Лазерная сварка

Ко второй группе способов относится сваривание с импульсно-периодическими режимами. Сочетание высокой плотности  мощности с импульсами многоразового действия луча позволяет вести сварку металлов и сплавов различной толщины при меньших затратах энергии, чем при непрерывном излучении. Частота импульсов составляет десятки и сотни Гц, а продолжительность их действия меньше, чем при сварке способами первой группы.

К третьей группе способов относится сваривание, при котором  образование соединения определяется временем действия импульса с образованием точки расплава. Сочетание плотности  мощности и времени действия импульса позволяет сваривать только малые толщины.

Способы сварки второй группы применяют только для сваривания с большой глубиной проплавления, третьей - только для малой толщины. Сварка с глубоким проплавлением  при непрерывном использовании  выполняется со скоростями 108…144 м / час мощными газовыми лазерами. Сварка обычно ведется без присадочного материала и только в автоматическом режиме. Сварка в импульсно-периодическом режиме отличается более высокой энергетической эффективностью проплавления, но скорость сварки значительно меньше.

При необходимости можно  выполнять лазерную сварку с присадочным  материалом, который должен подаваться точно в зону сварки и иметь  диаметр не более 1,0 мм, независимо от толщины деталей.

Лазерная сварка металлов малой толщины может выполняться  как в импульсном, так и в непрерывном режиме. Наиболее распространено импульсное сваривание. При лазерном сваривании металла малой толщины применяют как автоматическая, так и ручная сварка.

Лазерная сварка с  глубоким проплавлением.

Раздел: Лазерная сварка. 
Дата опубликования: 12|10|13

Лазерный луч обеспечивает высокую концентрацию энергии (до 108 Втсм), 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 Втсм). 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: А, Не, СО 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 мм), проволока диаметром от 10 до 500 мкм, проволока к подложке, тонкие листы к массивным элементам (рис 
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 1 О...1 О Втсм и диапазон длительностей импульсов и мс. При этом диаметр сварных точек составляет мм, а глубина проплавления 0,0 З...1,3 мм. Производительность точечной сварки определяется частотой генерации импульсов, 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. Некоторые типы соединений, выполняемых шовной лазерной сваркой, показаны на рис. 2.14. 
Основными параметрами процесса шовной импульсной и непрерывной сварки, определяющими качество сварного соединения, считаются: энергия импульса Е, длительность воздействия лазерного излучения на обрабатываемый материал и, диаметр сфокусированного излучения, частота следования импульсов (для ИПР) и положение фокальной плоскости лазерного луча относительно поверхности свариваемых деталей. Все параметры обычно определяются экспериментально, в зависимости от требований технического процесса. Приблизительно, и мм, средняя скорость сварки - до 5 ммс, - 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.

Лазерная сварка

Лазерная сварка, в отличие от электронно-лучевой, также обеспечивающей высокую концентрацию энергии, не требует вакуумных камер. Ее ведут либо на воздухе, либо в защитных газах (Ar, He, CO₂).

Оборудование для лазерной обработки вообще и для сварки в частности (рис. 1) включает в себя следующие основные элементы: источник когерентного излучения – технологический лазер; систему транспортировки, отклонения и фокусировки излучения; систему наблюдения; систему газовой защиты изделия; оснастку для крепления и перемещения изделия; средства контроля параметров процесса.

Рис. 1. Схема лазерной сварочной установки 
1 – технологический лазер; 2 – лазерное излучение; 3 – оптическая система; 4 – обрабатываемая деталь; 5 – устройство для закрепления и перемещения детали; 6 – датчики параметров технологического процесса; 7 – программное устройство; 8 – датчики параметров излучения

В основу классификации  методов лазерной сварки положены три  группы признаков: - энергетические признаки, к которым относятся плотность  мощности (Вт/см²) и длительность воздействия (с) излучения; - технологические признаки, по которым различают сварку металлов с глубоким проплавлением и сварку деталей малых толщин; - экономические признаки.

Лазерную сварку ведут, как правило, при плотностях мощности излучения, находящихся в диапазоне от 1 до 10 МВт/см². Меньшие плотности мощности не рекомендуются, так как при этом более эффективны и экономичны другие методы сварки. При плотностях мощности более 10 МВт/см²происходит интенсивное испарение метала, которое приводит к выплеску сварочной ванны и нарушению качественного формирования шва. Сочетание плотности мощности с определенной длительностью воздействия излучения на материал позволяет сваривать металлы и сплавы разных толщин.

Лазерная сварка с глубоким проплавлением обеспечивает соединение металлов толщиной >1,0 мм и выполняется лазерами непрерывного и импульсно-периодического действия. Лазерную сварку с глубоким проплавлением ведут, как правило, без присадочного материала в защитной среде. Малыми при лазерной сварке считаются толщины металлов <1,0 мм. Принципиальным, в отличие от сварки с глубоким проплавлением, является отсутствие значительного перегрева и испарения расплавленного металла. В большинстве случаев сварку металлов малых толщин ведут без присадки и защитной среды. Однако при сварке активных материалов, таких как титан, молибден, ниобий, цирконий, применяют защитные газы для предохранения от окисления. Лазерную сварку можно выполнять во всех пространственных положениях.

Широкое применение лазерной сварки в ряде случаев сдерживается соображениями экономического характера. Стоимость технологических лазеров пока еще достаточно высока, что требует тщательного анализа возможностей лазерной сварки. Наиболее перспективно применение лазерной сварки в тех случаях, когда использование традиционных способов сварки сопряжено с определенными трудностями.

Наибольшее применение лазерная сварка нашла в производстве изделий электронной и радиотехнической промышленности, в точном приборостроении, при получении микроминиатюрных элементов.

Лазерная сварка с  глубоким проплавлением может быть со сквозным 
проплавлением (например, сварка листовых ненагруженных конструкций) и с 
несквозным проплавлением (например, при соединении тонких деталей с массивными).

Эффективность сварки с  глубоким проплавлением повышается при совместном 
действии лазерного излучения и другого, менее дорогостоящего источника 
нагрева, например электрической дуги или магнитного поля. Суммарный эффект такого 
воздействия выше, чем сумма эффектов воздействия каждого источника независимо 
друг от друга. В этом случае возможно применение менее мощного лазера или 
повышение скорости обработки.

Повышению эффективности  процесса сварки с глубоким проплавлением  также 
способствует подготовка свариваемых кромок - их предварительная разделка, что 
приводит к "заневоливанию" лазерного излучения.

В отличие от сварки малых  толщин лазерную сварку с глубоким 
проплавлением можно проводить только в автоматическом режиме. Для контроля за 
ходом процесса используют калориметрические и фотоэлектрические датчики, 
связанные с системой автоматического управления параметрами излучения, 
положением обрабатываемой детали, скоростью обработки.

Лазерную сварку с  глубоким проплавлением широко используют в 
производстве крупногабаритных корпусных деталей, например, двигателей и 
обшивки самолетов, автомобилей и судов; валов и осей, работающих в условиях 
знакопеременных нагрузок, например, карданных валов автомобиля; при 
изготовлении деталей механизмов и машин, состоящих из разных материалов 
(например, из легированных сталей и более дешевых материалов); для сварки труб, 
арматурных конструкций и в ряде других производств. Преимущества лазерной 
сварки с глубоким проплавлением особенно заметно проявляются при сварке 
углеродистых и легированных сталей, алюминиевых, магниевых, титановых и никелевых сплавов.

По сравнению с электронно-лучевой  сваркой лазерная сварка не требует 
специальных вакуумных камер, что позволяет расширить номенклатуру размеров 
обрабатываемых деталей. С другой стороны, электронное излучение обладает 
большей "проникающей способностью", что позволяет сваривать изделия 
значительно большей толщины. Комплексное сравнение этих методов по 
технологическим и экономическим характеристикам показало, что при мощностях 
излучения до 4 кВт (сварка различных металлов толщиной до 5 мм) 
преимущество лазерных методов сварки, несомненно. Если же необходима мощность излучения 
более 10 кВт (сварка металлов толщиной более 10 мм), то экономически 
выгоднее использовать электронно-лучевую сварку. В промежуточном диапазоне 
требуемых мощностей источников излучения необходимо более детальное сравнение 
конкретных технологических процессов и условий производств.

Лазерная сварка с  глубоким проплавлением требует высокой точности и 
стабильности направления воздействия лазерного излучения, например, допуск на 
отклонение оси лазерного пучка может составлять 0,2 мм при длине сварного 
шва в несколько метров. Необходима также тщательная сборка деталей под лазерную 
сварку: зазор при сборке деталей под сварку должен быть, как правило, менее

0,       
3 мм. Для этого требуется тщательная 
подготовка кромок свариваемых деталей, поэтому часто лазерной сварке предшествует 
либо лазерная резка (раскрой) материалов, обеспечивающая требуемое качество 
кромок, либо механическая обработка с большой точностью.

Высокое качество сварного шва, полученного с помощью лазерного 
излучения, в ряде случаев позволяет исключить его последующую обработку.

В ряде случаев, например, 
при контроле крупногабаритных изделий и изделий большой протяженности 
(трубопроводов), успешно применяется сочетание методов акустической эмиссии и 
ультразвукового излучения. С помощью акустической эмиссии с высокой точностью 
определяется месторасположение дефекта, а ультразвуковым методом - параметры 
дефекта.