10.7 Лазерная сварка
Лазерной сваркой называется технологический процесс получения неразъёмного соединения частей изделия путём местного расплавления металлов по примыкающим поверхностям, сконцентрированным потоком излучения квантового генератора. В результате плавления и кристаллизации возникает прочное сцепление (сварной шов), основанное на межатомном взаимодействии. Исходя из данного определения, лазерную сварку относят к методам сварки плавлением.
Процесс формирования сварного соединения при ЛС показан на рис. 73.
1 V сварки
6 4 5 2
3
Рис. 73. Формирование сварного шва при лазерной сварке.
1 – сфокусированный луч лазера;
2 – основной металл;
3 – кратер (парогазовый канал);
4 – жидкий металл;
5 – сварной шов;
6 – плазменный факел.
По оси излучения в металле образуется парогазовая фаза. При перемещении лазерного луча расплавленный металл под действием давления паров и вследствие разности сил поверхностного натяжения в центральной и передней частях сварочной ванны оттесняется в хвостовую часть ванны. При кристаллизации расплавленного металла образуется шов. Лазерное излучение обеспечивает высокую концентрацию энергии. Лазерный луч на несколько порядков превосходит по концентрации остальные источники теплоты, используемые для сварки (газовое пламя, сварочную дугу, дуговую плазму), и достигает значений 109 – 1010 Вт/м2. По этому параметру с лазерным лучом сопоставим только электронный луч.
Структурная блок-схема лазерной установки представлена на рис. 74.
1
7
1 - технологический
лазер
с источником
питания
2 - лазерное
излучение;
3 - оптическая
система;
4 - обрабатываемая
деталь;
5 - устройство для
закрепления и перемещения детали;
6 - датчики параметров
технологического процесса;
7 - программное
устройство;
8 - датчики параметров
излучения.
8
3
2
4
6
5
Рис. 74. Блок-схема лазерной технологической установки.
Основным элементом оборудования является технологический лазер (световой пучок), отличающийся надёжностью и простотой эксплуатации в условиях производства, а также имеющий высокий ресурс работы и воспроизводимость параметров излучения.
Для сварки металлов используются твердотельные и газовые лазеры. Различают технологические лазеры импульсно-периодического и непрерывного действия.
Твёрдотельный лазер преобразует электроэнергию в энергию светового луча с помощью излучателей, изготовленных из искусственных рубинов, иттрия с алюминием, стекла с примесью неодима. Средняя мощность излучения твёрдотельных лазеров достигает сотен ватт. КПД преобразования электрической энергии в энергию излучения составляет 1…2 % (в некоторых случаях порядка 10 %).
Большую перспективу для лазерной сварки представляют газовые лазеры, в которых в качестве активной среды используется диоксид углерода СО2. Эти лазеры способны в настоящее время развивать среднюю мощность от нескольких сотен ватт до десятков киловатт в непрерывном и импульсно-периодическом режиме. В этих лазерах достигается достаточно высокий КПД преобразования электрической энергии в энергию излучения (10…20% и более). По технологическим признакам процесс лазерной сварки делится на две основные группы: сварка с глубоким проплавлением и сварка малых толщин. Параметры режима лазерной сварки : выходная мощность (кВт) и скорость сварки (мм/сек).
Под лазерной сваркой с глубоким проплавлением понимается сварка материала толщиной более 1мм. Процесс осуществляется как в непрерывном, так и в импульсно-периодическом режиме излучения. При непрерывном излучении можно получить узкие глубокие швы при скорости процесса 30…40 мм/сек. Скорость сварки при импульсно-периодическом режиме на порядок ниже, чем при непрерывном.
Вторая группа технологических признаков объединяет методы, используемые для сварки материалов малых толщин, т.е. менее 1мм. Принципиальным отличием этих методов является сварка на режимах, обеспечивающих только плавление материала без его интенсивного испарения. В этом случае применяется как непрерывный, так и импульсный режимы излучения. Для непрерывного режима излучения используется как газовые, так и твердотельные лазеры с мощностью до 10кВт. Импульсный режим осуществляется, в основном, твердотельными лазерами с энергией излучения от нескольких единиц до десятков джоулей.
Преимущества лазерной сварки.
Рассмотренные методы лазерной сварки имеют следующие преимущества перед традиционными методами сварки.
1 Высокая концентрация энергии, и вследствие этого, высокая локальность нагрева свариваемых деталей. Значительное снижениеширины шва позволяет расширить ассортимент конструкций, где ограничены размеры сварных швов и их расположение. Кроме того, при лазерной сварке сварочные деформации снижены в10 раз по сравнению с дуговой сваркой.
Малый объем расплавленного металла улучшает в целом ряде случаев условия кристаллизации, что повышает свойства сварных соединений.
2 Возможность сварки в труднодоступных местах за счет фокусирования луча и возможность передачи его на значительные расстояния.
3 Жесткий термический цикл дает возможность существенно снизить зону термического влияния по сравнению с дуговой сваркой.
4 По сравнению с ЭЛС лазерная сварка не требует применения вакуумных камер. Это расширяет технологические возможности сварки, снижает затраты и повышает производительность процесса сварки.
5 Высокая культура производства.
Основные недостатки ЛС
1. Высокая стоимость лазерного оборудования.
2. Низкий КПД лазерных установок (как правило, не превышающий 10%).
3 Сложность устройств лазерной техники. ЛС требует высокой технической культуры обслуживающего персонала.
Фактическое применение лазерной сварки.
Лазерная сварка малых толщин нашла наиболее широкое применение в электронной и радиотехнической промышленности. С момента появления рубиновых лазеров она начала применяться для сварки микросхем (присоединение выводов к печатным платам и контактам на кремниевых пластинах, спайка тонких проводов с тонкими пленками, присоединение интегральных схем к печатным платам).
Лазерная сварка с глубоким проплавлением применяется преимущественно для изготовления деталей машин и механизмов. В настоящее время этот метод нашел применение в таких отраслях промышленности, как автомобильная, судостроительная, авиационная и др.
Типы сварных соединений, полученные лазерной сваркой.
а)б)в)
г)
Рис. 75. Типы сварных соединений проволоки.
а) – параллельное соединение, б) – сварка встык, в) – угловое соединение,
г) - торцевое соединение.
а)
б)
в)
Рис. 76. Типы соединений проволоки с массивными деталями.
а) – сварка внахлестку, б) – сварка с размещением проволоки в отверстии,
в) – сварка с укладкой проволоки в паз.
Рис. 77. Типы сварных соединений тонких плоских деталей к массивным.
Рис. 78. Типы сварных соединений с отбортовкой кромок.
а) б)
в) г)
Рис. 79. Типы соединений при лазерной сварке с глубоким проплавлением.
а) – стыковое, б), в) – проплавное, г) – тавровое.