ОСНОВЫ СВАРОЧНОГО ПРОИЗВОДСТВА

Лазерная сварка

Лазерная сварка - сварка плавлением, при которой для нагрева используется энергия излучения лазера.

Лазерный луч представляет собой вынужденное монохромати­ческое излучение. Длина волны излучения, в зависимости от природы рабочего тела лазера, лежит в пределах от 0,1 до 10 мкм.

Атомы вещества имеют определенный запас энергии и находят­ся в устойчивом энергетическом состоянии. Если атому дать дополни­тельную энергию («накачка» или «возбуждение» атома), он выйдет из равновесного состояния. Излучение возникает в результате вынуж­денных скачкообразных переходов атомов рабочего тела лазера на бо­лее низкие орбиты. При этом возбужденный атом стремится вернуться в устойчивое энергетическое состояние и отдает квант энергии в виде фотона. Испускание света можно инициировать воздействием внеш­него фотона, обладающего энергией, соответствующей разнице энер­гий атома в возбужденном и нормальном состоянии. В результате, ге­нерируются два фотона с одинаковой частотой, которые распростра­няются в направлении вектора внешнего фотона.

Одновременно протекает и обратный переход. Поэтому, для по­лучения заметной генерации вынужденного излучения необходимо добиться превалирования переходов с возникновением новых фото­нов. Этого можно добиться воздействием различных источников энергии (световой, тлеющий или электрический разряд; химическая реакция).

Источником светового излучения является оптический кванто­вый генератор (ОКГ) - лазер. Работа ОКГ основана на принципе сти­мулированного генерирования светового излучения.

Схема рубинового лазера показана на рис. 4.3. Рубиновый стер­жень 4 установлен в корпусе лазера. Торцы стержня строго парал­лельны и перпендикулярны его оси. Левый торец покрыт непрозрач­ным слоем серебра. Правый - покрыт полупрозрачным (коэффициент светопропускания 8%) слоем серебра. Источником возбуждения ато­мов хрома является ксеноновая импульсная лампа 3. Лампа питается

от батареи конденсаторов 1 и включается пускателем 2. При включе­нии пускового устройства энергия конденсаторов преобразуется в световую энергию импульсной лампы. Световой поток лампы фоку­сируется на рубиновом стержне отражателем 7, в результате чего воз­буждаются атомы хрома. Атомы хрома излучают фотоны с длиной волны 0,6943 мкм. Лавинообразный поток фотонов многократно от­ражается от зеркальных торцовых поверхностей рубинового стержня и, проходя через полупрозрачный правый торец, фокусируются опти­ческой системой 5 на заготовке 6.

Энергия единичного импульса невелика, но эта энергия выделя­ется за 10-6с на площади 0,01 мм2. Поэтому в фокусе луча обеспечива­ется температура 6000. 8000оС. В месте попадания луча (на поверх­ности заготовки), металл мгновенно нагревается и испаряется.

Наиболее часто используемые для сварки лазеры имеют сле­дующие длины волн: рубиновый 0,6943 мкм; стекло с неодимом 1,06 мкм; гелий - неоновый 0,6328 мкм; СО2 - лазеры 10,6 мкм. Чем меньше длина волны лазерного излучения, тем больше его способ­ность беспрепятственно проходить через вещество. Обычно твердоте­лые лазеры имеют небольшую мощность (непрерывный режим - не более 500 Вт; импульсный режим - не более 300 Вт). Однако энергия одиночного импульса достигает мощности до 100 Дж, что обеспечи-

7 2

вает плотность мощности в фокусе более 10 Вт/мм. Для получения непрерывного излучения большой мощности (10 кВт и более) приме­няют газовые лазеры. Чаще всего, рабочим веществом у них является СО2, который в смеси с аргоном или гелием прогоняется через рабо­чую камеру с тлеющим электрическим разрядом.

Направленное на поверхность заготовки лазерное излучение частично отражается от нее, и частично поглощается материалом за­готовки. Поглощение излучения приводит к появлению как на по­верхности, так и на некоторой глубине интенсивного источника теп­

лоты. Характер теплового воздействия излучения в основном зависит от плотности мощности лазерного излучения Е в зоне обработки.

Е = Р/ S,

где: Р - мощность лазерного излучения в КВт, S - площадь пятна, сфокусированного на обрабатываемой поверхности в мм2.

Л

При Е ~ 0,1.1 КВт/мм происходит локальный разогрев по­верхности. Нет заметного испарения и разрушения материала заготов-

2 2

ки. При Е ~ 10.10 КВт/мм основная доля излучения расходуется на испарение материала заготовки и на увеличение внутренней энергии разлетающихся паров, капель и твердых частиц. В зоне обработки практически отсутствует жидкая фаза, сварка практически невозмож-

Л

на. При Е ~ 1.10 КВт/мм основная доля излучения расходуется на плавление материала заготовки, происходит интенсивное (кинжаль­ное) проплавление. При этом в пятне нагрева (рис. 4.4) начинается ло­кальное испарение металла и в расплавленном металле 2 образуется полость 3. Давление паров испаряющегося металла заготовки 1 не да­ет ей захлопнуться под действием гидростатических сил расплава.

При соответствующей скорости перемещения (Ксв) лазерного луча 4 образовавшаяся полость приобретает динамическую устойчивость и движется вместе с лучом. Перед полостью происходит плавление ме­талла, а позади нее - затвердевание. При перемещении лазерного луча расплавленный металл под действием давления паров и вследствие разности сил поверхностного натяжения в центральной и хвостовой частях сварочной ванны оттесняется в хвостовую часть ванны. После прохождения луча, полость заполняется жидким металлом и образует­ся узкий сварной шов 5, глубина которого значительно больше его ширины.

В установившемся режиме энергетический баланс можно опи­сать системой уравнений:

Q* = q л + Яфх + Чфг + Чотр + q ра3р

Ул + qф2 = qe + qmn ’

где: Qn - энергия сфокусированного луча лазера; дл - энергия луча, поглощенная в процессе фотонно - электронных соударений на стен­ках канала; qф1 - энергия рассеивания излучения плазменного факела в окружающую среду; qф2 - энергия, поглощаемая стенками канала в результате теплообмена (конвективного и лучистого); q^ - энергия лазерного излучения, отраженная от поверхности заготовок и от дна кратера; qveav - энергия продуктов разрушения, уносимая парогазовой струей; qe - полное теплосодержание жидкой фазы в сварочной ванне; qxn - энергия, отводимая в глубь заготовок и сварного шва за счет теп­лопроводности. Эффективность передачи энергии лазерного излуче­ния свариваемым заготовкам определяется суммой потерь: в факеле, на отражение, испарение и выброс металла из зоны обработки.

Эффективность процесса лазерной сварки можно определить через эффективный коэффициент поглощения А ~ q + qф2)/Qл. Эф­фективный КПД (^и) представляет отношение энергии (мощности) поглощенной заготовками при сварке q к энергии (мощности) подво­димой в зону сварки Р: =q/P. Наибольшее влияние на эффективный

КПД оказывает скорость перемещения лазерного луча (скорость свар­ки). Наибольшая энергетическая эффективность процесса (^и =

0,6. 0,7) обеспечивается при скорости сварки 25.30 м/с. Эта ско­рость значительно выше скорости дуговой сварки.

Сварку малых толщин (до 1 мм) осуществляют в непрерывном режиме (шовная сварка) или в импульсном режиме (шовная или то­чечная сварка) с концентрацией энергии в одной точке (острая фоку­сировка излучения). При плотности мощности в зоне сварки 103. 104 Вт/мм происходит только плавление металла без существенного его испарения.

Сварку с глубоким проплавлением ведут мощными непрерыв­ными СО2 - лазерами или импульсно - периодическими твердотель­ными лазерами. Лазерную сварку ведут с использованием вспомога­тельного газа (гелия или аргона), подаваемого в зону сварки через со­пло под давлением. Если не использовать вспомогательный газ, то над зоной сварки образуется стационарное облако ионизированных паров испаренного металла, которой закроет поверхности заготовок от пря­мого действия луча. Кроме того, продувка вспомогательным газом защищает оптическую систему фокусировки от паров и брызг метал­ла, а металл заготовок от окисления. Для защиты от окисления метал­ла заготовок вспомогательный газ подается и с обратной стороны сварного шва. Струю газа подают в сторону возможного стекания расплав, что предотвращает деформирование сварочной ванны под действием сил тяжести.

Независимо от назначения и типа применяемого лазера техноло­гическая установка содержит следующие системы (рис. 4.5): источник мощного оптического излучения 1; оптическую систему 6 для форми­рования лазерного излучения (в оптическую систему может входить отклоняющая подсистема для перемещения лазерного пучка по задан­ной траектории); устройство для регулировки и модуляции лазерного излучения 5; систему наблюдения 11; систему базирования, закрепле­ния и перемещения заготовок 16; систему управления 18.

Источник оптического излучения (технологический лазер) со­стоит из источника питания 2, излучателя 3 и системы охлаждения 4. Технологический лазер обеспечивает энергетические и временные па­раметры светового воздействия на свариваемые заготовки. Лазер дол­жен обеспечить генерацию излучения мощности достаточной для проведения сварки с необходимой производительностью и с мини­мальным тепловым влиянием на около шовную зону. Для сварки заго­товок малой толщины (до 1,5 мм) применяют твердотельные лазеры, так как они имеют малые потери мощности, просты в эксплуатации, имеют малые габариты и массу. При сваре больших толщин приме-

няют газовые, в основном СО2 - лазеры. Эти лазеры долговечны и обеспечивают высокий уровень выходной мощности.

Оптическая система 6 выполняет следующие функции: передача лазерного излучения 9 в зону обработки; формирование светового лу­ча необходимой мощности и конфигурации; наводку луча в заданный участок обработки. В состав оптической системы входят: прозрачная оптика проходного типа (объектив 7, объектив фокусирующей систе­мы 13); отражательная металлооптика 8 и ответвители пучка 10. Про­зрачная оптика используется при мощности лазера до 3 кВт. При большей мощности используются зеркальные фокусирующие системы из металлооптики, обеспечивающие значительно больший срок служ­бы.

Система наблюдения 11 позволяет: вести наблюдение за ходом процесса сварки и производить ручную наводку пучка в зону сварки.

Система управления 18 позволяет перемещать свариваемые за­готовки в процессе сварки и, при наличии соответствующих датчиков и отрицательной обратной связи, производить корректировку пара­метров излучения.

Оснащение оптической системы поворотными отклоняющими зеркалами позволяет: сваривать заготовки по криволинейному конту­ру и в труднодоступных местах; использовать одну технологическую сварочную установку для сварки на двух и более рабочих местах (рис.

4.6) . Одновременно со сборкой заготовок 2 на рабочем месте I, на ра­бочем месте II - ведется сборка заготовок 2. По окончании сварки на рабочем месте I, отклоняющее зеркало 4 переводит лазерный луч на рабочее место II.

Для получения качественного сварного соединения необходимо: Высокая точность и стабильность направления воздействия лазерного луча (отклонение лазерного луча должно быть не более 0,2 мм на метр сварного шва). Тщательная подготовка кромок свариваемых загото-

вок. Поэтому лазерной сварке предшествует или лазерная резка (рас­крой) или механическая обработка с большой точностью. Тщательная сборка заготовок перед сваркой, с минимальными зазорами (не более 0,3 мм) для того, чтобы исключить уменьшение сечения сварного шва. Тщательная очистка свариваемых кромок от загрязнений, которая производится металлическими щетками. Зачищаются торцы загото­вок, лицевые и задние участки на ширину не менее 10.15 мм. После очистки производится обезжиривание места сварки. Обеспечение теп­лоотвода от корня сварного шва для создания условий направленной кристаллизации снизу вверх, что исключит возникновение усадочных раковин внутри шва. Защита поверхности шва от окисления. Защиту производят гелием или смесями: гелий - аргон (2:1), аргон - углекис­лый газ (3:1) через специальное сопло 14 (рис. 4.5).

Г лубокое проплавление, высокие скорости сварки и жесткий термический цикл предопределяют высокое качество сварных соеди­нений при лазерной сварке.

При сварке низкоуглеродистых сталей высокие скорости охлаж­дения (до 3000 град/с) сварки (до 120 м/час) влияют на первичную и вторичную структуру шва. За счет отставания скорости затвердевания от скорости увеличения температурного градиента на фронте кри­сталлизации, первичная структура - дендритно-столбчатая. За счет высокой скорости охлаждения шва вторичная структура претерпевает бейнитное превращение с появлением игольчатого феррита микро­твердостью до 2150 МПа (при дуговой сварке - структура ферритно - перлитная микротвердостью до 1200 МПа). Жесткий термический цикл сварки обеспечивает минимальное время пребывания зоны свар­ки в состоянии перегрева, что уменьшает вероятность аустенитного превращения, исключает возможность роста зерна и снижения меха­нических свойств шва. Малая зона термического влияния (в 10. 30 раз меньше, чем при дуговой сварке) предупреждает разупрочнение

околошовной зоны, особенно при сварке термически упрочненных сталей.

Затруднения дуговой сварки легированных сталей связаны с: появлением закалочных структур на участках перегрева и нормализа­ции; высокой вероятностью появления горячих и холодных трещин; увеличением размера зерна в шве; высокой пористостью шва.

Высокая скорость охлаждения и низкая погонная энергия (в 3.10 раз меньше, чем при дуговой сварке) позволяют избежать зака­лочных структур в зоне термического влияния. Например, при сварке стали 17ГС в шве наблюдается мартенситно-бейнитная структура, на участке сплавления зоны термического влияния - мартенситная структура, на участке частичной перекристаллизации, как в основном металле - ферритно-перлитная структура. Эти же факторы обеспечи­вают получение мелкозернистой разориентированной структуры (рис.

4.7) , что повышает устойчивость шва к появлению горячих трещин. Высокие скорости охлаждения шва, малый объем сварочной ванны и активное перемешивание жидкого металла затрудняют насыщение металла шва газами (особенно водородом), что уменьшает пористость шва и повышает его сопротивляемость появлению холодных трещин.

Лазерная сварка позволяет: Соединять разнородные металлы при толщине заготовок от 0,5 до 10 мм и скорости сварки до 50 м/мин. Обеспечивать небольшое тепловое влияние на около шовную зону и малые деформации готового изделия. Легко автоматизировать про­цесс сварки. Сваривать конструкции, которые невозможно было со­единять обычными способами сварки. Управление лучом с помощью системы специальных зеркал позволяет сваривать труднодоступные места и получать криволинейные сварные швы.

Лазерную сварку малых толщин применяют в электронной и ра­диотехнической промышленности для сварки проводов, элементов микросхем, при ремонте вакуумных приборов и так далее. Лазерную сварку с глубоким проплавлением применяют при производстве крупногабаритных конструкций, корпусных деталей в авиастроении, емкостей и элементов обшивки судов и самолетов, валов (в том числе карданных), осей, для сварки труб, арматурных конструкций.