Лазерная сварка в вакууме

Обновлено: 07.12.2022

Лазерная сварка это технологический процесс, при котором соединение материалов (как правило металлов и их сплавов), выполняется под действием концентрированного луча лазера. При этом кромки материала плавятся и создастся общая ванна расплава, которая затем затвердевает.

Преимуществом над другими разновидностями сварных работ является то, что лазерная сварка не требует контакта и является более аккуратным процессом. Поскольку для формирования сварочного шва не требуются флюс, сварочные электроды и прочее. В свою очередь высочайшая концентрация энергии, существенно повышает эффективность, которая значительно превышает таковую у иных разновидностей сварки.

Своим появлением лазерный луч обязан фундаментальным достижениям в физике, начало которых было положено в конце XIX века. В течении десятка лет было произведено пять важнейших открытий. Начало положил немецкий физик В. Рентген. Который в 1895 году открыл новую разновидность излучения, за это открытие позднее он получил первую в истории Нобелевскую премию. Француз А. Беккерель открыл радиоактивность в 1896 году, за что также удостоен Нобелевской премии. Свою награду от фонда Нобеля получил и англичанин Дж. Томсон, который не только открыл электрон, но и позднее произвел измерения его заряда.

В 1900 году М. Планк вывел формулу испускательной способности черного тела. В основе его работы лежала новая концепция, которая впоследствии стала фундаментом квантовой теории. Которая в XX веке стала одной из основополагающих теорий в физике. Молодой А. Эйнштейн в 1905 году опубликовал теорию относительности. На мировую научную общественность эти открытия произвели ошеломительное впечатление. Многие исследователи пребывали в замешательстве, потребовалось переосмыслить существовавшие ранее представления. Поскольку новые данные никак не укладывались в рамки классических теорий.

В 1964 году советские академики Прохоров Н.Г. и Басов, А.М., а также и американский физик Ч. Таунс стали лауреатами Нобелевской премии, за теоретическое обоснование и создание лазеров. Таким образом человечество получило в свои руки луч лазера.

Огромную роль в проектирование передовых технологий сварки, а также ее механизацию, конструирование оборудования для сварки, создание основных и сварочных материалов сыграл Институт электросварки им. Е. О. Патона, Центральный научно - исследовательский институт конструкционных материалов «Прометей», Центральный научно-исследовательский институт технологии судостроения.

В ходе лазерной сварки источником тепла служит сам луч лазера. Значительная плотность энергии, большая скорость сварки, а также незначительный нагрев материалов рядом со швом значительно снижают вероятность появления холодных и горячих трещин. Что предоставляет возможность значительно улучшить качество сварного шва, в том числе и для материалов, которые неудовлетворительно соединяются с использованием обычных технологий.

Характерной чертой лазерной сварки считается большой интервал изменения ее режимов, что обеспечивают не только возможность соединять всевозможные материалы любой толщины, но и производить ее в разных механизмах проплавления. Вследствие чего, лазерную сварку принято разделять на две группы: сварку с глубоким проплавлением и сварку малых толщин.

Пользуясь лазерным излучением возможно соединять сплав из меди и алюминия, а также цветные металлы. Сделанные лазером сварные швы характеризуются замечательными механическими характеристиками. Величина остаточной деформации при этом в 3-5 раз ниже, по сравнению с газовой сваркой.

Сварка при помощи лазера является самым передовым способом соединения металлов, который обладает собственной спецификой. Нагревание и дальнейшее плавление материала производится при помощи лазерного луча, который формирует квантовый генератор. В качестве излучателя квантового генератора может выступать:

  1. Газы и их смеси, например углекислый газ, азот, водород.
  2. Жидкость, такая как красители, раствор окиси неодима и прочее.
  3. Твердое тело, например рубин, стекло с неодимом и прочее.

Сам процесс обработки как металлов, так и неметаллических материалов может происходить в разных газах, вакууме и, конечно, в атмосфере. Лазерный луч беспрепятственно проходит сквозь воздух, кварц и стекло.

Основным элементом лазерной сварки является лазерный луч. Вследствие узкой направленности вся энергия сосредоточена на относительно незначительной площади. Что предоставляет ряд преимуществ в виде небольшого объема сварочной ванны, малой ширины ЗТВ, а также большой скорости остывания и нагревания. В результате чего технологическая прочность соединения значительно повышается, а деформация заметно снижается. Мощность излучения усиливается за счет когерентности. К главным частям лазера относиться:

Среди лазеров с активной средой имеются:

  • полупроводниковые;
  • газовые;
  • твердотельные.

Если вкратце, то базовый принцип технологии лазерной сварки таков: луч проходит через систему фокусировки, в которой оно сжимается до меньшего размера и поступает на детали, что необходимо соединить. На них луч отчасти поглощается материалом, где его энергия идет на разогрев, а частью отражается. Энергия, поглощенная материалом, разогревает его и плавит материал тем самым образуя шов.

Сварка может выполняться при любом расположении в пространстве при помощи частичного либо сквозного проплавления. Импульсным либо непрерывным излучением. В случае соединения деталей небольшой толщины процесс ведется с расфокусированным лучом.

При сварке с применением импульсного излучения шов формирует последовательность сварных точек с перекрытием от 30 до 90%. В настоящее время установка с твердотельным лазером способна производить сварку имея частоту импульсов около 20 Гц и скоростью до 5 мм/с. В процессе используется присадочные материалы, для увеличения шва.

  • Существует три вида сварки лазером:
  • Макросварка (с глубиной проплавления более чем 1 мм).
  • Мини-сварка (с глубиной проплавления в пределах 0,1 до 1 мм).
  • Микросварка (с глубиной либо толщиной проплавления до 100 мкм).

Обычно в комплект сварочного инструмента включается сам лазер, устройства, обеспечивающие фокусировку, движение луча, а также газовой защиты. В сварочных работах применяются газовые и твердотельные лазеры. Последние изготавливаются на базе алюмоиттриевого граната с неодимом, стекла с присадкой ионов неодима и рубина. В качестве рабочего тела газовых лазеров применяется смесь Не, N2 и СO2. В настоящее время применяются полуавтоматические установки с микропроцессорным управлением, которые проводят сварочные работы в импульсном режиме.

Точечная сварка обычно применяется в машиноприборостроении и радиоэлектронике. При этом используются импульсные твердотельные лазеры, в основном для осуществления неразъемных соединений. Как правило — это соединение тонколистовых материалов, проволоки, проволоки к подложке и прочее. Используется импульсный и непрерывный режим излучения.

Шовная сварка предоставляет возможность создавать прочные соединение, обеспечивая при этом отличную непроницаемость шва. Сварка происходит как с высокой частотой генерации в импульсном режиме, таки и режиме непрерывного излучения. В последнем случае он применяется для соединения толстостенных деталей.

Сварка с неглубоким проплавлением полностью отличается от сварки с глубоким проплавлением. Так как при использовании глубокого проплавления сварное соединение формируется с образованием газового канала. По этому газовому каналу и проходят испарения металла. Шов получается глубокий, небольшой ширины, а зона прогара вытянутой формы.

К недостаткам использования лазерной сварки можно отнести значительные расходы на оборудование. Тогда как достоинств значительно больше. К техническим достоинствам следует отнести:

  • возможность проведения работ в труднодоступных зонах;
  • высокая эффективность;
  • нет необходимости в правке или механической обработке;
  • большую точность.

Экономические достоинства лазерного метода сварки:

  • уменьшение процента брака;
  • экономия материала;
  • экономия энергозатрат.

Сегодня лазерная сварка используется для производства конструкций из стали, титановых, магниевых, а так же алюминиевых сплавов. Она хорошо подходит для изготовления конструкций, для которых важна высокая точность. А также в случаях, когда доступ к конструкции затруднен. Широкое применение данный вид сварки нашел в радиоэлектронике и цифровой технике.

В настоящее время высокие затраты на приобретение оборудования ограничивают ее широкое применение на производстве. Тогда как возможность производить высококачественное и эффективное соединение материалов дает возможность прогнозировать этот вид сварки как важный технологический прием в дальнейшем.

Лазерный мир

Беленький В.Я., Трушников Д.Н., Федосеева Е.М., Летягин И.Ю., Младенов Г., Колева Е. // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Машиностроение, материаловедение. 2014. Т. 16. № 4. С. 71-81.

Лазерная сварка относится к методам сварки плавлением, а по плотности энергии — к высококонцентрированным источникам энергии, таким как электронно-лучевая и плазменная сварка. Интерес к лазерной сварке обусловлен преимуществами, которые выгодно отличают ее от других методов сварки, такими как: зона термического влияния при лазерной сварке очень мала, что обеспечивает сохранение свойства исходного материала и минимальные деформации обрабатываемых изделий; высокая точность и производительность процесса лазерной сварки; при лазерной сварке обеспечивается значительная глубина провара при небольшой ширине сварного шва; оборудование и расходы на эксплуатацию для лазерной сварки требуют гораздо меньших капиталовложений, чем для ближайшего аналога — электронно-лучевой сварки. В настоящее время лазерная сварка в основном применяется для сварки изделий небольших толщин. В статье рассмотрено современное состояние исследований в области лазерной сварки в вакууме, обеспечивающей высокую эффективность проплавления металла по сравнению с лазерной сваркой с использованием защиты зоны сварки инертными газами. Показаны преимущества лазерной сварки в вакууме перед электронно-лучевой сваркой, конкуренция с которой возможна при снижении стоимости мощных технологических лазеров.

ОПИСАНИЕ НА АНГЛИЙСКОМ ЯЗЫКЕ:

Laser welding in a vacuum — Promising welding manufacturing techniques for critical applications // Belenky V.Y.1, Trushnikov D.N.1, Fedoseyeva E.M.1, Letyagin I.Y.1, Mladenov G.2, Koleva E.3 // 1 Perm National Research Polytechnic University
2 Institute of Electronics of Bulgarian Academy of Sciences
3 University of Chemical Technology and Metallurgy

Laser welding is the method of fusion welding, and on the energy density — a highly concentrated energy sources — such as electron beam and plasma welding. Interest in laser welding due advantages that distinguish it from other welding methods such as: heat-affected zone during laser welding is very small, this ensures that the properties of the starting material and minimum deformation of workpieces; High accuracy and productivity of the process of laser welding; laser welding provides a significant depth of penetration at small width of the weld; equipment and operating costs for laser welding require a much smaller investment than the closest analogue — electron beam welding. Currently, laser welding is mainly applied to welding products of small thickness. The paper considers the current state of research in the field of laser welding in a vacuum, provide high efficiency metal penetration compared to laser welding using welding protection zone with inert gases. The advantages of laser welding in vacuum to electron beam welding, the competition which is possible while reducing the cost of high-power industrial laser.

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.

Научная библиотека 20.05.2021 , by Press Комментарии к записи Способ лазерной сварки вакуумно-плотных кольцевых, спиральных и прямолинейных швов металлических деталей и устройство для его осуществления отключены

Малыгин Валерий Дмитриевич, Русин Михаил Юрьевич (RU), Терехин Александр Васильевич (RU)

Изобретение относится к лазерной сварке, в том числе тонкостенных деталей, и может быть использовано для соединения высоковакуумных изделий, например деталей электровакуумных приборов из различных металлов и сплавов с предварительной разделкой кромок и без нее. В способе лазерной сварки кольцевых, спиральных и прямолинейных швов металлических деталей по касательной к свариваемому изделию в сварочную ванну подают присадочную проволоку, прижимают ее к свариваемому стыку, направляют в нее лазерный луч. Одновременно со сварочной проволокой подают защитный газ, сварной шов получают квазинепрерывным. Проволоку прижимают за счет внутреннего напряжения, возникающего при деформации в пределах упругости проволоки по дуге между срезом сменного калибровочного наконечника и точкой касания проволоки с изделием, проволока подается самовытягиванием. Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение вакуумной плотности и надежности сварных швов при реализации способа лазерной сварки кольцевых, спиральных и прямолинейных швов, в том числе тонкостенных деталей. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ лазерной сварки вакуумно-плотных кольцевых, спиральных и прямолинейных швов металлических деталей, включающий подачу присадочной проволоки через сменный калибрующий наконечник по касательной к свариваемому изделию в сварочную ванну, прижим присадочной проволоки к свариваемому стыку и направление в него сфокусированного лазерного луча, подачу одновременно с присадочной проволокой защитного газа, отличающийся тем, что лазерную сварку осуществляют импульсно-периодическим лазерным лучом с получением квазинепрерывного сварного шва, при этом осуществляют прихватывание проволоки относительно свариваемого металла, перемещение свариваемой детали с прихваченной к ней присадочной проволокой относительно неподвижного лазерного луча, прижим присадочной проволоки к свариваемой детали за счет внутреннего напряжения, возникающего при деформации в пределах упругости присадочной проволоки по дуге, и непрерывную подачу проволоки в сварочную ванну самовытягиванием.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что калибровочный наконечник и проволоку размещают таким образом, чтобы ось калибровочного наконечника и плоскость деформации проволоки были расположены в одной общей плоскости, совпадающей с плоскостью вектора результирующей скорости движения сварочной ванны и оптической оси луча.

3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что сменный калибровочный наконечник перемещают по двум взаимно перпендикулярным осям, одна из которых перпендикулярна плоскости, образованной оптической осью луча и вектором результирующей скорости движения сварочной ванны, а другая параллельна вектору результирующей скорости движения сварочной ванны.

4. Устройство для лазерной сварки вакуумно-плотных кольцевых, спиральных и прямолинейных швов металлических деталей способом по одному из пп. 1-3, содержащее неподвижное основание с устройством для крепления, вращения и продольного перемещения детали, закрепленный неподвижно относительно основания лазер, устройство для подачи защитного газа и подающий присадочную проволоку сменный калибрующий наконечник, который связан со стойкой, размещенной на неподвижном основании и снабженной механизмом перемещения по двум взаимно перпендикулярным направлениям, одно из которых перпендикулярно плоскости, образованной оптической осью луча и вектором результирующей скорости движения сварочной ванны, а другое параллельно вектору результирующей скорости движения сварочной ванны.

5. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что сменный калибрующий наконечник связан со стойкой с возможностью перемещения и фиксации наконечника не менее чем по четырем степеням свободы.

Ученые Пермского Политеха создали уникальную технологию лазерной сварки в вакууме

Ученые Пермского Политеха и Хуачжунского университета науки и технологии (КНР) создали уникальную технологию, которая позволит предприятиям производить промышленные изделия без дефектов. Лазерная сварка в вакууме позволит повысить качество ответственных конструкций в аэрокосмической и машиностроительной отраслях.

Российские и зарубежные ученые реализовали разработку благодаря уникальному проекту международных исследовательских групп (МИГов), который действует в Пермском крае с 2011 года и не имеет аналогов в России. Результаты работы они опубликовали в журнале Engineering. Ученые уже запатентовали разработку.

— Сейчас в промышленности применяют лазерную сварку при атмосферном давлении, при которой зона обработки защищена инертными газами. Но у этого способа есть недостатки: над областью сварки возникает плазменный факел, который поглощает до 30% энергии лазерного излучения. Наш способ позволяет решить эту проблему. Технология не требует создания высокого вакуума, а на процесс не влияет остаточное магнитное поле изделий. Поэтому качество деталей при использовании этого способа выше, чем у аналогов, — рассказывает руководитель проекта, доктор технических наук, профессор кафедры «Сварочное производство, метрология и технология материалов» Пермского Политеха Владимир Беленький.

В промышленности пока не применяют новую технологию, но, по словам ученых, она будет перспективна для создания ответственных и сложных конструкций в аэрокосмической отрасли и машиностроении.

Cистема автоматического управления технологическими параметрами лазерной установки

Исследователи уже разработали технологию лазерной сварки в вакууме и методы контроля этого процесса, которые обеспечивают высокое качество конструкций. Разработка позволяет управлять фокусировкой лазерного луча при сварке, оперативно проводить мониторинг, контролировать процессы и устранять дефекты. Вакуум в зоне лазерной сварки позволяет повысить эффективность процесса, так как мощность излучения в плазменном облаке не снижается.

— Мы провели научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы и установили, что при использовании нового способа можно увеличить глубину проплавления в 1,5-2 раза по сравнению с аналогами. При этом качество процесса остается на высоком уровне, — поясняет ученый.

Информация и фото предоставлены пресс-службой Пермского Политеха

Разместила Ирина Усик

Пост сделан с содействием блогера Лес!

Читайте в Дзене

В Объединённой двигателестроительной корпорации Ростеха смотрят в будущее, и поэтому заговорили о создании гибридной силовой установки (ГСУ).

Эту силовую установку планируют использовать в вертолетах Ансат, VRT-500 и Ка-226Т, где сейчас используются импортные двигатели.

Сахалин даже в XXI веке был изрезан "наследием" японкой оккупации словно шрамами на теле. Эти шрамы можно было видеть на любой карте.

Читайте также: