Лазерная сварка
Сущность и основные преимущества сварки лазерным лучом
При облучении поверхности тела светом энергия квантов (порций) света поглощается этой поверхностью. Образуется теплота, температура поверхности повышается. Если световую энергию сконцентрировать на малом участке поверхности, можно получить высокую температуру. На этом основана сварка световым лучом оптического квантового генератора — лазера.
Что такое лазер
Термин «лазер» происходит от первых букв английской фразы: «Light amplification by the stimulated emission of radiation». Перевод: «Усиление света посредством индуцирования эмиссии излучения». За теоретическим обоснование и разработкой лазеров стоят трое ученых: академик Н. Г. Басов, академик А. М. Прохоров и американский физик Ч.Таунс. В 1964 году это открытие принесло им Нобелевскую премию.
Академик Басов охарактеризовал лазер так: «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 её высокой концентрацией и возможностью передачи на значительное расстояние».
Виды и принцип работы лазера
Основные элементы лазера — это генератор накачки и активная среда. По активным средам различают твердотельные, газовые и полупроводниковые лазеры.
Твердотельные лазеры
В твердотельных лазерах (рис. 1) в качестве активной среды чаще всего применяют стержни из розового рубина — окиси алюминия А12О3 с примесью ионов хрома Сг3+ (до 0,05%). При облучении ионы хрома переходят в другое энергетическое состояние — возбуждаются — и затем отдают запасенную энергию в виде света. На торцах рубинового стержня нанесен слой отражающего вещества (например, серебра) так, что с одного конца образовано непрозрачное, а с другого — полупрозрачное зеркало. Излучение ионов хрома, отражаясь от этих зеркал, циркулирует параллельно оптической оси стержня, возбуждая новые ионы, — идет лавинообразный процесс.
Происходит бурное выделение лучистой энергии, которая излучается параллельным пучком через полупрозрачное зеркало и фокусируется линзой в месте сварки. Выходная мощность твердотельных лазеров достигает 107 Вт при сечении луча менее 1 см2. В фокусе достигается громадная концентрация энергии, позволяющая получать температуру до миллиона градусов.
Рис. 1. Схема твердотельного лазера:
1 — рубиновый стержень; 2 — генератор накачки; 3 — отражатель; 4 — непрозрачное зеркало; 5 — охлаждающая среда; 6 — источник питания; 7 — полупрозрачное зеркало; 8 — световой луч; 9 — фокусирующая линза; 10 — обрабатываемые детали
При работе в импульсном режиме существенный недостаток твердотельного лазера — низкий КПД (0,01…2,0%). Более высокую мощность и больший КПД обеспечивают лазеры, работающие в непрерывном режиме. Например, твердотельный лазер на алюмоиттриевом гранате, активированном атомами неодима (приблизительно 1%).
Газовые лазеры
Ещё более высокий КПД и мощность у газовых лазеров. В качестве активной среды в них применяют чаще всего СО2 или смесь газов. Генераторами накачки могут служить искровые разрядники или электронный луч.
Типичная конструкция газового лазера — это заполненная газом трубка, ограниченная с двух сторон строго параллельными зеркалами: непрозрачным и полупрозрачным (рис. 2). В результате электрического разряда между введенными в трубку электродами возникают быстрые электроны, которые возбуждают газовые молекулы. Возвращаясь в стабильное состояние, эти молекулы образуют кванты света так же, как и в твердотельном лазере. Газовые лазеры могут работать в непрерывном режиме. Для сварки используют твердотельные и газовые лазеры импульсного и непрерывного действия.
Рис. 2. Схема газового лазера:
1 — разрядная трубка; 2 — непрозрачное зеркало; 3 — источник питания; 4 — вакуумный насос; 5 — полупрозрачное зеркало
Как проходит процесс лазерной сварки
Лазерную сварку производят на воздухе или в среде защитных газов: аргона, СО2. Вакуум, как при электронно-лучевой сварке, здесь не нужен, поэтому лазерным лучом можно сваривать крупногабаритные 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.
Основные энергетические характеристики процесса лазерной сварки — это плотность Е мощности лазерного излучения и длительность t его действия. При непрерывном излучении t определяется продолжительностью времени экспонирования, а при импульсном — длительностью импульса. Превышение верхнего предела Е вызывает интенсивное объемное кипение и испарение металла. Это приводит к выбросам металла и дефектам шва. На практике лазерную сварку ведут при Е=106…107 Вт/см2. При Е < 105 Вт/см2 лазерное излучение теряет свое основное достоинство — высокую концентрацию энергии. Изменение Е и t позволяет сваривать лазерным лучом различные конструкционные материалы с толщиной от нескольких микрометров до десятков миллиметров.
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 при ширине шва в 5 мм. Однако лазерная сварка импульсным излучением по скорости сопоставима с традиционными способами сварки.
Технологические особенности процесса лазерной сварки
Лазерную сварку можно производить со сквозным и с 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 формирование шва происходит по-разному.
Подходы к выбору параметров режима сварки тоже различаются. При сварке малых толщин непрерывным или импульсным излучением используют более мягкие режимы, которые обеспечивают расплавление металла только в стыке деталей — без перегрева до температуры интенсивного испарения. Сварку сталей и других относительно малоактивных металлов можно в этом случае выполнять без дополнительной защиты зоны нагрева, что существенно упрощает технологию. При этом сварку с глубоким проплавлением ведут с защитой шва газом, состав которого подбирают в зависимости от свариваемого материала.
Сварка импульсным излучением
Основные параметры режима импульсной лазерной сварки — это энергия и длительность импульсов, диаметр сфокусированного излучения, частота следования импульсов, положение фокального пятна относительно поверхности свариваемых деталей.
Правильная длительность лазерного импульса
Длительность лазерного импульса должна соответствовать тепловой постоянной времени для данного материала. Ее можно приближенно определить по формуле:
τ = δ2 / (4α),
где δ и α — соответственно толщина и коэффициент температуропроводности свариваемого материала.
Значения τ для тонких деталей (δ = 0,1…0,2 мм) составляют несколько миллисекунд. Поэтому для меди длительность импульса будет в районе 0,0001…0,0005 с, для алюминия — 0,0005…0,002 с, для сталей — 0,005…0,008 с. При увеличении δ более 1,0 мм τ возрастает и может значительно превосходить достижимую длительность лазерных импульсов. Поэтому лазерная сварка металлов толщиной более 1,0 мм импульсным излучением затруднена.
Правильный диаметр сфокусированного излучения
Диаметр сфокусированного излучения d определяет площадь нагрева и плотность мощности Е. При сварке d изменяют от 0,05 до 1,0 мм путем расфокусировки луча. При этом фокальную плоскость, на которой сфокусированный световой пучок имеет наименьший диаметр, располагают выше или ниже поверхности свариваемых деталей.
Сварной шов при импульсном излучении
Сварной шов при импульсном излучении образуется наложением сварных точек с их взаимным перекрытием на 30…90% в зависимости от типа сварного соединения и требований к нему.
Промышленные сварочные установки с твердотельными лазерами позволяют вести шовную сварку со скоростью до 5 мм/с при частоте импульсов до 20 Гц. Сварку можно вести с присадочным материалом в виде проволоки диаметром менее 1,5 мм, ленты или порошка.
Присадка позволяет увеличить сечение шва, устраняя один из наиболее распространенных дефектов — ослабление шва, а также легировать металл шва. Легирующие элементы при лазерной сварке можно также наносить предварительно на поверхности свариваемых кромок напылением, обмазкой, электроискровым способом и т.п.
Лазерная сварка деталей разной толщины
Наиболее распространена лазерная сварка импульсным излучением в электронной и электротехнической промышленности, где сваривают угловые, нахлесточные и стыковые соединения тонкостенных деталей. Хорошее качество соединений обеспечивается сваркой лазерным лучом тонких деталей (0,05…0,5 мм) с массивными. Когда свариваемые детали значительно отличаются по толщине, луч смещают на массивную деталь, чем выравнивают температурное поле и достигают равномерного проплавления обеих деталей. Чтобы снизить разницу в условиях нагрева и плавления таких деталей, толщину массивной детали в месте стыка уменьшают, делая на ней бурт, технологическую отбортовку или выточку (рис. 3).
При лазерной сварке нагрев и плавление металла происходят так быстро, что деформация тонкой кромки может не успеть произойти до того, как металл затвердеет. Это позволяет сваривать тонкую деталь с массивной внахлестку. Для этого надо, чтобы при плавлении тонкой кромки и участка массивной детали под ней образовалась общая сварочная ванна. Это можно сделать, производя сварку по кромке отверстия в тонкой детали или по её периметру.
Рис. 3. Сварные соединения деталей разной толщины:
а — по бурту на массивной и отбортовке на тонкой детали; б — тавровое соединение; в — по кромке выточки в массивной детали; г — по отверстию в тонкой детали. Стрелками показано направление лазерного луча
Детали малой толщины можно сваривать также газовыми и твердотельными лазерами непрерывного действия мощностью до 1 кВ-А. Лучше всего формируется шов при стыковом соединении тонких деталей. Однако при сборке таких соединений под лазерную сварку предъявляются более жесткие требования: должен быть обеспечен минимальный и равномерный зазор в стыке и практически полное отсутствие смещения кромок.
Сложнее формируется шов при сварке деталей толщиной более 1,0 мм с глубоким проплавлением. Как только плотность мощности лазерного излучения станет больше критической, скорость нагрева металла значительно превысит скорость отвода теплоты в основной металл за счет теплопроводности. На поверхности жидкого металла под действием реакции образуется углубление. Увеличиваясь, оно образует канал, заполненный паром и окруженный жидким металлом. Давления пара оказывается достаточно для противодействия силам гидростатического давления и поверхностного натяжения, и полость канала не заполняется жидким металлом.
При некоторой скорости сварки форма канала приобретает динамическую устойчивость. На передней его стенке происходит плавление металла, на задней — затвердевание. Наличие канала способствует поглощению лазерного излучения в глубине свариваемого материала, а не только на его поверхности. Формируется так называемое «кинжальное проплавление». При этом образуется узкий шов с большим соотношением глубины проплавления к ширине шва.
Сварочная ванна при лазерной сварке
Сварочная ванна (рис. 4) имеет характерную форму, вытянутую в направлении сварки. В головной части ванны расположен канал (кратер) 3. Это область наиболее яркого свечения. На передней стенке канала существует слой расплавленного металла, испытывающий постоянные возмущения. Здесь наблюдается характерное искривление передней стенки в виде ступеньки, которая периодически перемещается по высоте канала.
Удаление расплавленного металла с передней стенки осуществляется при перемещении ступеньки сверху вниз. Перенос расплавленного металла из головной части ванны в хвостовую происходит по боковым стенкам в горизонтальном направлении. В хвостовой части ванны 4 расплавленный металл завихряющимися потоками поднимается вверх и частично выносится на поверхность сварочной ванны. При образовании канала 3 над поверхностью металла появляется светящийся факел 2 из продуктов испарения, частиц конденсированного пара и мелких, выбрасываемых из ванны капель металла. 
Рис. 4. Схема сварочной ванны при лазерной сварке:
1 — лазерный луч; 2 — плазменный факел; 3 — парогазовый канал; 4 — хвостовая часть ванны; 5 — металл шва; 6 — свариваемый металл; Vсв — направление сварки
Скорость сварки и проплавляющая способность
При значительной скорости сварки факел отклоняется на 20…600 в сторону, противоположную направлению сварки. Этот факел поглощает часть энергии луча и снижает его проплавляющую способность.
При сварке деталей толщиной более 1,0 мм на проплавляющую способность луча в первую очередь влияет мощность излучения. Поскольку сварка таких деталей ведется при непрерывном излучении, то к основным параметрам режима здесь относится и скорость сварки. При выбранном значении мощности излучения скорость сварки определяют исходя из особенностей формирования шва: минимальное значение скорости ограничено отсутствием кинжального проплавления, а максимальное — ухудшением формирования шва, появлением пор, непроваров. Скорость сварки может достигать 90…110 м/ч.
Фокусировка луча и качество сварных швов
На качество сварных швов влияет фокусировка луча. Для сварки луч фокусируют в пятно диаметром 0,5…1,0 мм. При меньшем диаметре повышенная плотность мощности приводит к перегреву расплавленного металла, усиливает его испарение — появляются дефекты шва. При диаметре более 1,0 мм снижается эффективность процесса сварки. Формирование шва зависит также от положения фокальной плоскости относительно поверхности свариваемых деталей. Максимальная глубина проплавления достигается, если фокус луча будет находиться над поверхностью детали.
Два процесса проплавления металла
Форма сварочной ванны в продольном сечении также отличается от её формы при дуговой сварке (рис. 5). На поверхности фронта кристаллизации имеется выступ, который делит ванну на две характерные части. Нижняя часть значительно заглублена и имеет малую протяженность в поперечном сечении, тогда как верхняя часть более широкая и вытянута вдоль шва.
Отсюда очевидно, что при лазерной сварке имеют место два процесса проплавления металла. Первый процесс связан с образованием канала, как это было показано выше. Именно он обеспечивает эффект глубокого проплавления. Второй процесс — поверхностное плавление за счет теплопроводности свариваемого материала. Преимущественное развитие того или иного процесса зависит от режима сварки и определяет очертания сварочной ванны.
Рис. 5. Продольное сечение сварочной ванны
Качество, защита шва и дефекты при лазерной сварке
Для лазерной сварки характерны высокая концентрация энергии, большая скорость по сравнению с дуговыми способами, незначительное тепловое воздействие на околошовную зону из-за высоких скоростей нагрева и охлаждения металла. Эти факторы существенно повышают сопротивляемость большинства конструкционных материалов образованию горячих и холодных трещин. Поэтому можно достичь высокого качества сварных соединений из материалов, плохо свариваемых другими способами сварки. Деформации сваренных деталей существенно (до десяти раз) снижаются, что уменьшает затраты на правку.
При лазерной сварке с глубоким проплавлением металл шва защищают от окисления, подавая через сопло в зону сварки защитный газ. Для этого применяют специальные сопла (рис. 6). При сварке алюминия, титана и других высокоактивных металлов требуется дополнительная защита корня шва. Для защиты используют те же газы, что и при дуговой сварке — чаще это аргон, гелий или их смеси. Защитные газы влияют на эффективность проплавления: чем выше потенциал ионизации и теплопроводность газа, тем она больше. Качественную защиту можно обеспечить при расходе гелия 0,0005…0,0006 м3/с, аргона 0,00015…0,0002 м3/с, смеси, состоящей из 50% аргона и 50% гелия, — 0,00045…0,0005 м3/с. Для защиты зоны лазерной сварки можно использовать флюсы такого же состава, что и при дуговой сварке. Применяют их в виде обмазок, наносимых на свариваемые кромки.
Рис. 6. Схемы защитных сопел:
а — при сварке деталей малой толщины; б — при сварке с глубоким проплавлением; 1 — лазерный луч; 2 — свариваемые детали
Наиболее часто встречающиеся дефекты при лазерной сварке больших толщин — это неравномерность проплавления корня шва и наличие полостей в шве. Для снижения вероятности образования пиков проплавления при сварке с несквозным проплавлением рекомендуют повышать скорость сварки и отклонять лазерный луч от вертикали на 15… 17° по направлению движения. Тогда дефектов можно избежать, и лазерная сварка показывает себя еще более надежным решением на производстве.
