Материал: Сварка и свариваемые материалы. Технология и оборудование

6.1.2. Виды технологических лазеров

ческого и непрерывного действия [2 , 31.

Одним из первых твердотельных лазеров для сварки был ис­ пользован лазер на рубине. Активный элемент в нем — стер­ жень из кристалла искусственного рубина. Эти лазеры обычно генерируют импульсно-периодическое излучение на длине волны 1=0,69 мкм с длительностью импульсов т= 10- 3 -s-10-9 с, энер­ гией в импульсе U7H«10_2 H- 103 Дж, максимальной частотой по­ вторения импульсов Г„»10 Гц.

Твердотельные лазеры с активным элементом в виде стерж­ ней из стекла с примесью неодима позволяют получать более высокие значения энергии излучения. Они генерируют импульс­ но-периодическое излучение на А.= 1,06 мкм. Частота импульсов

твердотельные лазеры с активным элементом из иттрий-алюми- ниевого граната (ИАГ) с добавкой неодима. Эти лазеры гене­ рируют излучение на Я.= 1,06 мкм как в импульсно-периодиче­ ском, так и в непрерывном режимах.

Средняя мощность излучения твердотельных лазеров дости­

и их низкой теплопроводностью, что затрудняет их охлаждение в лазерных установках.

Наиболее широко используют для сварки газовые лазеры, в которых в качестве активной среды используется СОг. Эти лазеры развивают в настоящее время среднюю мощность от не скольких десятых до десятков киловатт в непрерывном и им пульсно-периодическом режимах генерации излучения с А,= = 10,6 мкм.

Лазерное излучение когерентно, монохроматично, обеспечи­ вает малую расходимость. Вследствие этого возникает возмож­ ность высокой степени фокусировки для достижения больших значений концентрации энергии излучения, и на поверхности свариваемого материала происходит локальный нагрев, обеспе­ чивающий высокие скорости нагрева и охлаждения, значи­ тельно превосходящие эти параметры при традиционных спосо­ бах дуговой сварки, малый объем расплавленного металла, ма­ лые размеры околошовной зоны термического влияния.

6.1.3. Теплофизические показатели процессов

Лазерное излучение на поверхность материала частично отражается, а ча­ стично поглощается.

Эффективный к. п. д. процесса сварки по физической сущности явля­ ется эффективным коэффициентом поглощения лазерного излучения

где q — эффективная тепловая мощность процесса лазерной сварки, т. е. мощ­ ность, поглощаемая металлом при лазерной сварке, Р — мощность лазерного излучения. Значения % зависят от параметров режима и условий лазерной сварки, особенно ее скорости (рис. 6.2). Это связано с влиянием размеров и формы образующегося парогазового канала на поглощение лазерного из­ лучения. Разные состояния поверхностей образцов перед сваркой незначи-

Рис. 6.2. Зависимость эффективного к. п. д. от скорости св&рки и физико-химического состояния поверхности образцов из малоуглеро­

Рис. 6.3. Изменение термического к. п. д. лазерной сварки титанового сплава ВТ-28 толщиной 6=2 мм от скорости сварки и мощности лазер­ ного излучения в разных условиях (фокусирующая линза — КС1, фокусное расстояние /=*«*215 мм):

а коэффициент поглощения лазерного излучения значительно растет с ростом температуры.

Высокопроизводительные режимы лазерной сварки с большими скоро­

и рекомендуются к применению.

Оптимальные значения Т)и=0,6-г0,7 при лазерной сварке не уступают со­ ответствующим показателям при дуговой сварке, следовательно, энергетиче­ ская эффективность лазерной сварки не ниже, чем дуговой.

Термический к. п. д.— т)/ — характеризует эффективность использования энергии, введенной в металл при сварке, и определяется отношением теплоты, необходимей для проплавления, ко всей введенной в изделие при сварке. На рис. 6.3 представлены экспериментальные результаты изменения r\t в зависи­ мости от скорости сварки и мощности лазерного излучения. На оптимальных участках при высоких скоростях сварки достигаются весьма высокие значе­ ния (0,4-0,45), близкие к предельному теоретическому уровню 0,484 для случая проплавления тонкой пластины линейным мощным быстродвижущимся источником теплоты.

Особенность лазерной сварки — высокий уровень эффективности расплав­ ления на больших (в диапазоне 20—40 мм/с) скоростях сварки, обеспечи­ вающих высокую производительность. Достигаемые при этом r\t=0,35—0,40 значительно превосходят значения, полученные при дуговой сварке (^0 ,2 ).

€.1.4. Классификация методов лазерной сварки

Методы лазерной сварки можно классифицировать по трем группам призна­ ков (рис. 6.4).

Энергетические признаки. Каждый метод лазерной сварки характеризуется плотностью мощности Е, Вт/см2, т. е. отношением мощности лазерного излу­ чения к площади пятна сфокусированного луча, и длительностью воздей­ ствия излучения т, т. е. экспозицией непрерывного излучения, или длитель­ ностью импульса при импульсном излучении.

Рис. 6.4. Классификация методов лазерной сварки

Лазерную сварку ведут, как правило, при £ = 1 -И 0 МВт/см2. Меньшие плотности мощности не рекомендуются, так как при этом более эффективны

иэкономичны другие методы сварки, например дуговая. При £> 10 МВт/см2 происходит интенсивное испарение металла, которое приводит к его выплеску

инарушению качественного формирования шва. Однако качественное форми­ рование шва определяется не только плотностью мощности лазерного излу­ чения, но и определенным сочетанием ее с длительностью воздействия излу­ чения на материал. Возможны три основных режима с определенным соче­ танием плотности мощности и длительности воздействия.

1.£ = 0,1 -5-1,0 МВт/см2, т> 10—2 с. Режим I обеспечивается лазерами не­ прерывного действия. В этом случае

2. £=1,0—10 МВт/см2, т<10~3 с. Режим II обеспечивается лазерами им­ пульсно-периодического действия. Вследствие высоких £ процесс сварки вы­ сокоэффективен. Частота повторения импульсов излучения — от десятков до нескольких сотен герц. Сочетание указанных значений £ и х позволяет осу­ ществить сварку ряда металлов и сплавов разных толщин при меньших энер­ гетических затратах, чем при использовании непрерывного излучения.

3. £ = 0,1 -М,0 МВт/см2, т= 10~3-М0""2 с. Режим III обеспечивается лазе­ рами импульсно-периодического действия и используется для сварки малых толщин.

Технологические признаки. По этим признакам следует различать сварку металлов с глубоким проплавлением и сварку малых толщин. Лазерная сварка с глубоким проплавлением обеспечивает соединение металлов толщиной >1,0 мм и выполняется лазерами как непрерывного действия, так и импуль­ сно-периодическими.

Лазерную сварку с глубоким проплавлением ведут, как правило, беэ присадочного материала, хотя в отдельных случаях для повышения свойств шва и для улучшения свариваемости в сварочную ванну подают присадочный материал. Использование присадки позволяет осуществить сборку деталей под сварку с менее жесткими требованиями к точности зазора по длине шва,, т. е. с менее жесткими условиями подготовки стыкуемых кромок. В качестве присадки в основном применяется < 1,5-мм проволока. Лазерная еварка с присадкой обеспечивает качественное формирование шва лишь при условии точной подачи проволоки в зону плавления непосредственно под лазерным лучом.

Лазерную сварку с глубоким проплавлением в большинстве случаев ве­ дут в защитной среде для обеспечения эффективного проплавления и высо­ ких свойств сварных соединений.

Лазерную сварку можно выполнять во всех пространственных положе­ ниях.

Скорость импульсно-периодической лазерной сварки с глубоким проплав­ лением примерно в десять раз меньше, чем при непрерывном лазерном излу­ чении. Однако при этом обеспечивается более высокая эффективность про­ плавления по сравнению с непрерывной сваркой.

Малыми при лазерной сварке считают толщины металлов <1,0 мм. Прин­ ципиальным в отличие от сварки с глубоким проплавлением является отсут­ ствие значительного перегрева и интенсивного испарения расплавленного ме­ талла шва.

Сварку малых толщин ведут как непрерывными, так и импульсно-перио­ дическими лазерами. При использовании непрерывного излучения выполня­ ется шовная сварка, а импульсно-периодическое излучение позволяет выпол­ нять как точечную, так и шовную сварку. В последнем случае шов формиру­ ется перекрытием отдельных точек.

В большинстве случаев сварку малых толщин ведут без присадки. Принципиально сварку малых толщин, в особенности при выполнении то­

чечных соединений, можно проводить без защитной среды. На эффективность проплавления в данном случае защитные газы не оказывают существенного влияния. Однако в тех случаях, когда необходимо предохранить швы от окис­ ления, в особенности при сварке титана, молибдена, ниобия, циркония и дру­ гих активных материалов, применяют защитные газы.

Экономические признаки. Методы лазерной сварки характеризуются свое­ образными экономическими признаками, которые необходимо учитывать как при разработке технологического процесса, так и при проектировании сварных соединений.

Одним из важных признаков, определяющих производительность про­ цесса сварки, является скорость. Лазерная сварка непрерывным излучением выполняется с весьма высокими скоростями, позволяющими в 10—15 раз уве­ личить производительность по сравнению с традиционными методами сварки плавлением. Наряду с высокой производительностью лазерная сварка энерге­ тически эффективна, так как благодаря высокой концентрации энергии излу­ чения процесс сварки осуществляется с минимальной погонной энергией, оп­ ределяемой отношением мощности к скорости сварки.

Лазерная сварка на высоких скоростях наряду с повышением произво­ дительности и энергетической эффективности одновременно обеспечивает ми­ нимальные остаточные деформации и снижение склонности к образованию го­ рячих и холодных трещин при сварке целого ряда конструкционных материа­ лов. Однако высокая скорость достигается не во всех случаях лазерной сварки. В частности, лазерная сварка импульсно-периодическим излучением осуществляется на меньших скоростях, сопоставимых с традиционными мето­ дами сварки плавлением.

Одним из важных экономических признаков, свойственных процессу ла­ зерной сварки, является значительная экономия сварочных материалов вслед­ ствие малых объемов расплавленного металла шва. В частности, лазерная сварка металла толщиной 5—20 мм может быть выполнена за один проход без предварительной разделки кромок и без использования присадочной про­ волоки. Для сопоставления отметим, что дуговая сварка металла толщиной порядка 20 мм выполняется как многопроходная с разделкой кромок и с ис­ пользованием присадочного материала.

Высокая концентрация энергии лазерного излучения позволяет осуществ лять сварку сфокусированным лучом с минимальным диаметром пятна 0,1 мм, обеспечивая значительную локальность обработки. Это условие локальности обеспечивает рациональное и экономически целесообразное проектирование сварных деталей и конструкций с учетом возможностей сварки в крайне ог­ раниченной по размерам зоне, а также в труднодоступных местах. В част­ ности, лазерная сварка в электронике благодаря локальности обеспечивает проектирование крайне уплотненных схем, сварных корпусов приборов мини­ мальных размеров и т. д.

Важным обстоятельством, связанным с локальностью процесса лазерной сварки, являются минимальные остаточные деформации. Это дает возмож­ ность проектировать технологию изготовления сварных конструкций без ис пользования дорогостоящих методов последующего уменьшения либо устранения остаточных деформаций. Лазерная сварка — прецизионный процесс соединения деталей, в ряде случаев ее можно рассматривать как финишную операцию.