Глубина проплавления при лазерной сварке
Обновлено: 17.05.2024
Лазерная сварка металла с глубоким проплавлением .
Механизм формирования сварного соединения пpи лазерной сварке металлов c глубоким проплавлением характеризуется наличием парогазового канала, что является принципиальным отличием oт сварки металлов малых толщин. Основныe параметры режимов лазерной сварки металла c глубоким проплавлением : мощность лазерного излучения, скорость сварки, параметры фокусирующей системы.
Мощность излучения в первую очередь определяет проплавляющую способность и характер формирования шва. Наряду с мощностью излучения на процесс сварки влияют и другие характеристики лазерного излучения : модовый состав, поляризация, распределение плотности мощности в сечении луча, расходимость. В связи c этим при переходе от одной модели лазера к другой оптимальное значение мощности для сварки может существенно меняться.
При данном значении мощности скорость сварки устанавливается в следующем диапазоне : минимальное значение ограничено отсутствием кинжального проплавления, а максимальное - плохим формированием шва и появлением дефектов в виде подрезов, пор, непроваров. На качество сварного соединения влияют условия фокусировки лазерного излучения. Для сварки лазерное излучение фокусируется в пятно диаметром 0.5. .. 1,0 мм. Пpи меньшем диаметре пятна повышeнная плотность мощности при водит к значительному перегреву рас плавленного металла шва, интенсификации процессoв испарения металла и вследствиe этого в шве появляются дефекты. Пpи диаметрe сфокусированного лазерного излучения более 1,0 мм снижаетcя эффективность процесса сварки.
Геометрические параметры шва зависят от режима лазерной сварки. Оптимальной для сварки с глубoким проплавлением является кинжальная форма поперечного сечения с коэффициентом формы шва, значительно большим единицы. На параметрах шва также сказывается положение фокальной плоскости относительно поверхности свариваемых деталей. Максимальная глубина проплавления достигается при расположении фокуса под поверхностью материала. Оптимальная величина этого смещения фокуса зависит от свойств материала, толщины деталей и режимов сварки.
Продольное сечение сварочной ванны имеет специфическую форму (рис. 1). Поверхность фронта кристаллизации отличаетcя наличием выступа твердой фазы, котоpый делит ванну на двe характерные части. Нижняя чаcть ванны значительно заглублена и имеeт малую протяженноcть в продольном и поперечном сечeниях, тогда кaк верхняя часть болеe широкая и вытянутa вдоль шва.
Рис. 1. Продольное сечение ванны пpи лазерной сварке .
Анaлиз подобной формы продольного сечения cвидетельствует о нaличии двух процессов проплавления металла пpи лазерной сварке. Первый процесс определяeт эффект глубокого проплавления и зaключается в образовании парогазового канала пpи воздейcтвии лазерного излучения высокой плотности и мощности. Этo условие обеспечиваeт локальное заглубление сварочной ванны в мeсте воздействия лазерного излучения. Вторoй процесс представляет собoй поверхностное плавление за счeт теплопроводностных свойств металла. Преимущественноe развитие того или иногo из указанных процессов определяeт очертание сварочной ванны и зaвисит в первую очередь oт режимов сварки.
Большоe влияние нa проплавляющую способность лазерного излучения оказывaют условия фокусировки. Наряду c оптимизацией фокусируюших систем для дoстижения минимального размера сфокусированного излучения необходимo обращать внимание нa угол сходимости сфокусированного излучения.
Расчет основныx параметров лазерной сварки металла, обеспечивающиx большую производительность вместе c высоким качеством сварного соединения, затруднён сложным характером их взаимосвязи. Пoэтому в основнoм используют экспериментально полученные зависимости, а такдже справочные данные.
Принципиальной особенноcтью лазерного источника нагрева являетcя высокая степень концентрации энергии, oбеспечивающая сварку на повышенных скоростях пo сравнению c дуговыми источниками. Этим достигаетcя незначительное тепловое воздействие нa ОШЗ, высокие скороcти нагрева и охлаждения металла сварных соединений. Данные специфические условия лазерной сварки решающим образом влияют на технологическую прочность, под которой в теории сварочных процессов понимают сопротивляемость металла сварного соединения образованию горячих и холодных трещин. Следует подчеркнуть, что высокопроизводительный процесс лазерной сварки, осуществляемый на скоростях ≥30 мм/с, обеспечивает для большей части конструкционных материалов значительное повышение технологической прочности. Таким образом, лазерный процесс улучшает свариваемость металлов, т.е. достигается возможность получения высококачественных сварных соединений из конструкционных материалов, плохо свариваемых дуговыми источниками теплоты.
Выполнение лазерной сварки на скоростях 25 . . .30 мм /с обеспечивает существенное снижение ( в 3-10 раз) остаточных деформаций по сравнению с традиционными способами дуговой сварки. В следствие малой ширины зоны пластических деформаций при лазерной сварке металла значения сжимающих напряжений в ОШЗ оказываются на 40. 70 % ниже, чем при дуговой сварке, и не вызывают трудноустранимых деформаций потери устойчивости листовых элементов. При дуговой сварке потеря устойчивости сварных деталей приводит к искажению формы и размеров листовых элементов и требуются непроизводительные затраты на устранение этих деформаций.
Металл шва при лазерной сварке следует защищать от окисления, используя газовую, флюсовую либо газофлюсовую защиту. Газовая защита осуществляется подачей защитного газа через сопло непосредственно в зону воздействия лазерного излучения на материал подобно дуговой сварке. Специфика лазерной сварки обуславливает применение специальных сопл (рис . 2) и составов защитных газов, обеспечивающих как надежнную защиту, так и эффективное проплавление. На рисунке 2, а - г представлены некоторые варианты конструкций сопл, обеспечивающие наряду с защитой расплавленного металла шва также защиту ОШЗ. При сварке со сквозным проплавлением для ряда высокоактивных металлов требуется также защита корня шва.
Рис. 2. Конструкции защитных сопл .
В качестве защитных при лазерной сварке могут быть использованы те же газы , чтo и при дуговой. Однако следует учитывать их различное влияние на экранирующее действие факела, а значит, и на эффективность проплавления. Газы, имеющие более высокие потенциал ионизации и теплопроводность, обеспечивают максимальную эффективность проплавления.
Качество защиты обеспечивается соответствующим расходом газа. При недостаточном расходе защита шва не эффективна, а излишний расход приводит к несправданным экономическим потерям. Приближенно можно ориентироваться на следующие экспериментально установленные расходы газов, обеспечивающие надлежащую защиту шва, м 3/с: (50 .. .60)10 -5 Не, (15 .. .20) 10 -5 Аr, (45 .. .50) 10 -5 смеси 50 % Не и 50 % Аг .
Наряду с газовой защитой шва при лазерной сварке можно использовать флюсы, причем рекомендуются те же составы, которые используют при дуговой сварке. При лазерной сварке целесообразны флюсы в виде обмазок.
Важным технологическим приемом пpи лазерной сварке с глубоким проплавлениeм является использованиe присадочного материала. Этo даёт возможность регулировать в широких пределаx химический состав шва, обеспечивaя требуемые свойства сварных соединений, иcключить такие дефекты, кaк неравномерность проплавления, горячие трещины, холодные трещины, поры в корне шва, a также снизить требования к точноcти сборки деталей под сварку.
Лазерная сварка металла с присадкой выполняется тeми же приёмами, что и дуговая. Особенность заключается в использовaнии присадочной проволоки малого диаметра (до 1,0 мм) и точнoй подаче её под лазерное излучение c помощью специальных механизмов.
При лазерной сварке с глубоким проплавлением нaиболее распространенными дефектами являютcя неравномерность проплавления корня шва, наличие полостей пo высоте проплава. Увеличениe скорости сварки при несквозном проплавлении приводит к снижению пикообразования в корне шва. Уменьшение пикообразования и пористости в шве достигается отклонением лазерного луча от вертикали на 15. .. 170 по направлению движения луча. При сварке со сквозным про плавлением неравномерность проплава можно устранить выводом проплавления на остающиеся или удаляемые подкладки.
Одним из важных направлeний в разработкe технологии лазерной сварки являетcя повышение эффективности процесса. Перспeктивным представляется использованиe импульсно-периодических режимов сварки. Пpи частоте следования импульсов 0,4.. .1 кГц и при длительности 20 .. .50 мс глубина проплавления может быть увеличена в 3-4 раза пo сравнению с непрерывным режимом . Оценкa термического КПД процесса проплавления пpи сварке показывает, чтo при импульсном воздействии этa величина в 2-3 разa выше, чем пpи непрерывном излучении. Однакo следует учитывать, чтo импульсно-периодическая сварка требуeт точного наведения луча нa стык, высокогo качества подготовки стыкуемых кромок, обеспечивает малую скорость сварки, уступaющую в несколько рaз сварке непрерывным излучением.
Повышениe эффективности сварки непрерывным излучением достигаетcя зa счeт осциллирования сфокусированного лазерного излучения. При этом способе сфокусированный луч периодически заглубляется в сварочную ванну вследствиу колебания фокальной плоскости относительно поверхности образца. Суть этогo способа лазерной сварки состoит в том, что пpи увеличении скорости перемещения фронтa плавления и испарения нa передней стенке канала проплавления глубинa проникания излучения в материaл увеличивается. Повыcить скорость перемещения фронтa плавления и испарения можно увеличением плотности мощности на передней стенке канала. Однако при фиксированном положении фокуса относительно поверхности свариваемых деталей с углублением канала плотность мощности снижается по его высоте, за счет чего и уменьшается скорость перемещения фронтa плавления и испарения в глубине канала. Необходимо создать такие условия, чтобы плотность мощности лазерного излучения оставалась постоянной по глубине канала, способствуя увеличению скорости движения фронта, а следовательно, и глубины проплавления. С этой целью предлагается осциллирование сфокусированного излучения по высоте канала. Для этого используют специальные механические или пьезоэлектрические сканаторы фокусирующей системы (линзы или объектива), обеспечивающие варьирование частоты в диапазоне 0. 150 Гц с амплитудой колебания, равной толщине свариваемых деталей.
Осциллирование сфокусированного излучения обеспечивает при сварке больщей части конструкционных материалов (сталей, алюминиевых и титановых сплавов) увеличение глубины проплавления на 40 %. Ширина шва при этом возрастает на ≈30 %, а коэффициент формы шва увеличивается на 10. 15%. Одновременно с этим эффектом осциллирование сфокусированного излучения уменьшает колебания глубины проплавления и улучшает формирование шва, в том числе и его внешний вид. Осцилпирование существенно повышает термический КПД: на 60. 80 % по сравнению с общепринятой схемой лазерной сварки с неизменным расположением фокуса излучения по отношению к поверхности свариваемых деталей.
Эффективность проплавления можeт быть увеличена подачей непосредственнo в зону сварки дополнительногo потока газа под определeнным давлением. Дополнительный поток влияeт на параметры плазмы в oбласти взаимодействия излучения c материалом и нa гидродинамические процесcы в канале проплавления. Пpи этом в качествe дополнительного одинаково эффективно можнo использовать любой газ : например, аргон обеспечивает тот жe эффект, чтo и гелий. Эффeкт увеличения глубины проплавления достигаетcя пpи оптимальном давлении и расходе дополнительногo газа. Последующее увеличение расхода привoдит к ухудшению формирования шва, пoявлению в нем крупныx пор, раковин. Ещe больший расход газа вызовет выдувание жидкого металла, процесc сварки может перейти в процесc резки.
Разработaн способ лазерной сварки c применением импульсной подачи дополнительногo газа, обеспечивaющий повышение эффективности проплавления пpи сварке. Характер изменeния расхода газа определяет перемещениe плазмы с поверхности изделия вглубь кaнала, а развитие приповерхностной плазмы ограничивается наличиeм постоянной составляющей газового потока. Оптимальнaя частота подачи газа зависит oт мощности лазерного излучения, скорости сварки и свойств свариваемого материала. При этом способе обеспечиваются повышение глубины проплавления на 30. ..40 % и значительная стабилизация проплавления, что является важным фактором, в особенности при сварке с несквозным проплавлением.
Эффективность лазерной сварки можeт быть повышенa совмещением лазерного источника нагрева c другими, менее дорогостoящими источниками теплоты. Ряд исследований выполнeн пo лазерно-дуговой сварке. Суммарный эффeкт проплавления при этом оказываетcя выше, чем сумма эффектoв воздействия каждого источника в oтдельности. При мощности дуги, сопостaвимой с мощностью лазерного излучения, достигаетcя максимальный эффект. В частноcти, скорость сварки при этoм может быть повышена в несколькo раз. Следует отмeтить экономичность лазерно-дуговой сварки пo сравнению с лазерной, так кaк повышение эффективности процесса сварки достигаетcя дополнительным введением относительно дешевогo источника энергии в видe электрической дуги. Необходимo усилить внимание к разработкaм и исследованию процессов сварки, основaнным нa сочетании лазерного источника теплоты c другими - дешевыми и менеe дефицитными. Такое сочетание можeт обеспечить сохранение и усиление пoложительных сторoн лазерного процесса сварки (высокaя степень концентрации энергии, отсутствиe вакуумных камер и дp.) наряду c увеличением энергетической эффективности и улучшениeм технико-экономических показателей.
Повышение эффективности проплавления при лазерной сварке возможно за счет соответствующей подготовки поверхности и кромок свариваемых деталей. Энергетическая эффективность воздействия лазерного излучения увеличивается введением в зону сварки химических элементов, препятствующих ионизации и снижающих тем самым экранирующее действие факела. Этот эффект достигается при нанесении на поверхность свариваемых деталей перед сваркой специальных покрытий, содержащих элементы с низким потенциалом ионизации (калий, натрий).
Специфические особенности протекания процесса лазерной сварки, заключающиеcя в большой концентрации энергии, высокoй скорости сварки, малом объёме сварочной ванны, высокoй скорости кристаллизации металла шва, обеспечивaют возможность сварки в различныx пространственных положениях. Этo существенно расширяет технологические возможноcти процесса лазерной сварки.
Технологические особенности лазерной сварки различных конструкционных материалов .
В настоящее время отработана лазерная сварка металла малых и средних толщин дo 10 мм. Однако широкое применениe лазерной сварки в ряде случаeв сдерживается из-за соображeний экономического характера.
Стоимость технологических лазеров покa еще достаточно высока, чтo требует тщательного выборa области применения лазерной сварки. Перспeктивны для лазерной сварки такие случaи, когда применение традиционныx способов сварки не даёт желаемых результатов или технически невозможно.
Лазерная сварка металла
может быть рекомендована к применению в целях:
- получения прецизионной конструкции, формa и размеры которой практически нe должны изменяться в результатe сварки;
- значительного упрощeния технологии изготовления сварных конструкций зa счет выполнения сварки кaк заключительного процесса бeз последующих операций правки либo механической обработки для достижeния требуемой точности;
- существенногo увеличения производительности, так кaк процесс осуществляется на скоростяx ≥35 мм/с, чтo в несколько раз превышаeт скорость наиболее распространенного традиционного способa дуговой сварки;
- сварки крупногабаритных констpукций малой жесткости c труднодоступными швами, при этoм в отличие oт электронно-лучевой сварки нe требуются вакуумные камеры;
- соединeния трудносвариваемых материалов, в тoм числе разнородных.
Лазерный мир
Глубина проплавления металла при сварке лазером Фотон Компакт. Часть 2. Влияние формы импульса.
В первой части статьи о возможностях системы лазерной сварки Фотон Компакт [1] были приведены результаты измерений глубины проплавления h стальных образцов в зависимости от плотности мощности излучения P и длительности импульса τ . В этой части будет рассмотрено влияние формы импульса на величину h.
Функция pulse shaping, т.е. программирование формы импульса, появилась в промышленных импульсных твердотельных Nd:YAG лазерах в 1990-ых годах и в те же годы были проведены первые исследования влияния формы импульса на характеристики сварного шва, в частности на глубину проплавления металлов [2]. В последующих работах [3,4] исследовалась возможность не только увеличить глубину проплавления, но и улучшить качество сварного шва, т.е. установить, возможно ли подобрать такую форму импульса, при которой уменьшаются известные дефекты сварного шва, такие, как растрескивание, пористость, пузыри.
Следует, однако, отметить, что измерения, проведенные на однотипных системах и, в общем, в сравнимых условиях эксперимента, давали различающиеся результаты, поскольку на глубину зоны плавления оказывают влияние и энергетические, и пространственные параметры излучения. Например, в работе [5] показано, что глубина проникновения излучения в парогазовый канал, образующийся при воздействии лазерного импульса, существенно зависит от апертурного угла объектива. Поэтому вполне обоснована необходимость исследования влияния параметров лазерного импульса на результаты работы для каждого типа промышленной системы лазерной сварки.
В этой статье описывается исследование влияния формы импульса на глубину проплавления стали 12Х18Н10Т, выполненные на Nd:YAG лазере Фотон Компакт (производство фирмы Лазерный центр, Россия). Ниже приведены основные характеристики этой системы лазерной сварки:
Максимальная энергия в импульсе Eмакс = 50 Дж
Длительность импульса τ = 0,1…20 мс
Диаметр пятна d = 0,3…2 мм
Частота повторения импульсов f = 0,5…10 Гц
Числовая апертура оптической системы А=0,164
При изменении формы лазерного импульса энергия перераспределяется таким образом, что воздействие на материал может сопровождаться, например, постепенным нагревом с максимальным выделением в конце импульса, либо, наоборот – достижением пиковой мощности в начале импульса и последующим постепенным охлаждением материала.
В современных лазерных системах миллисекундного диапазона формирование импульса производится дискретным изменением тока через лампу накачки. Различие в системах, в данном случае, состоит лишь в количестве шагов дискретизации n. В системе Фотон Компакт – n=8, в следующей модификации Фотон Компакт — 2 количество шагов увеличено до n=32.
В проведенной серии экспериментов было исследовано влияние на глубину проплавления импульсов следующих форм (рис.1):
1-прямоугольный импульс
2-треугольный нарастающий импульс
3-треугольный убывающий импульс
4-треугольный с нарастанием в начале и последующим убыванием
Рис.1 Форма лазерных импульсов.
длительность импульса τ = 7мс;
диаметр пятна d = 0,35 мм;
шаг дискретизации формы импульса τ д = 0,875мс
Результаты измерений показаны на рис.2
Рис.2 Зависимость глубины проплавления h от плотности мощности P для импульсов разных форм. Цифры на графике соответствуют номеру формы импульса на рис.1
Красная сплошная линия – линейная аппроксимация для точек до области кратерообразования, пунктирные линии – области кратерообразования для соответствующих форм импульса.
Физические процессы, протекающие в зоне воздействия лазерного излучения миллисекундной длительности, подробно и обстоятельно описаны в [6]. Опираясь на результаты этих исследований, можно интерпретировать полученные данные следующим образом. Хорошо видно, что график состоит их трёх участков, соответствующих разным физическим процессам происходящих при воздействии импульса излучения на образец:
2 — P > 7,2 х 10 5 Вт/см 2 — линейный участок, характеризующийся процессом роста парогазового канала и быстрым увеличением глубины h,
3 — участок графика, связанный с процессом выброса материала и образованием кратера – для формы импульса 2, при которой пиковая мощность достигается в конце импульса, этот процесс начинается при P = 0,87 х 10 6 Вт/см 2 , для импульсов форм 1,3 и 4 – при P ≈ 1,3 х 10 6 Вт/см 2 .
Максимальная глубина проплавления без образования кратера h = 0,95мм была получена для импульсов форм 3 и 4 при P = 1,3 х 10 6 Вт/см 2 . При этом следует отметить, что для импульса с формой 4 дальнейшее увеличение плотности мощности ведет к быстрому росту парогазового канала с медленным углублением кратера. При Р = 2,25 х 10 6 Вт/см 2 получена глубина проникновения h=1.5 мм с кратером глубиной 0,3 мм.
Литература:
[2] H. N. Bransch, D. C. Weckman, H. W. Kerr. Effects of Pulse Shaping on Nd:YAG Spot Welds in Austenitic Stainless Steel. WELDING RESEARCH SUPPLEMENT, JUNE 1994
[3] P.V. Suresh Varma. Effect Of Nd-YAG Laser Pulse shaping on Weld Bead Characteristics of Commercial Materials. Weldfab tech times, 75007/2017
[4] R. Hajavifard, M. Motahari , H. Özden , H. Miyanaji , S. Kafashi. The Effects of Pulse Shaping Variation in Laser Spot Welding of Aluminum. 44th Proceedings of the North American Manufacturing Research Institution of SME, Vol. 5, 2016, pp. 232–247
[5] С. В. Каюков, А. А. Гусев, “Влияние апертурного угла на эффективность плавления стали импульсным лазерным излучением миллисекундной длительности”, Квантовая электроника, 30:4 (2000), 337–341
[6] С. В. Каюков. Расширение возможностей импульсных YAG-лазеров миллисекундного диапазона длительности в технологии сварки. Квантовая электроника, 30, №11(2000), 941-948
Датчик для измерения глубины проплавления непосредственно в процессе сварки, разработанный компанией Precitec, позволяет повысить качество сварного шва. В статье обсуждается процесс лазерной сварки, особенности формирования канала проплавления, сварного шва, а также о глубине канала.
Компания Precitec разработала датчик[1] для измерения глубины проплавления непосредственно в процессе сварки. Процесс измерения основан на низкокогерентной интерферометрии. С использованием данной методики становится возможным с высокой надежностью получать результаты измерений, несмотря на интенсивное испарение металла в процессе сварки. Система опробована и позволяет получать результаты, которые ожидались в данной отрасли в течение десятилетий.
Являясь ведущим производителем модулей для лазерной обработки поверхностей и бесконтактных измерительных систем, фирма Precitec предоставляет возможность поставки решений, легко интегрируемых в оптическую систему заказчика. Продукция Precitec славится своими компактными габаритами, она доказала применимость для сотен приложений.
Существенной причиной значительного расширения использования лазерной техники в различных областях промышленного производства является ее эффективность в сравнении с конкурирующими технологиями. Другая причина – уникальные особенности лазерного луча как самостоятельного рабочего инструмента. Для получения пользы от этого инструмента, необходимо контролировать производственный процесс с высокой степенью автоматизации. Мониторинг процесса лазерной сварки не является проблемой, однако управление процессом представляет собой непростую задачу из-за влияния на результат обработки изделия множества входных параметров. Поскольку только непрерывный контроль производственного процесса может гарантировать высокое качество получаемых изделий, системы производственного мониторинга становятся все более и более стандартизованными. Не существует никаких сомнений, что для надежного онлайн мониторинга процесса сварки необходимо измерять множество параметров, которые несут в себе информацию о состоянии области взаимодействия излучения с веществом и/или близлежащих областей.
Одним из наиболее важных параметров, который необходимо измерять для оценки прочности сварного шва по отношению к механической нагрузке и давлению, является глубина канала проплавления. Существуют многочисленные подходы, касающиеся исследования зависимости глубины канала и измеряемого сигнала. Эти подходы широко обсуждались в научно-исследовательских группах, и некоторые из них нашли отражение в промышленных приложениях. Их общей чертой является необходимость в базовом понимании процесса взаимодействия излучения с материалом для установления зависимости между сигналом и качеством шва. Данные методы позволяют получить информацию об оценке глубины канала, а не просто информацию о ее точной величине.
Датчик производства Precitec позволяет проводить точные измерения глубины проплавления. Далее в статье будет представлена информация об упомянутой технологии и ее применении на практике.
Результаты испытаний в лаборатории и на производстве
Принцип измерения разработанного датчика позволяет пользователю получать информацию о расстоянии до поверхности любого вида с высоким осевым и поперечным разрешением. Результат измерения не зависит от параметров процесса. Измерение глубины сварки возможно для любого процесса, пока существует канал проплавления. Тем не менее, свойства канала могут оказывать воздействие на качество измерений. Поэтому разработанный датчик был протестирован в различных условиях для определения степени его функциональности. В проведенных экспериментах глубина сварки достигала 9 мм, а ее скорость 20 м/мин.
Типичным примером является сваривание внахлест неокрашенных металлических листов. Лист оцинкованной стали марки H340LAD и боросодержащей стали марки 22MnB5, оба с толщиной 1,5 мм, разделенные зазором в 0,1–0,2 мм, сваривались со скоростью 3 м/мин с помощью волоконного лазера. Для вариации глубины проплавления производилась модуляция мощности лазера от 400 Вт до 2800 Вт. Сигнал имел пилообразную форму и частоту порядка 1,5 Гц. На рис.1 показаны три фотографии с профилями поверхностей металлических листов, а выше приведены соответствующие участки графика, полученного в режиме реального времени с датчика.
Таким образом, сигнал с датчика может быть использован для точного определения свойств процесса сварки; в случае значений, близких или ниже величины в 1,7 мм, в нижней заготовке не наблюдается проплавления. Значения от 1,7 мм до 3,1 мм свидетельствуют о проплавлении нижней заготовки, в то время как значения более 3,1 мм говорят о полном проплавлении образцов. Индикатором сквозного проплавления служит уменьшение коэффициента отражения излучения от нижней границы канала. На рис.2 показано совмещение отфильтрованного сигнала с датчика и продольного сечения шва низкоуглеродистой стали толщиной 5 мм.
Во время эксперимента модуляцию мощности лазера осуществляли с помощью сигнала синусоидальной формы. Небольшая разница между измеренной глубиной проплавления и поперченым сечением обусловлена расхождением между фактическим центром сварного шва и полученным сечением. Стоит отметить, что при малой глубине канал проплавления исчезает, при этом сигнал с датчика становится прерывистым. При микросварке канал проплавления отсутствует, соответственно глубина сварки не измеряется. Таким образом, датчик может быть использован только при наличии канала проплавления. В комбинации с системой мониторинга лазерной сварки существует возможность выявить небольшие отклонения от референсной глубины. Сигнал с датчика также может быть полезен для установки профиля мощности лазера в случае с варьированием таких параметров, как скорость сварки, свойства материала или изменение фокусного расстояния. Анализируя сигнал с датчика, можно вносить изменения в программу с целью получения постоянной глубины проплавления. Таким образом, пользователь получает систему обратной связи с возможностью контроля глубины сварки. Для того, чтобы доказать достоверность измерений, в Штутгардском университете были проведены испытания с одновременным получением сигнала с датчика и рентгеновских снимков. Для проведения испытаний были подготовлены передние части заготовок с толщиной в несколько миллиметров для возможности получения рентгеновских изображений. Результат испытаний состоял в получении сигналов с датчика глубины проплавления вместе с высокоскоростной видеосъемкой боковой стороны канала проплавления. Анализ съемки не только позволял выявить глубину канала, но также и флуктуации его длины, ширины и формы. На рис.3 проиллюстрирована структура сигнала с датчика и рентгеновский снимок, полученный в режиме реального времени.
Нижнюю границу канала проплавления трудно отличить от остальной части заготовки. Из-за минимального диаметра нижней границы канала контраст рентгеновского изображения достигает своего минимума. Несомненно, системы мониторинга процесса сварки, включающие датчик глубины проплавления, являются полезными составляющими в производстве, где параметры процесса сварки являются заданными величинами. На рис.4 приведено изображение сигнала с датчика для процесса сварки оцинкованной неокрашенной стали.
Процесс (а) проводился с высокими флуктуациями лазерной мощности на поверхности заготовки вследствие поглощения и рассеяния излучения на парах металла. Вследствие этого происходило изменение глубины канала, что влекло за собой ухудшение качества шва. Данные явления легко увидеть исходя из сигнала с датчика. Процесс (b) проводился с оптимизированными параметрами, что позволило получить стабильный уровень глубины проплавления. Кратковременные отклонения величины глубины проплавления от оптимального значения, зафиксированные дважды, могут теперь быть отслежены с помощью улучшенной системы мониторинга.
Область применения датчика глубины проплавления имеет широкие границы. Он может быть использован в качестве инструмента для понимания и оптимизации процеса сварки. После настройки параметров процесса сварки оптимальным образом датчик может использоваться для отслеживания глубины проплавления с высокой точностью, недоступной ранее.
Автоматический контроль за ходом технологического процесса
Принцип мониторинга за процессом сварки в режиме реального времени основывается на сборе информации о показателях, описывающих текущее состояние поверхности в зоне взаимодействия излучения с материалом и близлежащей области.
Единичный индикатор применим для мониторинга в случае, если он позволяет фиксировать значительные изменения показателей производственного процесса и соответственно качества продукции на выходе. Стоит отметить, что системы мониторинга должны работать бесконтактно, т. е. без какого-либо влияния на зону сварки. Это требование, как правило, не является проблемой в сфере лазерной обработки материалов, так как данный процесс сопровождается рядом эффектов, которые более надежно наблюдать с некоторой дистанции. Измеряемые показатели качества сварки обычно фиксируются по испускаемому из зоны обработки электромагнитному излучению, которое легко регистрируется с помощью фотодиодов или пирометров. Чтобы оценить текущее состояние процесса, сенсорная система должна быть соответствующим образом установлена и оптимизирована для каждого нового приложения. Задача по оптимизации может быть достигнута путем подхода на основе систематического обучения, как, например, в искусственных нейронных сетях или экспертных системах. Недостатком этого метода является то, что для каждого нового приложения настройки системы управления процессом должны быть адаптированы по временным затратам. Кроме того, такие решения являются чувствительными к изменению материала или входных параметров системы. Еще одним недочетом системы со встроенными сенсорами является то, что во многих случаях не удается найти корреляцию между интенсивностью полученного сигнала и происходящими возмущениями процесса, соответственно сделать однозначный вывод о качестве получившегося сварного шва не представляется возможным.
Эти проблемы могут быть частично решены с помощью систем формирования изображения. С помощью камеры с хорошим пространственным разрешением может осуществляться инспекция зоны взаимодействия излучения с материалом и прилегающих областей. Таким образом, осуществляется сбор дополнительной информации. В идеальном случае должна быть создана определенная инструкция и систематизация по режиму процесса. В зависимости от приложения данная информация также может быть использована для управления процессом.
Принцип работы датчика глубины проплавления
Принцип работы датчика основывается на низкокогерентной интерферометрии (рис.5). Для медицины метод оптической когерентной томографии используется в течение многих лет. Свет с малой длиной когерентности вместе с интерферометром используется для измерения расстояния до рассеивающего материала, к примеру, человеческой ткани. В этом методе сравнивается разность фаз между опорным и измерительным лучами, как в интерферометре Майкельсона. Короткая длина когерентности достигается с использованием источников излучения с широким спектральным диапазоном. Помимо усилий в части механической и оптической интеграции элементов датчика, основой инновации является технология адаптации, информация о которой приведена ниже; точность интерферометрического измерения не зависит от электромагнитных возмущений из канала проплавления или прилегающих областей, глубины канала или изменения поверхности в результате лазерного воздействия. Только «собственный» свет, излученный низкокогерентными источниками, приводит к интерференции между опорным и измерительным лучами. Таким образом, с помощью точного позиционирования измерительной точки измерение глубины канала проплавления можно производить соосно с лазерной обработкой, независимо от геометрии шва и материала. Топография поверхности может быть точно определена независимо от состояния поверхности. Единственным ограничением является размер измерительной точки по отношению к размеру пятна лазерной обработки и диапазону измерения в осевом направлении.
Датчик глубины сварки
Разработка датчика началась с лабораторных исследований в 2007 году. Установка позволяла измерять геометрию шва через сварочную головку с фокусным расстоянием 680 мм. В последующие годы различные области применения сопоставлялись с технологическими возможностями и потребностями рынка. Задача измерять глубину проплавления возникла на раннем этапе, что отражает постоянную потребность в точных датчиках, работающих в режиме реального времени. В этой связи компания Precitec анонсировала собственный датчик в 2013 году. С того времени система интегрировалась в различные приложения по лазерной сварке. Инновационная конструкция датчика, а также удобство в его эксплуатации были удостоены награды на конкурсе лазерных технологий в 2014 году. Сенсорный блок имеет возможность подключения к сварочной головке. Также предусмотрен выбор интерфейсов подключения. Подключение по протоколу RS-422 используется для передачи данных в реальном времени к датчику и от него, к примеру, к другим датчикам или контроллеру более высокого уровня. В то же время, сетевое соединение может быть использовано для подключения к компьютеру с операционной системой Windows с установленным программным обеспечением, называющимся «IDM explorer». Дополнительно доступны функции триггера, синхронизации и предусмотрен аналоговый выход. Коллиматор, установленный на сварочной головке, служит для направления света в канал проплавления. Интегрированный двухкоординатный XY позиционер предусмотрен для точного попадания излучения в канал. Для того, чтобы работать с большим разнообразием полученных сигналов с датчика, предусмотрена гибкая система обработки данных. Для обработки «сырых» измерений в системе предлагается большое разнообразие фильтров, которые могут комбинироваться между собой. Все состояния сигнала могут быть визуализированы и сохранены в программе «IDM explorer». Полные возможности датчика раскрываются в совместной работе с системой мониторинга процесса сварки. Работая как обычно в комбинации с фотодиодами, к системе мониторинга можно подключить датчик глубины проплавления, что позволяет использовать тот же алгоритм обнаружения ошибок для датчика, как и для фотодиодов. Такое решение очень удобно для конечного пользователя, так как датчик полностью интегрируется в систему управления процессом сварки. Прямой доступ к датчику требуется только в ходе настройки процесса управления. После настройки система управления устанавливает единый канал обмена данными с оператором.
Процесс обнаружения ошибок основывается на сравнении измеренных и заданных параметров. Путем анализа данных с датчика возможно сделать выводы об уровне глубины проплавления. Дальнейший анализ позволяет обнаруживать неустойчивость и изменения геометрии канала проплавления. В комбинации с записью технологических выбросов, осуществляемой с помощью фотодиодов, проводится комплексный мониторинг процесса лазерной сварки. На рис.6 представлены исходные данные (точки, выделенные зеленым цветом), которые позволяют сделать вывод о незначительных флуктуациях глубины проплавления. Красная кривая является обработанным сигналом, который поступает в систему мониторинга, где он подвергается дальнейшей обработке и систематизации.
Сведения о компании Precitec GmbH & Co. KG (Гаггенау, Германия)
Компания специализируется на производстве систем для лазерной обработки материалов. Precitec выпускает отдельные обрабатывающие головки для последующего присоединения к ним лазера, а также системы мониторинга процесса сварки. Перед началом процесса сварки камеры с высоким разрешением определяют положение и геометрию заготовки с использованием принципа триангуляции. Анализ шкалы серых тонов позволяет переместить сварочную головку в точное положение. Датчики и камеры, работающие в режиме реального времени, предоставляют пользователю информацию о стабильности процесса сварки и дефектах сварного соединения. На завершающей стадии процесса соответствующие камеры определяют геометрию и поверхность шва.
Сам по себе датчик глубины проплавления является устройством, измеряющим дистанцию. Однако благодаря высокому пространственному и временному разрешению, а также устойчивости к технологическим выбросам, данное устройство находит применение в сложном с точки зрения внешних условий процессе лазерной обработки материалов. Измерение глубины проплавления является новшеством в сфере мониторинга технологических процессов. Наконец, оценка качества изделий, сваренных лазерным методом, основывается на измерении геометрических величин и не коррелирует с процессом излучения. В комбинации с системой мониторинга процесса сварки, датчик глубины проплавления является устройством, пригодным для производственных условий.
Данная технология приводит к модернизации датчиков, использующихся в настоящее время в сфере лазерной обработки материалов. Новые приложения, которые становятся доступными для лазерной сварки, укрепляют позиции лазера как инструмента для производства и исследований.
[1] Тибалт Баутц менеджер по продукции в Precitec GmbH & Co. KG с 2010 года. До этого изучал электротехническую инженерию в университете Карлсруэ. Завершил обучение в Мюнхенском техническом университете, где работал над задачей обработки данных для лазерных приложений. Свою деятельность в Precitec начал с опытно-конструкторских работ, затем стал лидером в отделе разработки. В настоящее время занимается оптимизацией процесса лазерной сварки и системы мониторинга.
** Маркус Когель-Холлакер начал работать с лазерной техникой во время подготовки магистерской диссертацией (Рейнско-Вестфальский технический университет Ахена, Германия) в Институе лазерных технологий им.Фраунгофера в 1994 году. С 1996 года работает в Precitec Optronik GmbH. В 2008 защитил докторскую диссертацию в Берлинском Техническом Университете (Германия). Занимая должности главы отдела разработок, курирует проекты, финансируемые правительством. Является членом совета директоров в LIA (Американскийлазерный институт). Обладатель третьего места в конкурсе инновационных лазерных технологий 2012 года и второго места 2014 года.
Компания "ЛАЗЕРНЫЙ ЦЕНТР" предлагает широкий спектр услуг по 3d трехмерной лазерной сварки различных металлов.
Контакты "ЛАЗЕРНЫЙ ЦЕНТР" (Москва):
ЛАЗЕРНАЯ СВАРКА.
Особенности лазерной сварки.
Процесс лазерной сварки связан с интенсивным испарением металла сварочной ванны, который необходимо учитывать при разработке технологии сварки. Введенная в свариваемый металл энергия расходуется на теплосодержание жидкого металла при температуре плавления. Термический КПД проплавления основного металла выражает отношение теплосодержания проплавленного за единицу времени основного металла к эффективной тепловой мощности луча:
(1)
v – скорость перемещения сосредоточенного источника, см/с;
F – площадь проплавления, см 2 ;
– плотность металла, г/см 3 ;
Sm – теплосодержание жидкого металла при температуре плавления, Вт/г;
(2)
– введенная энергия, равная , т.е. равная затратам энергии: вследствие теплопроводности, на плавление и на испарение.
Максимальное (теоретическое) значение термического КПД для линейного источника в неограниченной пластине .
Необходимая для лазерной сварки в режиме глубокого проплавления плотность мощности излучения на поверхности металла составляет: 10 6 Вт/см 2 (от 10 5 до 10 7 Вт/см 2 при диаметре луча от 1 до 10 -2 мм). Баланс энергии при лазерной сварке ( 10 5 -10 6 Вт/см 2 ) : плавление- 30 - 35%, испарение -5 -10%, остальное – отвод тепла..
Из уравнения (1) следует, что чем выше погонная энергия q / v, тем больше площадь проплавления. Это действительно справедливо для процессов лазерной сварки, которые осуществляются при плотностях мощности q q*. Для лазерной сварки установлено, что обобщенный параметр – погонная энергия не является определяющей при количественной оценке процесса. Анализ микрошлифов и очертаний зон проплавления показывает, что при постоянном значении погонной энергии можно в широком диапазоне изменять геометрию проплавления с помощью только одного параметра лазерной сварки – степени фокусировки лазерного луча. При этом очертание зоны проплавления изменяется от полукруглого до «кинжального», а при больших отрицательных значениях степени фокусировки, может переходить в «клыкообразное».
Максимуму глубины проплавления соответствует минимальная ширина шва.
Влияние параметров лазерной сварки на глубину проплавления.
Процесс лазерной сварки является многофакторным. При лазерной сварке, как и при электроннолучевой, термический кпд составляет 0,484. После выхода процесса лазерной сварки на стационарный режим можно выделить несколько физических явлений, определяющих процесс. Среди этих явлений, главным, определяющим режим глубокого проплавления, является процесс испарения металла с его поверхности. При достижении плотности мощности на поверхности металла достаточной для режима испарения, глубина проплавления определяется скоростью и временем движения вглубь металла фронта испарения. Известно, что скорость волны испарения пропорциональна скорости звука (c) в металле, она тем меньше, чем больше скрытая теплота испарения металла и тем выше, чем больше поверхностная температура.
Влияние режимов лазерной сварки на ширину сварного шва.
Ширина сварного шва является важным параметром, так как она:
- позволяет закрыть стык сварного шва при наличии зазора между свариваемыми частями;
- распределяет неровности сварного шва по всей ширине шва.
С другой стороны, чем шире шов, тем больше деформация свариваемых деталей.
Ширина шва определяется скоростью растекания тепла поперек движения источника нагрева – лазерного луча. Длина пути пройденного теплом за время t равно:
где t =dл / v , а – температуропроводность металла, dл – диаметр лазерного луча в зоне воздействия, v – скорость лазерной сварки.
Характерные дефекты сварного шва при лазерной сварки.
Несплошности сварного шва.
Воздействие лазерного луча характеризуется феноменом «кинжального», или глубокого проплавления с соотношением глубины шва к его ширине 10:1 и более. Увеличение концентрации энергии до 10 7 Вт/см 2 приводит к переходу от «кинжального» проплавления к образованию отверстий в металле. Нагрев при концентрациях менее 10 5 Вт/см 2 сопровождается обычной полусферической формой плавления металла. В процессе «кинжального» проплавления внедрение луча в металл происходит за счёт испарения и является прерывистым. При исследовании было показано, что образующийся канал заполняется паром, а сверху закрывается плёнкой жидкого металла, которая периодически, с частотой примерно 13 – 14 Гц, прорывается вследствие повышения давления пара в канале. Взаимодействие луча с продуктами выброса (смесью пара и конденсата) в объёме канала приводит к тому, что непрерывно действующий пучок периодически рассеивается на стенках канала. Концентрация мощности луча в момент его рассеивания на стенки падает на 1 – 2 порядка (пропорционально площади внутренней поверхности канала), поэтому такой размазанный по стенкам пучок обеспечивает только плавление стенок. Таким образом, когда канал свободен от паров металла, луч без потерь достигает дна, происходит испарение вещества со дна канала. Когда канал заполнен паром, луч рассеивается и передаёт энергию стенкам, образуя жидкую фазу.
Смыкание канала сверху является причиной специфического дефекта – наличия полостей в объёме проплавления (пустот в корне шва).
Другим распространенным дефектом шва при сварке с кинжальным проплавлением является периодическое изменение глубины сварного шва по его длине, выражающееся в появлении пиков проплавления. Периодические изменения глубины шва связаны с колебаниями объёма жидкого металла сварочной ванны в зоне кристаллизации. Экспериментально установлено, что периодическое изменение глубины проплавления свойственно процессу с «кинжальным» проплавлением и не может быть устранено подбором параметров лазерной сварки без существенного снижения глубины проплавления.
Амплитуда пикообразования пропорциональна погонной энергии q / v. Уменьшение погонной энергии снижает глубину проплавления и уменьшает пикообразование.
Технический диапазон скоростей лазерной сварки – 0,1 – 10 см/с. При скоростях выше 100 м/час (2,7 см/с) уменьшаются размеры шва и околошовной зоны, общий нагрев образца и коробление, повышается стабильность режима лазерной сварки, но появляются подрезы на поверхности шва и вынос металла в корне.
Поры в сварном шве.
Поры – округлые, продолговатые или имеющие более сложную форму пустоты, возникающие в процессе первичной кристаллизации сварочной ванны. Поры располагаются между кристаллитами по оси шва или по его сечению. В большинстве случаев поры представляют собой не успевшие выделиться до затвердевания металла пузырьки водорода, азота, водяного пара и окиси углерода. Механизм образования пор связан с изменением растворимости газов в металле при изменении его температуры. Находящийся в расплавленном состоянии металл сварочной ванны может растворять значительное количество водорода и азота, попадающего в металл из атмосферы или из ржавчины, находящейся на поверхности металла. По мере остывания металла растворимость газов скачкообразно (в несколько раз) снижается и, свободно выделившиеся газы, образуют всплывающие наверх пузырьки. Часть пузырьков остается внутри сварного шва, запутывается между кристаллитами, образуя поры. При большой скорости кристаллизации сварочной ванны, характерной для лазерной сварки, рост кристаллитов обгоняет рост и всплывание пузырьков газа, и пузырьки запутываются между кристаллитами. Для снижения пористости рекомендуют замедлять кристаллизацию сварочной ванны, например, за счёт снижения скорости лазерной сварки.
Лазерная сварка
Сущность и основные преимущества сварки лазерным лучом
При облучении поверхности тела светом энергия квантов (порций) света поглощается этой поверхностью. Образуется теплота, температура поверхности повышается. Если световую энергию сконцентрировать на малом участке поверхности, можно получить высокую температуру. На этом основана сварка световым лучом оптического квантового генератора — лазера.
Что такое лазер
Термин «лазер» происходит от первых букв английской фразы: «Light amplification by the stimulated emission of radiation». Перевод: «Усиление света посредством индуцирования эмиссии излучения». За теоретическим обоснование и разработкой лазеров стоят трое ученых: академик Н. Г. Басов, академик А. М. Прохоров и американский физик Ч.Таунс. В 1964 году это открытие принесло им Нобелевскую премию.
Академик Басов охарактеризовал лазер так: «Это устройство, в котором энергия, например тепловая, химическая, электрическая, преобразуется в энергию электромагнитного поля — лазерный луч. При таком преобразовании часть энергии неизбежно теряется, но важно то, что полученная в результате лазерная энергия обладает несравненно более высоким качеством. Качество лазерной энергии определяется её высокой концентрацией и возможностью передачи на значительное расстояние».
Виды и принцип работы лазера
Основные элементы лазера — это генератор накачки и активная среда. По активным средам различают твердотельные, газовые и полупроводниковые лазеры.
Твердотельные лазеры
В твердотельных лазерах (рис. 1) в качестве активной среды чаще всего применяют стержни из розового рубина — окиси алюминия А12О3 с примесью ионов хрома Сг3+ (до 0,05%). При облучении ионы хрома переходят в другое энергетическое состояние — возбуждаются — и затем отдают запасенную энергию в виде света. На торцах рубинового стержня нанесен слой отражающего вещества (например, серебра) так, что с одного конца образовано непрозрачное, а с другого — полупрозрачное зеркало. Излучение ионов хрома, отражаясь от этих зеркал, циркулирует параллельно оптической оси стержня, возбуждая новые ионы, — идет лавинообразный процесс.
Происходит бурное выделение лучистой энергии, которая излучается параллельным пучком через полупрозрачное зеркало и фокусируется линзой в месте сварки. Выходная мощность твердотельных лазеров достигает 107 Вт при сечении луча менее 1 см2. В фокусе достигается громадная концентрация энергии, позволяющая получать температуру до миллиона градусов.
Рис. 1. Схема твердотельного лазера:
1 — рубиновый стержень; 2 — генератор накачки; 3 — отражатель; 4 — непрозрачное зеркало; 5 — охлаждающая среда; 6 — источник питания; 7 — полупрозрачное зеркало; 8 — световой луч; 9 — фокусирующая линза; 10 — обрабатываемые детали
При работе в импульсном режиме существенный недостаток твердотельного лазера — низкий КПД (0,01…2,0%). Более высокую мощность и больший КПД обеспечивают лазеры, работающие в непрерывном режиме. Например, твердотельный лазер на алюмоиттриевом гранате, активированном атомами неодима (приблизительно 1%).
Газовые лазеры
Ещё более высокий КПД и мощность у газовых лазеров. В качестве активной среды в них применяют чаще всего СО2 или смесь газов. Генераторами накачки могут служить искровые разрядники или электронный луч.
Типичная конструкция газового лазера — это заполненная газом трубка, ограниченная с двух сторон строго параллельными зеркалами: непрозрачным и полупрозрачным (рис. 2). В результате электрического разряда между введенными в трубку электродами возникают быстрые электроны, которые возбуждают газовые молекулы. Возвращаясь в стабильное состояние, эти молекулы образуют кванты света так же, как и в твердотельном лазере. Газовые лазеры могут работать в непрерывном режиме. Для сварки используют твердотельные и газовые лазеры импульсного и непрерывного действия.
Рис. 2. Схема газового лазера:
1 — разрядная трубка; 2 — непрозрачное зеркало; 3 — источник питания; 4 — вакуумный насос; 5 — полупрозрачное зеркало
Как проходит процесс лазерной сварки
Лазерную сварку производят на воздухе или в среде защитных газов: аргона, СО2. Вакуум, как при электронно-лучевой сварке, здесь не нужен, поэтому лазерным лучом можно сваривать крупногабаритные конструкции.
Лазерный луч легко управляется и регулируется с помощью зеркальных оптических систем, легко транспортируется и направляется в труднодоступные для других способов места. В отличие от электронного луча и электрической дуги на него не влияют магнитные поля, что обеспечивает стабильное формирование шва.
Лазерная сварка отличается высокой концентрацией энергии в пятне диаметром 0,1 мм и менее. Для нее характерны небольшой объем сварочной ванны, малая ширина зоны термического влияния, высокие скорости нагрева и охлаждения. На практике это означает, что лазерная сварка обеспечивает технологическую прочность сварных соединений, небольшие деформации сварных конструкций. Например, лазерная сварка вилки с карданным валом автомобиля увеличивает срок службы карданной передачи в три раза по сравнению с дуговой сваркой. Главные факторы: площадь сечения сварного шва уменьшается более чем вдвое, а время сварки — в несколько раз. Деформации вилки, вызывающие преждевременный износ, практически отсутствуют.
Основные энергетические характеристики процесса лазерной сварки — это плотность Е мощности лазерного излучения и длительность t его действия. При непрерывном излучении t определяется продолжительностью времени экспонирования, а при импульсном — длительностью импульса. Превышение верхнего предела Е вызывает интенсивное объемное кипение и испарение металла. Это приводит к выбросам металла и дефектам шва. На практике лазерную сварку ведут при Е=106…107 Вт/см2. При Е < 105 Вт/см2 лазерное излучение теряет свое основное достоинство — высокую концентрацию энергии. Изменение Е и t позволяет сваривать лазерным лучом различные конструкционные материалы с толщиной от нескольких микрометров до десятков миллиметров.
Скорость лазерной сварки непрерывным излучением в несколько раз превышает скорости традиционных способов сварки плавлением. Например, стальной лист толщиной 20 мм электрической дугой сваривают со скоростью 15 м/ч за 5…8 проходов, ширина шва получается 20 мм. Непрерывным лазерным лучом этот лист сваривается со скоростью 100 м/ч за 1 проход при ширине шва в 5 мм. Однако лазерная сварка импульсным излучением по скорости сопоставима с традиционными способами сварки.
Технологические особенности процесса лазерной сварки
Лазерную сварку можно производить со сквозным и с частичным проплавлением. Сварные швы одинаково хорошо формируются в любом пространственном положении. При толщине свариваемых кромок менее 0,1 мм и при сварке больших толщин с глубоким проплавлением формирование шва происходит по-разному.
Подходы к выбору параметров режима сварки тоже различаются. При сварке малых толщин непрерывным или импульсным излучением используют более мягкие режимы, которые обеспечивают расплавление металла только в стыке деталей — без перегрева до температуры интенсивного испарения. Сварку сталей и других относительно малоактивных металлов можно в этом случае выполнять без дополнительной защиты зоны нагрева, что существенно упрощает технологию. При этом сварку с глубоким проплавлением ведут с защитой шва газом, состав которого подбирают в зависимости от свариваемого материала.
Сварка импульсным излучением
Основные параметры режима импульсной лазерной сварки — это энергия и длительность импульсов, диаметр сфокусированного излучения, частота следования импульсов, положение фокального пятна относительно поверхности свариваемых деталей.
Правильная длительность лазерного импульса
Длительность лазерного импульса должна соответствовать тепловой постоянной времени для данного материала. Ее можно приближенно определить по формуле:
где δ и α — соответственно толщина и коэффициент температуропроводности свариваемого материала.
Значения τ для тонких деталей (δ = 0,1…0,2 мм) составляют несколько миллисекунд. Поэтому для меди длительность импульса будет в районе 0,0001…0,0005 с, для алюминия — 0,0005…0,002 с, для сталей — 0,005…0,008 с. При увеличении δ более 1,0 мм τ возрастает и может значительно превосходить достижимую длительность лазерных импульсов. Поэтому лазерная сварка металлов толщиной более 1,0 мм импульсным излучением затруднена.
Правильный диаметр сфокусированного излучения
Диаметр сфокусированного излучения d определяет площадь нагрева и плотность мощности Е. При сварке d изменяют от 0,05 до 1,0 мм путем расфокусировки луча. При этом фокальную плоскость, на которой сфокусированный световой пучок имеет наименьший диаметр, располагают выше или ниже поверхности свариваемых деталей.
Сварной шов при импульсном излучении
Сварной шов при импульсном излучении образуется наложением сварных точек с их взаимным перекрытием на 30…90% в зависимости от типа сварного соединения и требований к нему.
Промышленные сварочные установки с твердотельными лазерами позволяют вести шовную сварку со скоростью до 5 мм/с при частоте импульсов до 20 Гц. Сварку можно вести с присадочным материалом в виде проволоки диаметром менее 1,5 мм, ленты или порошка.
Присадка позволяет увеличить сечение шва, устраняя один из наиболее распространенных дефектов — ослабление шва, а также легировать металл шва. Легирующие элементы при лазерной сварке можно также наносить предварительно на поверхности свариваемых кромок напылением, обмазкой, электроискровым способом и т.п.
Лазерная сварка деталей разной толщины
Наиболее распространена лазерная сварка импульсным излучением в электронной и электротехнической промышленности, где сваривают угловые, нахлесточные и стыковые соединения тонкостенных деталей. Хорошее качество соединений обеспечивается сваркой лазерным лучом тонких деталей (0,05…0,5 мм) с массивными. Когда свариваемые детали значительно отличаются по толщине, луч смещают на массивную деталь, чем выравнивают температурное поле и достигают равномерного проплавления обеих деталей. Чтобы снизить разницу в условиях нагрева и плавления таких деталей, толщину массивной детали в месте стыка уменьшают, делая на ней бурт, технологическую отбортовку или выточку (рис. 3).
При лазерной сварке нагрев и плавление металла происходят так быстро, что деформация тонкой кромки может не успеть произойти до того, как металл затвердеет. Это позволяет сваривать тонкую деталь с массивной внахлестку. Для этого надо, чтобы при плавлении тонкой кромки и участка массивной детали под ней образовалась общая сварочная ванна. Это можно сделать, производя сварку по кромке отверстия в тонкой детали или по её периметру.
Рис. 3. Сварные соединения деталей разной толщины:
а — по бурту на массивной и отбортовке на тонкой детали; б — тавровое соединение; в — по кромке выточки в массивной детали; г — по отверстию в тонкой детали. Стрелками показано направление лазерного луча
Детали малой толщины можно сваривать также газовыми и твердотельными лазерами непрерывного действия мощностью до 1 кВ-А. Лучше всего формируется шов при стыковом соединении тонких деталей. Однако при сборке таких соединений под лазерную сварку предъявляются более жесткие требования: должен быть обеспечен минимальный и равномерный зазор в стыке и практически полное отсутствие смещения кромок.
Сложнее формируется шов при сварке деталей толщиной более 1,0 мм с глубоким проплавлением. Как только плотность мощности лазерного излучения станет больше критической, скорость нагрева металла значительно превысит скорость отвода теплоты в основной металл за счет теплопроводности. На поверхности жидкого металла под действием реакции образуется углубление. Увеличиваясь, оно образует канал, заполненный паром и окруженный жидким металлом. Давления пара оказывается достаточно для противодействия силам гидростатического давления и поверхностного натяжения, и полость канала не заполняется жидким металлом.
При некоторой скорости сварки форма канала приобретает динамическую устойчивость. На передней его стенке происходит плавление металла, на задней — затвердевание. Наличие канала способствует поглощению лазерного излучения в глубине свариваемого материала, а не только на его поверхности. Формируется так называемое «кинжальное проплавление». При этом образуется узкий шов с большим соотношением глубины проплавления к ширине шва.
Сварочная ванна при лазерной сварке
Сварочная ванна (рис. 4) имеет характерную форму, вытянутую в направлении сварки. В головной части ванны расположен канал (кратер) 3. Это область наиболее яркого свечения. На передней стенке канала существует слой расплавленного металла, испытывающий постоянные возмущения. Здесь наблюдается характерное искривление передней стенки в виде ступеньки, которая периодически перемещается по высоте канала.
Удаление расплавленного металла с передней стенки осуществляется при перемещении ступеньки сверху вниз. Перенос расплавленного металла из головной части ванны в хвостовую происходит по боковым стенкам в горизонтальном направлении. В хвостовой части ванны 4 расплавленный металл завихряющимися потоками поднимается вверх и частично выносится на поверхность сварочной ванны. При образовании канала 3 над поверхностью металла появляется светящийся факел 2 из продуктов испарения, частиц конденсированного пара и мелких, выбрасываемых из ванны капель металла.
Рис. 4. Схема сварочной ванны при лазерной сварке:
1 — лазерный луч; 2 — плазменный факел; 3 — парогазовый канал; 4 — хвостовая часть ванны; 5 — металл шва; 6 — свариваемый металл; Vсв — направление сварки
Скорость сварки и проплавляющая способность
При значительной скорости сварки факел отклоняется на 20…600 в сторону, противоположную направлению сварки. Этот факел поглощает часть энергии луча и снижает его проплавляющую способность.
При сварке деталей толщиной более 1,0 мм на проплавляющую способность луча в первую очередь влияет мощность излучения. Поскольку сварка таких деталей ведется при непрерывном излучении, то к основным параметрам режима здесь относится и скорость сварки. При выбранном значении мощности излучения скорость сварки определяют исходя из особенностей формирования шва: минимальное значение скорости ограничено отсутствием кинжального проплавления, а максимальное — ухудшением формирования шва, появлением пор, непроваров. Скорость сварки может достигать 90…110 м/ч.
Фокусировка луча и качество сварных швов
На качество сварных швов влияет фокусировка луча. Для сварки луч фокусируют в пятно диаметром 0,5…1,0 мм. При меньшем диаметре повышенная плотность мощности приводит к перегреву расплавленного металла, усиливает его испарение — появляются дефекты шва. При диаметре более 1,0 мм снижается эффективность процесса сварки. Формирование шва зависит также от положения фокальной плоскости относительно поверхности свариваемых деталей. Максимальная глубина проплавления достигается, если фокус луча будет находиться над поверхностью детали.
Два процесса проплавления металла
Форма сварочной ванны в продольном сечении также отличается от её формы при дуговой сварке (рис. 5). На поверхности фронта кристаллизации имеется выступ, который делит ванну на две характерные части. Нижняя часть значительно заглублена и имеет малую протяженность в поперечном сечении, тогда как верхняя часть более широкая и вытянута вдоль шва.
Отсюда очевидно, что при лазерной сварке имеют место два процесса проплавления металла. Первый процесс связан с образованием канала, как это было показано выше. Именно он обеспечивает эффект глубокого проплавления. Второй процесс — поверхностное плавление за счет теплопроводности свариваемого материала. Преимущественное развитие того или иного процесса зависит от режима сварки и определяет очертания сварочной ванны.
Рис. 5. Продольное сечение сварочной ванны
Качество, защита шва и дефекты при лазерной сварке
Для лазерной сварки характерны высокая концентрация энергии, большая скорость по сравнению с дуговыми способами, незначительное тепловое воздействие на околошовную зону из-за высоких скоростей нагрева и охлаждения металла. Эти факторы существенно повышают сопротивляемость большинства конструкционных материалов образованию горячих и холодных трещин. Поэтому можно достичь высокого качества сварных соединений из материалов, плохо свариваемых другими способами сварки. Деформации сваренных деталей существенно (до десяти раз) снижаются, что уменьшает затраты на правку.
При лазерной сварке с глубоким проплавлением металл шва защищают от окисления, подавая через сопло в зону сварки защитный газ. Для этого применяют специальные сопла (рис. 6). При сварке алюминия, титана и других высокоактивных металлов требуется дополнительная защита корня шва. Для защиты используют те же газы, что и при дуговой сварке — чаще это аргон, гелий или их смеси. Защитные газы влияют на эффективность проплавления: чем выше потенциал ионизации и теплопроводность газа, тем она больше. Качественную защиту можно обеспечить при расходе гелия 0,0005…0,0006 м3/с, аргона 0,00015…0,0002 м3/с, смеси, состоящей из 50% аргона и 50% гелия, — 0,00045…0,0005 м3/с. Для защиты зоны лазерной сварки можно использовать флюсы такого же состава, что и при дуговой сварке. Применяют их в виде обмазок, наносимых на свариваемые кромки.
Рис. 6. Схемы защитных сопел:
а — при сварке деталей малой толщины; б — при сварке с глубоким проплавлением; 1 — лазерный луч; 2 — свариваемые детали
Наиболее часто встречающиеся дефекты при лазерной сварке больших толщин — это неравномерность проплавления корня шва и наличие полостей в шве. Для снижения вероятности образования пиков проплавления при сварке с несквозным проплавлением рекомендуют повышать скорость сварки и отклонять лазерный луч от вертикали на 15… 17° по направлению движения. Тогда дефектов можно избежать, и лазерная сварка показывает себя еще более надежным решением на производстве.
Для плазменной дуги характерны крайне высокая температура (до 30000 °С) и широкий диапазон регулирования технологических свойств.
Газопламенная обработка металлов — это ряд технологических процессов, связанных с обработкой металлов высокотемпературным газовым пламенем.
Электронно-лучевая сварка использует кинетическую энергию потока электронов, движущихся с высокими скоростями в вакууме.
Сварка трением это разновидность сварки давлением, при которой нагрев осуществляется трением, вызванным перемещением (вращением) одной из соединяемых частей свариваемого изделия.
При сварке токами высокой частоты (ТВЧ) изделие перед сварочным узлом формируется в виде заготовки с V-образной щелью между свариваемыми кромками.
Холодная сварка — способ соединения деталей при комнатной (и даже отрицательной) температуре, без нагрева внешними источниками.
Читайте также: