Лазерная сварка металла, особенности и технология.
Установка и оборудование для сварки лазером

Содержание

1. Особенности лазерной сварки металлов
2. Классификация методов лазерной сварки
• Классификация по энергетическим признакам
• Классификация по технологическим признакам
• Классификация по экономическим признакам
3. Область применения лазерной сварки
4. Технология лазерной сварки
• Сварка сталей
• Сварка алюминиевых и магниевых сплавов
• Сварка титана и титановых сплавов
5. Оборудование и установки для сварки лазером
• Твердотельные лазеры
• Газовые лазеры
• Системы транспортировки и фокусировки лазерного луча
• Система газовой защиты
• Система перемещения луча и изделия
6. Видео: Лазерная гибридная сварка

Особенности лазерной сварки металлов

Среди распространённых источников энергии, применяемых для сварки, лазерное излучение обладает наиболее высокой степенью концентрации энергии в отдельном небольшом участке. Лазерное излучение по концентрации превосходит другие источники теплоты в десятки раз. Такие высокие показатели концентрации определяются уникальными характеристиками лазерного луча, прежде всего, его монохроматичностью и когерентностью.

Электронно-лучевая сварка, также как и лазерная, тоже обеспечивает высокую концентрацию энергии, но преимущество последней заключается в том, что для неё не требуется специальных вакуумных камер. Лазерную сварку можно проводить как на воздухе, так и в среде защитных газов. Это сварка в среде аргона, гелия, либо сварка в среде углекислого газа СО₂ и других. Этот вид сварки подходит для соединения заготовок любых габаритов.

Благодаря когерентности и монохроматичности лазерного луча, он обладает малой расходимостью, что позволяет достичь высокой степени фокусировки энергии большой величины на малом участке. В результате этого, на свариваемых поверхностях происходит локальное нагревание, обеспечивающее высокую скорость нагрева и охлаждения. Эти параметры оказываются гораздо выше, чем при других способах дуговой сварки.

Другими особенностями лазерной сварки являются малый объём расплавленного металла и малые размеры зоны термического влияния, а также эффективное расплавление металла на больших скоростях сварки, порядка 20-40 мм/с, что обеспечивает высокую производительность.

Классификация методов лазерной сварки

Способы лазерной сварки металлов можно классифицировать по трём группам. Классификация представлена на рисунке ниже:

Классификация по энергетическим признакам

Каждый метод лазерной сварки характеризуется плотностью мощности Е, Вт/см², т.е. отношением мощности луча лазера к площади сфокусированного луча и продолжительностью воздействия t. Лазерную сварку ведут, как правило, при Е=1-10МВт/см². Меньшая плотность мощности не рекомендуется, так как в этом случае более эффективными и экономичными будут другие способы сварки, например, дуговая. Возможны три основных режима с разным сочетанием мощности и продолжительности воздействия:

1. Е=0,1-10МВт/см2, t>10_-2с. Этот режим обеспечивается лазерами непрерывного действия. Данный режим используется для сварки конструкционных сталей различной толщины.

2. Е=0,1-10МВт/см2, t<10_-3с. Данный режим обеспечивают лазеры импульсно-периодического действия. Сочетание данной мощности и длительности излучения позволяет сваривать материалы разной толщины и с меньшими затратами энергии, чем при использовании лазеров непрерывного действия.

3. Е=0,1-10МВт/см2, t=10-3-10_-2с. Этот режим, как и предыдущий, обеспечивается лазерами импульсно-периодического действия и применяется при сварке металла малой толщины.

Классификация по технологическим признакам

По этому признаку сварка лазером делится на сварку с глубоким проплавлением и сварку малых толщин.

Сварку с глубоким проплавлением, в большинстве случаев, выполняют без присадочного материала, но, в отдельных случаях, для улучшения свариваемости сталей и улучшения проплавления, присадочный металл подают в зону сварки. Также сварку с глубоким проплавлением проводят в среде защитных газов, и выполняться она может как лазерами непрерывного действия, так и импульсно-периодическими лазерами.

Сварка малых толщин также может проводиться лазерами непрерывного действия и импульсно-периодическими. При этом, лазерами непрерывного действия выполняется шовная сварка, а лазерами импульсно-периодическими как шовная, так и точечная. В большинстве случаев сварка малых толщин происходит без присадочного материала. Металлы малой толщины можно сваривать без защитной среды, на эффективность проплавления малых толщин защитные газы практически не оказывают влияния. Но, в ряде случаев, при сварке титана, молибдена, ниобия, циркония и других активных металлов, защитные газы применяются для предохранения сварных швов от окисления.

Классификация по экономическим признакам

Способы лазерной сварки характеризуются своими экономическими признаками. Одним из важных экономических показателей является скорость сварки. Этот показатель напрямую определяет производительность сварки. При использовании лазеров непрерывного излучения сварка производится на высоких скоростях, что позволяет увеличить скорость сварки в 10-15 раз по сравнению с обычными видами сварки плавлением.

Сварка лазером на высоких скоростях обеспечивает минимальные остаточные деформации по окончанию сварки, а также способствует снижению горячих трещин и холодных трещин при сварке различных конструкционных материалов. Но, высокая скорость сварки не всегда достижима. К примеру, сварка импульсно-периодическими лазерами происходит на меньших скоростях, сравнимых с обычными способами сварки плавлением.

Важным экономическим показателем сварки лазером является значительная экономия материала вследствие малых объёмов расплавленного металла. К примеру, сварку металла толщиной 20 мм можно выполнить за один проход без предварительной подготовки сварных кромок и без применения присадочных материалов, а сварку металла такой же толщины 20 мм ручной дуговой сваркой выполняют в несколько заходов и с использованием присадочного материала.

Высокая концентрация энергии лазерного луча обеспечивает локальность сварки и это является третьим экономическим показателем. Условие локальности позволяет получить сварное соединение в крайне ограниченной по размерам зоне, а также в труднодоступных местах. Это условие локальности даёт больше возможности для проектирования различных сварных деталей и конструкций.

Важным аспектом, связанным с локальностью лазерной сварки, являются малые остаточные деформации после сварки. Это позволяет изготавливать сварные конструкции без применения трудоёмких и дорогостоящих методов уменьшения или устранения сварочных деформаций. Лазерная сварка - это прецизионный процесс и во многих случаях он является заключительной операцией создания детали или изделия.

Область применения лазерной сварки

Как уже говорилось, лазерной сваркой можно соединять детали с любыми габаритами, но наиболее хорошо отработана сварка деталей малой и средней толщины (5-10мм). На практике широкому внедрению этого способа сварки препятствуют соображения экономической целесообразности вследствие высокой цены технологических лазеров и другого оборудования. Экономически целесообразно применение этого вида сварки лишь в тех случаях, когда применение других видов невозможно, или сопряжено с какими-либо трудностями.

Лазерную сварку целесообразно применять в тех случаях, когда форма и размеры свариваемой конструкции не должны существенно изменяться в процессе сварки, из чего следует, что применение этого процесса способно обеспечить минимальные деформации и напряжения при сварке.

Также данный вид сварки значительно упрощает технологию изготовления изделия, т.к. сварка выполняется как заключительная операция, обеспечивая необходимую точность, и последующие операции правки или механической обработки отсутствуют. А учитывая, что лазерная сварка является высокопроизводительным процессом, выполняемым на скоростях 100-200 м/ч, что превышает скорость обычной дуговой сварки в несколько раз, это делает её применение целесообразным при изготовлении крупногабаритных конструкций, не обладающих большой жёсткостью и со сварными швами, расположенными в труднодоступных местах.

Также этот вид сварки хорошо подходит для соединения трудносвариваемых материалов, в том числе и разнородных, при этом, в отличии от электронно-лучевого вида сварки, не требуется наличия вакуумных камер.

Технология лазерной сварки

Сварка сталей

Качество сварки и надёжность сварных соединений, выполняемых лазером, сильно зависят от качества сборки деталей под сварку. Требуемая точность сборки обеспечивается мех. обработкой сварных кромок на металлорежущих станках.

Поверхность свариваемых кромок необходимо очистить от загрязнений и от влаги, чтобы исключить образование дефектов в сварном шве, и в зоне термического влияния. В частности, пористости и оксидных соединений, а также образования холодных трещин при сварке из-за переизбытка водорода. При этом необходимо зачищать не только сварные кромки, но и близлежащие к ним участки на 10-15мм выше и ниже сварных кромок.

Зазор между сварными кромками и перекос должны быть сведены к минимуму. Рекомендуемая величина зазора - не более 5-7% от свариваемой толщины. Прихватки при сборке не рекомендуются, но, в случае крайней необходимости они должны выполняться лазером. Предпочтительное соединение для сварки стыковое. Нахлёсточные и замковые соединения не рекомендуются из-за повышенной чувствительности к концентраторам напряжений.

Сварку следует вести в среде аргона с углекислым газом, в соотношении 3:1, или в среде гелия с аргоном в соотношении 2:1. В некоторых случаях, при сварке низкоуглеродистых сталей допустима сварка без газовой защиты. Наиболее характерные режимы лазерной сварки сталей представлены в таблице:

Указанные в таблице режимы рекомендуются для сварки стыковых соединений, но их можно применять и для сварки угловых швов, тавровых и других видов соединений.

Сварка алюминиевых и магниевых сплавов

Сварка алюминия, магния и их сплавов усложняется тем, что это активные металлы, и они хорошо взаимодействуют с окружающей средой и испаряющимися легирующими элементами сплавов. Кроме этого, трудности представляет оксидная плёнка, которой покрыты поверхности сварных кромок. Но, эти трудности могут быть устранены использованием концентрированной подачи энергии в виде лазерного или электронного луча.

Подготовка сварных кромок происходит также тщательно, как и для дуговой сварки и она включает в себя мех. обработку с травлением, промывкой в горячей воде и зачисткой шабером непосредственно перед самим процессом сварки, чтобы на сварных участках не успели образоваться оксидные плёнки.

Сварку проводят в среде защитных газов. В качестве защитных газов применяют гелий, либо аргон. Оптимальные режимы лазерной сварки алюминиевых сплавов представлены в таблице ниже:

Сварные швы при сварке магния и его сплавов, образованные лазерным лучом, хорошо формируются и не провисают при сварке на весу. Это позволяет процесс сварки вести без применения специальных подкладок, в отличии от дуговой сварки, что значительно упрощает технологию изготовления изделий. Наиболее актуально это в случае изготовления крупногабаритных конструкций. Оптимальные режимы сварки некоторых материалов на основе магния представлены в таблице ниже:

Механические свойства сварных соединений алюминия и магния, выполненных лазерным лучом, не уступают механическим свойствам основного металла, при соблюдении технологии сварки.

Сварка титана и титановых сплавов

При сварке титана и титановых сплавов основными трудностями являются высокая активность металла при высоких температурах, склонность к росту зерна при нагреве свыше 300°C и склонность к образованию холодных трещин при сварке в случае повышения содержания водорода в металле шва и зоны термического влияния.

Подготовка кромок ведётся механической обработкой, или дробеструйной, или пескоструйной с последующим химическим травлением, осветлением и промывкой. Большое влияние на качество шва оказывает газовая защита зоны сварки и остывающей поверхности сварного шва и околошовной зоны. Для защиты в зоне воздействия лазерного луча используют гелий высокой чистоты, а для защиты остывающих участков возможно применение аргона повышенной чистоты.

Режимы сварки некоторых материалов на основе титана приведены в таблице:

Оборудование и установки для сварки лазером

Твердотельные лазеры

В составе твердотельных лазеров в качестве рабочего тела применяют элементы из рубина, стекла с содержанием неодима, алюмоиттриевого граната с неодимом. Возбуждение активного элемента вызывают световым потоком от мощных дуговых криптоновых светильников. Схема твердотельного лазера с основными узлами показана на рисунке:

Лазеры могут работать как в импульсном, так и непрерывном режимах. Импульсный режим осуществляется либо модуляцией добротности при непрерывном возбуждении активного элемента, либо импульсным возбуждением.

Газовые лазеры

В технологических лазерах в качестве рабочего тела применяются смеси азота, углекислого газа и гелия при давлении 2,66-13,3 кПа. Возбуждение рабочего тела происходит посредством электрического разряда. Азот и гелий обеспечивают передачу энергии возбуждения молекулам углекислого газа и создают благоприятные условия горения разряда. Длина волны такого излучения составляет 10,6 мкм.

Основные составные узлы газового лазера показаны на рисунке:

Основные узлы - это вакуумплотный замкнутый газовый контур, внутри которого располагается устройство для перегонки рабочей смеси газов. Электроразрядная камера, которая входит в состав газового контура, резонатор, вакуумный насос для откачки газов из контура. Системы охлаждения газовой смеси и оптики, управления, коммутации и измерения лазерного излучения.

Классификация газовых лазеров

По способу охлаждения смеси газов лазеры делятся на две группы: с диффузной (медленной) прокачкой и конвективной (быстрой) прокачкой. Диффузная прокачка применяется в трубчатых однолучевых лазерах относительно небольшой мощности и многолучевых лазерах. Конвективная прокачка применяется в лазерах с мощностью более 1 кВт.

По направлению движения смеси газов относительно электродов газовой камеры и зеркал резонатора, лазеры с конвективной прокачкой делятся на лазеры с продольной прокачкой и поперечной прокачкой.

Возбуждение (накачка) газовой смеси происходит при помощи разряда постоянного тока, высокочастотного разряда или разряда постоянного тока с импульсной предыонизацией.

Охлаждение оптических систем и узлов резонатора выполняют при помощи двухконтурной водяной системы охлаждения, а рабочая смесь газов охлаждается теплообменником газ-вода.

Система управления лазером обеспечивает заданный цикл работы, необходимую блокировку, стабильность главных показателей. Эта система представляет собой релейную схему и отдельные электронные блоки. Управление лазера происходит при помощи компьютера.

Системы транспортировки и фокусировки лазерного луча

Система транспортировки и фокусировки лазерного излучения состоит из защитных лучепроводов, отражающего зеркала и фокусирующего компонента. Отражающее зеркало изменяет траекторию луча и направляет его в зону обработки. В твердотельных лазерах небольшой мощности для это цели применяют призмы полного внутреннего отражения и преломляющие зеркала, имеющие несколько слоёв диэлектрического покрытия. Для газовых лазеров используют медные зеркала, а для лазеров большой мощности применяют специальные зеркала с водяным охлаждением.

Фокусирующий элемент, называемый тубусом, имеет возможность перемещаться относительно поверхности обрабатываемого изделия. В тубусе крепится линза. Для твердотельных лазеров применяют линзы из оптического стекла, а для газовых лазеров - из хлорида калия или селенида цинка с преломляющим просветляющим покрытием. Для защиты линз от продуктов, выделяющихся в процессе сварки, применяют специальные воздушные шторки из очищенного и сухого воздуха.

Для того, чтобы получить высокую плотность мощности излучения (порядка 5 Мвт/см₂), которая обеспечит точечное проплавление в процессе сварки, фокусное расстояние линз должно быть не более 10-15см. Уменьшать фокусное расстояние также нежелательно, так как возникают трудности с защитой от продуктов процесса сварки.

Система газовой защиты

Газовая защита необходима для того, чтобы металл сварного шва и околошовной зоны не окислялся в процессе сварки. Эта система включает сопла различных конструкций. Их конструкция должна позволять сдувать пары и брызги, образующиеся во время сварки, в сторону от оси лазерного луча. В зависимости от степени химической активности свариваемых металлов, мощности лазера и требуемой глубины проплавления, подбирается сопло необходимой конструкции и выбирается оптимальный по составу газ, подаваемый в зону обработки.

Система перемещения луча и изделия

Перемещение лазерного луча и свариваемых изделий обычно происходит посредством движения детали, выполняемого манипулятором с ЧПУ, имеющего различное число степеней свободы, в зависимости от необходимо сложности обработки. Скорость перемещения обычно составляет порядка 40-400 м/ч.

В случае обработки изделий большой массы и габаритов, рациональнее будет перемещать не изделие, а луч. Реализуется это с помощью подвижных зеркал. Наиболее перспективна система с рабочим инструментом, закреплённым в манипуляторе робота. Излучение от лазера к инструменту подаётся при помощи зеркал, установленных в шарнирных узлах робота.

Видео: лазерная гибридная сварка

Дополнительные материалы по теме: