Лазерная сварка больших толщин

Обновлено: 21.09.2024

Если Вы хотите узнать все о лазерной сварке металла, то вы пришли по адресу. В нашей статье Вы найдете подробное описание процесса, используемое оборудование, его разновидности и параметры.

Сущность и основные преимущества сварки лазерным лучом

Весь процесс построен на применении инновационной технологии фокусирования луча. Лазерный луч под воздействием системы линз и зеркал фокусируется в точку крайне малого диаметра, тем самым формируя в этой точке максимум передаваемой энергии.

Попадая на свариваемые детали, луч мгновенно разогревает место падения до температуры плавления металла данного типа, и тем самым соединяет детали между собой.

Данный метод применим абсолютно к любым материалам, в том числе цветным и черным металлам, поливинилхлориду, полипропилену и т.д. Среди основных достоинств выделяют хороший КПД и производительность, точность, эстетику получающихся швов, часто не требующих дополнительной обработки, и возможность работы с поверхностями, находящимися в местах со сложным доступом.

Классификация лазерной сварки

Все сварочные швы, изготовленные с использованием лазера, выполняются по одному из трех основных способов.

Способ точечного схватывания

Применяется в основном для тонкостенных материалов и легкоплавких металлов. Суть способа в том, что сварочный аппарат формирует не непрерывный сварочный шов, а прихватывает детали точками на определенном расстоянии. Такой способ хорош, когда требуется надежное соединение, но при этом существует опасность прожога тонкого металла.

Способ сплошной сварки

При сварке данным способом лазер может работать как импульсным, так и непрерывным излучением. Главный принцип данного способа – это полное перекрытие места стыка деталей сварным швом. Сварной шов, изготовленный таким способом, отличается высокой прочностью и эстетическим видом. Может применяться как для полного, так и для поверхностного схватывания деталей сварных конструкций.

Комбинированный способ сварки

При данном способе сварочные аппараты дополнительно оборудуются системой подачи и продвижения сварочной проволоки. Сварка производится материалом присадочной проволоки (иногда еще и в газовом облаке). Диаметр и состав проволоки выбирается исходя из состава материала, который необходимо сварить, а также требований к сварному шву. Способ хорошо зарекомендовал себя в работе с изделиями, имеющими проблемные геометрические формы и при работе в местах со сложным доступом.

Аппараты лазерной сварки металлов

Промышленностью и частными компаниями выпускаются аппараты с различными принципами рождения луча. Лазерная сварка двух металлических изделий возможна при применении любого из них, но у каждого есть различия в условиях эксплуатации.

Лазеры с твердым активным элементом

Конструктивно выполнены в виде небольших устройств с основным элементом, состоящим из рубинового кристалла и возбуждающего устройства. Аппараты просты в изготовлении и обслуживании, как правило не требуют серьезного обучения для уверенной работы.

Аппараты с элементами на основе газовой среды

Устройства, рассчитанные на работу с крупными деталями и материалами большой толщины. Из-за высокой стоимости и сложностей с монтажом всех систем охлаждения, подачи газа и компенсации порового облака, практически не встречаются в частном владении.

Оправдывают свое приобретение и обслуживание только в случае выполнения крупных заказов на постоянной основе, в противном случае лучше обратить внимание на аппараты, принцип работы которых основан на твердотельном кристалле.

Ручная сварка

Современный уровень приборостроения позволил вывести на рынок аппарат ручной лазерной сварки весьма компактных размеров. Аппарат имеет очень малую мощность, но тем не менее его стоимость сравнима с полноценным стационарным вариантом. Объясняется это тем, что при изготовлении ручного сварочного аппарата использовались субкомпактные элементы и двухсторонний монтаж высокой плотности.

С помощью ручных устройств можно проводить даже такие тонкие работы как пайка электронных компонентов и полупроводниковых приборов.

Лазерно-дуговая сварка

Принцип работы основан на применении положительных качеств сразу двух самостоятельно существующих аппаратов. Готовое изделие совмещает в себе элементы ручной дуговой сварки и лазерного генератора.

Сварка осуществляется за счет поджигания электрической дуги традиционным способом и расплавлении внешней поверхности металла. На последующих этапах процесса, к работе подключается лазерная установка, которая направляет лазерный луч в уже полученную ванну расплавленного металла.

Попадая на хорошо прогретый металл, лазер способствует его скорейшему расплавлению именно в тех местах, где это наиболее необходимо. Тем самым ускоряется процесс работы и предотвращается перегрев детали вблизи сварного шва.

Технологические особенности процесса лазерной сварки

К основным технологическим особенностям лазерной сварки относится соблюдение ряда правил:

тщательная очистка металла перед сваркой;
плотное прижатие деталей между собой;
плавное и равномерное ведение луча вдоль оси предполагаемого шва;
обработка сваренных деталей (при необходимости).

Лазерная сварка стекла и пластмассы

Как и в случае с тонкими изделиями, спаивание изделий из легкоплавких материалов производится преимущественно маломощными устройствами. За исключением того, что поверхности свариваемых деталей перед работой тщательно обезжириваются, суть применения специального оборудования для пайки всех видов пластика и стекла ничем не отличается от аналогичного процесса с металлическими изделиями.

А вы знаете что такое ппр на сварочные работы? Подробнее в статье по ссылке.

Особенности сварки тонкостенных изделий

Основное достоинство показываемое лучевой сваркой, это ее универсальность. Для любого материала всегда можно подобрать необходимую концентрацию энергии светового потока. Тонкие материалы лучше и безопаснее всего свариваются твердотельными лазерами на минимальной мощности.

При выборе мощности, дополнительно можно поэкспериментировать с длительностью импульсов сварки или расфокусировкой лазерного луча. Расфокусировка даст уменьшение мощности на единицу площади, но будет способствовать паразитному нагреву детали вблизи места сварки.

Лазерная сварка деталей разной толщины

Лазерная сварка металлов разной по отношению друг к другу толщины проводится одним из двух методов.

Соединяемые детали плотно прижимаются и с детали имеющей большую толщину снимается небольшая фаска. Таким образом достигается примерное выравнивание толщин материалов в месте сварки.
Две детали также плотно прикладываются одна к другой, но механического воздействия на них не осуществляется. Для компенсации разной толщины деталей и как следствие разного времени прогрева, лазерный луч направляют в большей степени на толстое изделие чем достигают равномерность прогрева обеих деталей.

Качество защита шва и дефекты при лазерной сварке

Лазерная сварка сама по себе считается высокоточным процессом, но дефекты и недостатки в работе случаются даже при ее использовании. Вот основные из них:

прожог металла – случается, когда неверно выставлена мощность, частота импульсов или скорость лазера;
лишние добавки – как правила являются следствием плохой очистки поверхности материалов перед сваркой;
плохой провар шва. Так же проявляется при недостаточной мощности лазера, реже как результат мало-опытности самого сварщика.

Как показывает практика, 90% дефектов можно избежать просто качественно, проводя подготовительные мероприятия и настройку оборудования.

Преимущества и недостатки лазерной сварки

Лазерная сварка, как и любой другой сложный физико-химический процесс имеет свои достоинства и недостатки. Разберем основные из них.

К преимуществам относится:

способность соединять материалы разного состава, в том числе и между собой;
точность проведения работ и ровность шва;
температурное воздействие только на область провара;
возможность работы в труднодоступных местах и даже сквозь свето-прозрачные перегородки.

Недостатки у лазерной сварки тоже имеются:

высокая цена на сами устройства и их обслуживание;
малая продуктивность (в случае использования аппаратов малой мощности);
необходимость работы только в пределах специально оборудованных рабочих мест.

Техника безопасности

Техника безопасности при работе с лазерной сваркой проста, но требует обязательного исполнения.

Рабочее место должно быть очищено от посторонних предметов и мусора.
Само рабочее место должно хорошо проветриваться или быть оборудованным принудительной системой вентиляции.
Поблизости от рабочего места не должны находиться легковоспламеняющиеся вещества.
Работа должна проводиться в защитных очках.
Так как велика опасность получения ожогов, на руки лучше надеть защитные перчатки.

Как сделать аппарат для лазерной сварки своими руками

Простейшее устройство для лазерной сварки способен изготовить в домашних условиях имея под рукой набор копеечных деталей даже неподготовленный человек. Для создания понадобится:

паяльник;
припой и флюс;
детская лазерная указка;
пишущий DVD привод (можно даже неисправный);
небольшой отрезок соединительных проводов.

Работа по созданию сварочного аппарата начинается с разборки DVD привода и извлечении из него мощного светодиода, который и используется в штатном режиме для прожига дисков.

Полученный диод устанавливается в лазерную указку вместо имеющегося там простого светодиода. Соединительные проводки припаиваются к диоду и выводятся через кнопку указки на элементы питания. Простейший сварочный аппарат готов.

При желании такой аппарат можно усовершенствовать, подключив к нему Ардуино, сервопривод и шаговые двигатели.

Что такое лазер

Лазер представляет собой особый вид передачи энергии, основанный на принудительном генерировании световых волн определенной длины. Физически, чаще всего представляет собой полый цилиндр с размещенным внутри кристаллом рубина (или его аналога) и устройством по принципу работы схожем с катушкой индуктивности.

Лазерная сварка получается, когда под воздействием приложенного к обмотке катушки индуктивности электрического тока, атомная решетка помещенного в цилиндр кристалла начинает испускать волны равной длины и лавинообразно принуждать к этому все больше и больше атомов рубина.

После достижения пика интенсивности получившийся лазерный луч фокусируется в точку нужного диаметра (и как следствие мощности) и передается на нужный материал.

Принцип лазерного излучения

Сварка лазером не была бы возможна как процесс без формирования определенных принципов:

принцип одно-направленности – лазерный луч параллелен на всем своем протяжении. Естественное рассеивание конечно присутствует, но его значение настолько мало, что при проведении сварочных работ в расчет не берется;
принцип малой спектральности – рубиновый кристалл излучает волны настолько малой ширины спектра, что становится возможным их концентрация и фокусировка;
принцип когерентности – в разных участках луча тепловое поле лазера будет отличаться. Этот принцип очень помогает при расчетах теплового воздействия на свариваемый металл в зависимости от его плотности и толщины стенок.

Виды лазеров

Несмотря на схожий результат, добиться получения лазерного излучения можно разными способами. В настоящее время получили распространение лазеры на основе твердотельного оборудования и так называемые «газовые» лазеры.

Вид применяемого для сварки оборудования выбирается исходя из анализа металла – (толщина, вид, твердость и т.д.), характера формирования необходимого шва (сплошной шов, шов с точечной лазерной сваркой) и массогабаритных параметров самого оборудования.

В принципе добиться необходимого результата можно любым из них, но каждый имеет собственный набор характеристик, достоинств и недостатков набор которых зачатую играет решающую роль.

Твердотельные лазеры

Твердотельные лазеры имеют массу достоинств в том числе и перед лазерами других типов. Они более компактные и как следствие могут быть без проблем доставлены и размещены практически в любое помещение.

Стоимость твердотельных лазеров невысока и его может позволить себе даже небольшая мастерская или простой гаражный цех. Лазеры данного типа потребляют мало энергии и не требуют сложной системы подачи и стабилизации напряжения питания.

Мощность таких установок невелика – максимальное значение в пределах 5-6 кВт. Чаще всего ориентированы на сварку металлов с малым и сверхмалым сечением, цветных металлов а также различных других легкоплавких материалов (оргстекло и прочие).

Газовые лазеры для сварки

Газовые лазеры намного мощнее ранее рассмотренных, их мощностные показатели начинаются от 15-20 кВт. Такая мощность позволяет продуктивно работать с материалами большого сечения и высокой твердости. Но большая мощность влечет за собой и основной недостаток – габариты.

Для полноценной работы газового лазера необходим мощный источник питания, газовый баллон, насос для прокачки казовой смеси, газоразрядная трубка, жидкостная система охлаждения сложной конфигурации и масса других нюансов.

Газовые установки применяются преимущественно в производственных цехах и там, где необходима высокая скорость сварки без оглядки на габариты и потребляемую мощность.

Работа с газовыми лазерами как правило проводится в атмосферных условиях, но с использованием одной особенности – при попадании лазера на металл он плавится, и в точке плавления образуется облако выделяемых при кипении металл паров.

При достаточно интенсивной работе такое облако может вносить искажение в подводимый луч и мешать процессу сварки. Чтобы этого не происходило, дополнительно применяется газ создающий защитное облако. В качестве такого газа как правило выбирают аргон.

Особенности газодинамических лазеров

Газодинамические лазеры обладают являются лидерами в мощностных показателях среди всех типов лазерных установок. Принцип работы таких лазеров основан на разогреве до высоких температур активного вещества – окиси углерода. Применяется исключительно в тяжелой промышленности для работы с массивными деталями из черных металлов.

Основным недостатком являются массогабаритные показатели оборудования и сложность самого процесса сварки.

Использование гибридных установок

Гибридная лазерная сварка характеризуется введением в зону плавления металла двух деталей, третьего материала, в частности, сварочной проволоки. Проволока расплавляясь заполняет собственной массой зазоры и промежутки между свариваемыми деталями.

Применение дополнительных присадок упрощает процесс соединения деталей и частично повышает прочность сварного шва.

Лазерный мир

Главная / Научная библиотека / Лазерная сварка сталей больших толщин. с применением мощных оптоволоконных и СО2–лазеров.

Лазерная сварка сталей больших толщин. с применением мощных оптоволоконных и СО2–лазеров.

Приведены экспериментальные данные по физике взаимодействия лазерного излучения с плазмой, сопровождающего процесс лазерной сварки. Рассмотрены СО2- и оптоволоконные лазеры. Показаны условия, при которых процесс сварки протекает наиболее эффективно, также влияние интенсивности лазерного излучения, скорости сварки, марки металла на эффективность процесса. Приведены конкретные примеры характера проплавления металла и свойства сварных соединений.

Лазерные технологии за последние 30 лет прошли путь от лабораторных экспериментальных работ до промышленного применения. В настоящее время десятки тысяч единиц лазерного оборудования работают на промышленных предприятиях. Особенно широкое применение нашли такие технологические процессы, как лазерная маркировка и лазерная резка.

Лазерная сварка металлов также занимает достойное место в различных производственных отраслях. Отработаны, например, технологические процессы сварки шестерен коробки передач автомобилей ЗИЛ и ВАЗ, изготавливаемых из сталей 12Х2Н4А, 18ХГТ (рис.1). При этом достоинства лазерной сварки как прецизионного процесса были подтверждены замерами, которые показали практически нулевые остаточные послесварочные отклонения размеров от заданных значений в чертежах на шестерни. Показатели механических свойств сварных соединений находились на уровне основного металла.

Данная технология внедрена на ОАО «АВТОВАЗ» в 1992 году, с момента начала поставки лазерного оборудования. Другим важнейшим направлением эффективного применения лазерной технологии является сварка нержавеющих труб (рис.2), которая позволила увеличить производительность сварки в 10 раз по сравнению с аргонодуговой сваркой. Результаты испытаний лазерных сварных соединений на сталях 08Х18Н10Т, 08Х18Т1, 08Х18Н10 по механическим показателям и коррозионной стойкости находились на уровне основного металла. Данная технология внедрена на Новомосковском трубном заводе Днепропетровской области.

Однако лазерная сварка металлов толщиной от 12 до 100 мм, выполняемая на лазерах мощностью в несколько десятков киловатт, до настоящего времени сопровождается проблемами в работе. Это связано, прежде всего, с недостаточной изученностью физических процессов, происходящих при взаимодействии мощного лазерного излучения с газовой средой, возникающей при сварке, и с жидким металлом сварочной ванны.
Преимущества лазерной сварки больших толщин в сопоставлении с дуговой сваркой под флюсом и электрошлаковой сваркой очевидны. Лазерная сварка выполняется без разделки кромок, за один проход на всю свариваемую толщину, без применения дорогостоящих флюсов, без большого потребления присадочной проволоки. Свойства лазерных сварных соединений, как показывает практика сварки малых толщин (≤10 мм), обычно находятся на уровне основного металла. В связи с этим результаты исследований по лазерной сварке сталей толщиной от 12 до 50 мм интересуют многих специалистов. Полученные результаты исследований позволяют оптимизировать плазменные процессы, сопровождающие лазерную сварку, а также металлургическое взаимодействие, происходящее между лучом лазера и расплавом в сварочной каверне, как на СО2-лазерах, так и на оптоволоконных лазерах производства IPG НТО «ИРЕ-Полюс».

Установлено, что при лазерной сварке белой жести при интенсивности лазерного излучения 2∙106 Вт/см2 удалось достичь скорости сварки Vсв. = 20 м/мин. При этом с увеличением скорости сварки более 10 м/мин наблюдалось уменьшение размеров плазмы над сварочной каверной, а на скорости сварки свыше 20 м/мин стабильность формирования сварного шва стала неустойчивой.

При скорости сварки 25–27 м/мин периодически стало наблюдаться исчезновение свечения плазмы. И в местах ее исчезновения прекращались и плавление металла, и формирование сварного шва. Увеличение интенсивности выше 107 Вт/см2 позволило довести скорость сварки до 60 м/мин. Эти данные еще раз подчеркивают, что варьированием скорости сварки можно воздействовать на температуру плазмы и обеспечивать наиболее эффективное использование энергии лазерного излучения на плавление металла, минуя его поглощение и рассеивание плазмой. В работах [1, 2] достаточно полно представлены условия, при которых лазерная сварка протекает стабильно с качественным формированием сварного соединения, и в каких случаях происходит плазменный пробой, приводящий к экранизации лазерного излучения СО2-лазеров.

При лазерной сварке сталей больших толщин скорость сварки может меняться в более узких пределах – от 1 до 5 м/мин. При этом необходимо интенсивность лазерного излучения обеспечивать в пределах (2–5)∙106 Вт/см2. Установлено, что сварочная каверна при лазерной сварке существует непрерывно в течение всего времени подачи лазерного излучения (рис.3) и никаких процессов ее схлопывания не происходит. Температура плазмы в сварочной каверне при сварке СО2-лазерами, замеренная на расстоянии 1 мм над поверхностью металла, достигает в Не-среде – 11 000К, в Аr-среде – 15 000К. На больших толщинах скорость сварки оказывает влияние на температуру плазмы не в такой мере, как при сварке малых толщин металла.

Установлено, что попытки увеличить интенсивность лазерного излучения свыше (6–10)∙106 Вт/см2 приводят к активизации процесса поглощения лазерного излучения плазмой, разбрызгиванию жидкого металла из сварочной каверны и при росте температуры плазмы в каверне глубина проплавления металла уменьшается. Пороговой температурой плазмы каверны является величина примерно 16 000 – 22 000К. При этих температурах плазмы каверны процесс проплавления углеродистой стали прекращается. Сварочная каверна исчезает, плазма горит над поверхностью металла, и большая часть подведенной энергии лазера поглощается плазмой (рис.4). Следует отметить, что при воздействии на плазму каверны, которая выступает над свариваемой поверхностью металла примерно на 2–3 мм, тонкой струи газа, например Не, происходит охлаждение плазмы каверны не только в верхней части, но и по всему каналу каверны, так как скорость распространения температуры в плазме в режиме светового горения, возникающего при I = (0,1–10)∙106 Вт/см2, составляет 1–100 м/с. Вследствие этого плазма каверны активно охлаждается, она становится более прозрачной для луча, и процесс сварки протекает с более глубоким проплавлением. Но важно при этом не допускать кипения металла в сварочной каверне, которое приводит к его разбрызгиванию и ухудшению формирования сварного шва, появлению пор, подрезов и т.д.
На состояние плазмы при лазерной сварке существенное влияние оказывает химический состав стали или же марка металла. Например, при сварке меди хорошее формирование сварного шва происходит при интенсивности лазерного излучения свыше 107 Вт/см2. Плазма при этом не препятствует проплавлению и имеет ограниченные размеры и яркость. Это связано с тем, что медь активно отводит тепло, поэтому плазма в сварочной каверне активно охлаждается, при этом ее температура не превышает порогового значения. Сварные швы при сварке меди формируются очень узкими и с малой зоной термического влияния.

На прозрачность плазмы при сварке оказывает влияние и расход защитного газа (рис.5). Даже незначительное увеличение расхода защитного газа приводит к охлаждению плазмы не только над поверхностью металла, но и в сварочной каверне из-за огромных скоростей теплопередачи в плазме. Проплавляющая способность возрастает, что видно из рис.5б,г. При соблюдении оптимальных параметров лазерной сварки на СО2-лазерах успешно ведется процесс проплавления металла разной толщины с удовлетворительным формированием сварного шва и заданных параметров по геометрии (рис.6).

Механические свойства таких сварных соединений представлены в таблице.

Лазерная сварка с применением оптоволоконных лазеров показывает некоторые отличия от лазерной сварки на СО2-лазерах. Это связано с длиной волны оптоволоконных лазеров, которая равна 1,07 мкм и, по-видимому, структурой излучения. Проведенные экспериментальные работы на оптоволоконных лазерах показывают, что лазерная сварка ведется с кинжальным проплавлением и также с образованием плазмы (рис.6). Однако наблюдается определенная разница, как в характере поведения плазмы, так и в формировании сварного шва.

Известно [3], что при длине волны лазерного излучения 1,07 мкм плазма, сопровождающая сварочный процесс, имеет температуру в пределах 4 000–7 000К, а сама плазма более прозрачна для проходящего лазерного луча. Плазменных пробоев при этом пока обнаружено не было и большая часть лазерного излучения идет на плавление металла. По-видимому, внутри сварочной каверны температура плазмы не намного выше, чем температура плазмы над поверхностью свариваемого металла.

Вследствие этого металл от воздействия плазмы не так активно плавится, как при сварке СО2-лазерами. Следует отметить, что при сварке на оптоволоконных лазерах эффективность технологического процесса по глубине проплавления и скорости сварки выше.
Полученные результаты по сварке на мощностях оптоволоконных лазеров до 5 кВт позволяют успешно вести технологический процесс в течение длительного времени, с получением качественных сварных соединений.

Однако на мощностях свыше 10 кВт на данном этапе исследований полученные экспериментальные данные позволили выявить ряд иных проблем. В частности, в отличие от сварки СО2-лазерами плазма при сварке оптоволоконными лазерами существенно в больших объемах формируется над свариваемой поверхностью металла и оказывает влияние на обслуживающий персонал и оборудование (рис.7). В связи с этим сварочные фокусирующие устройства, успешно применяемые на СО2-лазерах, не выдерживают работы более нескольких минут на оптоволоконных лазерах. Установлено, что охлаждаемое водой устройство, фокусирующие лазерное излучение, и сопло, подающее газ для защиты сварного шва от окисления, перегреваются через короткое время, и процесс сварки приходится останавливать. Попытки сдува плазмы струей воздуха не приводят к существенному улучшению ситуации.

Сварочная каверна и ванна по всем признакам формируются одинаково, что и при сварке на СО2-лазерах [4,5]. Однако экспериментальные данные показывают, что металл в сварочной каверне перегревается до кипения (рис.8), и его капли выбрасываются на поверхность свариваемого металла. Сварной шов (рис.9) при сварке на оптоволоконных лазерах формируется очень узким, а следовательно, скорость охлаждения металла шва будет очень высокой на различных этапах кристаллизации металла, что на сталях, склонных к закалке, приведет к ухудшению технологической прочности металла шва и околошовной зоны. Практика показывает, что механические свойства также не будут уступать свойствам основного металла, особенно ударная вязкость и угол загиба.

В работе основное внимание уделено сварке излучением мощных СО2-лазеров (до 12–30 кВт). Приведены результаты практических исследований лазерной сварки сталей различных классов, полученные автором в течение более 20 лет на различных предприятиях Москвы и Санкт-Петербурга.

Часть 1 Часть 2 Часть 3

Данный опыт – уникальный и достаточно дорогостоящий – представляет несомненный интерес для специалистов. В первой части работы рассмотрены основные результаты экспериментов, влияние типов защитных газов и методов их подачи на качество сварных соединений, методы увеличения глубины проплавления и т.п.
Лазерное излучение обеспечивает высокую концентрацию энергии, значительно превосходящую другие источники энергии, используемые для сварки [1, 3, 5, 7]. Электро-лучевая сварка (ЭЛС), также обладая высокой концентрацией энергии электронного луча, наиболее близка к лазерной сварке (ЛС) по своим физическим, технологическим и металлургическим особенностям. Однако ЭЛС осуществляется в вакуумных камерах, что необходимо для устойчивого проведения процесса сварки с глубоким проплавлением. Лазерная сварка принципиально отличается от ЭЛС тем, что в большинстве случаев не требует вакуумных камер, хотя при мощностях более 5–25 кВт местное вакуумирование позволило бы увеличить глубину ЛС в несколько раз и приблизиться к глубине проплавления ЭЛС. Кроме того, при ЛС, в отличие от ЭЛС, нет сильного ионизирующего излучения, намагниченность заготовок не влияет на лазерный пучок, что позволяет более точно наводить его на стык при сварке [3–7]. Воздействие лазерного излучения высоколокально, что определяет ряд особенностей свойств сварных соединений. ЛС проводится на воздухе, а чаще – в среде защитных газов Ar, He, CO2, N2 и др. Благодаря этому лазерную сварку можно без проблем применять для соединения крупногабаритных металлоконструкций (что проблематично для ЭЛС) [1–7]. Лазерный луч с помощью зеркальных оптических систем или по световоду легко транспортируется и направляется в труднодоступные места. При этом обеспечивается надежное и оперативное управление процессом лазерной сварки с регулируемыми энергетическими характеристиками. Благодаря широкому диапазону режимов ЛС реализуется высокопроизводительный процесс соединения различных металлов толщиной от нескольких микрон до десяти и более миллиметров (рис.1–3).
Хотя на лазерный пучок практически не влияют магнитные поля свариваемых деталей (при углах наклона луча к свариваемым пластинам от 90° до 15–30°), но они воздействуют на плазменный факел, способны его отклонять и, соответственно, влиять на формирование сварных швов. Кроме того, вид защитного газа, используемого при сварке (при мощности излучения более 1–3 кВт), в основном и определяет теплофизические характеристики плазменного факела, его размеры, температуру и положение и, соответственно, гидродинамику процесса и металлургические особенности, формирование сварного шва [11, 14, 16, 18] (рис.2 г–е, рис.3).
Для сварки металлов используются твердотельные (в том числе волоконные) и газовые лазеры как периодического, так и непрерывного действия [2–8]. Скорости ЛС с непрерывным излучением в несколько раз превышают традиционные методы сварки плавлением – порядка 50–200 и более м/ч. Это означает не только высокую производительность процесса, но и малые затраты энергии, т.е. отношение мощности излучения к скорости сварки, что обуславливает экономическую эффективность ЛС. При лазерной сварке импульсным излучением скорость процесса значительно ниже, чем при сварке непрерывным излучением, и практически сопоставима со скоростями при традиционных методах сварки.
В целом, основные преимущества ЛС перед иными видами сварки [1–24]:

* высокая производительность (цикл при автоматизированной загрузке и выгрузке деталей составляет 0,04–4 мин при скорости сварки 40–1000 м/ч и толщине свариваемого металла за один проход от долей миллиметра до 20 мм и более) и низкая трудоемкость (в 3–20 раз ниже традиционных способов сварки);
* возможность сварки самого широкого спектра марок сталей, сплавов и материалов: от высоколегированных, высокоуглеродистых марок стали до сплавов меди и титана, пластмасс, керамики, алмазов, стекла и разнородных соединений;
* высокое качество сварных соединений; во многих случаях механические свойства швов оказываются на уровне основного материала;
* нагрев деталей и деформации минимальны – в 3–5 раз ниже, чем при дуговой сварке (что наиболее характерно для импульсно-периодических режимов);
* возможность сварки в труднодоступных местах и разных пространственных положениях с углом наклона лазерного пучка к поверхности детали до 15–30°, где сварка традиционными способами в ряде случаев невозможна (см. рис.2, 3);
* возможность сварки без изменения режима комбинированных изделий с переменной толщиной в 3–5 и более раз (рис.3);
* гибкость процесса, возможность быстрой автоматической программируемой и дистанционной перенастройки и переналадки на другие режимы или технологические процессы;
* экономия электроэнергии и присадочных материалов;
* хорошие, комфортные условия труда, экологическая чистота.

Исследования лазерной сварки сталей разных классов (судокорпусной 09Г2С, углеродистой котельной 22К, теплоустойчивой низколегированной 10ГН2МФА, коррозионно-стойкой высоколегированной 08Х18Н10Т, высокопрочной среднелегированной стали 12ХН4МДА) в течение более 20 лет выполнялись на предприятиях Москвы и Санкт-Петербурга: в НПО «ЦНИИТМАШ», ПО «Ижорский завод», в ЦНИИ КМ «ПРОМЕТЕЙ», НИИЭФА им.Д.В.Ефремова, ЦНИИТС (рис.1–4). Сварку со сквозным проплавлением выполняли горизонтальным пучком 15-кВт СО2-лазера «Ижора-М» и 30-кВт СО2-лазера «Титан» (НИИЭФА им. Д.В.Ефремова) перемещением образцов сверху вниз со скоростью 10–20 мм/c (т.е. сваривая вертикальные швы «на подъем») при q0,5 = 3,8–4,2 МВт/см2 (9–10,5 кВт) по схеме, приведенной на рис.5, q0,5 – средняя мощность по эффективному диаметру пучка, ограничивающему 50% полной подводимой к образцу лучевой мощности. Выполняли сварку также и перемещением образцов в горизонтальном направлении, тоже горизонтальным пучком. Лазерный пучок (при мощности до 10,5 кВт и скорости сварки 10–20 мм/с, в гелиевой среде) фокусировался оптической системой Кассегрена на поверхность заготовки, расплавлял металл в зоне воздействия, образуя при этом глубокий парогазовый канал.
При проведении экспериментов и исследований использовали оптические устройства и средства измерения, оснастку – разработки Скрипченко А.И. (последние 10 лет он возглавляет лабораторию «ЛазерСофт»). Для сварки использовали, как правило, плоские образцы, размером (12–15)×(50–120)×240 мм, фрезерованные с чистотой обработки RZ 40 – RZ 160 и собранные на прихватках, встык, без зазора (после их протирки ветошью, смоченной в ацетоне) (рис.6, 7), или точеные цилиндрические образцы диаметром до 300 мм и толщиной стенки до 12 мм. Глубина проплавления, как правило, составляла 1–1,3 мм на киловатт лучевой мощности. Скорость выбиралась минимальная, чтобы обеспечить максимальное проплавление при удовлетворительном формировании шва (но не менее 10 мм/с), поскольку надо было сварить сталь толщиной 12 мм (для механических стандартных испытаний), а максимальная мощность луча СО2-лазера «Ижора-М» – до 10,5 кВт (редко, нестабильно – до 12 кВт). Для зарубежных и некоторых отечественных лазеров с более качественным излучением (в первую очередь – для моды ТЕМ00) глубина проплавления, как правило, достигает 1,3–2,0 мм/кВт.
При ЛС с глубоким проплавлением в большинстве случаев требуется защита шва, подбираемая в зависимости от свариваемого материала. Сварной шов защищается с одной или с двух сторон гелием или гелиево-аргоновой смесью.
С обратной стороны рекомендуется поддувать аргон или азот (особенно для высоколегированных сталей типа 08Х18Н10Т), которые существенно улучшают формирование шва за счет образования плазменного факела и с обратной стороны [11] – тогда плазменный факел горит с лицевой стороны, внутри канала и с обратной стороны шва (рис.5, 8, 9). При сварке деталей малых толщин из низкоуглеродистой стали и некоторых других материалов дополнительная защита зоны сварки не обязательна, что значительно упрощает технологический процесс. Защита корня шва не обязательна при сварке низко- и среднелегированных швов. Она нужна в основном при сварке высоколегированных сталей, титановых и алюминиевых сплавов или для улучшения формирования обратного валика шва (рис.8) [11, 19].
При лазерной и лазерно-дуговой сварке в качестве присадочного материала, для легирования металла шва или для снижения требований по точности сборки, применяют порошок или тонкую проволоку диаметром 0,8–1,2 мм и менее. При этом необходима точная подача проволоки в зону плавления.
Для получения качественных сварных швов без корневых дефектов предпочтительна сварка со сквозным проплавлением [11, 13]. Чтобы исключить поры в корневой части, рекомендуется превышать мощность излучения на 15–30% относительно необходимой для проплавления. При этом ширина обратного валика должна быть 0,8–1,5 мм при условии точности сборки и перемещения изделия или лазерной головки не хуже 0,3–0,5 мм. Скорость сварки при излучении порядка 10–20 кВт должна быть не менее 12–20 мм/с, также необходима гелиево-аргоновая защита и фокусировка луча на поверхности образца. Нагрев и расплавление стенок канала в этом случае происходит за счет плазменного точечного источника в верхней части и распределенного линейного плазменного источника («плазменной шубы») в его средней и корневой частях (см. рис.9). В случае поддувания с обратной стороны шва аргона точечный плазменный источник нагрева формируется и со стороны корневой части шва. При лазерно-дуговом процессе добавляется еще один точечный источник нагрева, что очень усложняет проблему расчетов и моделирования, особенно если учесть и множество других факторов, влияющих на физику процесса (рис.5, 9, 10).
Эксперименты, проведенные авторами [11, 19] на десятках клиновых образцов и пластинах, показали, что в стационарном, установившемся процессе взаимодействия лазерного пучка с металлом образуется и поддерживается парогазовый канал (воронка) диаметром до 1–2 мм в средней части (рис.5, 9, 11–13). Давлением паров расплавленный металл удерживается на стенках канала с некоторым перемещением вниз в верхней части и вверх в нижней части – и весь металл переносится в хвост ванны (рис.9, 11). При этом, при низкой скорости сварки, расплавленный металл может частично или полностью закрывать этот канал и, соответственно, проход лучу. В этом случае происходит «взрывное вскипание» и испарение неметаллических включений в металле, и образуются поры. При нестабильном переносе металла ширина средней части шва может колебаться до 50–100%.
Лазерный пучок при сквозном проплавлении и величине проходящей мощности более 10–25% сохраняет все свои характерные особенности по распределению плотности (рис.10). И только при уменьшении доли проходящей мощности до 10% и менее перекрывается путь прохождения лазерного пучка через канал в его нижней части и происходит размывание его характерных особенностей, т. е. начинается процесс переотражения луча в корневой части канала. Прямое взаимодействие лазерного пучка с металлом очень вредно с технологической точки зрения: при сквозном проплавлении возникают поры, при несквозном – корневые дефекты. Модели «переотражения в парогазовом канале» многих исследователей [22–24] в 1970–1980-х годах были неточны, относились только к частному случаю физики процесса лазерной сварки в корневой части шва и при диаметре канала меньше критического [5, 7]. Для качественных сварных швов необходим стабильный перенос металла из канала в хвост ванны, без прямого взаимодействия с пучком, т. е. без механизма переотражения в центральной его части.
При мощности излучения более 1–2 кВт (сварка в непрерывном режиме генерации излучения) лазерная плазма снижает пропускную способность лазерного излучения (рис.14). Необходимость подавления плазмы возникает, как правило, при мощности более 1–3 кВт в аргоне и на воздухе, более 7–9 кВт – в среде N2 и СО2, более 20–25 кВт – в Не. При мощности излучения до 1–2 кВт для защиты сварного шва от атмосферного воздействия можно использовать более дешевый газ, подходящий по технологическим и металлургическим соображениям, например Ar, а при мощностях до 8 кВт – N2 и CO2 .
При увеличении мощности до 2–7 кВт могут применяться лазерные головки со встроенными соляными линзами. Но в связи с увеличением размеров сварочной ванны необходимо увеличивать диаметр сопла. При мощностях более 3–5 кВт используются, как правило, зеркальные системы. Кроме того, применение чистого аргона невозможно, поскольку лазерная плазма не позволяет повысить глубину проплавления более 1–3 мм, несмотря на увеличение мощности.
В интервале мощностей 7–8 кВт допустимо использование N2, CO2 или смесей газов на основе гелия с добавлением Ar, N2, CO2. Смеси, как правило, более предпочтительны, поскольку позволяют добиться формирования шва без подрезов, а также более экономичны. При коаксиальной конструкции сопла необходимо принудительное охлаждение.
С увеличением мощности лазерного излучения свыше 7–8 кВт глубина проплавления в среде N 2 и СО2 не возрастает из-за экранирующего воздействия плазмы, поэтому при сварке лазерным излучением мощностью 7–11 кВт чаще всего применяют гелий или смеси на его основе.
При выборе защитного газа гелиевая среда (или смеси на его основе) более предпочтительны не только для максимального проплавления, но и для более качественного формирования сварного шва (рис.15).
При конструировании защитных устройств и лазерных головок для мощности ~10 кВт следует учитывать, что высота плазменного факела над поверхностью сварочной ванны составляет 45 и 55 мм (в гелии) для мощностей 8–10 кВт и 11–13 кВт, соответственно. Попытка применения цилиндрических сопел с аксиальным расположением при сварке с излучением 5–10 кВт привела к увеличению диаметра сопла до 36 мм, расход гелия возрос до 80 л/мин, что экономически нецелесообразно. Устранить этот недостаток позволили специальные защитные устройства конструкции Э.И.Явно (см. рис.5).
Повышение мощности свыше 15–25 кВт приводит к усилению процессов экранирования излучения и интенсификации процессов плазмообразования, поэтому увеличение глубины проплавления свыше 25 мм вызывает серьезные трудности. Необходимы дополнительные меры для подавления плазмообразования. Одним из таких способов может быть местное низкое вакуумирование, хотя экономически это и не очень привлекательно. Однако вакуумные камеры с контролируемой атмосферой значительно расширяют технологические возможности ЛС, особенно если учесть, что глубина проплавления значительно возрастает при достаточно низком вакууме (1–100 торр). Такие камеры эффективны также для поверхностного легирования металлов из газовой фазы.
Другой путь снижения отрицательного влияния лазерной плазмы – временное модулирование мощности лазерного излучения. Для этого, например, можно использовать вращающиеся отражающие секторные элементы, перекрывающие трассу луча. При этом средние удельные затраты энергии на единицу площади стыка примерно такие же, как и в непрерывном режиме. Это объясняется большой скважностью, меньшей скоростью процесса, большими конвективными и радиационными потерями.
Импульсно-периодический режим (ИПР) по сравнению с непрерывным обладает значительно большей термической эффективностью процесса проплавления, т. е. более полным использованием энергии луча. Однако проявляется это на длительности импульса излучения. Но при ИПР сложнее добиться качественного формирования обратной стороны шва, хотя бы с небольшим перекрытием (нахлестом) сварных точек. Поэтому непрерывный режим (или близкий к нему) при сварке более предпочтителен, поскольку обеспечивает более гарантированный провар и качество сварных соединений (рис.16).
Таким образом, временное модулирование мощности целесообразно при прецизионной лазерной сварке или если необходимо ограничивать нагрев изделия по конструктивным или технологическим соображениям. Кроме того, временное модулирование позволяет регулировать тепловложение и управлять переносом жидкого металла из парогазового канала в хвостовую часть сварочной ванны. В этом случае большое значение имеет не только частота следования импульсов и скважность, пиковая и средняя мощность излучения, но и форма импульсов – крутизна, характер переднего и заднего фронтов и соотношение их величины (рис.17).Таким образом, временная модуляция лазерного излучения при сварке значительно расширяет технологические возможности. Она особенно актуальна при сварке цветных металлов, сплавов меди и алюминия, а также при решении сложных технологических задач.

В заключительной части обзора особенностей лазерной сварки сталей различных классов обсуждаются результаты металлографических исследований сварных соединений. Предложены рекомендации по выбору технологических параметров сварки: скорости, мощности излучения. Они помогут избежать дефектообразования и улучшить формируемый сварной шов.

Основная причина образования пор в расплавленном металле сварного шва (рис.25), а также корневых дефектов при лазерной сварке кроется в большой загрязненности основного металла газами и неметаллическими включениями (рис.26). Этот эффект усиливают затруднение дегазации жидкого металла сварочной ванны, особенно в ее корневой части. При лазерной сварке разложение и удаление неметаллических включений приводит к «очищению» от них металла шва, но часть из них остается в шве в виде пор, не успевших всплыть на поверхность сварочной ванны. В таблице 3 приведены характерные неметаллические включения в основном металле и сварных швах.

Для изучения механизмов образования пор и корневых дефектов изготовили продольные и поперечные образцы и шлифы. Затем их исследовали в трех направлениях методами рентгенографии сварных и проплавных швов (рис.27, 28), ультразвуковой и цветной дефектоскопии. Увеличение проходящей мощности от 0–10% до 20–30% позволило получить качественные сварные швы, свободные от пор, при ширине обратного валика 1,5–2,0 мм (рис.28б). Эти условия оптимальны как для высоколегированной стали 08Х18Н10Т, так и для судокорпусной высокопрочной стали 12ХН4МДА. Повышению пористости способствуют заниженные скорости сварки 8–10 мм/с и ниже. На рис.29 показана зона проплавления на одном и том же шлифе из стали 08Х18Н10Т с нестабильным переносом металла и, соответственно, шириной сварного шва. Расплавленный металл в парогазовом канале накапливается на его стенках, почти «схлапывается». Перекрывает путь лазерному пучку, из-за чего возникает «взрывное испарение» и образование пор. На рис.30 показан образец титанового сплава, заваренный на оптимальном режиме, с хорошим формированием и без внутренних дефектов. Корневые дефекты имели место во всех исследуемых сталях (рис.31, 32), полученных разными методами выплавки и прокатки, при обычных режимах сварки, с фокусировкой лазерного пучка «с заглублением» или «на поверхности» образцов, при сварке без сквозного проплавления.

Появление корневых дефектов вызывает угрозу разрушения изделий из высокопрочных, жаростойких и жаропрочных сталей. Эта проблема особенно актуальна для изделий, применяемых в судостроении и авиакосмической промышленности. Корневые дефекты способствуют появлению трещин. При сварке угловых и тавровых соединений (рис.32) жесткие условия кристаллизации, низкая пластичность металла приводят к образованию трещин. Поэтому для получения качественных швов необходимо не только исключить условия образования корневых дефектов. Использование присадочных материалов при лазерно-дуговой сварке повышает пластичные свойства швов. В качестве таких материалов используют, например, аустенитные материалы типа 08Х18Н10Т.

Широко известны технические приемы, разработанные для повышения качества шва. Если сфокусировать пучок «над поверхностью» образца, на расстоянии более 2 мм, то можно получить качественный шов, жертвуя, конечно, глубиной проплавления в 1,5–2 раза. Или, сканируя поверхность лазерным пучком, добиваться выравнивания распределения плотности мощности. Это обеспечивает перемешивание расплавленного металла в сварной ванне и улучшает его дегазацию. Такой прием способствует устранению дефектов особенно в корневой части, а также создает оптимальные условия кристаллизации.

При этом улучшается поверхностное формирование, что позволяет избежать образования подрезов, снижается вероятность образования кристаллизационных трещин. Следует помнить, что зарождению таких трещин (рис.33) способствуют относительно низкие скорости сварки Vсв. То есть правильный выбор скорости сварки и, соответственно, скоростей охлаждения поможет избежать дефектообразования. Экспериментально обнаруженные зависимости максимальной глубины проплавления от скорости сварки и мощности излучения хорошо аппроксимируются линейной зависимостью (рис.34, 35). Эти результаты опубликованы [1,2].
Технологические особенности качественной лазерной сварки

Наиболее характерными дефектами при ЛС являются поры и несплавление кромок свариваемых деталей, а также корневые дефекты при сварке без сквозного проплавления и при начале и замыкании сварного шва.

Основной причиной образования пор и корневых дефектов в сварных швах, выполненных лазерным лучом, является большая загрязненность неметаллическими включениями и газами основного металла, а также затрудненные условия дегазации жидкого металла сварочной ванны, особенно в ее корневой части.

Улучшению условий дегазации корневой части сварочной ванны и снижению пористости швов при сквозном проплавлении способствует обеспечение проходящей мощности излучения на уровне 10–25% от падающей мощности. Ширина обратного валика при этом должна быть не менее 0,5–1,0 мм, и при мощности излучения от 1 до 30 кВт, как правило, составляет 1,0–2,0 мм. Предварительные расчеты показывают, что для волоконных и твердотельных лазеров с диодной накачкой, обладающих высоким качеством луча, указанные параметры могут быть уменьшены в 1,3–2 раза.

Устранению корневых дефектов способствует смещение фокальной точки «над поверхностью» свариваемой детали на 2 мм и более, в зависимости от характеристик фокусирующей системы.

При сварке кольцевых швов необходимо плавное увеличение мощности излучения до его нужного значения в начале сварки, с одновременным перемещением фокальной точки к поверхности изделия, а при замыкании шва – обратные действия: плавное снижение уровня мощности до нуля и перемещение фокальной точки от поверхности изделия – «над поверхностью» до 6 мм и более. Уменьшению корневых дефектов при замыкании кольцевого шва способствует применение сканирования лазерного пучка.

Для устранения дефектов типа несплавлений необходимо обеспечивать высокие точность сборки соединения и перемещения изделия, лазерной головки в процессе сварки (с системой слежения за стыком). Суммарная их погрешность должна составлять не более 0,1–0,3 мм на длине 12 м при мощности излучения от 1 до 30 кВт. Снижению требований способствует увеличение проходной мощности или увеличение фокальной точки и, соответственно, увеличение ширины обратного валика. При сборке авиационных или судовых протяженных конструкций с зазорами до 0,5–0,7 мм целесообразно применять лазерно-дуговую сварку с подачей присадочной проволоки.

Улучшению процесса формирования сварных швов и повышению качества их внешнего вида способствует увеличение скорости сварки, как правило, более 30–50 м/ч, и качественная защита сварного шва с обеих сторон сварочной ванны. Гелиево-аргоновая смесь является наиболее предпочтительной как с технологической, так и с экономической точек зрения. При этом, с повышением мощности лазерного излучения, доля аргона в смеси уменьшается, а гелия увеличивается. Для защиты обратной стороны шва лучше вместо гелия использовать аргон.

И хотя наиболее универсальной защитной средой при сварке является гелий и смеси на его основе, но для повышения экономичности процесса можно использовать двуокись углерода и азот. Такие рекомендации полезны при мощности излучения до 7–8 кВт и, соответственно, для сварки углеродистых и коррозионно-стойких сталей. При мощности лазерного излучения до 1–3 кВт хорошее качество шва обеспечивает аргон.

Требования к фокусировке излучения должны определяться индивидуально в каждом конкретном случае, но, как правило, для получения максимальной глубины проплавления фокальную точку целесообразно располагать на поверхности свариваемого образца или чуть (на 0,5–1,0 мм) заглубляя ее «под поверхность».

Эффективным способом снижения дефектов при лазерной сварке является применение сканирования лазерного пучка с частотами до 800 Гц. Сканирование позволяет улучшать дегазацию в сварном шве, особенно в корневой его части и, соответственно, снижать или полностью устранять пористость. Сканирование обеспечивает более равномерное распределение плотности мощности в пятне фокусировки, что способствует устранению корневых дефектов, а также позволяет изменять форму сварных швов, получать более однородную структуру шва, выравнивать процесс и регулировать скорости кристаллизации по глубине и ширине сварного шва, что, соответственно, снижает вероятность образования трещин, пор и подрезов.

Приведенные выше рекомендации и материалы данной работы позволяют получать сварные соединения высокого качества, обеспечивать прочностные и пластические свойства сварных соединений на уровне свойств основного металла, отвечающие требованиям нормативных документов, и превосходящие, как правило, результаты аналогичных испытаний сварных соединений для традиционных способов сварки.

Лазерная сварка наиболее целесообразна при решении особых технологических задач, когда сварка традиционными методами невозможна или нецелесообразна (например, при сварке ячеистых конструкций или выполнении проплавных соединений), и экономически наиболее эффективна в массовом и крупносерийном производстве.

Желательно обеспечивать загрузку лазерного технологического оборудования однотипными изделиями и сварными конструкциями в 2–3 смены. При этом вспомогательные операции по загрузке заготовок и выгрузке металлоконструкций должны быть максимально механизированы или автоматизированы, а время простоя лазерной технологической установки – сведено к минимуму.

Приведенные результаты технологических исследований в основном относятся к лазерной сварке СО2-лазерами российского производства – типа «Ижора» и «Славянка». Поэтому при разработке технологии сварки СО2-лазерами зарубежного производства – твердотельными или волоконными –
и СО2-лазерами нового поколения, с другими параметрами излучения, нужно проводить дополнительные исследования и уточнять режимы сварки.

Читайте также: