Лазерна технологія

1. Принцип лазерного зварювання

Лазерне зварювання можна здійснювати за допомогою неперервних або імпульсних лазерних променів. Принцип лазерного зварювання поділяється на зварювання теплопровідністю та глибоке лазерне проникне зварювання. Щільність потужності менше ніж 10 ⁴ ~10⁵ Ширина/см ² є зварюванням за рахунок теплопровідності, яке характеризується мілким проникненням і повільною швидкістю зварювання. Коли щільність потужності перевищує 10 ⁵ ~10⁷ Ширина/см ² , поверхня металу нагрівається, утворюючи «порожнини» й формуючи глибоке проникне зварювання, яке характеризується високою швидкістю зварювання та великим співвідношенням глибини до ширини.

Принцип зварювання лазером за рахунок теплопровідності такий: лазерне випромінювання нагріває оброблювану поверхню, а тепло з поверхні поширюється всередину за рахунок теплопровідності. Контролюючи параметри лазерного імпульсу — такі як його тривалість, енергія, пікова потужність та частота повторення — можна досягти плавлення виробу й утворення певної ванни розплаву.

Лазерні зварювальні машини, що використовуються для зварювання зубчастих коліс і тонких металургійних листів, переважно застосовують лазерне зварювання з глибоким проникненням. Принцип лазерного зварювання з глибоким проникненням детально розглядається нижче.

Лазерне зварювання глибокого проникнення, як правило, використовує неперервний лазерний промінь для з’єднання матеріалів. Його металургійна фізика дуже схожа на електронно-променеве зварювання, а механізм перетворення енергії досягається за рахунок структури «ключової порожнини». За умов достатньо високої щільності потужності лазерного випромінювання матеріал випаровується й утворює ключову порожнину. Ця заповнена парою ключова порожнина діє як абсолютно чорне тіло, поглинаючи майже всю енергію падаючого променя. Температура рівноваги всередині ключової порожнини досягає приблизно 2500 °C. Тепло передається від зовнішньої стінки цього високотемпературного «ключового отвору», що сплавляє навколишній метал. Ключовий отвір заповнений високотемпературною парою, яка утворюється внаслідок безперервного випаровування матеріалу стінок під впливом опромінення лазерним променем. Стінки ключового отвору оточують розплавлений метал, а рідкий метал, у свою чергу, оточує твердий матеріал (у більшості традиційних процесів зварювання та при зварюванні лазерним променем у режимі теплопровідності енергія спочатку вводиться на поверхню заготовки, а потім передається у глибину). Рух рідкого металу та поверхневий натяг за межами стінок ключового отвору підтримують динамічну рівновагу з постійно зростаючим тиском пари всередині ключового отвору. Оскільки лазерний промінь безперервно проникає в ключовий отвір, матеріал за його межами також продовжує рухатися. Під час переміщення лазерного променя ключовий отвір залишається в стані стабільного потоку. Іншими словами, «пінхол» і оточуючий його розплавлений метал рухаються вперед з тією самою швидкістю, що й керівний промінь. Розплавлений метал заповнює порожнини, що залишаються після відходу «пінхолу», а потім затвердіває, утворюючи зварний шов. Усе це відбувається настільки швидко, що швидкість зварювання легко досягає кількох метрів за хвилину.

2. Ключові параметри процесу лазерного зварювання з глибоким проникненням

Потужність лазера

Лазерне зварювання передбачає існування порогового значення щільності лазерної енергії. Нижче цього порогу глибина проплавлення є незначною; після досягнення або перевищення цього порогу глибина проплавлення різко зростає. Плазма утворюється лише тоді, коли щільність потужності лазера на оброблюваній деталі перевищує цей поріг (який залежить від матеріалу), що свідчить про початок стабільного глибокого зварювання з утворенням ключової порожнини (keyhole). Якщо потужність лазера нижча за цей поріг, на оброблюваній деталі відбувається лише поверхневе плавлення, тобто зварювання проходить у стабільному режимі теплопровідності. Коли щільність потужності лазера наближається до критичного значення, необхідного для утворення ключової порожнини, глибоке зварювання з утворенням ключової порожнини та зварювання в режимі теплопровідності чергуються, що призводить до нестабільного процесу зварювання з великими коливаннями глибини проплавлення. У процесі лазерного глибокого зварювання з утворенням ключової порожнини потужність лазера одночасно регулює як глибину проплавлення, так і швидкість зварювання. Глибина проплавлення зварного шву безпосередньо залежить від щільності потужності лазерного пучка й є функцією потужності падаючого пучка та розміру фокусного пляму пучка. Зазвичай для лазерного пучка певного діаметра глибина проплавлення зростає зі збільшенням потужності пучка.

Фокусна пляма променя

Розмір плями променя є однією з найважливіших змінних у лазерному зварюванні, оскільки він визначає густину потужності. Однак вимірювання цього параметра для лазерів високої потужності є складним завданням, незважаючи на існування багатьох непрямих методів вимірювання.

Дифракційно-обмежений розмір плями лазерного променя можна розрахувати на основі оптичної дифракційної теорії. Однак через аберрації фокусуючої лінзи фактичний розмір плями перевищує розрахункове значення. Найпростішим практичним методом вимірювання є метод ізотермічного профілювання, який передбачає обвуглювання товстого аркуша паперу та пробивання поліпропіленової пластини перед вимірюванням фокусної плями й діаметра отвору. Цей метод вимагає практичного вимірювання для точного підбору потужності лазера та тривалості контакту променя з матеріалом.

Значення коефіцієнта поглинання матеріалу

Поглинання лазерного випромінювання матеріалом залежить від кількох важливих властивостей, таких як коефіцієнт поглинання, коефіцієнт відбиття, теплопровідність, температура плавлення та температура випаровування, причому найважливішим є коефіцієнт поглинання.

Фактори, що впливають на коефіцієнт поглинання матеріалом лазерного променя, охоплюють два аспекти: по-перше, питомий опір матеріалу. Вимірювання коефіцієнта поглинання полірованих поверхонь показують, що коефіцієнт поглинання пропорційний квадратному кореню з питомого опору, який, у свою чергу, змінюється з температурою. По-друге, стан поверхні (або її гладкість) матеріалу суттєво впливає на коефіцієнт поглинання променя й, відповідно, значно впливає на якість зварювання.

Вихідна довжина хвилі лазера CO₂ зазвичай становить 10,6 μ м. Неметалічні матеріали, такі як кераміка, скло, гума та пластики, мають високий коефіцієнт поглинання при кімнатній температурі, тоді як металічні матеріали поглинають лазерне випромінювання погано при кімнатній температурі; їх поглинання різко зростає лише після плавлення або навіть випаровування матеріалу. Поверхневі покриття або оксидні плівки є ефективними методами підвищення поглинання лазерного променя матеріалом.

Швидкість сварки

Швидкість зварювання суттєво впливає на глибину проплавлення шва. Збільшення швидкості призводить до зменшення глибини проплавлення, тоді як надто низька швидкість спричиняє надмірне плавлення й пробивання. Отже, для конкретного матеріалу за заданої потужності лазера та його товщини існує оптимальний діапазон швидкостей зварювання, у межах якого досягається максимальна глибина проплавлення. На рисунку 10-2 показано залежність глибини проплавлення від швидкості зварювання для сталі 1018.

Захисний газ

Інертні гази зазвичай використовуються для захисту розплавленої ванни під час лазерного зварювання. Хоча окиснення поверхні може не бути проблемою для певних матеріалів, гелій, аргон і азот зазвичай застосовуються в більшості випадків для запобігання окисненню зварюваного виробу під час процесу.

Гелій погано іонізується (але має високу енергію іонізації), що дозволяє лазерному променю проходити крізь нього безперешкодно й досягати поверхні зварюваного виробу. Це найефективніший захисний газ, що використовується при лазерному зварюванні, однак він порівняно дорогий.

Аргон дешевший і має більшу щільність, що забезпечує надійний захист. Однак він легко іонізується високотемпературною металевою плазмою, що частково екранує промінь і перешкоджає його досягненню зварюваного виробу, зменшуючи ефективну потужність лазера та погіршуючи швидкість зварювання й глибину проплавлення. Зварні шви, захищені аргоном, мають більш рівну поверхню, ніж ті, що захищені гелієм.

Азот є найдешевшим захисним газом, але його не можна використовувати для зварювання певних типів нержавіючої сталі, головним чином через металургійні проблеми, такі як поглинання, що іноді призводить до утворення пор у зоні з’єднання.

Другою функцією захисних газів є захист фокусуючої лінзи від забруднення металевими парами та розбризкування розплавлених крапель. Це особливо важливо під час лазерного зварювання з високою потужністю, коли викиданий матеріал стає дуже інтенсивним.

Третя функція захисних газів — їх ефективність у розсіюванні плазми, що утворюється під час зварювання потужним лазером. Металевий пар поглинає лазерний промінь і йонізується, утворюючи хмари плазми. Захисний газ, що оточує металевий пар, також йонізується внаслідок нагрівання. Якщо кількість плазми надто велика, лазерний промінь частково поглинається плазмою. Плазма виступає як вторинне джерело енергії на робочій поверхні, що призводить до меншої глибини проплавлення шва та ширшого сварного розплаву. Швидкість рекомбінації електронів зростає за рахунок збільшення кількості зіткнень між електронами, йонами та нейтральними атомами, що, у свою чергу, зменшує електронну густину в плазмі. Чим легші нейтральні атоми, тим вища частота зіткнень і швидкість рекомбінації; з іншого боку, лише захисний газ із високою енергією йонізації може запобігти зростанню електронної густини через йонізацію самого газу.

Розмір плазмового хмари залежить від захисного газу: гелій утворює найменшу хмару, потім йде азот, а аргон — найбільшу. Більша плазмова хмара призводить до меншої глибини проплавлення зварного шва. Ця різниця зумовлена переважно різним ступенем іонізації молекул газу, а також відмінностями в дифузії металевої пари, спричиненими різною щільністю захисних газів.

Гелій має найнижчу іонізацію та щільність, що дозволяє йому швидко витісняти піднімаючуся металеву пару з розплавленої металевої ванни. Тому використання гелію як захисного газу максимально пригнічує утворення плазми, що збільшує глибину проплавлення зварного шва та швидкість зварювання; його низька вага також сприяє легкому виходу з зони зварювання, зменшуючи ймовірність утворення пор. Однак, згідно з нашими практичними результатами зварювання, захисна дія аргону виявилася досить ефективною.

Вплив плазмового хмари на глибину проплавлення зварного шву є найбільш вираженим при низьких швидкостях зварювання. Його вплив зменшується із зростанням швидкості зварювання.

Захисний газ викидається під певним тиском через сопло й досягає поверхні виробу. Гідродинамічна форма сопла та діаметр його вихідного отвору мають вирішальне значення. Захисний газ має бути достатньо об’ємним, щоб повністю покривати зварну поверхню, проте розміри сопла слід обмежувати, щоб ефективно захищати лінзу й запобігти забрудненню її металевою парою або пошкодженню бризками розплавленого металу. Витрату газу також необхідно контролювати; в іншому разі ламінарна течія захисного газу перейде в турбулентну, у розплавлену ванну потрапить атмосферне повітря, що врешті-решт призведе до утворення пористості.

Для покращення ефекту захисту можна використовувати додатковий бічний спосіб подачі захисного газу, при якому газ подається безпосередньо в отвір («пінхол») глибокого проплавлення через сопло меншого діаметра під певним кутом. Захисний газ не лише пригнічує плазмову хмару на поверхні виробу, а й впливає на плазму всередині «пінхолу» та на формування самого «пінхолу», що додатково збільшує глибину проплавлення й забезпечує зварне з’єднання з ідеальним співвідношенням глибини до ширини. Однак цей спосіб вимагає точного контролю витрати та напрямку газового потоку; у протилежному випадку легко виникає турбулентність, що пошкоджує розплавлену ванну й робить процес зварювання нестабільним.

Фокусна відстань об'єктива

Під час зварювання лазер, як правило, фокусують, зазвичай за допомогою лінз із фокусною відстанню 63–254 мм (2,5 ”~10”розмір сфокусованої плями прямо пропорційний фокусній відстані: чим коротша фокусна відстань, тим менша пляма. Однак фокусна відстань також впливає на глибину фокусу, тобто глибина фокусу зростає пропорційно до фокусної відстані. Тому коротша фокусна відстань може збільшити щільність потужності, але через малий розмір глибини фокусу відстань між лінзою та оброблюваним виробом має підтримуватися з високою точністю, а також обмежується глибина проникнення. Через вплив бризок та режиму лазера, що виникають під час зварювання, найкоротша фокусна відстань, яка фактично використовується при зварюванні, зазвичай становить 126 мм (5″). ”коли стик великий або коли необхідно збільшити розмір шва за рахунок збільшення розміру плями, можна обрати лінзу з фокусною відстанню 254 мм (10″). ”у цьому випадку для досягнення ефекту ключової пори з глибоким проникненням потрібна вища вихідна потужність лазера (щільність потужності).

Коли потужність лазера перевищує 2 кВт, особливо для 10,6 μ лазерні промені CO₂ з довжиною хвилі мкм, завдяки використанню спеціальних оптичних матеріалів у оптичній системі, часто застосовують дзеркальне фокусування, щоб уникнути пошкодження фокусувальної лінзи. Зазвичай як відбивачі використовують поліровані мідні дзеркала. Через їх ефективні властивості охолодження їх часто рекомендують для фокусування лазерних променів великої потужності.

Позиція фокусу

Під час зварювання положення фокусу має вирішальне значення для забезпечення достатньої щільності потужності. Зміни відносного положення фокусу щодо поверхні виробу безпосередньо впливають на ширину та глибину зварного шва. На рисунку 2-6 показано вплив положення фокусу на глибину проплавлення та ширину зварного шва сталі 1018.

У більшості застосувань лазерного зварювання фокус, як правило, розташовують приблизно на чверть товщини нижче поверхні виробу, щоб досягти бажаної глибини проплавлення.

Положення лазерного променя

Під час лазерного зварювання різних матеріалів положення лазерного променя визначає кінцеву якість зварного шва, особливо у стикових з’єднаннях, де воно є більш чутливим, ніж у накладних з’єднаннях. Наприклад, під час зварювання загартованого сталевого зубчастого колеса з барабаном із низьковуглецевої сталі правильне регулювання положення лазерного променя забезпечує формування зварного шва, що переважно складається з низьковуглецевих компонентів, що має кращу стійкість до утворення тріщин. У деяких застосуваннях геометрія зварюваного виробу вимагає відхилення лазерного променя під певним кутом. Якщо кут відхилення між віссю променя та площиною зварного шва не перевищує 100 градусів, поглинання лазерної енергії виробом не порушується.

Керування збільшенням і зменшенням потужності лазера на початку та в кінці зварювання

Під час глибокого проникного лазерного зварювання явище формування ключової пори («піночка») завжди існує, незалежно від глибини шва. Коли процес зварювання завершується й вимикається живлення лазера, на кінці шва утворюється впадина. Крім того, коли новий лазерний шов накладається на попередній, може виникнути надмірне поглинання лазерного променя, що призводить до перегріву або утворення пор у зварному з’єднанні.

Щоб запобігти цим явищам, точки початку та завершення подачі потужності можна запрограмувати так, щоб тривалість їхнього ввімкнення та вимкнення була регульованою. Іншими словами, потужність у початковий момент електронним способом плавно зростає від нуля до заданого значення протягом короткого часу, а тривалість зварювання — регулюється. Нарешті, у кінці процесу зварювання потужність плавно зменшується від заданого значення до нуля.

3. Характеристики, переваги та недоліки глибокого проникного лазерного зварювання

Характеристики глибокого проникного лазерного зварювання

1) Високе співвідношення висоти до ширини. 1) **Глибокий і вузький шов зварювання:** Оскільки розплавлений метал утворюється навколо циліндричної парової порожнини з високою температурою й поширюється у напрямку заготовки, шов зварювання стає глибоким і вузьким.

2) **Мінімальне тепловкладення:** Через надзвичайно високу температуру всередині парового каналу процес плавлення відбувається дуже швидко, що призводить до мінімального тепловкладення в заготовку, зменшуючи теплову деформацію та зону термічного впливу.

3) **Висока щільність:** Паровий канал, заповнений парою з високою температурою, сприяє перемішуванню розплавленої ванни та виходу газів, забезпечуючи повністю проплавлений шов без пористості. Висока швидкість охолодження після зварювання додатково дрібнить мікроструктуру зварного шва.

4) **Міцний зварний шов:** Інтенсивне джерело тепла та повне поглинання неметалічних компонентів зменшують вміст домішок і змінюють розмір та розподіл неметалічних включень у зварювальній ванні. У процесі зварювання не потрібні електроди чи присадний дріт, що призводить до меншого забруднення розплавленої зони, тому міцність і ударна в’язкість зварного шва щонайменше дорівнюють, а нерідко й перевищують аналогічні характеристики основного металу.

5) **Точне керування:** Оскільки фокусована пляма дуже мала, зварний шов можна точно розмістити. Вихідний лазерний потік не має «інерції», що дозволяє швидко зупиняти й відновлювати зварювання на високих швидкостях. Технологія ЧПК-керування рухом лазерного променя забезпечує зварювання складних виробів. 6) Безконтактний атмосферний зварювальний процес. Оскільки енергія надходить у вигляді фотонного променя, фізичного контакту з виробом не виникає, отже, на виріб не діють зовнішні сили. Крім того, магнетизм і повітря не впливають на лазер.

Переваги глибокого лазерного зварювання

1) Через значно вищу щільність потужності зфокусованих лазерів порівняно з традиційними методами швидкість зварювання висока, зона термічного впливу та деформація мінімальні, а також можливе зварювання важкозварюваних матеріалів, наприклад титану.

2) Оскільки промінь легко передається й керується, немає потреби у частій заміні зварювальних пальників і насадок, а також не потрібно створювати вакуум, як у випадку електронно-променевого зварювання; тому час простою значно скорочується, що забезпечує високий коефіцієнт завантаження й ефективність виробництва.

3) Через очисний ефект і високу швидкість охолодження зварний шов має високу міцність, в’язкість та загальні експлуатаційні характеристики.

4) Через низький середній тепловий внесок точність обробки висока, що зменшує витрати на повторну обробку; крім того, експлуатаційні витрати на лазерне зварювання також нижчі, що зменшує витрати на обробку виробів.

5) Інтенсивність променя та точне позиціонування можуть ефективно керуватися, що спрощує автоматизацію процесу.

Недоліки глибокого лазерного зварювання

1) Обмежена глибина зварювання.

2) Високі вимоги до збирання заготовок.

3) Високі початкові інвестиції в лазерні системи.