Лазерная сварка — это исторически одно из самых первых применений лазеров в производстве. После появления импульсных твердотельных лазеров они почти сразу стали использоваться для микросварки в микроэлектронике. Затем, с появлением мощных СО2-лазеров, была созданы различные технологии лазерной стыковой сварки. Исследованием этих технологий интенсивно занимались и в бывшем СССР, пионером здесь была исследовательская группа Феликса Косырева (Институт Атомной физики им.И.В.Курчатова), очень плодотворно работал межотраслевой коллектив, созданный для внедрения лазерной сварки в атомном машиностроении строении (Ижорский завод и НИИЭФА им.Ефремова).
Одна из серьезных трудностей при планировании использования лазерной сварки в производстве связана с отсутствием в СНГ производства современных мощных СО2-лазеров. Лазеры, которые разрабатывались для этой цели в 80 годы (НИИЭФА — ТЛ «Славянка» — 16 кВт, НИЦТЛ РАН, г.Шатура — ТЛ-5, ТЛ-10) уже морально устарели, а импортное оборудование очень дорого для использования на внутреннем рынке. Но эта проблема будет решена в ближайшие годы. Например, с 2002 года ТулаМашЗавод выпускает сварочные модификации YAG лазеров MLTI-500 и MLTI-1200, в планах есть и модель мощностью 2 кВт. Это уже нормальный производственный инструмент для лазерной сварки металлов толщиной несколько миллиметров.
Лазерная сварка с использованием CO2 и Nd:YAG лазеров получает все более широкое распространение в промышленности. Мощные CO2 лазеры (2-12 кВт) используются для сварки кузовов автомобилей, компонентов трансмиссий и специальных листовых заготовок.
Лазерная сварка
Лазерная сварка — это процесс соединения материалов (прежде всего металлов) при котором происходит расплавлением кромок с помощью концентрированного лазерного луча и образования общей ванны расплавленного металла с последующим затвердеванием.
Лазерная сварка — процесс бесконтактный, потому более чистый, чем другие виды сварки. Сварочный шов не загрязнен материалами электродов, флюса и т.д.
Лазерная сварка происходит при высокой концентрации энергии, поэтому производительность сварки намного превышает производительность традиционных видов сварки.
Поводки и термодеформации при лазерной сварке значительно меньше, чем при традиционных видах сварки.
При облучении поверхности тела светом энергия квантов света поглащается этой поверхностью. Если световую энергию сконцентрировать на малом участке поверхности, можно получить высокую температуру. На этом основана сварка световым лучом оптического квантового генератора — лазера. 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.
Лазерные технологии в машиностроении
... машиностроении и приборостроении. Значительная импульсная мощность и энергия излечения современных твердотельных и газовых лазеров позволили вплотную подойти к решению проблем лазерной энергетики - разработке лазерного ... разряд; химическая реакцияОбработка материалов (гравировка, сварка и т. д.), фотоакустическая спектроскопия.Эксимерный ... размеры резонатора выбраны большими по сравнению с длиной волны ...
Основные элементы лазера — генератор накачки и активная среда. По активным средам различают твердотельные, газовые и полупроводниковые лазеры. Лазерную сварку производят на воздухе или в среде защитных газов. Вакуум, как при электронно-лучевой сварке, здесь не нужен, поэтому лазерным лучом можно сваривать крупногобаритные конструкции. Лазерный луч легко управляется и регулируется, с помощью зеркальных оптических систем легко транспортируется и направляется в труднодоступные для других способов места. В отличие от электронного луча и электрической дуги на него не влияют магнитные поля, что обеспечивает стабильное формирование шва. Из-за высокой концентрации энергии в процессе лазерной сварки объём сварочной ванны небольшой, малая ширина зоны термического влияния, высокие скорости нагрева и охлаждения. Это обеспечивает высокую технологическую прочность сварных соединений, небольшие деформации сварных
Скорость лазерной сварки непрерывным излучением в несколько раз превышает скорости традиционных способов сварки плавлением. Например, стальной лист толщиной 20 мм электрической дугой сваривают со скоростью 15 м/ч за 5…8 проходов, ширина шва получается 20 мм. Непрерывным лазерным лучом этот лист сваривается со скоростью 100 м/ч за 1 проход, получают ширину шва 5 мм. Однако лазерная сварка импульсным излучением по скорости сопоставима с традиционными способами сварки. Лазерную сварку можно производить со сквозным и частичным проплавлением. Сварные швы одинаково хорошо формируются в любом пространственном положении. При толщине свариваемых кромок менее 0,1 мм и при сварке больших толщин с глубоким проплавлением по-разному происходит формирование шва и различны подходы к выбору параметров режима сварки. При сварке как непрерывным, так и импульсным излучением малых толщин используют более мягкие режимы, обеспечивающие лишь расплавление металла в стыке деталей без перегрева его до температуры интенсивного испарения. Сварку сталей и других малоактивных металлов можно в этом случае выполнять без дополнительной защиты зоны нагрева, что существенно упрощает технологию, тогда как сварку с глубоким проплавлением ведут с защитой шва газом, состав которого подбирают в зависимости от свариваемого материала.
Широкое применение лазерной сварки сдерживается экономическими соображениями. Стоимость технологических лазеров пока ещё высока, что требует тщательного выбора области применения лазерной сварки. Однако, если применение традиционных способов не дает желаемых результатов либо технически неосуществимо, можно рекомендовать лазерную сварку. К таким случаям относится необходимость получения прецизионной конструкции, форма и размеры которой не должны меняться в результате сварки. Лазерная сварка целесообразна, когода она позволяет значительно упростить технологию изготовления сварных изделий, выполняя сварку как заключительную операцию, без последующей правки или механической обработки. Экономически эффективна лазерная сварка, когда необходимо существенно повысить производительность, поскольку скорость ее может быть в енсколько раз больше, чем у традиционных способов.
Как уже говорилось лазерная сварка – это принцип использования светового луча, который генерирует оптический квантовый генератор. В чем его суть? За счет поступления электрической, химической или другой энергии атомы активного вещества переходят в возбужденное состояние. Через некоторое время возбужденный атом сам начинает излучать полученную энергию в виде фотона и затем возвращается в свое исходное состояние.
Из всех генераторов излучения (лазеров) для сварки наиболее подходят их газовые и твердотельные модификации. На рисунке дана принципиальная схема твердотельной лазерной сварочной установки.
Компоновка лазерной установки
Сама установка состоит из рабочего тела 3, генератора накачки 1, обеспечивающего световую энергию для возбуждения атомов активного вещества-излучателя. Полученное излучение фокусируется и направляется с помощью оптической системы 2 на свариваемое изделие 4.
Такая установка может осуществлять сварку через прозрачные оболочки.
Ниже перечислены основные преимущества лазерной сварки перед другими методами:
Лазерная сварка высокой мощности характеризуется образованием каверн. Энергия лазера плавит и испаряет металл. Давление паров выталкивает расплавленный металл, таким образом возникает полость – каверна. Каверна способствует передаче энергии лазера в металл и направляет лазерный пучок вглубь металла. Таким образом, сварка с образованием каверн позволяет получать очень узкие и очень глубокие швы, поэтому ее также называют сваркой с глубоким проплавлением.
При сварке можно использовать корреляцию между внешним видом сварных точек и их качеством:
|
Сварная точка с каверной |
Сварная точка без каверны |
Виды лазерной сварки
1. Стыковая лазерная сварка.
Характерные особенности:
- Стык беззазорный, сварка без флюса и, как правило, без присадки. Довольно жесткие требования на величину зазора. Зазор должен быть менее 0.2 мм.
- Точность наведения
сфокусированного луча на стык также 0.1-0.2 мм. - Сварка проходит с
формированием каверны (кинжальное проплавление) на всю толщину свариваемого металла. - Фокусировка, как правило, — на поверхность металла.
- Оптимальная интенсивность лазерного изучения 1-МВт/см2, при большей интенсивности
происходит экранирование лазерной плазмой поверхности детали. - Глубина лазерной сварки при характерной
скорости 2 м/мин составляет 1-1.5 кВт/мм.
-Ширина сварного шва уменьшается при увеличении
- Требуется защита шва от окисления с помощью инертного газа (Азот, Аргон), а также защита зоны сварки от пробоя лазерным излучением с помощью Гелия или гелий-содержащей смеси (He-Ar).
-Многопроходная лазерная сварка с присадочной
2. Нахлесточная лазерная сварка.
Применяется при изготовлении теплообменных панелей, а также в тех случаях тогда необходимо соединить две и более наложенных друг на друга детали.
Особенности:
- Не требуется точного наведения на стык (его нет!)
- Требования на зазор между поверхностями металла в зоне сварки остаются. Сварку ведут с локальным прижимом деталей.
- Мощность лазерного луча определяется исходя из необходимости насквозь проварить верхний лист металла и нижний на глубину, равную приблизительно 0.5-1 мм.
- Прочность на отрыв пропорциональна ширине шва на верхней поверхности нижней детали и длине шва. Иногда для увеличения прочности применяется двойной шов.
Газы и газовые смеси для лазеров
Сварочные газы должны отвечать нескольким требованиям – они должны экранировать сварочную ванну и зону термического влияния, защищать оптику от паров и разбрызгивания, обеспечивать защиту и предотвращать образование плазмы при сварке с помощью CO2 лазера. Плазма представляет собой облако ионизированных паров металла и газов, которое может образоваться над каверной. Это облако поглощает лазерное излучение и прерывает процесс сварки. Данное явление зависит от типа лазера и приложенной мощности, поэтому при лазерной сварке используются различные газы.
