Технологические особенности процесса лазерной сварки.

Лазерную сварку можно производить со сквозным и с частичным проплавлением. Сварные швы одинаково хорошо формируются в любом пространственном положении. При толщине свариваемых кромок менее 0,1 мм и при сварке больших толщин с глубоким проплавлением по-разному происходит формирование шва и различны подходы к выбору параметров режима сварки. При сварке как непрерывным, так и импульсным излучением малых толщин используют более мягкие режимы, обеспечивающие лишь расплавление металла в стыке деталей без перегрева его до температуры интенсивного испарения. Сварку сталей и других относительно малоактивных металлов можно в этом случае выполнять без дополнительной защиты зоны нагрева, что существенно упрощает технологию, тогда как сварку с глубоким проплавлением ведут с защитой шва газом, состав которого подбирают в зависимости от свариваемого материала.

Основные параметры режима импульсной лазерной сварки - это энергия и длительность импульсов, диаметр сфокусированного излучения, частота следования импульсов, положение фокального пятна относительно поверхности свариваемых деталей. Длительность лазерного импульса должна соответствовать тепловой постоянной времени для данного материала, приближенно определяемой по формуле:

τ = δ²/(4α),

где δ и α - соответственно толщина и коэффициент температуропроводности свариваемого материала.

Значения τ для тонких деталей (δ = 0,1...0,2 мм) составляют несколько миллисекунд. Соответственно длительность импульса нужно выбирать, например, для меди 0,0001...0,0005 с, для алюминия 0,0005...0,002 с, для сталей 0,005...0,008 с. При увеличении δ более 1,0 мм τ возрастает и может значительно превосходить достижимую длительность лазерных импульсов. Поэтому лазерная сварка металлов толщиной более 1,0 мм импульсным излучением затруднена.

Диаметр сфокусированного излучения d определяет площадь нагрева и плотность мощности Е. При сварке d изменяют от 0,05 до 1,0 мм путем расфокусировки луча. При этом фокальную плоскость, на которой сфокусированный световой пучок имеет наименьший диаметр, располагают выше или ниже поверхности свариваемых деталей. Сварной шов при импульсном излучении образуется наложением сварных точек с их взаимным перекрытием на 30...90 % в зависимости от типа сварного соединения и требований к нему. Промышленные сварочные установки с твердотельными лазерами позволяют вести шовную сварку со скоростью до 5 мм/с при частоте импульсов до 20 Гц. Сварку можно вести с присадочным материалом в виде проволоки диаметром менее 1,5 мм, ленты или порошка. Использование присадки позволяет увеличивать сечение шва, устраняя один из наиболее распространенных дефектов - ослабление шва, а также легировать металл шва. Легирующие элементы при лазерной сварке можно также наносить предварительно на поверхности свариваемых кромок напылением, обмазкой, электроискровым способом и т.п.

Наиболее распространена лазерная сварка импульсным излучением в электронной и электротехнической промышленности, где сваривают угловые, нахлесточные и стыковые соединения тонкостенных деталей. Хорошее качество соединений обеспечивается сваркой лазерным лучом тонких деталей (0,05...0,5 мм) с массивными. В этом случае, если свариваемые детали значительно отличаются по толщине, в процессе сварки луч смещают на массивную деталь, чем выравнивают температурное поле и достигают равномерного проплавления обеих деталей. Чтобы снизить разницу в условиях нагрева и плавления таких деталей, толщину массивной детали в месте стыка уменьшают, делая на ней бурт, технологическую отбортовку или выточку (рис. 3). При лазерной сварке нагрев и плавление металла происходят так быстро, что деформация тонкой кромки может не успеть произойти до того, как металл затвердеет. Это позволяет сваривать тонкую деталь с массивной внахлестку. Для этого надо, чтобы при плавлении тонкой кромки и участка массивной детали под ней образовалась общая сварочная ванна. Это можно сделать, производя сварку по кромке отверстия в тонкой детали или по ее периметру.

Рисунок. Сварные соединения деталей разной толщины:
а - по бурту на массивной и отбортовке на тонкой детали; б - тавровое соединение; в - по кромке выточки в массивной детали; г - по отверстию в тонкой детали. Стрелками показано направление лазерного луча

Детали малой толщины можно сваривать также газовыми и твердотельными лазерами непрерывного действия мощностью до 1 кВ-А. Лучше всего формируется шов при стыковом соединении тонких деталей. Однако при сборке таких соединений под лазерную сварку предъявляются более жесткие требования: должен быть обеспечен минимальный и равномерный зазор в стыке и практически полное отсутствие смещения кромок.

Сложнее формируется шов при сварке деталей толщиной более 1,0 мм с глубоким проплавлением. Как только плотность мощности лазерного излучения станет больше критической, нагрев металла будет идти со скоростью, значительно превышающей скорость отвода теплоты в основной металл за счет теплопроводности. На поверхности жидкого металла под действием реакции образуется углубление. Увеличиваясь, оно образует канал, заполненный паром и окруженный жидким металлом. Давления пара оказывается достаточно для противодействия силам гидростатического давления и поверхностного натяжения, и полость канала не заполняется жидким металлом. При некоторой скорости сварки форма канала приобретает динамическую устойчивость. На передней его стенке происходит плавление металла, на задней - затвердевание. Наличие канала способствует поглощению лазерного излучения в глубине свариваемого материала, а не только на его поверхности. Формируется так называемое "кинжальное проплавление". При этом образуется узкий шов с большим соотношением глубины проплавления к ширине шва.

Сварочная ванна (рис. 4) имеет характерную форму, вытянутую в направлении сварки. В головной части ванны расположен канал (кратер) 3. Это область наиболее яркого свечения. На передней стенке канала существует слой расплавленного металла, испытывающий постоянные возмущения. Здесь наблюдается характерное искривление передней стенки в виде ступеньки, которая периодически перемещается по высоте канала. Удаление расплавленного металла с передней стенки осуществляется при перемещении ступеньки сверху вниз. Перенос расплавленного металла из головной части ванны в хвостовую происходит по боковым стенкам в горизонтальном направлении. В хвостовой части ванны 4 расплавленный металл завихряющимися потоками поднимается вверх и частично выносится на поверхность сварочной ванны. При образовании канала 3 над поверхностью металла появляется светящийся факел 2, состоящий из продуктов испарения, мелких выбрасываемых из ванны капель металла и из частиц конденсированного пара.

Рис. 4. Схема сварочной ванны при лазерной сварке:
1 - лазерный луч; 2 - плазменный факел; 3 - парогазовый канал; 4 - хвостовая часть ванны; 5 - металл шва; 6 - свариваемый металл; V_св - направление сварки

 

При значительной скорости сварки факел отклоняется на 20...60⁰ в сторону, противоположную направлению сварки. Этот факел поглощает часть энергии луча и снижает его проплавляющую способность.

При сварке деталей толщиной более 1,0 мм на проплавляющую способность луча в первую очередь влияет мощность излучения. Поскольку сварка таких деталей ведется при непрерывном излучении, то к основным параметрам режима здесь относится и скорость сварки. При выбранном значении мощности излучения скорость сварки определяют исходя из особенностей формирования шва: минимальное значение скорости ограничено отсутствием кинжального проплавления, а максимальное - ухудшением формирования шва, появлением пор, непроваров. Скорость сварки может достигать 90...110 м/ч.

На качество сварных швов влияет фокусировка луча. Для сварки луч фокусируют в пятно диаметром 0,5...1,0 мм. При меньшем диаметре повышенная плотность мощности приводит к перегреву расплавленного металла, усиливает его испарение - появляются дефекты шва. При диаметре более 1,0 мм снижается эффективность процесса сварки. Формирование шва зависит также от положения фокальной плоскости относительно поверхности свариваемых деталей. Максимальная глубина проплавления достигается, если фокус луча будет находиться над поверхностью детали.

На поверхности фронта кристаллизации имеется выступ, который делит ванну на две характерные части. Нижняя часть значительно заглублена и имеет малую протяженность в поперечном сечении, тогда как верхняя часть более широкая и вытянута вдоль шва. Отсюда очевидно, что при лазерной сварке имеют место два процесса проплавления металла. Первый процесс связан с образованием канала, как это было показано выше. Именно он обеспечивает эффект глубокого проплавления. Второй процесс - поверхностное плавление за счет теплопроводности свариваемого материала. Преимущественное развитие того или иного процесса зависит от режима сварки и определяет очертания сварочной ванны.

Рис. 5. Продольное сечение сварочной ванны

Высокая концентрация энергии, большая скорость лазерной сварки по сравнению с дуговыми способами, незначительное тепловое воздействие на околошовную зону вследствие высоких скоростей нагрева и охлаждения металла существенно повышают сопротивляемость большинства конструкционных материалов образованию горячих и холодных трещин. Это обеспечивает высокое качество сварных соединений из материалов, плохо свариваемых другими способами сварки. Существенно (до десяти раз) снижаются деформации сваренных деталей, что снижает затраты на правку.

Повысить эффективность процесса лазерной сварки можно, увеличивая проплавляющую способность луча. Перспективно применение для этого импульсных режимов сварки. При частоте импульсов 0,4... 1 кГц и при длительности импульсов 20...50 мс глубина проплавления может быть увеличена в 3...4 раза по сравнению с непрерывным режимом. При импульсном режиме КПД луча в 2...3 раза выше, чем при непрерывном. Однако импульсная сварка требует очень точной наводки луча на стык, более высокого качества подготовки кромок к сварке, а ее скорость в несколько раз уступает скорости сварки с непрерывным излучением.

Другой путь повышения эффективности - это подача в зону сварки дополнительного потока газа под давлением. Глубина проплавления при этом увеличится, но чрезмерное повышение расхода газа легко приводит к ухудшению формирования шва, появлению в нем пор, раковин, свищей. Затем газ начинает выдувать жидкий металл, процесс сварки переходит в резку. При сварке с несквозным проплавлением применяют разработанный в МГТУ им. Н. Э. Баумана способ импульсной подачи дополнительного газа. Это повышает глубину проплавления на 30...40 %, стабилизирует проплав. Эффективность процесса лазерной сварки можно повысить, вводя в зону сварки химические элементы, способствующие ионизации газа в зоне сварки и снижающие экранирующее действие факела. Это достигается нанесением на поверхности свариваемых кромок покрытий, содержащих элементы с низким потенциалом ионизации (калий, натрий).

 

Технология лазерной резки

Воздействие лазерного излучения на металл при разрезании характеризуется общими положениями, связанными с поглощением и отражением излучения, распространением поглощенной энергии по объему материала за счет теплопроводности, а также рядом специфических особенностей.
В области воздействия лазерного луча металл нагревается до первой температуры разрушения – плавления. С дальнейшим поглощением излучения происходит расплавление металла, и фазовая граница плавления перемещается в глубь материала. В то же время энергетическое воздействие лазерного луча приводит к дальнейшему увеличению температуры, достигающей второй температуры разрушения – кипения, при которой металл начинает активно испаряться.

Таким образом, возможны два механизма лазерной резки – плавлением и испарением. Однако последний механизм требует высоких энергозатрат и осуществим лишь для достаточно тонкого металла. Поэтому на практике резку выполняют плавлением. При этом в целях существенного сокращения затрат энергии, повышения толщины обрабатываемого металла и скорости разрезания применяется вспомогательный газ, вдуваемый в зону реза для удаления продуктов разрушения металла. Обычно в качестве вспомогательного газа используется кислород, воздух, инертный газ или азот. Такая резка называется газолазерной.

 

Рисунок. Схема лазерной резки

Например, кислород при газолазерной резке выполняет тройную функцию:

· вначале содействует предварительному окислению металла и снижает его способность отражать лазерное излучение;

· затем металл воспламеняется и горит в струе кислорода, в результате выделяется дополнительная теплота, усиливающая действие лазерного излучения;

· кислородная струя сдувает и уносит из области резки расплавленный металл и продукты его сгорания, обеспечивая одновременный приток газа непосредственно к фронту реакции горения.

В зависимости от свойств разрезаемого металла применяются два механизма газолазерной резки. При первом значительный вклад в общий тепловой баланс вносит теплота реакции горения металла. Такой механизм резки обычно используется для материалов, подверженных воспламенению и горению ниже точки плавления и образующих жидкотекучие оксиды. Примерами могут служить низкоуглеродистая сталь и титан.

При втором механизме резки материал не горит, а плавится, и струя газа удаляет жидкий металл из области реза. Данный механизм применяется для металлов и сплавов с низким тепловым эффектом реакции горения, а также для тех, у которых при взаимодействии с кислородом образуются тугоплавкие оксиды. Например, легированные и высокоуглеродистые стали, алюминий, медь и др.

Рисунок. Схемы подачи вспомогательного газа в зону резки

источника энергии (механизма или системы накачки);

· активного (рабочего) тела, которое подвергается «накачке», что приводит к его вынужденному излучению;

· оптического резонатора (системы зеркал), обеспечивающего усиление вынужденного излучения активного тела.

Для резки обычно применяются следующие типы лазеров:

· твердотельные

· газовые – с продольной либо поперечной прокачкой газа, щелевые, а также газодинамические.

В осветительной камере твердотельного лазера размещаются лампа накачки и активное тело, представляющее собой стержень из рубина, неодимового стекла (Nd-Glass) или алюмо-иттриевого граната, легированного иттербием (Yb-YAG) либо неодимом (Nd-YAG). Лампа накачки создает мощные световые вспышки для возбуждения атомов активного тела. По торцам стержня расположены зеркала – частично прозрачное (полупрозрачное) и отражающее. Лазерный луч усиливается в результате многократных отражений внутри активного тела и выходит через частично прозрачное зеркало.

 

Резка различных материалов

Для разрезания металлов в основном требуется мощность лазера от 450–500 Вт и выше, для цветных металлов – от 1кВт и выше.

Резку углеродистых сталей чаще всего выполняют с применением кислорода в качестве вспомогательного газа. В результате взаимодействия кислорода с нагретым лучом металлом протекает экзотермическая реакция окисления железа обычно с выделением в 3–5 больше тепла, чем от самого лазерного излучения. Качество торцевой поверхности реза – высокое. На нижней кромке реза характерно образование незначительного грата.
Наибольшую проблему представляет, возможность перехода процесса резки, выполняемого на очень малых скоростях (как правило, менее 0,5 м/мин), в неуправляемый автогенный режим, при котором металл начинает разогреваться до температуры горения за пределами воздействия луча, что приводит к повышению ширины реза и увеличению его шероховатости.
В ряде случаев, например, при вырезке деталей с острыми углами и отверстиями малого диаметра, вместо кислорода предпочтительно использование инертного газа при высоком давлении.

Лазерная резка нержавеющей стали, в особенности больших толщин, затруднена процессом зашлаковывания реза из-за присутствия в металле легирующих элементов, влияющих на температуру плавления металла и его оксидов. Так, возможно образование тугоплавких оксидов, препятствующих подводу лазерного излучения к обрабатываемому материалу. Усложняет процесс резки и низкая жидкотекучесть расплавленных оксидов, например, свойственная для нержавеющих хромоникелевых и высокохромистых сталей.

Для получения качественного реза используется азот высокой чистоты, подаваемый при повышенном давлении (обычно до 20 атм). При резке нержавеющей стали большой толщины требуется заглубление фокального пятна луча в разрезаемый металл. Как следствие, повышается диаметр входного отверстия и возрастает подача газа внутрь металла в зону расплава.

Для лазерной резки алюминия и его сплавов, меди и латуни требуется излучение более высокой мощности, что обусловлено следующими факторами:

· низкой поглощательной способностью этих металлов по отношению к лазерному излучению, особенно с длиной волны 10,6 мкм углекислотного лазера, в связи с чем твердотельные лазеры более предпочтительны;

· высокой теплопроводностью этих материалов.

Обработка малых толщин на станке лазерной резки металла может выполняться в импульсном режиме работы лазера, что позволяет уменьшить зону термического воздействия, а больших толщин – в микроплазменном режиме. Плазмообразующими являются пары легко ионизируемых металлов – магния, цинка и др. Под действием лазерного луча в области реза образуется плазма, нагревающая металл до температуры плавления и плавящая его.

При разрезании алюминия применяется вспомогательный газ с давлением более 10 атм. Структура торцевой поверхности реза – пористая с легко удаляемым гратом на нижней кромке реза. С повышением толщины металла качество торцевой поверхности реза ухудшается.
При резке латуни торцевая поверхность реза обладает пористой шероховатой структурой с легко удаляемым гратом в нижней части реза. С возрастанием толщины металла качество торцевой поверхности реза ухудшается.

Таблица. Характерные толщины разрезаемых листов при мощности лазера P = 5 кВт

Наименование	Толщина (мм)
Углеродистые и легированные стали	до 40
Нержавеющая сталь
Медь
Латунь
Сплавы алюминия

С помощью углекислотных лазеров возможна обработка различных неметаллов – фанеры, дерева, ДВП, ДСП, пластика, оргстекла, полиэфирного и акрилового стекла, ламината, линолеума, резины, ткани, кожи, асбеста, картона и других.

При разрезании поролона следует соблюдать повышенные меры пожаробезопасности, поскольку он может загореться. По причине загорания невозможна или очень затруднена резка толстого пенокартона (при толщине более 10 мм).

Невозможен или крайне сложен раскрой лазером таких материалов как текстолит, стеклотекстолит, гетинакс, сотовый полипропилен, поликарбонат, сотовый поликарбонат. Затруднено разрезание материалов, склонных к растрескиванию, например, керамики или стекла.

Таблица. Характерные толщины разрезаемых листов при мощности лазера P = 1,5 кВт

Наименование	Толщина (мм)	Скорость резки (м/мин)
Пластмасса
Фанера		3–4,5
Высушенная сосна
ДСП		1,5
ДВП
Стекло	1–8	5–0,5
Асбест, металлоасбест, паронит		1,5