Лазерная сварка

Лазерное  излучение обеспечивает высокую  концентрацию энергии, существенно  превосходящую другие источники  энергии, используемые для сварки. На рис. 2.1 приведены значения плотности мощности лазерного излучения, получаемого в оптических квантовых генераторах, часто называемых просто лазерами. Плотность мощности представляет собой отношение мощности источника к его площади и характеризует концентрацию источника нагрева. Из сопоставления лазерного источника нагрева с другими сварочными источниками следует, что лазерный луч на несколько порядков превосходит по концентрации остальные источники теплоты, используемые для сварки.

           

 

Рис. 2.1. Концентрация энергии различных тепловых источников (плотности мощности):

ГП —  газовое пламя; ДП — дуговая плазма; ЭЛ — электронный луч; ИР — искровой разряд; СД — сварочная дуга; ЛИ —  лазерное излучение

 

 

 

 

Достаточно  высокую концентрацию энергии также  обеспечивает электронный луч, используемый в настоящее время для сварки ответственных конструкций. Электронно-лучевая  сварка осуществляется в вакуумных  камерах, что является в настоящее  время необходимым условием устойчивого  проведения процесса

Лазерная  сварка в отличие от электронно-лучевой  не требует вакуумных камер. Процесс  лазерной сварки осуществляется в атмосфере  воздуха либо в среде защитных нейтральных газов (Аг, Не), в среде  углекислого газа (С0₂) и др. Поэтому создается возможность использования лазерной сварки для соединения элементов конструкций любых габаритов.

 

 

Особенностью  лазерного  излучения является возможность легкой его транспортировки. С помощью зеркальных оптических систем  лазерный луч можно направлять в труднодоступные  места, подавать на значительные расстояния без потерь энергии, одновременно  или последовательно использовать на нескольких рабочих участках. Эти характерные особенности лазерного  излучения создают возможность легкого и оперативного управления процессом лазерной сварки. К этому следует добавить простоту управления энергетическими характеристиками лазерного излучения.

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 всей длине.

Для сварки металлов используются твердотельные  и газовые лазеры. Различают технологические  лазеры импульсно-периодического и  непрерывного действия. 

Из твердотельных  лазеров для сварки применяют  лазеры на рубине (в качестве твердого активного элемента в нем использованы стержни из кристалла искусственного рубина). Эти лазеры генерируют обычно импульсно-периодическое излучение  на длине волны l= 0,69 мкм с длительностью импульсов t @ 10^-3... 10^-9 с,

Более высокими значениями мощности отличаются твердотельные  лазеры с активным элементом в  виде стержней из стекла с примесью неодима. Эти лазеры способны генерировать большую энергию в десятки джоулей.

Большими  технологическими возможностями отличаются твердотельные лазеры с активным элементом из иттрий-алюминиевого граната  с добавкой неодима. Эти лазеры могут  генерировать излучение не только в  импульсно-периодическом, но и в  непрерывном режиме на длине волны  излучения l= 1,06 мкм.

Большую перспективу для лазерной сварки представляют газовые лазеры, в которых  в качестве активной среды используется диоксид углерода С02. Эти лазеры способны развивать в настоящее  время среднюю мощность от нескольких сотен ватт до десятков киловатт в  непрерывном и импульсно-периодическом  режимах генерации излучения  с длиной волны l =  10,6 мкм. В этих лазерах достигается достаточно высокий КПД преобразования электрической энергии в энергию излучения (10...20% и более).

Лазерное  излучение является когерентным, монохроматичным, обеспечивающим малую расходимость и, следовательно, имеет возможность  высокой степени фокусировки  для достижения больших значений концентрации энергии излучения. Благодаря  этому на поверхности материала, обрабатываемого сфокусированным  лазерным излучением, происходит локальный  нагрев. При этом обеспечиваются высокие  скорости нагрева и охлаждения, существенно  превосходящие эти параметры  при тради-ционных методах теплового воздействия, малый объем расплавленного металла, весьма незначительные размеры околошовной зоны термического влияния. Эти особенности теплового воздействия предопределяют специфику физико-химических и металлургических процессов в металлах при лазерной сварке и характерные свойства полученных сварных соединений.

2.2. Источники питания

Рис. 2.1. Способы зажигания

 

Маломощные  источники тока:

 

Такие источники  нашли широкое применение в устройствах  питания ГРП, используемых для создания прежде всего газовых атомарных  и молекулярных лазеров.

Рис. 2.2. Электрическая схема источника  питания гелий-неонового лазера ОКГ-13 с балластными резисторами. Зажигание осуществляется вручную

 

Рис. 2.3. Схема источника питания  с автоматическим зажиганием

 

Импульсные  источники питания с реактивными токоограничительными элементами:

Достоинства таких схем: возможность уменьшения вдвое входного напряжения, нечувствительность к токам короткого замыкания, высокий КПД. Недостаток: подмагничивание, которое способствует возникновению  бросков тока в первичной обмотке  трансформатора и увеличению потерь.

Рис. 2.4. Принципиальная схема импульсного  источника питания ИПИ-2

 

 

 

 

 

 

 

Источники электропитания полупроводниковых  излучателей:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Применение  той или иной схемы диктуется  техническим заданием. В частности, тиратронные и тиристорные схемы  позволяют получать большие средние  мощности. Ламповые схемы дают возможность  регулировать в широких пределах длительность и частоту повторения импульсов накачки при малом  времени нарастания разрядного тока. Использование транзисторных схем обеспечивает большую мощность накачки, длительность и частоту повторения импульсов.

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 2.6. Транзисторная схема источника питания полупроводникового излучателя

 

Рис. 2.7. Электрическая схема источника  питания ГИТ-10 для полупорводникового излучателя с нелинейными дросселями

 

 

 

 

 

2.3. Теплофизические показатели лазерной сварки

 

Распространение теплоты при лазерной сварке подчиняется  законам теплопроводности. Для возможности  анализа тепловых процессов на основе теории теплопроводности в первую очередь  необходимо соответствующим образом  задать тепловой источник в месте  воздействия лазерного излучения. Это можно выполнить с учетом специфических особенностей взаимодействия лазерного излучения с металлами  при сварке.

Лазерное  излучение, направленное на поверхность  материала, частично отражается от поверхности, а частично поглощается материалом. Вследствие поглощения излучения в  обрабатываемом материале начинает действовать интенсивный источник теплоты.

По энерговкладу в единицу объема обрабатываемого  материала лазерная сварка занимает промежуточное положение между  поверхностной термообработкой  и резкой. Характер и интенсивность  воздействия в первую очередь  зависят от плотности мощности лазерного  излучения Е (Вт/м²) в зоне обработки, определяемой отношением мощности лазерного излучения Р (Вт) к площади пятна, сфокусированного на поверхности лазерного излучения.

При уровнях Е @10⁸...10⁹ Вт/м² происходит активный локальный разогрев материала, при котором не наблюдается заметного испарения или разрушения материала. Такие источники нагрева используются для термообработки, наплавки, легирования и сварки металлов небольшой толщины 0,5...1,0 мм.

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. 2.8 (по данным О.А.Величко и др.).

 

Рис. 2.8. 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.

Эффективность процесса сварки принято характеризовать  значением эффективного КПД h_и, представляющим отношение энергии или мощности, поглощенной металлом при сварке, к энергии или мощности, подводимой к свариваемым деталям.

Таким образом, независимо от абсолютного уровня мощности существует область оптимальных  режимов сварки в диапазоне 20...40 мм/с, обеспечивающих высокий уровень  эффективности расплавления в сочетании  с высокой производительностью. Достигаемые при этом значения термического КПД на уровне h_t= 0,35...0,40 значительно превосходят значения, полученные при традиционных способах дуговой сварки, не превышающие, как правило, 0,18...0,22.

 

 

 

 

 

2.4. Тепловые процессы

 

Распространение теплоты в материале при сварке описывается по законам теплопроводности. В общем случае изменение температуры  произвольной точки твердого тела во времени определяется нелинейным дифференциальным уравнением теплопроводности в частных  производных, аналитическое решение  которого затруднительно. При введении условия независимости теплофизических  свойств материала от температуры  дифференциальное уравнение сводится к упрощенному линейному виду, решаемому для ряда случаев в  аналитической форме 

Для расчета  тепловых процессов следует правильно  задать источник теплоты, соответствующий  рассматриваемому случаю сварки. Как  уже отмечалось, лазерный луч, используемый для сварки, отличается высокой степенью концентрации энергии на малом участке  поверхности. Это дает основание  считать, что в большинстве случаев  лазерной сварки источник нагрева действует  в очень малом объеме, который  для удобства аналитического расчета  представляется бесконечно малым объемом.

Для однопроходной  лазерной сварки встык с полным проплавлением  элементов малой и средней  толщины (до 6...10 мм) обеспечивается так  называемое “кинжальное” проплавление, практически равномерное по толщине. В этом наиболее распространенном случае  лазерной сварки можно считать, что  действует сосредото- ченный источник теплоты с равномерным распределением по толщине. Это так называемый линейный источник теплоты (рис. 2.9), сосредоточенный в бесконечно малом объеме равномерно по толщине (по линии О — O^).

 

Рис. 2.9. Расчетная схема линейного источника теплоты

 

 

 

 

 

 

 

При лазерной сварке с полным проплавлением отдельным  импульсом источник теплоты представляется в виде мгновенного линейного.

При импульсно-периодическом  лазерном воздействии процесс нагрева  тела при сварке описывается непрерывно действующим источником теплоты, который  представляется в виде серии действующих  друг за другом мгновенных источников теплоты.