Лазерная сварка. 7

ВВЕДЕНИЕ

 

Лазер открывает  возможность развития технологических  процессов обработки материалов в ряде областей машино- и приборостроения.

Высокие плотности мощности лазерного излучения, существенно превосходящие другие источники энергии, позволяют не только значительно увеличить производительность обработки, но и получить качественно  новые результаты, недоступные традиционным методам обработки.

Одним из применений лазера в машиностроении является соединение элементов сваркой.

          Термин "лазер" происходит от первых букв английской фразы: "Light amplification by the stimulated emission of radiation", что означает в переводе: "Усиление света посредством индуцирования эмиссии излучения". Академик Н.Г. Басов, удостоенный в 1964 г. совместно с академиком А.М.Прохоровым и американским ученым Ч.Таунсом Нобелевской премии за теоретическое обоснование и разработку лазеров, так характеризует лазер: "Это устройство, в котором энергия, например тепловая, химическая, электрическая, преобразуется в энергию электромагнитного поля - лазерный луч. При таком преобразовании часть энергии неизбежно теряется, но важно то, что полученная в результате лазерная энергия обладает несравненно более высоким качеством. Качество лазерной энергии определяется ее высокой концентрацией и возможностью передачи на значительное расстояние".

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ ЛАЗЕРНОЙ СВАРКИ

1.1. Основные элементы оборудования для лазерной сварки

 

В понятие «технология» входит целый  комплекс мероприятий по изменению  формы, размеров и свойств материалов, которые в конечном счете приводят к получению изделий с заданными  техническими требованиями. При разработке технологического процесса решаются как  чисто технические, так и организационно-экономические  задачи.

Наиболее  важными вопросами при разработке технологии являются: выбор соответствующего оборудования; оптимизация параметров сварки; выбор номенклатуры изделия; конструирование оптимального типа соединения; отработка технологических  приемов сварки различных типов  соединений.

Одним из основных этапов проектирования любого технологического процесса является выбор  соответствующего оборудования. От правильного  выбора оборудования в значительной степени зависит качество получаемого  изделия, производительность процесса и экономический эффект применения данного метода.

Оборудование  для лазерной обработки вообще и  для сварки в частности включает в себя следующие основные элементы:

1. технологический лазер;
2. систему отклонения и фокусировки луча;
3. систему наблюдения;
4. оснастку для крепления и перемещения детали;
5. средства контроля за параметрами процесса.

Все эти  элементы входят в состав лазерной технологической установки (рис. 1.1).

 

 

Рис. 1.1. Структурная схема лазерной технологической установки:

1 — технологический  лазер; 2 — лазерное излучение; 3 — оптическая система; 4 — обрабатываемая деталь; 5 — устройство для закрепления и перемещения детали; 6 — датчики параметров технологического процесса; 7 — программное устройство; 8 — датчики параметров излучения.

Основным  элементом оборудования является технологический  лазер, отличающийся надежностью и  простотой эксплуатации в жестких  условиях производства, а также имеющий  высокий ресурс работы и воспроизводимость  параметров излучения.

Выбор типа лазера для осуществления той  или иной сварочной операции должен осуществляться с учетом следующих  положений и рекомендаций:

1. на основании чертежа детали и технического задания на ее изготовление определить технологические операции, при выполнении которых потребуется лазер;
2. установить требуемую глубину проплавления и ширину шва; учесть при этом состав свариваемого материала;
3. оценить масштабы производства, его тип и требуемую производительность;
4. определить возможности предприятия по затратам  на  приобретение и эксплуатацию того или иного типа лазера;
5. рассчитать экономическую эффективность от применения лазерной сварки;

оценить возможности предприятия по площадям, культуре производства и подготовленности кадров.

Отклоняющие системы служат для изменения  направления луча от источника до детали. При проектировании или выборе этих систем необходимо учитывать следующие  положения и требования.

1. Взаимное  расположение детали и источника  излучения необходимо проектировать  с таким расчетом, что  бы  расстояние между ними было  минимально возможным. Также необходимо  сводить к минимуму количество  отклоняющих элементов. При соблюдении  этого условия достигается снижение  потерь излучения на отражение  и рассеивание.

2. Для  изменения направления излучения  с длиной волны, лежащей в  видимой или ближней инфракрасной  части спектра, используют призмы  полного внутреннего отражения  и интерференционные зеркала  с многослойными диэлектрическими  покрытиями. Такие системы применимы  в основном для твердотельных  технологических лазеров с длиной  волны 1,06 мкм и невысокой мощностью  излучения.

3. В системах  с мощными газовыми лазерами  с длиной волны излучения 10,6 мкм применяют металлические,  преимущественно медные зеркала.  При использовании С0₂-лазеров мощностью до 200 Вт возможно применение стеклянных зеркал с покрытиями из золота или алюминия.

4. При  выборе или конструировании отклоняющих  систем необходимо учитывать  возможность их нагрева вследствие  поглощения излучения. При относительно  небольших мощностях излучения,  особенно в непрерывном режиме  работы лазера, это может привести  к термическим деформациям оптических  деталей, к изменению их оптической  силы и, следовательно, к изменению  параметров сфокусированного пучка,  а также к увеличению аберраций.                                  

Фокусирующая  система служит для создания необходимой  плотности мощности на поверхности  детали.

 

Система наблюдения служит для наблюдения, контроля и наведения излучения  на обрабатываемую точку.

Существуют  две основные схемы систем наблюдения:

1. Система  наблюдения соосна с фокусирующей  системой.

2. Система  наблюдения расположена под углом  к фокусирующей системе.

Соосная система выполняется путем соответствующей  установки отклоняющих зеркал и  призм, полупрозрачных зеркал или зеркал с отверстиями. Такая схема применена  в системе наблюдения СОК-2, которой  оснащены установки серий КВАНТ. Для точного наведения луча на место сварки в оптических системах с совмещенными фокусирующими объективами  и микроскопом применяется сетка  с перекрестием, обеспечивающим максимальную точность наведения. Соосные системы  наблюдения применяются преимущественно  для лазеров с длиной волны  излучения в ближней инфракрасной области.

Помимо  рассмотренных функций оптическая система может обеспечивать перемещение; расщепление; сканирование и модуляцию  луча.

В большинстве  случаев относительное перемещение  детали и источника нагрева осуществляется за счет движения детали. Однако в случае высоких скоростей сварки и увеличенных  габаритов деталей удобнее использовать систему перемещения луча. Это  позволяет уменьшить массу подвижных  узлов, что облегчает управление их перемещением, способствует повышению  точности обработки.

Перемещение луча достигается следующими методами (рис. 1.2, а, б, б).

 

 

 

Рис. 1.2. Схема перемещения луча при неподвижной детали:

а — перемещение отклоняющего зеркала вдоль детали; б — колебания отклоняющего зеркала; в — круговое вращение системы зеркал

 

 

1. Использование  системы подвижных зеркал, перемещаемых  по соответствующим координатам.

2. При  небольших перемещениях используют  изменение угла наклона зеркала  по отношению к оптической  оси.

 

3. Для  обеспечения кругового перемещения  применяют систему вращения зеркала  вместе с объективом. Если радиус  окружности не превышает радиуса  поля зрения объектива, то круговую  траекторию движения фокального  пятна можно получить путем  смещения объектива и его вращения  относительно оси луча.

1.2. Фокусирующие системы для лазерной сварки

 

Излучение на выходе из резонатора технологического лазера представляет собой пучок  диаметром от нескольких миллиметров  до десятков миллиметров и не обеспечивает высокой степени концентрации энергии  и требуемого характера распределения  плотности мощности. Для реализации высокопроизводительного процесса лазерной сварки применяют различные  оптические системы преобразования параметров лазерного излучения.

Фокусирующие линзы и зеркала. С целью повышения плотности мощности лазерного излучения осуществляют его фокусировку. Для фокусировки применяется как прозрачная оптика проходного типа (линзы), так и отражательная металлооптика (зеркала).

Фокусирующие  прозрачные линзы используются при  малых мощностях лазерного излучения (до 1...3 кВт). При повышенных мощностях  лазерного излучения все шире начинают использоваться зеркальные фокусирующие системы из металлооптики, обеспечивающие значительно больший срок службы. Зеркальные фокусирующие системы используются в виде одиночного фокусирующего  зеркала или какого-либо варианта двухзеркального объектива Кассегрена.

Лазерная  сварка с фокусировкой одиночным  зеркалом может осуществляться, когда  фокусирующее сферическое зеркало  установлено под углом  к оси  падающего излучения. Может  использоваться дополнительно плоское зеркало, которое необходимо при обработке крупногабаритных деталей. Если обрабатываемые детали имеют небольшие размеры, то лазерное излучение можно направлять непосредственно на фокусирующее сферическое зеркало (по траектории отраженного от плоского зеркала излучения). Также может использоваться плоское кольцевое зеркало, а фокусирующее сферическое зеркало установливаться соосно с падающии излучением. Эту метод фокусировки целесообразно использовать в тех случаях, когда лазерное излучение имеет кольцевое сечение.

Большими  возможностями фокусировки мощного лазерного излучения для технологических целей обладают двухзеркальные   объективы(рис.1.3).

 

 

 

 

 

 

Рис. 1.3. Классическая схема

объектива Кассегрена:

1 — параболоидальное  зеркало;

2 — гиперболоидальное зерка-

ло; 3 — лазерный кольцевой

луч.

 

 

Объектив   Кассегрена состоит из большого вогнутого  параболоидального и малого выпуклого  гиперболоидального зеркал и обладает хорошими фокусирующими свойствами для достижения высокой концентрации энергии лазерного излучения. Однако этот объектив для фокусировки лазерного  излучения не применяется, так как  имеет существенные недостатки:

1) когда  внутренний диаметр кольцевого  луча меньше диаметра малого зеркала, происходит экранирование излучения малым зеркалом;

2) изготовление  зеркальных поверхностей второго  порядка весьма сложно, трудоемко  и дорого;

3) на  малом зеркале достигается высокая  концентрация энергии излучения,  что может вызывать тепловые  деформации поверхности зеркала  и ухудшение вследствие этого  фокусирующих характеристик.

Зеркальная  оптика для мощных технологических  лазеров обычно изготавливается  из чистой меди, обеспечивающей высокие  значения коэффициентов отражения  и теплопроводности.

Металлические зеркала изготавливают достаточно массивными и жесткими, чтобы они  могли выдержать высокий уровень  лазерного излучения и не допустили  значительных тепловых деформаций поверхности  зеркал.

Для снижения тепловых деформаций и повышения  стойкости в лазерах большой  мощности применяют искусственное  охлаждение медных зеркал водой. Использование  защитных и многослойных просветляющих  покрытий позволяет увеличивать  стойкость зеркал при хранении и  эксплуатации.

Лазерное  излучение сравнительно небольшой  мощности (до 1...3 кВт) фокусируется обычно линзами из оптически прозрачных материалов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. ОСОБЕННОСТИ  ПРОЦЕССА ЛАЗЕРНОЙ СВАРКИ

 2.1. Источники энергии

 

Одним из наиболее широко распространенных технологических  процессов в производстве является сварка. Сварка предназначена для  получения неразъемных соединений и осуществляется локальным приложением  различных видов энергии: электрической, механической, химической и др.

Лазерное  излучение обеспечивает высокую  концентрацию энергии, существенно  превосходящую другие источники  энергии, используемые для сварки. На рис. 2.1 приведены значения плотности мощности лазерного излучения, получаемого в оптических квантовых генераторах, часто называемых просто лазерами. Плотность мощности представляет собой отношение мощности источника к его площади и характеризует концентрацию источника нагрева. Из сопоставления лазерного источника нагрева с другими сварочными источниками следует, что лазерный луч на несколько порядков превосходит по концентрации остальные источники теплоты, используемые для сварки.

           

 

Рис. 2.1. Концентрация энергии различных тепловых источников (плотности мощности):

ГП —  газовое пламя; ДП — дуговая плазма; ЭЛ — электронный луч; ИР — искровой разряд; СД — сварочная дуга; ЛИ —  лазерное излучение

 

 

 

 

Достаточно  высокую концентрацию энергии также  обеспечивает электронный луч, используемый в настоящее время для сварки ответственных конструкций. Электронно-лучевая  сварка осуществляется в вакуумных  камерах, что является в настоящее  время необходимым условием устойчивого  проведения процесса

Лазерная  сварка в отличие от электронно-лучевой  не требует вакуумных камер. Процесс  лазерной сварки осуществляется в атмосфере  воздуха либо в среде защитных нейтральных газов (Аг, Не), в среде  углекислого газа (С0₂) и др. Поэтому создается возможность использования лазерной сварки для соединения элементов конструкций любых габаритов.

 

 

Особенностью  лазерного  излучения является возможность легкой его транспортировки. С помощью зеркальных оптических систем  лазерный луч можно направлять в труднодоступные  места, подавать на значительные расстояния без потерь энергии, одновременно  или последовательно использовать на нескольких рабочих участках. Эти характерные особенности лазерного  излучения создают возможность легкого и оперативного управления процессом лазерной сварки. К этому следует добавить простоту управления энергетическими характеристиками лазерного излучения.

В отличие  от электронного луча, дуги и плазмы на лазерный луч не влияют магнитные поля свариваемых деталей и технологической оснастки, что позволяет получать устойчивое качественное формирование сварного шва по всей длине.

Для сварки металлов используются твердотельные  и газовые лазеры. Различают технологические  лазеры импульсно-периодического и  непрерывного действия. 

Из твердотельных  лазеров для сварки применяют  лазеры на рубине (в качестве твердого активного элемента в нем использованы стержни из кристалла искусственного рубина). Эти лазеры генерируют обычно импульсно-периодическое излучение  на длине волны l= 0,69 мкм с длительностью импульсов t @ 10^-3... 10^-9 с,

Более высокими значениями мощности отличаются твердотельные  лазеры с активным элементом в  виде стержней из стекла с примесью неодима. Эти лазеры способны генерировать большую энергию в десятки джоулей.

Большими  технологическими возможностями отличаются твердотельные лазеры с активным элементом из иттрий-алюминиевого граната  с добавкой неодима. Эти лазеры могут  генерировать излучение не только в  импульсно-периодическом, но и в  непрерывном режиме на длине волны  излучения l= 1,06 мкм.

Большую перспективу для лазерной сварки представляют газовые лазеры, в которых  в качестве активной среды используется диоксид углерода С02. Эти лазеры способны развивать в настоящее  время среднюю мощность от нескольких сотен ватт до десятков киловатт в  непрерывном и импульсно-периодическом  режимах генерации излучения  с длиной волны l =  10,6 мкм. В этих лазерах достигается достаточно высокий КПД преобразования электрической энергии в энергию излучения (10...20% и более).

Лазерное  излучение является когерентным, монохроматичным, обеспечивающим малую расходимость и, следовательно, имеет возможность  высокой степени фокусировки  для достижения больших значений концентрации энергии излучения. Благодаря  этому на поверхности материала, обрабатываемого сфокусированным  лазерным излучением, происходит локальный  нагрев. При этом обеспечиваются высокие  скорости нагрева и охлаждения, существенно  превосходящие эти параметры  при тради-ционных методах теплового воздействия, малый объем расплавленного металла, весьма незначительные размеры околошовной зоны термического влияния. Эти особенности теплового воздействия предопределяют специфику физико-химических и металлургических процессов в металлах при лазерной сварке и характерные свойства полученных сварных соединений.

2.2. Источники питания

Рис. 2.1. Способы зажигания

 

Маломощные  источники тока:

 

Такие источники  нашли широкое применение в устройствах  питания ГРП, используемых для создания прежде всего газовых атомарных  и молекулярных лазеров.

Рис. 2.2. Электрическая схема источника  питания гелий-неонового лазера ОКГ-13 с балластными резисторами. Зажигание осуществляется вручную

 

Рис. 2.3. Схема источника питания  с автоматическим зажиганием

 

Импульсные  источники питания с реактивными токоограничительными элементами:

Достоинства таких схем: возможность уменьшения вдвое входного напряжения, нечувствительность к токам короткого замыкания, высокий КПД. Недостаток: подмагничивание, которое способствует возникновению  бросков тока в первичной обмотке  трансформатора и увеличению потерь.

Рис. 2.4. Принципиальная схема импульсного  источника питания ИПИ-2

 

 

 

 

 

 

 

Источники электропитания полупроводниковых  излучателей:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Применение  той или иной схемы диктуется  техническим заданием. В частности, тиратронные и тиристорные схемы  позволяют получать большие средние  мощности. Ламповые схемы дают возможность  регулировать в широких пределах длительность и частоту повторения импульсов накачки при малом  времени нарастания разрядного тока. Использование транзисторных схем обеспечивает большую мощность накачки, длительность и частоту повторения импульсов.

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 2.6. Транзисторная схема источника питания полупроводникового излучателя

 

Рис. 2.7. Электрическая схема источника  питания ГИТ-10 для полупорводникового излучателя с нелинейными дросселями

 

 

 

 

 

2.3. Теплофизические показатели лазерной сварки

 

Распространение теплоты при лазерной сварке подчиняется  законам теплопроводности. Для возможности  анализа тепловых процессов на основе теории теплопроводности в первую очередь  необходимо соответствующим образом  задать тепловой источник в месте  воздействия лазерного излучения. Это можно выполнить с учетом специфических особенностей взаимодействия лазерного излучения с металлами  при сварке.

Лазерное  излучение, направленное на поверхность  материала, частично отражается от поверхности, а частично поглощается материалом. Вследствие поглощения излучения в  обрабатываемом материале начинает действовать интенсивный источник теплоты.

По энерговкладу в единицу объема обрабатываемого  материала лазерная сварка занимает промежуточное положение между  поверхностной термообработкой  и резкой. Характер и интенсивность  воздействия в первую очередь  зависят от плотности мощности лазерного  излучения Е (Вт/м²) в зоне обработки, определяемой отношением мощности лазерного излучения Р (Вт) к площади пятна, сфокусированного на поверхности лазерного излучения.

При уровнях Е @10⁸...10⁹ Вт/м² происходит активный локальный разогрев материала, при котором не наблюдается заметного испарения или разрушения материала. Такие источники нагрева используются для термообработки, наплавки, легирования и сварки металлов небольшой толщины 0,5...1,0 мм.

Следует ввести в рассмотрение понятие пороговой  плотности мощности Е*, определяющее условие нагрева металла без разрушения. Характерный уровень Е*, с превышением которого начинается активное испарение и разрушение, для большинства металлов составляет 10⁹...10¹¹ Вт/м² в зависимости от теплоты испарения, теплопроводности и длительности нагрева. При значительном превышении плотности мощности Е над пороговой плотностью мощности Е* основная доля энергии лазерного излучения расходуется на интенсивное испарение материала и увеличение внутренней энергии разлетающихся паров, капель и твердых частиц, а энергия, затрачиваемая на плавление металла, относительно мала. Соответственно жидкая фаза в зоне обработки практически отсутствует, и сварка в столь жестком режиме оказывается невозможной.

 

 

Снижение    плотности мощности   до   Е@10⁹... 10¹⁰ Вт/м² приводит к увеличению доли жидкой фазы в зоне обработки; происходит интенсивное проплавление, называемое «кинжальным». 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. При кристаллизации расплавленного металла образуется шов.

Распределение энергии лазерного излучения  при сварке в общем случае установившегося  режима проплавления можно представить  в виде схематизированного изображения на рис. 2.8 (по данным О.А.Величко и др.).

 

Рис. 2.8. Схема энергозатрат в установившемся режиме проплавления металла сфокусированным лазерным пучком:

/ — сфокусированный  луч лазера;

2 — основной металл; 3 — кратер (парогазовая каверна); 4 — жидкий металл; 5—переплавленный металл (сварной шов); 6—плазменный факел.

 

 

Здесь Qл  — энергия сфокусированного лазерного  луча в зоне обработки; Qф — энергия, поглощенная в объеме плазменно-парового факела внутри и над поверхностью кратера (высокотемпературная плазма возникает вследствие ионизации  парогазовой среды концентрированным  потоком энергии лазерного излучения); энергия, рассеиваемая в окружающую среду излучением из плазменного  факела; Qотр — энергия лазерного  излучения, отраженная от плоской поверхности  основного металла и от дна  кратера; Qразр — полная энергия  продуктов разрушения, уносимая реактивной парогазовой струёй; Qв — полное теплосодержание жидкого металла  в сварочной ванне; Отп — энергия, отводимая теплопроводностью в  глубь основного и переплавленного  металла.

Эффективность процесса сварки принято характеризовать  значением эффективного КПД h_и, представляющим отношение энергии или мощности, поглощенной металлом при сварке, к энергии или мощности, подводимой к свариваемым деталям.

Таким образом, независимо от абсолютного уровня мощности существует область оптимальных  режимов сварки в диапазоне 20...40 мм/с, обеспечивающих высокий уровень  эффективности расплавления в сочетании  с высокой производительностью. Достигаемые при этом значения термического КПД на уровне h_t= 0,35...0,40 значительно превосходят значения, полученные при традиционных способах дуговой сварки, не превышающие, как правило, 0,18...0,22.

 

 

 

 

 

2.4. Тепловые процессы

 

Распространение теплоты в материале при сварке описывается по законам теплопроводности. В общем случае изменение температуры  произвольной точки твердого тела во времени определяется нелинейным дифференциальным уравнением теплопроводности в частных  производных, аналитическое решение  которого затруднительно. При введении условия независимости теплофизических  свойств материала от температуры  дифференциальное уравнение сводится к упрощенному линейному виду, решаемому для ряда случаев в  аналитической форме 

Для расчета  тепловых процессов следует правильно  задать источник теплоты, соответствующий  рассматриваемому случаю сварки. Как  уже отмечалось, лазерный луч, используемый для сварки, отличается высокой степенью концентрации энергии на малом участке  поверхности. Это дает основание  считать, что в большинстве случаев  лазерной сварки источник нагрева действует  в очень малом объеме, который  для удобства аналитического расчета  представляется бесконечно малым объемом.

Для однопроходной  лазерной сварки встык с полным проплавлением  элементов малой и средней  толщины (до 6...10 мм) обеспечивается так  называемое “кинжальное” проплавление, практически равномерное по толщине. В этом наиболее распространенном случае  лазерной сварки можно считать, что  действует сосредото- ченный источник теплоты с равномерным распределением по толщине. Это так называемый линейный источник теплоты (рис. 2.9), сосредоточенный в бесконечно малом объеме равномерно по толщине (по линии О — O^).

 

Рис. 2.9. Расчетная схема линейного источника теплоты

 

 

 

 

 

 

 

При лазерной сварке с полным проплавлением отдельным  импульсом источник теплоты представляется в виде мгновенного линейного.

При импульсно-периодическом  лазерном воздействии процесс нагрева  тела при сварке описывается непрерывно действующим источником теплоты, который  представляется в виде серии действующих  друг за другом мгновенных источников теплоты.