Лазерная сварка: Принцип работы и основные особенности

Протекание процессов в лазерной сварке, ввиду специфичности источника нагрева базируется на трех основоположных параметрах лазерного излучения:

- когерентность определяется неизменностью разности фаз электромагнитных колебаний светового потока в различных пространственных точках пучка, а следовательно постоянством формы волнового фронта на всем протяжении временного отрезка. Когерентность лазерного излучения подразделяется на временную и пространственную. Временная когерентность светового потока характеризуется монохроматичностью, направленностью излучения же характеризуется пространственная когерентность.

- монохроматичность характеризуется излучением светового потока с достаточно небольшим интервалом длин волн (выражается в соотношении спектральной ширины контура излучения к центральной частота контура);

- направленность характеризуется очень малым рассеиванием светового луча (условно соответствует одной угловой минуте) в результате строгой направленности распространения его фотонов, при его движении от источника к соединяемому изделию, с крайне небольшой потерей интенсивности лазера.

Для нагрева свариваемого участка данный вид сварки использует энергию направленного лазерного излучения, или выражаясь другими словами концентрированный световой поток с высокой плотностью энергии от 1 до 10мВт/см2, сфокусированный на относительно малой области воздействия от 0,1 до 12мм.

Ввиду высокой мощности и концентрации светового излучения, электроны в зоне сварки возбуждаются до степени, при которой происходит разрыв связей между атомами в металле свариваемых деталей, показатель скорости нагрева соединяемых поверхностей увеличится по отношению к скорости отвода теплоты в тело свариваемых материалов, с последующей инициацией процессов их плавления в зоне воздействия.

На поверхности расплавленного металла под действием светового потока образуется углубление, видоизменяясь с течением времени в кратер-канал, заполненный паром и металлом, перешедшим в жидкое состояние. Показатель давления пара возрастает до состояния противодействия силам гидростатического давления, а также поверхностного натяжения, в результате чего полость канала не заполняется расплавленным металлом.

В направлении движения концентрированного светового потока сварочная ванна приобретет форму вытянутую с кратером-каналом в головной части. На его передней стенке формируется перешедший в жидкое состояние слой металла, который испытывает постоянные возмущения, в результате чего передняя стенка меняется, образовывая «ступеньку», которая периодически перемещается вверх-вниз по высоте кратера, вытягивающегося по мере движения луча в канал.

При перемещении лазерного луча масса расплавленного металла с передней стенки переносится в горизонтальном направлении по боковым в хвостовую часть сварочной ванны, там он завихренными потоками подымается наверх, частично вытесняясь на поверхность сварочной ванны, с последующим его затвердеванием при протекании процессов охлаждения, формируя сварной шов, соединяющий детали в единое целое.

Образование канала сопровождается обычно располагающимся над поверхностью металла ярким факелом, состоящим из продуктов испарения, взвесей конденсированного пара и мелких капель металла, выбрасываемых из ванны.

Величина плотности светового потока и размеры зоны облучения способствуют тому, что при воздействии лазерного излучения на сварное соединение, процессы нагрева соединяемых деталей, формирования сварного шва и последующего охлаждения, протекают с гораздо более высокими скоростями (может доходить до 90-110м/ч), чем при обычных видах сварки плавлением.

Более быстро протекающие процессы в совокупности с локализацией зоны плавления вокруг лазерного луча способствуют снижению теплового воздействия как на сам шов, так и на зону термического влияния. Сварное соединение в связи с этим в значительно меньшей степени подвергается структурным изменениям металла, снижая риск возникновения разупрочнения, деформации и образования как горячих, так и холодных трещин. Так же в связи с тем, что концентрированный световой поток двигается вдоль линии свариваемых деталей на высокой скорости, материал в зоне сварки не подвергается процессам окисления.

Воздействие сфокуссированного лазерного излучения характеризуется глубоким проплавлением свариваемого материала (поперечное сечение проплава «кинжальной» формы) с неравнозначным соотношением ширины шва к его глубине, примерно 1:10, то есть сварной шов получается глубоким и узким, и по этому признаку принципиально отличается от сварных швов других видов сварки. Форма зоны проплавления в поперечном сечении при постоянном значении погонной энергии может меняться в диапазоне от полукруглой до «кинжальной», за счет изменения степени фокусировки светового потока.

Глубина проплавления свариваемого материала при этом прямо пропорциональна энергии излучения лазера, с поправкой на расположение фокальной плоскости луча. Так например для проплавления металла толщиной до 5мм, требуется мощность из расчет 1кВт на 1мм глубины проплавления, при увеличении толщины металла сварного соединения увеличивается и этот показатель.

Кроме того процессы испарения основного материала с его поверхности, также оказывают влияние на глубину проплавления: при создании определенной концентрации излучения на поверхности материала достаточной для активизации процессов испарения, глубина проплавления будет определяться скоростью направления испарения и временем его движения вглубь материала. При росте скрытой теплоты испарения металла она уменьшается, а при росте поверхностной теплоты — увеличивается.

Ширина сварного шва при сварке лазерным излучением определяется скоростью протекания самой сварки и соответственно скоростью поперечного распространения теплоты относительно движения лазерного луча. Параметр этот крайне важен, ширина шва должна быть достаточной для перекрытия стыкового зазора между свариваемыми деталями и распределения неровностей сварного шва по всей его поперечной плоскости, но в тоже время его размеры должны оставаться в рамках при которых деформация свариваемых деталей будет минимальной.

Ниже представлена обобщенная последовательность операций при выполнении сварки деталей с применением лазерного излучения:

1. Поверхности свариваемых деталей в месте контакта, а также в околошовной зоне (на расстоянии 10-15мм от места соединения) при помощи металлических щеток, и зачистных машинок очищают от окалины, следов коррозии, влаги, маслосодержащих загрязнений (для снижения риска образования пор, оксидных включений, горячих и холодных трещин из-за возможного насыщения сварочной ванны водородом) и обезжириваются специальными средствами.

При сварке алюминиевых сплавов поверхность материала дополнительно подвергается процессам травления с последующим ее осветлением и промывкой места воздействия в горячей воде. А в случае сварки сплавов титана детали перед травлением проходят еще и дробеструйную и пескоструйную обработку;

2. Контактные поверхности деталей максимально выравниваются на всем протяжении участка соединения, детали подводят к друг другу с минимальным зазором (менее 0,4мм при средних и больших толщинах заготовки) и перекосом кромок, смещение по высоте деталей относительно друг друга менее 0,6мм.

Детали фиксируются прижимными устройствами, в редких случаях прихватками, чтобы установленная центровка деталей в месте их соединения оставалась неизменной на всей траектории движения луча на всем протяжении сварочного процесса, в том числе при воздействии на участок сварки температур нагрева, чтобы избежать возможные деформации изделия/конструкции по время сварки;

3. Включается генератор лазерного излучения и на зону линию соединения направляется концентрированный световой поток, начинается нагрев и оплавление кромок свариваемых деталей с частичным испарением металла в пятне контакта. Фокусировка луча определяется по параметрам сварного шва и соединяемых деталей;

4. Под действием луча с небольшим сечением перешедший в жидкое состояние металл заполняет все неровности и каверны заготовок, которые оказываются в пятне контакта лазерного луча. При перемещении сфокусированного светового потока по строго заданной траектории, в хвосте луча металл кристаллизуется образовывая сварной шов большой плотности без пористости и прочих дефектов, присущих другим видам сварки;

5. Сварной шов охлаждается до заданной температуры, его поверхность очищается от окалины, шлаков и возможных наплывов, в случае необходимости выравнивается при помощи устройств механической обработки, зачистных абразивных машин.