Лазерная сварка

ВВЕДЕНИЕ

 

Лазер открывает  возможность развития технологических  процессов обработки материалов в ряде областей машино- и приборостроения.

Высокие плотности мощности лазерного излучения, существенно превосходящие другие источники энергии, позволяют не только значительно увеличить производительность обработки, но и получить качественно  новые результаты, недоступные традиционным методам обработки.

Одним из применений лазера в машиностроении является соединение элементов сваркой.

          Термин "лазер" происходит от первых букв английской фразы: "Light amplification by the stimulated emission of radiation", что означает в переводе: "Усиление света посредством индуцирования эмиссии излучения". Академик Н.Г. Басов, удостоенный в 1964 г. совместно с академиком А.М.Прохоровым и американским ученым Ч.Таунсом Нобелевской премии за теоретическое обоснование и разработку лазеров, так характеризует лазер: "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 ее высокой концентрацией и возможностью передачи на значительное расстояние".

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ ЛАЗЕРНОЙ СВАРКИ

1.1. Основные элементы оборудования для лазерной сварки

 

В понятие «технология» входит целый  комплекс мероприятий по изменению  формы, размеров и свойств материалов, которые в конечном счете приводят к получению изделий с заданными  техническими требованиями. При разработке технологического процесса решаются как  чисто технические, так и организационно-экономические  задачи.

Наиболее  важными вопросами при разработке технологии являются: выбор соответствующего оборудования; оптимизация параметров сварки; выбор номенклатуры изделия; конструирование оптимального типа соединения; отработка технологических  приемов сварки различных типов  соединений.

Одним из основных этапов проектирования любого технологического процесса является выбор  соответствующего оборудования. От правильного  выбора оборудования в значительной степени зависит качество получаемого  изделия, производительность процесса и экономический эффект применения данного метода.

Оборудование  для лазерной обработки вообще и  для сварки в частности включает в себя следующие основные элементы:

1. технологический лазер;
2. систему отклонения и фокусировки луча;
3. систему наблюдения;
4. оснастку для крепления и перемещения детали;
5. средства контроля за параметрами процесса.

Все эти  элементы входят в состав лазерной технологической установки (рис. 1.1).

 

 

Рис. 1.1. Структурная схема лазерной технологической 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.

Основным  элементом оборудования является технологический  лазер, отличающийся надежностью и  простотой эксплуатации в жестких  условиях производства, а также имеющий  высокий ресурс работы и воспроизводимость  параметров излучения.

Выбор типа лазера для осуществления той  или иной сварочной операции должен осуществляться с учетом следующих  положений и рекомендаций:

1. на основании чертежа детали и технического задания на ее изготовление определить технологические операции, при выполнении которых потребуется лазер;
2. установить требуемую глубину проплавления и ширину шва; учесть при этом состав свариваемого материала;
3. оценить масштабы производства, его тип и требуемую производительность;
4. определить возможности предприятия по затратам  на  приобретение и эксплуатацию того или иного типа лазера;
5. рассчитать экономическую эффективность от применения лазерной сварки;

оценить возможности предприятия по площадям, культуре производства и подготовленности кадров.

Отклоняющие системы служат для изменения  направления луча от источника до детали. При проектировании или выборе этих систем необходимо учитывать следующие  положения и требования.

1. Взаимное  расположение детали и источника  излучения необходимо проектировать  с таким расчетом, что  бы  расстояние между ними было  минимально возможным. Также необходимо  сводить к минимуму количество  отклоняющих элементов. При соблюдении  этого условия достигается снижение  потерь излучения на отражение  и рассеивание.

2. Для  изменения направления излучения  с длиной волны, лежащей в  видимой или ближней инфракрасной  части спектра, используют призмы  полного внутреннего отражения  и интерференционные зеркала  с многослойными диэлектрическими  покрытиями. Такие системы применимы  в основном для твердотельных  технологических лазеров с длиной  волны 1,06 мкм и невысокой мощностью  излучения.

3. В системах  с мощными газовыми лазерами  с длиной волны излучения 10,6 мкм применяют металлические,  преимущественно медные зеркала.  При использовании С0₂-лазеров мощностью до 200 Вт возможно применение стеклянных зеркал с покрытиями из золота или алюминия.

4. При  выборе или конструировании отклоняющих  систем необходимо учитывать  возможность их нагрева вследствие  поглощения излучения. При относительно  небольших мощностях излучения,  особенно в непрерывном режиме  работы лазера, это может привести  к термическим деформациям оптических  деталей, к изменению их оптической  силы и, следовательно, к изменению  параметров сфокусированного пучка,  а также к увеличению аберраций.                                  

Фокусирующая  система служит для создания необходимой  плотности мощности на поверхности  детали.

 

Система наблюдения служит для наблюдения, контроля и наведения излучения  на обрабатываемую точку.

Существуют  две основные схемы систем наблюдения:

1. Система  наблюдения соосна с фокусирующей  системой.

2. Система  наблюдения расположена под углом  к фокусирующей системе.

Соосная система выполняется путем соответствующей  установки отклоняющих зеркал и  призм, полупрозрачных зеркал или зеркал с отверстиями. Такая схема применена  в системе наблюдения СОК-2, которой  оснащены установки серий КВАНТ. Для точного наведения луча на место сварки в оптических системах с совмещенными фокусирующими объективами  и микроскопом применяется сетка  с перекрестием, обеспечивающим максимальную точность наведения. Соосные системы  наблюдения применяются преимущественно  для лазеров с длиной волны  излучения в ближней инфракрасной области.

Помимо  рассмотренных функций оптическая система может обеспечивать перемещение; расщепление; сканирование и модуляцию  луча.

В большинстве  случаев относительное перемещение  детали и источника нагрева осуществляется за счет движения детали. Однако в случае высоких скоростей сварки и увеличенных  габаритов деталей удобнее использовать систему перемещения луча. Это  позволяет уменьшить массу подвижных  узлов, что облегчает управление их перемещением, способствует повышению  точности обработки.

Перемещение луча достигается следующими методами (рис. 1.2, а, б, б).

 

 

 

Рис. 1.2. Схема перемещения луча при неподвижной детали:

а — перемещение отклоняющего зеркала вдоль детали; б — колебания отклоняющего зеркала; в — круговое вращение системы зеркал

 

 

1. Использование  системы подвижных зеркал, перемещаемых  по соответствующим координатам.

2. При  небольших перемещениях используют  изменение угла наклона зеркала  по отношению к оптической  оси.

 

3. Для  обеспечения кругового перемещения  применяют систему вращения зеркала  вместе с объективом. Если радиус  окружности не превышает радиуса  поля зрения объектива, то круговую  траекторию движения фокального  пятна можно получить путем  смещения объектива и его вращения  относительно оси луча.

1.2. Фокусирующие системы для лазерной сварки

 

Излучение на выходе из резонатора технологического лазера представляет собой пучок  диаметром от нескольких миллиметров  до десятков миллиметров и не обеспечивает высокой степени концентрации энергии  и требуемого характера распределения  плотности мощности. Для реализации высокопроизводительного процесса лазерной сварки применяют различные  оптические системы преобразования параметров лазерного излучения.

Фокусирующие линзы и зеркала. С целью повышения плотности мощности лазерного излучения осуществляют его фокусировку. Для фокусировки применяется как прозрачная оптика проходного типа (линзы), так и отражательная металлооптика (зеркала).

Фокусирующие  прозрачные линзы используются при  малых мощностях лазерного излучения (до 1...3 кВт). При повышенных мощностях  лазерного излучения все шире начинают использоваться зеркальные фокусирующие системы из металлооптики, обеспечивающие значительно больший срок службы. Зеркальные фокусирующие системы используются в виде одиночного фокусирующего  зеркала или какого-либо варианта двухзеркального объектива Кассегрена.

Лазерная  сварка с фокусировкой одиночным  зеркалом может осуществляться, когда  фокусирующее сферическое зеркало  установлено под углом  к оси  падающего излучения. Может  использоваться дополнительно плоское зеркало, которое необходимо при обработке крупногабаритных деталей. Если обрабатываемые детали имеют небольшие размеры, то лазерное излучение можно направлять непосредственно на фокусирующее сферическое зеркало (по траектории отраженного от плоского зеркала излучения). Также может использоваться плоское кольцевое зеркало, а фокусирующее сферическое зеркало установливаться соосно с падающии излучением. Эту метод фокусировки целесообразно использовать в тех случаях, когда лазерное излучение имеет кольцевое сечение.

Большими  возможностями фокусировки мощного лазерного излучения для технологических целей обладают двухзеркальные   объективы(рис.1.3).

 

 

 

 

 

 

Рис. 1.3. Классическая схема

объектива Кассегрена:

1 — параболоидальное  зеркало;

2 — гиперболоидальное зерка-

ло; 3 — лазерный кольцевой

луч.

 

 

Объектив   Кассегрена состоит из большого вогнутого  параболоидального и малого выпуклого  гиперболоидального зеркал и обладает хорошими фокусирующими свойствами для достижения высокой концентрации энергии лазерного излучения. Однако этот объектив для фокусировки лазерного  излучения не применяется, так как  имеет существенные недостатки:

1) когда  внутренний диаметр кольцевого  луча меньше диаметра малого зеркала, происходит экранирование излучения малым зеркалом;

2) изготовление  зеркальных поверхностей второго  порядка весьма сложно, трудоемко  и дорого;

3) на  малом зеркале достигается высокая  концентрация энергии излучения,  что может вызывать тепловые  деформации поверхности зеркала  и ухудшение вследствие этого  фокусирующих характеристик.

Зеркальная  оптика для мощных технологических  лазеров обычно изготавливается  из чистой меди, обеспечивающей высокие  значения коэффициентов отражения  и теплопроводности.

Металлические зеркала изготавливают достаточно массивными и жесткими, чтобы они  могли выдержать высокий уровень  лазерного излучения и не допустили  значительных тепловых деформаций поверхности  зеркал.

Для снижения тепловых деформаций и повышения  стойкости в лазерах большой  мощности применяют искусственное  охлаждение медных зеркал водой. Использование  защитных и многослойных просветляющих  покрытий позволяет увеличивать  стойкость зеркал при хранении и  эксплуатации.

Лазерное  излучение сравнительно небольшой  мощности (до 1...3 кВт) фокусируется обычно линзами из оптически прозрачных материалов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. ОСОБЕННОСТИ  ПРОЦЕССА ЛАЗЕРНОЙ СВАРКИ

 2.1. Источники энергии

 

Одним из наиболее широко распространенных технологических  процессов в производстве является сварка. Сварка предназначена для  получения неразъемных соединений и осуществляется локальным приложением  различных видов энергии: электрической, механической, химической и др.