СПЕЦИАЛЬНЫЕ СПОСОБЫ СВАРКИ И РЕЗКИ

Лазерная сварка

В отличие от электронного луча, обеспечивающего высокую концентрацию энергии и используемого для сварки ответствен­ных деталей, узлов и конструкций, лазерная сварка не требует вакуумных камер. Процесс лазерной сварки осуществляется на воздухе или в среде защитных газов, благодаря этому лазерную сварку можно применять для соединения элементов крупногаба­ритных конструкций. Лазерный луч с помощью оптических сис­тем легко транспортировать и направлять в труднодоступные мес­та сварных соединений. При этом обеспечивается надежное и опе­ративное управление процессом сварки с регулируемыми энерге­тическими характеристиками. Магнитные поля свариваемых дета­лей и приспособлений для сборки и сварки (технологической ос­настки) воздействуют на электрическую дугу, плазму и элект­ронный луч, но не влияют на лазерный луч. Это способствует по­лучению устойчивого формирования сварного соединения по всей его протяженности. Для сварки металлов используют твердотель­ные и газовые лазеры импульсного и непрерывного действия. Ла­зерную сварку осуществляют в широком диапазоне режимов, обес­печивающих высокую производительность процесса сварки дета­лей толщиной от нескольких микрометров до десятков миллимет­ров. Сварка лазером дает шов «кинжального» типа с незначитель­ными деформациями свариваемых деталей. Импульсные твердо­тельные лазеры применяют для сварки малых размеров деталей в изделиях микроэлектроники и приборостроения, где важно полу­чать швы с малым объемом расплавленного металла и незначи­тельными размерами околошовной зоны термического влияния. Сварку можно производить как отдельными точками, так и гер­метичными швами при последовательном наложении точек с их перекрытием.

Мощные газовые лазеры позволяют проплавлять за один про­ход детали толщиной более 10 мм. При этом имеются некоторые особенности: так для стали глубина проплавления до 5 мм требует 1 кВт мощности излучения на один миллиметр толщины металла. При дальнейшем увеличении мощности лазерного луча глубина проплавления увеличивается незначительно и для сварки металла толщиной 20 мм и более требуются очень мощные лазеры, по­требляющие из сети сотни киловатт электрической энергии. Элек - тронно-лучевая сварка позволяет сваривать за один проход гораз­до большие толщины (до 200 мм) при значительно меньшем по­треблении энергии от сети. Сварка лазером неметаллических ма­териалов, таких как стекло и керамика, основана на том, что излучение лазера на углекислом газе с длиной волны 10,6 мкм хорошо поглощается этими материалами и может быть использо­вано для их нагрева, плавления, сварки и резки. По сравнению с газопламенным нагревом, традиционно используемым для свар­ки стекла, лазерный луч позволяет увеличить интенсивность на­грева места сварки или пайки (но не более 80... 100 К/с из-за опасности термического растрескивания стекла). Для успешного соединения свариваемых деталей необходимо уменьшить зону на­грева, что позволит создавать миниатюрные сварные конструк­ции из стекла.

Все способы лазерной сварки можно классифицировать по трем группам признаков — энергетическим, технологическим и техни­ко-экономическим.

Энергетические признаки. Наиболее общими энергетическими признаками, характеризующими метод сварки, являются длитель­ность воздействия излучения т, с, и плотность мощности Е лазер­ного излучения, Вт/см2. Под длительностью воздействия понимают продолжительность времени экспозиции при непрерывном излуче­нии и длительность импульса при импульсном излучении. Плотность мощности, необходимая и достаточная для осуществления процесса сварки, лежит в диапазоне 105... 107 Вт/см2. Нижний предел ограни­чивается плотностью мощности менее 105 Вт/см2, так как лазерное излучение в этом случае теряет свое основное достоинство — высо­кую концентрацию энергии. В этом случае более эффективны и эко­номичны традиционные методы сварки плавлением — дугой или газовым пламенем. Верхний предел ограничивают процессы интен­сивного объемного кипения и испарения, приводящие к выбросу металла и дефектам сварного шва. Для осуществления различных по мощности процессов лазерной съархи необходимо определен­ное сочетание плотности мощности с длительностью воздействия излучения на материал. Возможны три основные группы сочетаний, охватывающие весь диапазон режимов лазерной сварки.

Первая группа — плотность мощности Ех = 105...106 Вт/см2 и длительность воздействия т> 10'2 с. Этот диапазон относят к мето­дам сварки с использованием непрерывного излучения лазера с различными длинами волн. Длительность воздействия т представ­ляет собой отношение диаметра d сфокусированного излучения к скорости сварки vcn:

т d/vCR.

Варьирование сочетанием плотности мощности Ех с временем воздействия т в указанных пределах позволяет осуществлять свар­ку плавлением разнообразных конструкционных материалов как малых, так и больших толщин.

Вторая группа — Ех = 106... 107 Вт/см2; т < 10_3 с. В эту группу входят методы сварки импульсно-периодическим лазерным излу­чением. Режимы сварки характеризуют высокая плотность мощ­ности и кратковременное (повторяющееся) воздействие, обеспе­чивающие большую эффективность проплавления. Частота следо­вания импульсов составляет десятки и сотни герц, а длительность импульсов значительно ниже оптимальных значений. Суммарное воздействие импульсов достаточно для получения глубокого про­плавления. Режимы этой группы можно использовать для сварки материалов различных толщин при значительно меньших энерго­затратах, чем при сварке непрерывным излучением.

Третья группа — Ех = 105... 106 Вт/см2; 10“3< т < 10 2 с. Длитель­ность импульсов указанного диапазона превышает соответствую­щие значения во второй группе. Проплавление на всю глубину осуществляется в процессе воздействия импульса. При действии импульса формируется точечное сварное соединение. Сочетание плотности мощности Е и времени воздействия обеспечивает про­плавление малых толщин.

Технологические признаки. Эти признаки делят на две группы (применительно к двум основным видам проплавления при ла­зерной сварке): сварка с глубоким проплавлением (толщина ма­териала 8 > 1 мм) и сварка малых толщин (незначительное про­плавление при 8 < 1 мм). Сварку с глубоким проплавлением вы­полняют как в импульсно-периодическом, так и в непрерывном режимах излучения. При сварке малых толщин, выполняемой не­прерывным или импульсным излучением, используют более «мяг­кие» режимы, обеспечивающие расплавление металла в шве без перегрева до температур интенсивного испарения. При лазерной сварке с присадочным материалом, используемым в целях легиро­вания металла шва или снижения жестких требований по точности сборки под сварку, применяют сварочную проволоку диаметром

1.. . 1,5 мм и менее или порошок. Главная задача при этом — обес­печение точной подачи проволоки в зону плавления. Лазерную сварку с глубоким проплавлением производят как правило с за­щитой шва. Вид защиты зависит от свариваемого материала. Свар­ку деталей малых толщин из низкоуглеродистой стали можно вы­полнять без дополнительной защиты зоны сварки, чем значительно упростить технологический процесс.

В ответственных конструкциях используют сварку со сквозным проплавлением. Для соединения тонких деталей с массивными или получения герметичных соединений применяют сварку без сквоз­ного проплавления. Лазерную сварку можно легко выполнять в любом пространственном положении, что обеспечивает высокую степень концентрации энергии, высокую скорость сварки, малый объем сварочной ванны, высокую скорость кристаллизации ме­талла шва. Это существенно расширяет технологические возмож­ности процесса. Формирование монолитного соединения при ла­зерной сварке металлов малых толщин основано на тепловом эф­фекте от воздействия излучения лазера на непрозрачные среды. Длительность лазерного импульса, гарантирующая эффективное проплавление металла, должна соответствовать тепловой посто­янной времени для свариваемого металла:

х = 82/(4 а),

где а = кг/(ср) — коэффициент температуропроводности; к, — коэффициент теплопроводности; ср — удельная теплоемкость материала; р — плотность материала.

Значения х для тонких деталей (8 = 0,1 ...0,2 мм) сопоставимы с длительностью импульсов лазера в режиме свободной генера­ции, составляющей несколько миллисекунд. При увеличении тол­щины свариваемых деталей (8 > 1 мм) длительность х значительно возрастает и превосходит реально достижимые длительности ла­зерных импульсов. Вследствие этого лазерная сварка металлов тол­щиной 8 = 1 мм импульсным излучением затрудняется.

Значительно сложнее механизм формирования сварного соеди­нения при сварке с глубоким проплавлением. При лазерном излу­чении плотностью мощности выше критической нагрев материа­ла осуществляется со скоростью, значительно превышающей ско­рость отвода теплоты за счет теплопроводности. При этом проис­ходят процессы локального плавления и испарения материала. Вследствие этого формируется углубление на поверхности, кото­рое при достаточной мощности источника развивается и приво­дит к образованию канала, заполненного парами материалов и окруженного жидким металлом. Давление паров металла оказыва­ется достаточным для поддержания канала. Полость канала не за­полняется жидким металлом под действием гидростатического давления и сил поверхностного натяжения. На передней стенке канала происходит плавление материала, а на задней — затвер­девание. Наличие канала способствует поглощению лазерного из­лучения в глубине материала, а не только на его поверхности. При этом формируется «кинжальное» проплавление, обеспечивающее образование узкого шва с большим отношением глубины про­плавления к ширине шва (10:1). Обобщенная схема формирова­ния сварного соединения следующая: ьв головной части ванны расположен канал или кратер, заполненный парами металла. Эта область наиболее яркого свечения. На передней стенке канала су­ществует слой расплавленного вещества, который испытывает постоянные возмущения. Здесь наблюдается характерное искрив­ление передней стенки в виде ступеньки, которая периодически перемещается по высоте канала. Расплавленный материал с пе­редней стенки удаляется при перемещении ступеньки сверху вниз. Перенос расплавленного металла из головной части в хвостовую происходит преимущественно по боковым стенкам канала в го­ризонтальном направлении. Кроме того, наблюдаются восходя­щие потоки по мере углубления канала. В хвостовой части ванны расплавленный металл завихряющимися потоками поднимается вверх и частично выносится на поверхность сварочной ванны. В процессе лазерной сварки на поверхности сварочной ванны наблюдается ярко светящееся облако — плазменный факел, раз­меры и яркость свечения которого периодически изменяются с частотами порядка сотен герц. При значительных скоростях лазер­ной сварки факел отклоняется в сторону, противоположную на­правлению сварки, на 20...60°. Процессы переноса массы расплав­ленного металла в сварочной ванне существенно влияют на фор­мирование шва, образование дефектов и механические свойства металла сварного соединения. Основной силой, воздействующей на расплавленный металл и обеспечивающей его перенос, явля­ется сила реакции паров. Под действием этой силы жидкий ме­талл перемещается как сверху вниз по передней стенке канала, так и в горизонтальном направлении вокруг канала. Перенесенный расплавленный металл обнажает участки металла с более низкой температурой на передней стенке канала, после чего процессы плав­ления и переноса повторяются. Скорость переноса жидкого метал­ла существенно превышает скорость сварки (при скорости сварки

2.. . 5 мм/с скорость переноса составляет 1 ООО...2 ООО мм/с). Пере­нос жидкого металла в канале проплавления носит дискретный характер. Частота переноса изменяется прямо пропорционально скорости сварки и составляет 10... 50 Гц. Продольное сечение сва­рочной ванны имеет особую форму: поверхность фронта кристал­лизации отличается наличием выступа твердой фазы, который де­лит ванну на две характерные части. Нижняя часть ванны заглублена и имеет малую протяженность в продольном и поперечном сече­ниях, тогда как верхняя часть — более широкая и вытянута вдоль шва.

Подобная форма продольного сечения сварочной ванны выз­вана наличием двух процессов проплавления при лазерной сварке. Первый процесс определяет эффект глубокого проплавления и заключается в образовании парогазового канала при воздействии лазерного излучения высокой плотности мощности. Это условие обеспечивает локальное заглубление сварочной ванны в месте воздействия лазерного излучения. Второй процесс представляет собой поверхностное плавление за счет теплофизических свойств металла. Преимущественное развитие одного из указанных про­цессов определяет очертание сварочной ванны и зависит в основ­ном от режимов сварки. Большое влияние на проплавляющую спо­собность лазерного излучения оказывают условия фокусировки.

Импульсно-периодическая лазерная сварка, осуществляемая импульсами с длительностью от 10 3 до 10_6 с и частотой следова­ния 0,1 ...1 кГц при плотности мощности 106...107 Вт/см2, имеет характерные особенности: глубокое проплавление осуществляет­ся как при непрерывном излучении в процессе формирования парогазового канала, который не закрывается после действия оче­редного импульса. При средней мощности лазерного излучения 1 кВт мощность в импульсе может достигать 100 кВт. За короткое время действия импульса металл быстро нагревается до темпера­туры кипения. Возникающая сила реакции паров перемещает объем расплавленного металла с передней стенки канала на заднюю. Происходит циклическое перемещение расплавленного металла в парогазовом канале с частотой импульсов — это принципиально отличает импульсно-периодическую лазерную сварку от сварки непрерывным излучением. При высокой частоте следования им­пульсов поверхность канала не успевает остыть, поэтому мини­мальная глубина проплавления оказывается выше, чем при дей­ствии непрерывного излучения.

Лазерная сварка деталей малых толщин ведется как в импульс­ном режиме излучения лазера, так и с использованием непре­рывного излучения. Параметрами импульсной сварки, определя­ющими качество сварного соединения, являются энергия и дли­тельность импульсов, диаметр сфокусированного излучения, час­тота следования импульсов, положение фокального пятна отно­сительно поверхности свариваемых деталей.

Длительность импульса ти определяет время нагрева и расплав­ления металла. Диапазон длительности импульса зависит от свойств и толщины свариваемого металла. Точные значения ти устанавли­вают экспериментально. Большое значение имеет форма импуль­са излучения. Лучшее качество сварного соединения обеспечива­ют трапецеидальная или треугольная формы импульса с крутым передним и пологим задним фронтами. Диаметр сфокусированно­го излучения d определяет площадь нагрева и плотность мощно­сти излучения:

Е = 4WJ(nd),

ще WH — энергия импульса лазерного излучения; пd2 — площадь нагрева; ти — длительность импульса.

Диаметр d выбирают из условия обеспечения требуемой плот­ности мощности излучения (Е] ~ 105..Л06 Вт/см2). Для сварки ди­апазон изменения d составляет 0,05... 1 мм. Регулирование d и Е осуществляют расфокусировкой излучения. Для этого поверхность свариваемых деталей располагают выше или ниже фокальной плос­кости, где сфокусированный лазерный луч имеет наименьший диаметр. Сварной шов при импульсном излучении образуется на­ложением сварных точек с некоторым перекрытием (0,3...0,9) в зависимости от типа сварного соединения, его заданной прочно­сти и герметичности. Скорость шовной импульсной сварки опре­деляется диаметром сварной точки, приблизительно равным диа­метру лазерного излучения d, коэффициентом перекрытия К и частотой следования импульсов F„:

2,св = dFH( 1 - К).

Промышленные сварочные установки с твердотельными лазе­рами позволяют вести шовную сварку со скоростью до 5 мм/с при частоте следования импульсов до 20 Гц. Увеличить производитель­ность можно повышением частоты следования импульсов. При импульсной лазерной сварке сварное соединение имеет малое се­чение шва и малый размер литой зоны. С учетом кратковременно­сти воздействия импульса это приводит к высокой скорости ох­лаждения металла шва и околошовной зоны. Скорость охлажде­ния в литой зоне шва составляет 105... 106 К/с, что является при­чиной образования мелкодисперсных и дендритных структур с раз­витой междендритной микронеоднородностью. Размеры зоны термического влияния незначительны и не превышают 150 мкм. Структура металла в этой зоне неоднородна. Введение в свароч­ную ванну присадочного металла позволяет в широких пределах изменять химический состав металла шва и регулировать его струк­туру и свойства. Кроме того, использование присадочного метал­ла дает возможность регулировать геометрические размеры шва, увеличивать его сечение в целях устранения одного из самых рас­пространенных дефектов — ослабления шва. Присадочный металл используют в виде проволоки, ленты или порошков. Легировать сварной шов можно также элементами, предварительно нанесен­ными на поверхность свариваемых кромок напылением, обмаз­кой и другими способами.

Наиболее распространена лазерная сварка импульсным излу­чением в электронной и электротехнической промышленности — это стыковые (рис. 5.2, а, б), нахлесточные и угловые соедине­ния, сварка тонких деталей с массивными. Последняя является специфической для лазера: качественные соединения получают в различных вариантах. Существует прием сварки по отверстию в тон­кой детали (рис. 5.2, в). В процессе сварки кромки отверстия тонкой детали оплавляют совместно с примыкающими поверхностными участками массивной детали с образованием сварного соединения. Качественные сварные соединения тонких деталей в виде фоль­ги, ленты с массивными деталями получают по специальным тех­нологическим проточкам в массивной детали (рис. 5.2, г). Лазерное излучение в этом случае направляется по кромке технологичес­кой проточки, расплавляя кромку массивной детали и края тон­кой детали с образованием общей сварочной ванны.

Перед лазерной сваркой тонких тел вращения обычно обраба­тывают кромки. Если свариваемые детали значительно отличают­ся по толщине, то в процессе сварки лазерный луч смещается на

Рис. 5.2. Швы сварных соединений деталей при лазерной сварке:

а — стыковой; 6 — стыковой на остающейся подкладке; в — по отверстию в тонкой детали; г — по кромке выточки в массивной детали; д — по буртику на массивной детали и отбортовке на тонкой детали; е — угловой разнотолщинных деталей; ж — прорезные коробчатых конструкций

более толстую деталь для выравнивания температурного поля в соединяемых деталях и достижения равномерного проплавления обеих деталей. Тавровое соединение тонкой детали с массивной выполнять сложнее из-за необходимости использования допол­нительной технологической отбортовки (рис. 5.2, д). Угловые швы разнотолщинных деталей сваривают по схеме (рис. 5.2, ё). Короб­чатые конструкции сваривают прорезными швами (рис. 5.2, ж).

Одним из важных условий при сварке стыкового соединения является соблюдение минимально допустимых зазора и превыше­ния кромок. Сварку металлов малых толщин можно выполнять с использованием твердотельных и газовых лазеров непрерывного излучения мощностью до 1 кВт. Типы сварных соединений, полу­чаемых непрерывными лазерами, такие же, как и при сварке им­пульсными лазерами.

Лазерная сварка металлов с глубоким проплавлением характери­зуется такими основными параметрами, как мощность лазерного излучения, скорость сварки, параметры фокусирующей системы. Мощность излучения влияет на проплавляющую способность и процесс формирования шва. Наряду с мощностью излучения на процесс сварки оказывают воздействие и другие характеристики лазерного излучения: поляризация, интенсивности мощности в сечении луча, расходимость. Поэтому при смене модели лазера оптимальное значение мощности для сварки может меняться. При
данном значении мощности минимальное значение скорости ог­раничено отсутствием «кинжального» проплавления, а максималь­ное — нарушением формирования шва и появлением дефектов — подрезов, непроваров, пор. Для получения качественного сварно­го соединения лазерный луч фокусируют в пятно диаметром 0,5... 1 мм. При меньшем диаметре происходит значительный пе­регрев расплавленного металла, его испарение, в шве возникают дефекты. При диаметре сфокусированного луча более 1 мм эф­фективность процесса снижается. Геометрические параметры шва зависят от режима лазерной сварки. Оптимальной для сварки с глубоким проплавлением является форма поперечного сечения с коэффициентом формы шва значительно больше единицы. Мак­симальная глубина проплавления достигается при расположении фокуса под поверхностью материала. Положение фокуса зависит от свойств металла, толщины свариваемых деталей и режимов сварки. Расчет основных параметров лазерной сварки, обеспечи­вающих большую производительность с высоким качеством свар­ного соединения, затруднен сложным характером их взаимосвязи. Поэтому при назначении режимов в основном используют экспе­риментально полученные зависимости и справочные данные. Прин­ципиальной особенностью лазерного источника нагрева является высокая концентрация энергии, обеспечивающая сварку на по­вышенных скоростях по сравнению с другими источниками, на­пример дуговыми. Этим достигают незначительного теплового воз­действия на околошовную зону, высоких скоростей нагрева и ох­лаждения металла сварного соединения.

Рассмотренные особенности лазерной сварки решающим об­разом влияют на технологическую прочность, под которой в тео­рии сварочных процессов понимают сопротивляемость металла сварного соединения образованию горячих и холодных трещин. Сварка на скоростях не менее 30 мм/с обеспечивает для боль­шинства конструкционных материалов значительное повышение технологической прочности и возможность получения высокока­чественных сварных соединений из металлов, плохо свариваемых дуговыми источниками теплоты. Выполнение лазерной сварки на скоростях 25...30 мм/с обеспечивает снижение в 3—10 раз оста­точных деформаций по сравнению с традиционными способами дуговой сварки. Вследствие малой ширины зоны пластических де­формаций при лазерной сварке значения сжимающих напряже­ний в околошовной зоне на 40... 70 % ниже, чем при дуговой сварке. Поэтому они не вызывают трудноустранимых деформаций и по­тери устойчивости листовых элементов.

Металл шва при лазерной сварке необходимо защищать от окис­ления, используя газовую, флюсовую или газофлюсовую защиту. Газовая защита происходит через сопло непосредственно в зону воздействия лазерного луча. При сварке со сквозным проплавле - ниєм для ряда высокоактивных металлов требуется защита обрат­ной стороны шва. В качестве защитных газов используют те же газы, что и при дуговой сварке. При этом газы, имеющие более высокий потенциал ионизации и высокую теплопроводность, обеспечивают максимальную эффективность проплавления.

Экспериментально установлены такие расходы газов, обеспе­чивающие качественную защиту шва, м3/с: (50...60)• 10“5 Не, (15...20)- 10~5Аг, (45...50)• 10'5смеси 50% Не и 50% Аг. Наряду с газовой защитой шва при лазерной сварке можно использовать флюсы в виде обмазок того же состава, что и при дуговой сварке.

Важным технологическим приемом при лазерной сварке с глу­боким проплавлением является использование присадочного ме­талла. Это дает возможность регулировать в широких пределах хи­мический состав шва, обеспечивать требуемые свойства сварных соединений, исключать такие дефекты, как неравномерность про­плавления, поры в корне шва, горячие и холодные трещины, снизить требования к точности сборки деталей под сварку. Лазер­ная сварка с присадочным металлом выполняется аналогично приемам, используемым при дуговой сварке. Особенность заклю­чается в использовании присадочной проволоки малого диаметра (менее 1 мм) и точной подаче ее под лазерное излучение с помо­щью специальных механизмов. При сварке с глубоким проплавле­нием наиболее распространенными дефектами являются нерав­номерность проплавления корня шва. Уменьшение пористости в шве достигают отклонением лазерного луча от вертикали на 15... 17° по направлению движения луча. При сварке со сквозным про­плавлением неравномерность формирования сварного шва можно устранить путем вывода проплавления на остающиеся или удаля­емые подкладки.

Технико-экономические признаки. Одним из важных направле­ний в разработке технологии лазерной сварки является повышение эффективности процесса.

Перспективным направлением является использование импуль­сно-периодических режимов сварки. При частоте следования им­пульсов 0,4... 1 кГц и длительности 20...50 мс глубина проплавле­ния может быть увеличена в 3 — 4 раза по сравнению с непрерыв­ным режимом. Оценка термического КПД процесса проплавле­ния при сварке показывает, что при имцульсном воздействии эта величина в 2—3 раза выше, чем при непрерывном излучении. Однако следует учитывать, что импульсно-периодическая сварка требует точного наведения луча на стык, высокого качества под­готовки кромок свариваемых деталей. Процесс возможен только на малых скоростях, в несколько раз меньших, чем при сварке непрерывным излучением.

Повышения эффективности сварки непрерывным излучением достигаются за счет осциллирования (от лат. oscillo — качаюсь, этот термин используют для любой системы, совершающей коле­бания) сфокусированного лазерного излучения. В этом способе сфокусированный луч периодически заглубляется в сварочную ванну вследствие колебания фокальной плоскости относительно поверхности обрабатываемой детали. Суть этого способа лазерной сварки состоит в том, что при увеличении скорости перемещения фронта плавления и испарения на передней стенке канала про­плавления увеличивается глубина проникновения излучения в материал. Повысить скорость перемещения фронта плавления и испарения можно увеличением плотности мощности на передней стенке канала. Однако при фиксированном положении фокуса луча относительно поверхности свариваемых деталей с углублением канала плотность мощности по его высоте снижается. В результате снижается скорость перемещения фронта плавления и испарения в глубине канала. Необходимо создать такие условия, при которых плотность мощности лазерного излучения оставалась бы постоян­ной по глубине канала. Это возможно за счет увеличения скорости движения фронта и позволяет увеличить глубину проплавления. Для достижения этой цели предлагают осциллирование сфокусиро­ванного излучения по высоте канала. Осциллирование осуществ­ляют специальными механическими или пьезоэлектрическими системами (объектива, линзы), обеспечивающими изменение ча­стоты колебания в диапазоне 0... 150 Гц с амплитудой колебания, равной толщине свариваемых деталей. Осциллирование сфокуси­рованного излучения позволяет обеспечить при сварке основных конструкционных материалов (сталей, алюминиевых и титановых сплавов) увеличение глубины проплавления на 40 %. Ширина шва при этом возрастает примерно на 30%, а коэффициент формы шва увеличивается на 10... 15 %. Наряду с этим эффектом осцил­лирование сфокусированного излучения снижает колебания по глубине проплавления и улучшает формирование шва и его внеш­ний вид. Осциллирование существенно повышает термический КПД на 60...80% по сравнению с общепринятой схемой лазер­ной сварки с неизменным расположением фокуса излучения по отношению к поверхности свариваемых деталей. Эффективность проплавления может быть увеличена подачей непосредственно в зону сварки дополнительного потока газа под определенным дав­лением. Дополнительный поток влияет на параметры плазмы в области взаимодействия излучения с металлом и гидродинами­ческие процессы в канале проплавления. При этом в качестве дополнительного можно использовать любой газ: например, аргон обеспечивает тот же эффект, что и гелий. Эффекта увеличения глубины проплавления достигают при определенном давлении и расходе дополнительного газа. Дальнейшее увеличение расхода приводит к ухудшению формирования шва, появлению в нем крупных пор и раковин. Увеличенный расход газа вызывает вы­дувание жидкого металла, процесс сварки может перейти в про­цесс резки.

Разработан способ лазерной сварки с применением импульс­ной подачи дополнительного газа, обеспечивающий повышение эффективности проплавления. Характер изменения расхода газа определяет перемещение плазмы с поверхности свариваемой де­тали в глубь канала, а развитие приповерхностной плазмы огра­ничивается наличием постоянной составляющей газового потока. Оптимальная частота подачи газа зависит от мощности лазерного излучения, скорости сварки и свойств свариваемого металла. При этом способе обеспечивают повышение глубины проплавления на

30.. .40% и значительную стабилизацию проплавления, что явля­ется важным фактором, в особенности при сварке с несквозным проплавлением. Эффективность лазерной сварки может быть по­вышена совмещением лазерного источника нагрева с другими, менее дорогостоящими источниками теплоты, например с элек­трической дугой. Суммарный эффект проплавления при этом ока­зывается выше, чем сумма эффектов воздействия каждого ис­точника в отдельности. При мощности дуги, сопоставимой с мощ­ностью лазерного излучения, достигают максимального эффекта. В частности, скорость сварки при этом может быть повышена в несколько раз.

. Следует отметить экономичность лазерно-дуговой сварки по сравнению с лазерной, так как повышение эффективности про­цесса сварки достигают дополнительным введением относитель­но дешевого источника энергии в виде электрической дуги. Уси­ливается внимание к разработкам по исследованию процессов сварки, основанным на сочетании лазерного источника теплоты с другими — дешевыми и менее дефицитными. Такое сочетание может обеспечить сохранение и усиление положительных сторон лазерной сварки наряду с увеличением энергетической эффек­тивности и улучшением технико-экономических показателей про­цесса. Повышение эффективности проплавления при лазерной сварке возможно за счет тщательной подготовки поверхности и кромок свариваемых деталей.