Кваснiцкий Спецiальнi способи зварювання

здатність працювати як у безперервному, так і в імпульсному режимах. Лазери характеризуються великим діапазоном потужностей і досить високим к.к.д. (до 20 %). Інверсна заселеність енергетичних рівнів у газових лазерах досягається різними способами (бомбардування швидкими електронами, швидке розширення попередньо нагрітої газової суміші, фотоіонізація, тліючий розряд, імпульсний розряд при атмосферному і високому тисках тощо). Звідси з'явилося різноманіття назв: газорозрядний, газодинамічний, хімічний та ін.

Лазери можуть бути імпульсної або безперервної дії. Якщо заселеність верхнього рівня миттєво падає до нуля, то випромінювання припиняється. Наступний імпульс випромінювання буде можливим через деякий час. Якщо в процесі випромінювання заселеність верхнього рівня підтримується весь час тим або іншим способом і зриву випромінювання немає, то джерело енергії називають лазером безпе-

рервної дії.

Найбільше застосування знаходять молекулярні газорозрядні лазери на вуглекислому газі в режимі замкнутого газового циклу. Робоче середовище являє собою різні суміші з вуглекислим газом, наприклад суміш гелій–азот–вуглекислий газ у співвідношенні 20:20:1. Енергетичну схему такого газового лазера показано на рис.3.24.

Рис.3.24. Коливальні енергетичні рівні молекул вуглекислого газу та азоту

Енергетичні коливальні рівні Е5 молекул вуглекислого газу та Е2 молекул азоту співпадають. Індуктоване випромінювання в лазері на СО2 викликане переходами Е5 → Е4 (4) і Е5 → Е3 (5). Більш інтенсив-

335

ним є перший перехід з довжиною хвилі випромінювання 10,6·10–7 м (10600 Å), який може майже повністю припиняти лазерну генерацію в переході Е5 → Е3 на довжині хвилі 9,6·10–7 м (9600 Å). Переходи Е4 → Е1 та Е5 → Е1, що позначені цифрою 6, відбуваються спонтанно.

Заселення рівня Е5 молекул вуглекислого газу в тліючому розряді відбувається внаслідок трьох основних процесів. Перший з них – збудження молекул СО2 до рівня Е5 при їхньому зіткненні зі швидкими електронами (1). Другий механізм заселення рівня Е5 молекули СО2 полягає в тому, що здійснюються каскадні переходи (2) на цей рівень молекули, збудженої за рахунок зіткнень з електронами і переходу її на більш високі енергетичні рівні, не показані на рис.3.24. Третій процес – резонансна передача (3) збудження молекулам СО2 від молекул азоту, які інтенсивно збуджуються в газовому розряді до рівня Е2, що збігається з рівнем Е5 молекул вуглекислого газу. Заселеність рівня Е5 за рахунок цього значно зростає. Гелій, який має велику теплопровідність, вводиться в робочу суміш для зменшення її температури, що збільшує інверсну заселеність рівня Е5.

Лазерне випромінювання є когерентним, монохроматичним, легко концентрується. Характер його взаємодії залежить, у першу чергу, від щільності потужності (Вт/см2) в зоні обробки, що визначається відношенням потужності лазерного випромінювання до площі плями, сфокусованої на поверхні матеріалу. Залежно від щільності потужності променя відбувається нагрівання твердого металу, плавлення або випаровування, тобто лазерний промінь можна використовувати для термічної обробки, зварювання або руйнування матеріалу (різання, пробивання отворів тощо). Існує поняття порогової щільності потужності Е*, що визначає умову нагрівання матеріалу без руйнування. Для більшості металів зварювання ведуть при Е* < (105…107) Вт/см2. Особливості, закономірності, основи технології лазерного зварювання і різання, будова та принцип роботи устаткування детально розглянуті в навчальних посібниках [24,32,33,116].

336

3.2.2. Технологія зварювання. При зварюванні з глибоким проплавленням лазерне зварювання має багато спільного з ЕПЗ. Перш за все це "ножове" формування металу шва з малою шириною та великою глибиною, що обумовлено високою концентрацією енергії в зоні зварювання. Розподіл енергії лазерного випромінювання при стабільному режимі лазерного зварювання з глибоким проплавленням показано на рис.3.25 [33].

Рис.3.25. Схема енерговитрат при стабільному режимі проплавлення металу сфокусованим лазерним променем:

1 – лазерний промінь; 2 – основний метал; 3 – кратер (парогазовий канал); 4 – розплавлений метал; 5 – зварний шов; 6 – плазмовий факел

Енергетичний баланс у зоні зварювання визначається системою рівнянь

	′	(3.24)
Qпр −(Qфак +Qвідб +Qруйн)=Qпр ;
′	′′	(3.25)
Qфак = Qфак +Qфак ;
′ ′′	= Qв +Qтп ,	(3.26)
Qпр +Qфак

де Qпр – енергія лазерного променя; Qфак – енергія, яка поглинається в об'ємі плазмово-парового факела в кратері та над ним; Qвідб – енергія, яка відбивається від плоскої поверхні основного металу і дна кратера; Qруйн – енергія продуктів руйнування; Qпр′ – енергія, яка поглинається

стінками кратера в процесі їх фотонно-електронного бомбардування; Qфак′ – енергія, яка розсіюється з факела в навколишнє середовище; Qфак′′ –

частина енергії факела Qфак, яка поглинається стінками канала за рахунок випромінювання і конвекції; Qв – повний тепловміст розплавле-

337

ного металу зварювальної ванни; Qтп – енергія, яка відводиться вглиб основного металу і шва за рахунок теплопровідності.

Наближено тепловий баланс у роботі [7] розглядається у вигляді рівняння

Qпр =Qфак +Qвідб +Qруйн +Qв +Qтп .

(3.27)

Тоді ефективний к.к.д.

(Qфак

+Qвідб +Qруйн )

Q +Q

тп

Qпр −

ηв =

в

=

;

(3.28)

Qпр

Qпр

термічний к.к.д.

ηт =

Qв

;

(3.29)

Q +Q

тп

в

повний к.к.д. (к.к.д. проплавлення)

η	= η η	т	=	Qв	.	(3.30)
пр	в			Qпр

Ефективність передачі енергії лазерного променя металу характеризується коефіцієнтом поглинання Аеф, який наближено можна визначити рівнянням

		′ ′′		Q	+Q
		Qпр +Qф
A	=		=	в	тп	.	(3.31)
еф		Qпр			Qпр

Коефіцієнт поглинання Аеф за фізичною суттю співпадає з ефективним к.к.д. ηв, що визначається рівнянням (3.5).

Ефективний к.к.д. ηв лазерного зварювання (ЛЗ) залежить від умов та параметрів режиму. Вплив швидкості зварювання на ηв пока-

зано на рис.3.26 [33].

Співставлення різного стану поверхонь показує його незначний вплив на ηв.

Термічний к.к.д. при ЛЗ визначається за рівнянням (3.6), як і при ЕПЗ.

338

Рис.3.26. Залежність ефективного к.к.д. від швидкості ЛЗ та стану поверхні сталі Ст3 товщиною

3,5 мм при потужності променя 5 кВт і фокусній відстані 215 мм:

1 – після механічної обробки; 2 – у стані поставки; 3 – після хімічного травлення

На ефективний к.к.д. ηв та форму проплавлення впливають умови фокусування променя, оскільки при цьому змінюється щільність потужності, авідповідно, форматарозмірипарогазовогоканалу(рис.3.27) [7].

Рис.3.27. Залежність ефективного к.к.д. ηв від умов фокусування променя відносно поверхні низьковуглецевої сталі при ЛЗ:

Р = 5 кВт; vзв = 16…20 мм/с; фокусна відстань lф = 210 мм

Максимальне поглинання випромінювання відбувається при заглибленні фокальної площини під поверхню виробу. Встановлено, що величина заглиблення залежить від параметрів системи. Ступінь заглиблення тим більший, чи більш довгофокусні системи використовуються, але максимальне заглиблення обмежується товщиною металу [7].

339

Лазерний промінь є найбільш концентрованим джерелом теплоти, і доля теплоти, яка відводиться в основний метал, мала. Процес зварювання безперервним випромінюванням максимально наближається до моделі нагрівання пластин швидкопереміщуваним лінійним тепловим джерелом. Тому його термічний к.к.д. ηт наближається до теоретичного значення (ηт(теор) = 0,484) [106].

Повний к.к.д. (к.к.д. проплавлення ηпр) залежить від потужності випромінювання та певною мірою від швидкості зварювання

(рис.3.28, 3.29) [7].

Рис.3.28. Залежність повного к.к.д. від потужності лазерного променя при нескрізному проплавленні нержавіючої сталі в атмосфері гелія при швидкості зварювання

100 м/год

Рис.3.29. Залежність ηпр від швидкості зварювання в атмосфері гелія:

Р = 3…5 кВт; 1 – титанові сплави (○ – ВТ-28, * – ПТ-3В); 2 – сталі (∆ – Ст3;

□ – 0Х18Н10Т)

Збільшення ηпр при зростанні потужності випромінювання пояснюється заглибленням парогазового каналу і зменшенням втрат унаслідок відбиття енергії променя. Подібний характер впливу потужності лазера на к.к.д. проплавлення зберігається в різних газових середови-

340

щах (He, CO2, N2, Ar), але максимальне значення ηпр спостерігається в середовищі Не, а мінімальне – в середовищі Ar. Слід відзначити вплив факела плазми, що утворюється над парогазовим каналом, на енергетичні характеристики променя. Параметри променя при проходженні через факел змінюються в результаті поглинання частини енергії та погіршення фокусування променя. Тому рекомендується застосовувати гази, які зменшують ступінь іонізації, або здувати факел потоком інертного газу, що підвищує ефективність дії випромінювання [179].

Ефективність процесу ЛЗ променем потужного СО2-лазера зростає при збільшенні швидкості зварювання до 28…30 мм/с (100… …108 м/год), а потім стабілізується. Це пояснюється зменшенням втрат енергії за рахунок теплопровідності [7].

Установлено, що найбільш ефективне проплавлення металу відбувається при відхиленні променя назад відносно напрямку зварювання, що пояснюється зменшенням екрануючої дії парогазового факела, більш рівномірним розподілом енергії променя в каналі зварювальної ванни та зменшенням впливу відбитого випромінювання на роботу квантового генератора. Оптимальний кут відхилення променя звичайно сумарний з кутом сходження лазерного променя після фокусуючої лінзи. Вплив кута відхилення променя на к.к.д. проплавлення ηпр показано на рис.3.30 [7].

Особливістю лазерного зварювання є широкий діапазон зміни режимів, що дозволяє з'єднувати різні метали товщиною від декількох мікрометрів до десятків міліметрів з різними механізмами проплавлення. Тому в роботі [33] всі існуючі способи лазерного зварювання запропоновано розподілити за енергетичними, технологічними та еко-

номічними характеристиками на безперервне зварювання з глибоким проплавленням; імпульсно-періодичне зварювання з глибоким проплавленням; безперервне зварювання малих товщин; імпульсне зварювання малих товщин.

341

Під лазерним зварюванням з глибоким проплавленням розуміють зварювання металів товщиною більше 1,0 мм. Процес може викону-

ватися як у безперервному, так і в імпульсно-періодичному режимі випромінювання лазера.

Рис.3.30. Залежність к.к.д. проплавлення відкутавідхилення лазерногопроменя:

Р = 4 кВт; vзв = 20 мм/с (72 м/год); фокусна відстань lф = 300 мм; ○ – титановий сплав ПТ-3В; □ – нержавіюча сталь 0Х18Н10Т

Зварювання малих товщин до 1,0 мм може проводитися в безперервному або імпульсному режимах випромінювання. Для безперервного режиму використовують як газові, так і твердотільні лазери потужністю випромінювання в безперервному режимі до 1,0 кВт. Імпульсний режим забезпечується звичайно твердотільними лазерами з енергією випромінювання до десятків джоулів. Матеріали малих товщин зварюють як безперервними швами, так і окремими точками.

За енергетичними характеристиками способи зварювання поді-

ляють на три групи	[33].	Перша група –	щільність потужності
Е = 105…106 Вт/см2 і	час дії	t > 10–2 с; друга	– Е = 106…107 Вт/см2,

t < 10–3 с; третя – Е = 105…106 Вт/см2, 10–3< t < 10–2 с.

342

До першої групи способів належить зварювання з безперервним випромінюванням лазера з різними довжинами хвиль. Тривалість дії t визначається відношенням діаметра сфокусованого променя d до швидкості зварювання vзв: t = dvзв . Способи ЛЗ цієї групи застосовуються як для малих, так і для великих товщин шляхом зміни щільності потужності та часу дії випромінювання.

До другої групи способів належить зварювання з імпульсноперіодичними режимами. Поєднання високої щільності потужності з імпульсністю багаторазової дії променя дозволяє вести зварювання металів та сплавів різних товщин при менших витратах енергії, ніж при безперервному випромінюванні. Частота імпульсів складає десятки та сотні герц, а тривалість їх дії менша, ніж при способах першої групи.

До третьої групи способів належить зварювання, при якому утворення з'єднання визначається часом дії імпульсу з утворенням точки розплаву. Поєднання щільності потужності і часу дії імпульсу дає можливість зварювати лише малі товщини.

Способи зварювання другої групи застосовують лише для зварювання з великою глибиною проплавлення, третьої – лише для малих товщин.

Зварювання з глибоким проплавленням при безперервному випро-

мінюванні виконується зі швидкостями 108…144 м/год потужними газовими лазерами. Зварювання звичайно ведеться без присадного матеріалу і лише в автоматичному режимі. Зварювання в імпульсноперіодичному режимі відзначається більш високою енергетичною ефективністю проплавлення, але швидкість зварювання значно менша.

При необхідності можна виконувати ЛЗ з присадним матеріалом, який повинен подаватися точно в зону зварювання та мати діаметр не більше 1,0 мм, незалежно від товщини деталей.

ЛЗ малих товщин може виконуватися як в імпульсному, так і в безперервному режимах. Найбільш поширене імпульсне зварювання. При ЛЗ малих товщин застосовують як автоматичне, такі ручне зварювання.

343

Основними параметрами імпульсного ЛЗ є енергія імпульсу, тривалість імпульсу, діаметр сфокусованого променя, положення фокуса відносно поверхні виробу, швидкість зварювання і частота імпульсів. Крім того, слід вибирати захисне середовище, враховувати підготовку поверхні та необхідність присадки [33].

Енергію імпульсу Е, необхідну для розплавлення металу без виплеску, орієнтовно знаходять за формулою

	0,885T		λtπr2
E =	пл			Дж,	(3.32)
		at

де t – тривалість імпульсу; r – радіус сфокусованого променя; a – коефіцієнт температуропроводності; інші позначення зустрічалися раніше.

Тривалість імпульсів для сталі дорівнює 5·10–3…8·10–3, для міді – 10–4…5·10–4, для алюмінію – 5·10–4…2·10–3 с. Більш точні значення знаходять експериментально.

Діаметр сфокусованого променя визначають у діапазоні 0,05…1,0 мм. Фокусну відстань лінзи вибирають у діапазоні 30…100 мм. Діаметр сфокусованого променя пов'язаний ізщільністю потужності РF рівнянням

P	=	4E	.	(3.33)
F		πd 2t

Швидкість зварювання визначають лише для шовного зварювання за формулою

vзв = df (1 − k ),

(3.34)

де f – частота імпульсів; k – коефіцієнт перекриття точок, що знаходиться в діапазоні 0,3…0,9. Для вакуумних швів він повинен бути не меншим 0,5. Частота імпульсів у твердотільних лазерів до 20 Гц дозволяє вести шовне зварювання зі швидкістю до 18 м/год.

Деякітипизварнихз'єднаньтонкихметалівпоказанонарис.3.31 [33].

Основними параметрами режимів ЛЗ з глибоким проплавленням є потужність випромінювання, швидкість зварювання, параметри фокусуючої системи. Інші параметри: захисна атмосфера, підготовка деталей, параметри, що підвищують ефективність проплавлення.

344