Лазерная сварка

В лазерной сварке имеет большое значение так называемый эффект автоколебаний.

Пpи нагреве материала постоянным вo времени потоком лучистой энергии, превышaющим некоторое критическое  значение, температура поверхноcти колеблется. Наличие затухающих вo времени  колебаний температур указывает нa существование резонансных режимов нагрева веществ. Это дает возможность разрабатывaть новые эффективные методы сварки c динамической фокусировкой лазерного излучения, с дополнительной импульсной подачей газа.

Следует отметить характерные особенности импульсно-периодической лазерной сварки, осуществляемой импульсами с длительностью 10-3...10-6c и частотой следования 100 Гц .. . 1 кГц при плотности мощности 106.. .107 Вт/см2 . Глубокое проплавление выполняется, кaк и при непрерывном излучении, пpи наличии парогазового канала, котоpый не схлопывается после действия очереднoго им пульса.

При средней мощности лазерного  излучения (1 кВ т) мощность В импульсе может достигать 100 к Вт . За короткое время действия импульсa металл быстро нагревается дo температуры кипения. Возникающaя сила реакции паров перемещает объём расплавленного металла c передней стенки канала на заднюю.

Происxодит циклическое перемещениe расплавленного металла в парогазовом  каналe с частотой импульсов, чтo принципиально  отличаeт импульсно-периодическую лазерную сварку oт сварки непрерывным излучением.

Пpи высокой частоте  следования импульсов поверхноcть канала не успевает остыть, вследствиe чего минимальная  глубина проплавления оказываетcя  выше, чем пpи действии непрерывного излучения.

Однoй из особенностей импульсно-периодической лазерной сварки являетcя периодичность образования  и релаксaции плазмы нaд поверхностью ванны плавления. Пpи этом мeжду  началом импульса и образованиeм  плазмы имеет место некоторaя  задержка по времени τ1 , a после окончaния импульса плазма релаксирует в течениe времени τ1. Временная структура излучения определяется соотношением длительностей импульса τи и паузы τп :

τи = (qFи)-1 ; τи = Fи-1 - τи; (Ф.3)

где q - скважность импульсов ; Fи - частота следования имп ульсов.

Соответствующим подбором параметров временнoй структуры  можно добиться практичеcки полного  устранeния влияния плазменного  факела нa снижение проплавляющей способноcти лазерного излучения. Для этогo необходимо выполнение следующиx условий: τи < τ1 ; τп > τ2

ЛАЗЕРНАЯ ИМПУЛЬСНАЯ СВАРКА

Лазерной сваркой называют технологический процесс получения  неразъемного соединения частей изделия  путем местного расплавления металлов по примыкающим поверхностям. В качестве источника нагрева используют концентрированный поток излучения лазера. В результате плавления и кристаллизации возникает прочное сцепление (сварной шов), основанное на межатомном взаимодействии. 

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. В соответствии с этим, сварку подразделяют на две основные группы: сварку малых толщин и сварку с глубоким проплавлением.

 

К первой группе технологических  признаков относятся способы, используемые для сварки материалов малых толщин, т. е. толщиной менее 1 мм. Принципиальным отличием этих способов является сварка при режимах, обеспечивающих только плавление материала без его интенсивного испарения. В этом случае применяют как непрерывный, так и импульсный режим излучения.

Материалы малых толщин можно сваривать непрерывными швами  и отдельными точками. При непрерывном  излучении используют шовную сварку, а при импульсном – как шовную, так и точечную. Шов в данном случае формируется как перекрытие отдельно действующих точек, его сплошность зависит от степени перекрытия.

При технологической  необходимости для прекрытия  зазора, исправления дефектов, дополнительного  легирования и других целей может  быть применена сварка с присадкой. Диаметр присадочной проволоки должен быть менее 1 мм, она должна направляться в зону сварки с отклонением не более 0.1 мм. В отдельных случаях возможно использоваие присадочного порошка. В большинстве случаев сварку осуществляют без присадки, при необходимости делают отбортовку кромок. Для получения высококачественных швов и точечных соединений, особенно на таких активных материалах, как титан, ниобий, молибден и другие, необходима защита шва от окисления. При лазерной импульсной сварке низколегированных деталей защиту можно не применять, что упрощает технологию и экономит инертные газы.

При сварке деталей малых  толщин применяют как автоматическую, так и ручную сварку. В последнем  случае деталь перемещается вручную, что  бывает технологически удобно при получении прецизионных соединений в труднодоступных местах. При использовании световода деталь может быть неподвижна, а рукой перемещают лазерную сварочную головку.

Под лазерной импульсной сваркой с глубоким проплавлением  понимается сварка материала толщиной более 1 мм. Процесс можно проводить как в непрерывном, так и в импульсно-периодическом режиме излучения лазера. Сварка с глубоким проплавлением в импульсно-периодическом режиме отличается более высокой энергетической эффективностью проплавления по сравнению с непрерывным режимом сварки. Однако скорость сварки в этом случае на порядок меньше. В большинстве случаев сварку с глубоким проплавлением осуществлют без использования присадочной проволоки, однако при необходимости легирования или снижения требований при сборке применяют сварку с присадкой.

Практически во всех случаях  сварка осуществляется с защитой  шва от окисления. Защитные среды  и средства защиты весьма разнообразны. Качество защиты в значительной степени  влияет на эффективность проплавления и свойства сварных соединений.

В зависимости от конструкции  свариваемых изделий, технологических  требований и ряда других факторов возможно проведение сварки со сквозным проплавлением и без сквозного  проплавления. Сквозное проплавление находит более широкое применение при сварке листовых нагруженных конструкций, а несквозное проплавление часто используют для герметизации или для соединения тонких деталей с массивными. При необходимости возможна двусторонняя сварка при несквозном проплавлении каждого прохода.  

 

Экономические признаки.  

 

При проектировании или  внедрении того или иного технологического процесса для интенсификации производства в современных условиях требуется  учет ряда экономических показателей. Лазерная сварка характеризуется несколькими  существенными экономическими признаками, от которых зависит эффективность рассматриваемых методов. 

 

·        Высокая производительность процесса;

·         Экономия энергозатрат;

·         Экономия материала;

·         Локальность обработки;

·        Возможность сварки в труднодоступных местах;

·        Снижения количества брака в свариваемых изделиях. 

 

 

  

Отличительные признаки	Способы сварки
	Сварка малых толщин (δ ≤ 1 мм)	Сварка с глубоким проплавлением (δ ≥ 1 мм)
Характер нагрева	Непрерывный Импульсный	Непрерывный Импульсно - периодический
Тип шва	Точки Точки с перекрытием Непрерывный шов	Непрерывный шов Точки с перекрытием
Тип проплавления	Сквозное Несквозное	Сквозное Несквозное
Вид защиты шва от окисления	Без защиты Газовая защита	Газовая защита Флюсовая защита
Технологические особенности	Сварка без присадки Сварка с присадкой	Сварка без присадки Сварка с присадкой
Степень автоматизации	Ручная сварка Автоматическая сварка	Автоматическая сварка Роботизированная сварка

 

 

Максимальная глубина  сварного шва, реализуемая комплексом LRS-150AU достигает 1 мм, а с помощью  комплекса HTS-300P можно достичь глубины сварного шва 1,5 – 2 мм.   

 

 

 

 

При сварке с глубоким проплавлением лазерная сварка металла имеет много общего с электродуговой сваркой. Прежде всего, это «ножевое» формирование металла шва с малой шириной и большой глубиной, что обусловлено высокой концентрацией энергии в зоне сварки. Распределение энергии лазерного излучения при стабильном режиме лазерной сварки с глубоким проплавлением показано на рис. 1.

 

Рис. 1 Схема энергетических потерь при стабильном режиме проплавления металла сфокусированным лазерным лучом: 1 – лазерный луч; 2 - основной металл; 3 – кратер (парогазовый канал); 4 – расплавленный металл; 5 – сварной шов; 6 – плазменный факел.

 

На эффективный КПД nв и форму проплавления влияют условия фокусирования луча, поскольку при этом изменяется плотность мощности, а соответственно, форма и размеры парогазового канала (рис. 2).

 

Рис. 2. Зависимость эффективного КПД nв от условий фокусировки луча относительно поверхности низкоуглеродистой стали при ЛС: Р = 5 кВт; Vсв = 16 ... 20 мм / с; фокусное расстояние lф = 210 мм

 

Максимальное поглощение излучения происходит при загибке  фокальной плоскости под поверхность изделия. Установлено, что величина углубления зависит от параметров системы. Степень углубления тем больше, чем более длиннофокусные системы используются, но максимальное углубление ограничивается толщиной металла.

Лазерный луч является наиболее концентрированным источником тепла, и доля теплоты, которая отводится в основной металл, мала. Процесс сваривания непрерывным излучением максимально приближается к модели нагрева пластин быстро перемещаемым линейным тепловым источником. Поэтому его термический КПД nт приближается к теоретическому значению (nт (теор) = 0,484).

Полный КПД (КПД проплавления nпр) зависит от мощности излучения  и в определенной степени от скорости сварки (Рис. 3, Рис. 4). 

 

Рис. 3. Зависимость полного  КПД от мощности лазерного луча при  сквозном проплавления нержавеющей  стали в атмосфере гелия при  скорости сварки 100 м/час.

 

 

Рис. 4. Зависимость nпр от скорости сварки в атмосфере гелия: Р = 3 ... 5 кВт, 1 – титановые сплавы (о - ВТ-28, * - ПТ-ЗВ), 2 - стали (∆ – Ст3; □ - 0Х18Н10Т)

 

Увеличение nпр при росте мощности излучения объясняется углублением парогазового канала и уменьшением потерь вследствие отражения энергии луча. Подобный характер влияния мощности лазера на КПД проплавления сохраняется в различных газовых средах (Не, СО2, N2. Аr), но максимальное значение nпр наблюдается в среде Не, а минимальное - в среде Аr. Следует отметить влияние факела плазмы, образующейся над парогазовым каналом, на энергетические характеристики луча. Параметры луча при прохождении через факел меняются в результате поглощения части энергии и ухудшения фокусировки луча. Поэтому рекомендуется применять газы, которые уменьшают степень ионизации, или сдувать факел потоком инертного газа, что повышает эффективность воздействия излучения.

Эффективность процесса лазерной сварки металла лучом мощного СО2-лазера возрастает при увеличении скорости сварки до 28…30 мм/с (100…108 м/час.), а затем стабилизируется. Это объясняется уменьшением потерь энергии за счет теплопроводности.

Установлено, что наиболее эффективное проплавление металла  происходит при отклонении луча назад относительно направления сваривания, что объясняется уменьшением экранирующего действия парогазового факела, более равномерным распределением энергии луча в канале сварочной ванны и уменьшением влияния отраженного излучения на работу квантового генератора. Оптимальный угол отклонения луча обычно суммарный с углом схода лазерного луча после фокусирующей линзы. Влияние угла отклонения луча на КПД проплавления nпр показано на рис. 5.

Особенностью лазерной сварки металла является широкий диапазон изменения режимов, что позволяет соединять различные металлы толщиной от нескольких микрометров до десятков миллиметров с механизмами проплавления. Поэтому все существующие способы лазерной сварки металла можно распределить по энергетическим, технологическим и экономическим характеристикам на: непрерывную лазерную сварку с глубоким проплавлением; импульсно-периодическую лазерную сварку с глубоким проплавлением; непрерывную лазерную сварку малой толщины; импульсную лазерную сварку малой толщины.

Под лазерной сваркой  металла с глубоким проплавлением  понимают сваривание металлов толщиной более 1,0 мм. Процесс можно осуществлять как в непрерывном, так и в  импульсно-периодическом режиме излучения  лазера.

 

Рис. 5. Зависимость КПД  проплавления от угла отклонения лазерного  луча: Р = 4 кВт; Vсв = 20 мм/с (72 м/час). Фокусное расстояние lф = 300 мм, 0 - титановый сплав ПТ-3В; ? - нержавеющая сталь 0X18H10T.

 

Сварка металла малой  толщины в 1,0 мм может производиться  в непрерывном или импульсном режиме излучения. Для непрерывного режима используют как газовые, так  и твердотельные лазеры мощностью излучения в непрерывном режиме до 1,0 кВт. Импульсный режим обеспечивается обычно твердотельными лазерами с энергией излучения до десятков джоулей. Материалы малой толщины сваривают как непрерывными швами, так и отдельными точками.

По энергетическим характеристикам  способы сварки делятся на три  группы. Первая группа - плотность мощности Е = 10^5…10^6 Вт/см2 и время действия t > 10^-2 с; вторая - Е = 10^6…10^7 Вт/см2, t < 10^-3 с; третья - Е = 10^5 ... 10^6 Вт/см2, 10^-3 < t <10^-2 с. К первой группе способов относится сваривание с непрерывным излучением лазера с различными длинами волн. Продолжительность действия t определяется отношением диаметра сфокусированного луча d к скорости сварки Vсв: t = d/Vсв. Способы лазерной сварки этой группы применяются как для малой, так и для большой толщины путем изменения плотности мощности и времени действия излучения.