или газовое пламя. Верхний предел ограничивают процессы интенсивного испарения, которые приводят к выбросу металла, в результате чего возникают дефекты сварного шва.

Первая группа — плотность мощности Е = 10⁹...10¹⁰ Вт/м² и длительность воздействия t> 10^-2. Этот диапазон относится к методам сварки с использованием непрерывного излучения лазера с различными длинами волн.

Варьирование сочетанием плотности потока с временем воздействия дает возможность применять разнообразные методы лазерной сварки в этой группе энергетических признаков. В частности, возможна сварка как малых, так и больших толщин практически всех конструкционных материалов, соединяемых сваркой плавлением.

Вторая группа — плотность мощности Е =10¹⁰...10¹¹ Вт/м², длительность воздействия t<.10^-3. В данном диапазоне используются импульсно-периодические режимы сварки. Сочетание высокой плотности мощности с импульсностью многоразового воздействия излучения дает возможность осуществлять сварку с по-вышенной эффективностью проплавления. Частота следования импульсов в этом случае составляет десятки и сотни герц. На подобных режимах возможна сварка целого ряда металлов и сплавов различных толщин при меньших энергозатратах, чем при непрерывном излучении.

Третья группа — режимы с плотностью мощности Е = 10⁹...10¹⁰ Вт/см² и длительностью воздействия 10^-3 < t <. 10^-2. Подобные условия создаются отдельными импульсами с длительностью в указанном диапазоне. Образование сварного соединения определяется временем воздействия импульса, т. е. существует ограниченная область расплавления, называемая точками. Сочетание плотности мощности и времени воздействия в указанных диапазонах дает возможность проплавлять только малые толщины. Энерговложение в данном случае регулируется таким образом, что температура поверхности материала не достигает точки кипения и процесс протекает только на стадии плавления.

В отличие от электронного луча, дуги и плазмы, на лазерный луч не влияют магнитные поля свариваемых деталей и технологической оснастки, что позволяет получать устойчивое качественное формирование сварного шва по всему контуру.

Наиболее ярко проявляются преимущества лазерной сварки в сравнении с дуговой; основные из них заключаются в следующем.

1. За счет высокой концентрации энергии и малого пятна нагрева объем сварочной ванны при лазерной сварке в несколько раз меньше. Этот фактор положительно сказывается на целом ряде характеристик как сварного шва, так изделия в целом. В первую очередь, снижение в 2...5 раз ширины шва позволяет расширить ассортимент деталей, где ограничены размеры на расположение шва как с точки зрения теплового воздействия, так и компактности.

Помимо этого, снижение объема расплава и получения швов с большим отношением глубины проплавления к ширине шва (примерно на порядок по отношению к дуговой сварке) дает возможность уменьшить деформации деталей до 10 раз. Снижение же деформаций в свою очередь приводит к значительной экономии как металла (за счет уменьшения размеров допусков), так и к повышению производительности (за счет экономии времени на правку после сварки). Кроме этого, появляется возможность экономно использовать станочное оборудование, исключив механическую обработку после сварки.

Малый объем расплавленного металла и специфическая форма шва также улучшают в целом ряде случаев условия кристаллизации, что повышает свойства сварных швов.

2. Отсутствие электрода, близко расположенного к поверхности сварочной ванны, исключает попадание в нее инородных материалов, что практически во всех случаях наблюдается при дуговой сварке.

3. Острая фокусировка луча и возможность передачи его на значительные расстояния позволяют осуществлять сварку в труднодоступных местах, например в углублениях гофрированных конструкций, внутренних полостей и др.

4. Жесткий термический цикл с высокими скоростями нагрева и охлаждения дает возможность при лазерной сварке, в сравнении с дуговой, существенно сократить зону термического влияния. Это позволяет снизить эффект фазовых и структурных превращений в околошовной зоне, приводящих к разупрочнению, трещине-образованию, снижению коррозионной стойкости и др.

Сравнение лазерной сварки с электронно-лучевой показывает, что во многих случаях эти два метода взаимозаменяемы, однако существует несколько особенностей, которые выгодно отличают лазерную сварку и дают ей определенные преимущества.

1. Для осуществления процесса лазерной сварки не требуется обязательного наличия вакуумных камер или камер с контролируемой атмосферой. Это существенно расширяет технологические возможности лазерного луча, так как снимаются ограничения на размеры свариваемых деталей. Кроме этого, увеличивается производительность процесса за счет сокращения времени на откачку воздуха из камеры, упрощения установки стыка под луч, переналадки и пр. Отсутствие вакуумных камер при производстве крупногабаритных изделий снижает также стоимость технологического оборудования.

2. Существенные трудности встречаются при сварке электронным лучом широко распространенных сталей перлитного и мартенситного класса толщиной более 30 мм из-за отклонения электронного луча от стыка соединяемых деталей. Основной причиной этого дефекта является остаточная намагниченность ферромагнитных сталей, которую они приобретают в процессе обработки, изготовления детали, хранения или транспортировки. Сварка электронным лучом в магнитном поле приводит к отклонению его от стыка. Использование для подобных целей лазерного луча полностью исключает появление указанных дефектов, так как поток фотонов не взаимодействует с магнитным полем.

Необходимо отметить некоторые преимущества лазерной точечной сварки перед электроконтактной и конденсаторной сваркой.

1. Размер сварной точки при лазерной сварке существенно меньше, чем при контактной, что дает возможность соединять миниатюрные детали.

2. Отсутствует механическое давление при получении сварной точки, что позволяет соединять хрупкие и легкодеформируемые детали, а также осуществлять процесс сварки навесу, значительно упрощая оснастку и технологию проведения сварки.

3. Время получения одной точки при лазерной сварке составляет 10^-2...10^-3 с, тогда как при контактной оно равно 0,5...1 с, т. е. производительность лазерного луча в сотни раз выше.

4. Возможность сварки в труднодоступных местах и через прозрачные среды в замкнутых объемах, что сделать контактной сваркой принципиально невозможно.

5. Возможность сварки материалов с резко отличающимися физическими свойствами и в первую очередь электрическим сопротивлением.