Лазерные технологии

1. Принцип лазерной сварки

Лазерную сварку можно осуществлять с использованием непрерывных или импульсных лазерных лучей. Принцип лазерной сварки подразделяется на теплопроводную сварку и глубокопроникающую лазерную сварку. Плотность мощности менее 10 ⁴ ~10⁵ Ш/см ² это сварка за счет теплопроводности, характеризующаяся небольшой глубиной проплавления и медленной скоростью сварки. При плотности мощности более 10 ⁵ ~10⁷ Ш/см ² на поверхности металла возникает нагрев, формируются «полости», и происходит сварка глубокого проплавления, которая характеризуется высокой скоростью сварки и большим отношением глубины к ширине шва.

Принцип лазерной сварки за счет теплопроводности заключается в следующем: лазерное излучение нагревает обрабатываемую поверхность, а тепло от поверхности распространяется внутрь материала путём теплопроводности. Управляя параметрами лазерного импульса — такими как его ширина, энергия, пиковая мощность и частота повторения — можно добиться плавления заготовки и формирования заданного расплавленного участка.

Лазерные сварочные аппараты, применяемые для сварки зубчатых колёс и тонких металлургических листов, в основном используют лазерную сварку глубокого проплавления. Принцип лазерной сварки глубокого проплавления будет подробно рассмотрен ниже.

Лазерная сварка глубокого проплавления обычно использует непрерывный лазерный луч для соединения материалов. Её металлургическая физика очень схожа с электронно-лучевой сваркой; механизм преобразования энергии осуществляется за счёт образования «ключевого отверстия». При облучении материала лазерным излучением с достаточной плотностью мощности материал испаряется и образует ключевое отверстие. Это заполненное паром ключевое отверстие действует как абсолютно чёрное тело, поглощая почти всю энергию падающего луча. Температура равновесия внутри ключевого отверстия достигает приблизительно 2500 °C. Тепло передаётся от наружной стенки этого высокотемпературного ключевого отверстия, расплавляя окружающий его металл. Ключевое отверстие заполнено высокотемпературным паром, образующимся в результате непрерывного испарения материала стенки под воздействием лазерного излучения. Стенки ключевого отверстия окружены расплавленным металлом, а расплавленный металл, в свою очередь, окружает твёрдый материал (в большинстве традиционных сварочных процессов и при лазерной проводниковой сварке энергия сначала вводится на поверхность заготовки, а затем передаётся внутрь). Жидкотекучесть и поверхностное натяжение за пределами стенок ключевого отверстия поддерживают динамическое равновесие с постоянно возрастающим давлением пара внутри ключевого отверстия. По мере того как лазерный луч непрерывно проникает в ключевое отверстие, материал за его пределами продолжает течь. При перемещении лазерного луча ключевое отверстие сохраняет устойчивое течение. Иными словами, «дырка» и окружающий её расплавленный металл движутся вперёд со скоростью, равной скорости направляющего лазерного луча. Расплавленный металл заполняет полости, оставшиеся после прохождения «дырки», а затем затвердевает, формируя сварной шов. Всё это происходит настолько быстро, что скорость сварки легко достигает нескольких метров в минуту.

2. Ключевые параметры технологического процесса лазерной сварки глубокого проникновения

Мощность лазера

Лазерная сварка предполагает наличие порогового значения плотности лазерной энергии. Ниже этого порога глубина проплавления мала; при достижении или превышении порога глубина проплавления резко возрастает. Плазма образуется только тогда, когда плотность лазерной мощности на обрабатываемой детали превышает данный порог (значение зависит от материала), что знаменует начало устойчивой сварки глубокого проплавления. Если лазерная мощность ниже этого порога, на обрабатываемой детали происходит лишь поверхностное плавление, то есть сварка протекает в устойчивом режиме теплопроводности. Когда плотность лазерной мощности близка к критическому значению, необходимому для образования ключевого отверстия (keyhole), сварка глубокого проплавления и теплопроводная сварка чередуются, что приводит к неустойчивому сварочному процессу с большими колебаниями глубины проплавления. При лазерной сварке глубокого проплавления лазерная мощность одновременно управляет как глубиной проплавления, так и скоростью сварки. Глубина проплавления сварного шва напрямую зависит от плотности мощности лазерного пучка и является функцией подводимой мощности лазерного пучка и размера фокального пятна пучка. Как правило, для лазерного пучка определённого диаметра глубина проплавления увеличивается с ростом мощности лазерного пучка.

Фокусное пятно луча

Размер пятна луча является одной из наиболее важных переменных при лазерной сварке, поскольку он определяет плотность мощности. Однако измерение этого параметра для высокомощных лазеров представляет значительную сложность, несмотря на наличие множества косвенных методов измерения.

Дифракционно-ограниченный размер пятна лазерного луча может быть рассчитан на основе теории оптической дифракции. Однако из-за аберраций фокусирующей линзы фактический размер пятна превышает расчётное значение. Самым простым практическим методом измерения является метод изотермического профилометрического анализа, при котором происходит обугливание толстого листа бумаги и пробивание пластины из полипропилена с последующим измерением фокусного пятна и диаметра образовавшегося отверстия. Для освоения данного метода требуются практические измерения с подбором мощности лазера и длительности воздействия луча.

Значение поглощения материала

Поглощение лазерного излучения материалом зависит от нескольких важных свойств, таких как коэффициент поглощения, коэффициент отражения, теплопроводность, температура плавления и температура испарения, причём наиболее важным является коэффициент поглощения.

Факторы, влияющие на коэффициент поглощения материала лазерным лучом, включают два аспекта: во-первых, удельное электрическое сопротивление материала. Измерения коэффициента поглощения полированных поверхностей показывают, что он пропорционален квадратному корню из удельного сопротивления, которое, в свою очередь, зависит от температуры. Во-вторых, состояние поверхности (или её гладкость) оказывает значительное влияние на поглощение луча, а следовательно, существенно влияет и на качество сварки.

Длина волны излучения CO₂-лазера обычно составляет 10,6 μ м. Неметаллические материалы, такие как керамика, стекло, резина и пластмассы, обладают высоким коэффициентом поглощения при комнатной температуре, тогда как металлические материалы плохо поглощают лазерное излучение при комнатной температуре; их поглощение резко возрастает только после плавления или даже испарения материала. Поверхностные покрытия или оксидные плёнки являются эффективными методами повышения поглощения лазерного луча материалом.

Скорость сварки

Скорость сварки существенно влияет на глубину проплавления. Увеличение скорости приводит к уменьшению глубины проплавления, а чрезмерно низкая скорость вызывает переплав и прожог. Поэтому для конкретного материала при заданной мощности лазера и толщине существует оптимальный диапазон скоростей сварки, в пределах которого достигается максимальная глубина проплавления. На рисунке 10-2 показана зависимость глубины проплавления от скорости сварки для стали 1018.

Защитный газ

Инертные газы широко применяются для защиты расплавленной ванны при лазерной сварке. Хотя окисление поверхности может не представлять проблемы для некоторых материалов, гелий, аргон и азот обычно используются в большинстве применений для предотвращения окисления свариваемых деталей в процессе сварки.

Гелий плохо ионизируется (но обладает высокой энергией ионизации), что позволяет лазерному лучу беспрепятственно проходить сквозь него и достигать поверхности свариваемой детали. Это наиболее эффективный защитный газ, применяемый при лазерной сварке, однако он относительно дорог.

Аргон дешевле и имеет более высокую плотность, обеспечивая хорошую защиту. Однако он легко ионизируется высокотемпературной металлической плазмой, что частично экранирует лазерный луч и препятствует его попаданию на свариваемую деталь, снижая эффективную мощность лазера и ухудшая скорость сварки и глубину проплавления. Швы, защищённые аргоном, имеют более гладкую поверхность по сравнению с швами, защищёнными гелием.

Азот является самым дешевым защитным газом, однако он непригоден для сварки некоторых типов нержавеющей стали, главным образом из-за металлургических проблем, таких как поглощение, которое иногда может вызывать пористость в зоне соединения.

Вторая функция защитных газов заключается в защите фокусирующей линзы от загрязнения металлическими парами и разбрызгивания расплавленных капель. Это особенно важно при лазерной сварке высокой мощности, когда выбрасываемый материал приобретает очень большую энергию.

Третья функция защитных газов заключается в их способности рассеивать плазму, образующуюся при лазерной сварке высокой мощности. Пары металла поглощают лазерный луч и ионизируются, образуя облако плазмы. Защитный газ, окружающий пары металла, также ионизируется вследствие нагрева. При избыточном количестве плазмы часть лазерного луча поглощается ею. Плазма выступает в качестве вторичного источника энергии на рабочей поверхности, что приводит к уменьшению глубины проплавления и увеличению ширины сварочной ванны. Скорость рекомбинации электронов возрастает за счёт увеличения частоты столкновений между электронами, ионами и нейтральными атомами, что снижает плотность электронов в плазме. Чем легче нейтральные атомы, тем выше частота столкновений и скорость рекомбинации; с другой стороны, только защитный газ с высокой энергией ионизации способен предотвратить рост плотности электронов, вызванный ионизацией самого газа.

Размер плазменного облака зависит от используемого защитного газа: у гелия он наименьший, за ним следует азот, а у аргона — наибольший. Более крупное плазменное облако приводит к меньшей глубине проплавления сварного шва. Данное различие обусловлено в первую очередь разной степенью ионизации молекул газа, а также различиями в диффузии металлического пара, вызванными разной плотностью защитных газов.

Гелий обладает самой низкой степенью ионизации и наименьшей плотностью, что позволяет ему быстро вытеснять поднимающийся металлический пар из расплавленной металлической ванны. Поэтому использование гелия в качестве защитного газа обеспечивает максимальное подавление плазмы, повышая глубину проплавления и скорость сварки; его малый удельный вес также способствует лёгкому удалению из зоны сварки, снижая вероятность образования пор. Однако, согласно нашим практическим результатам сварки, защита аргоном оказалась весьма эффективной.

Влияние плазменного облака на глубину проплавления наиболее выражено при низких скоростях сварки. Его эффект ослабевает по мере увеличения скорости сварки.

Защитный газ выбрасывается под определённым давлением через сопло и достигает поверхности изделия. Гидродинамическая форма сопла и диаметр его выходного отверстия имеют решающее значение. Расход защитного газа должен быть достаточным для полного охвата зоны сварки, однако размер сопла необходимо ограничивать, чтобы эффективно защищать линзу от загрязнения паром металла или повреждения брызгами расплавленного металла. Также необходимо контролировать расход газа: в противном случае ламинарный поток защитного газа перейдёт в турбулентный режим, в расплавленную ванну будут попадать атмосферные включения, что в конечном итоге приведёт к образованию пор.

Для повышения эффекта защиты может применяться дополнительный боковой метод подачи защитного газа, при котором защитный газ вводится непосредственно в ключевое отверстие глубокопроникающей сварки через сопло меньшего диаметра под определённым углом. Защитный газ не только подавляет плазменное облако на поверхности изделия, но и влияет на плазму внутри ключевого отверстия, а также на формирование самого ключевого отверстия, что дополнительно увеличивает глубину проплавления и обеспечивает получение шва с идеальным соотношением глубины к ширине. Однако для данного метода требуется точный контроль расхода и направления газового потока; в противном случае легко возникает турбулентность, которая может повредить сварочную ванну и привести к нестабильности процесса сварки.

Фокусное расстояние объектива

Во время сварки лазер, как правило, фокусируется, обычно с использованием линз с фокусными расстояниями 63–254 мм (2,5 ”~10”размер сфокусированного пятна прямо пропорционален фокусному расстоянию: чем короче фокусное расстояние, тем меньше размер пятна. Однако фокусное расстояние также влияет на глубину фокуса, то есть глубина фокуса возрастает пропорционально фокусному расстоянию. Следовательно, уменьшение фокусного расстояния повышает плотность мощности, однако из-за малой глубины фокуса расстояние между линзой и обрабатываемой деталью должно поддерживаться с высокой точностью, а также ограничивается глубина проплавления. Влияние брызг и моды лазерного излучения, возникающих при сварке, приводит к тому, что на практике минимальное используемое фокусное расстояние обычно составляет 126 мм (5 ”когда стык имеет большие размеры или необходимо увеличить размер шва за счёт увеличения диаметра пятна, может быть выбрана линза с фокусным расстоянием 254 мм (10 ”) . В этом случае для достижения эффекта ключевого отверстия (глубокого проплавления) требуется более высокая выходная мощность лазера (плотность мощности).

При мощности лазера свыше 2 кВт, особенно для 10,6 μ лазерные лучи CO2 с длиной волны 10,6 мкм из-за использования специальных оптических материалов в оптической системе часто фокусируют с помощью отражения, чтобы избежать повреждения фокусирующей линзы. В качестве отражателей обычно применяются полированные медные зеркала. Благодаря их эффективным свойствам охлаждения их часто рекомендуют для фокусировки лазерных лучей высокой мощности.

Положение фокуса

Во время сварки положение фокуса имеет решающее значение для поддержания достаточной плотности мощности. Изменения относительного положения фокуса по отношению к поверхности изделия напрямую влияют на ширину и глубину сварного шва. На рисунке 2–6 показано влияние положения фокуса на глубину проплавления и ширину сварного шва стали марки 1018.

В большинстве применений лазерной сварки фокус обычно располагают примерно на одной четверти толщины ниже поверхности изделия для достижения требуемой глубины проплавления.

Положение лазерного луча

При лазерной сварке различных материалов положение лазерного луча определяет конечное качество сварного шва, особенно в стыковых соединениях, где оно более чувствительно, чем в нахлёсточных соединениях. Например, при сварке закалённой стальной шестерни с барабаном из низкоуглеродистой стали правильный контроль положения лазерного луча обеспечивает формирование шва, в основном состоящего из низкоуглеродистых компонентов, что повышает его стойкость к образованию трещин. В некоторых применениях геометрия свариваемой детали требует отклонения лазерного луча под определённым углом. Если угол отклонения между осью луча и плоскостью соединения не превышает 100 градусов, поглощение лазерной энергии деталью не снижается.

Управление увеличением и уменьшением мощности лазера в начальной и конечной точках сварки

При лазерной сварке глубокого проникновения, независимо от глубины шва, всегда наблюдается явление образования ключевого отверстия («пинхола»). При завершении процесса сварки и выключении источника питания в конце сварного шва образуется углубление (кратер). Кроме того, когда слой лазерной сварки перекрывает исходный шов, может возникнуть чрезмерное поглощение лазерного луча, что приводит к перегреву или образованию пор в сварном соединении.

Для предотвращения этих явлений точки включения и выключения мощности могут быть запрограммированы таким образом, чтобы время нарастания и спада мощности было регулируемым. То есть начальная мощность электронным способом плавно увеличивается от нуля до заданного значения за короткий промежуток времени, а время сварки корректируется. В заключение, в конце сварки мощность постепенно снижается от заданного значения до нуля.

3. Характеристики, преимущества и недостатки лазерной сварки глубокого проникновения

Характеристики лазерной сварки глубокого проникновения

1) Высокое отношение высоты к ширине. 1) **Глубокий и узкий шов:** Поскольку расплавленный металл формируется вокруг цилиндрической паровой полости высокой температуры и продвигается вглубь заготовки, шов получается глубоким и узким.

2) **Минимальный тепловой ввод:** Благодаря чрезвычайно высокой температуре внутри парового канала процесс плавления протекает очень быстро, что обеспечивает минимальный тепловой ввод в заготовку и сводит к минимуму тепловую деформацию и зону термического влияния.

3) **Высокая плотность:** Паровая полость, заполненная паром высокой температуры, способствует перемешиванию сварочной ванны и удалению газов, что приводит к формированию шва без пор и с полным проплавлением. Высокая скорость охлаждения после сварки дополнительно улучшает микроструктуру шва.

4) **Высокая прочность сварного шва:** Интенсивный источник тепла и полное поглощение неметаллических компонентов снижают содержание примесей и изменяют размеры и распределение неметаллических включений в сварочной ванне. В процессе сварки не требуются электроды или присадочная проволока, что приводит к меньшему загрязнению расплавленной зоны, обеспечивая прочность и ударную вязкость сварного шва, по меньшей мере, не уступающие, а зачастую и превосходящие соответствующие характеристики основного металла.

5) **Точное управление:** Поскольку сфокусированное пятно имеет очень малые размеры, сварной шов может быть точно расположен. Лазерное излучение не обладает «инерционностью», что позволяет быстро останавливать и возобновлять процесс сварки на высоких скоростях. Технология ЧПУ-управления перемещением лазерного луча обеспечивает сварку сложных деталей. 6) Бесконтактный сварочный процесс в атмосферных условиях. Поскольку энергия поступает в виде фотонного пучка, физического контакта с изделием не происходит, и, следовательно, на изделие не действуют внешние силы. Кроме того, магнитные поля и воздух не оказывают влияния на лазерный луч.

Преимущества лазерной сварки глубокого проплавления

1) Благодаря значительно более высокой плотности мощности сфокусированных лазеров по сравнению с традиционными методами скорость сварки высока, зона термического влияния и деформация малы, а также возможно сваривание трудносвариваемых материалов, таких как титан.

2) Поскольку лазерный луч легко передаётся и контролируется, отпадает необходимость в частой замене сварочных горелок и сопел, а также не требуется создание вакуума, как при электронно-лучевой сварке; это существенно сокращает простои, обеспечивая высокий коэффициент загрузки и производственную эффективность.

3) Благодаря очищающему эффекту и высокой скорости охлаждения сварной шов обладает высокой прочностью, вязкостью и общими эксплуатационными характеристиками.

4) Благодаря низкому среднему тепловложению точность обработки высока, что снижает затраты на доработку; кроме того, эксплуатационные расходы при лазерной сварке также ниже, что в целом снижает себестоимость обработки деталей.

5) Интенсивность луча и точное позиционирование могут быть эффективно контролируемы, что упрощает автоматизацию процесса.

Недостатки лазерной сварки глубокого проникновения

1) Ограниченная глубина сварки.

2) Высокие требования к сборке заготовки.

3) Высокие первоначальные инвестиции в лазерные системы.