Лазерная сварка

Введение.

   Уже самое начало XX века было отмечено величайшими  достижениями человеческого ума. 7 мая 1895 г. на заседании Русского  физико-химического общества А.  С. Попов продемонстрировал изобретенное  им  устройство связи без проводов, а год спустя аналогичное устройство  предложил итальянский техники  предприниматель Г. Маркони. Так  родилось радио. В конце уходящего  века был создан автомобиль  с бензиновым двигателем, который  пришел на смену изобретенному  еще в XVIII в. паровому автомобилю. К началу XX столетия уже действовали линии метро в Лондоне, Нью-Йорке, Будапеште, Вене. 17 декабря 1903 г. американские инженеры братья Орвилл и Уилбор Райт пролетели 260 мна созданном ими первом в мире аэроплане, а через 12 лет русский инженер И. И. Сикорский сконструировал и построил первый в мире многомоторный самолет,дав ему имя «Илья Муромец».

   Не менее потрясающими  оказались достижения в физике. Только за одно десятилетие  на рубеже двух веков было  сделано пять открытий. В 1895 г.немецкий физик В. Рентген открыл новый вид излучения, названный позднее его именем; за это открытие он получил в 1901 г. Нобелевскую премию, став,таким образом, первым в истории нобелевским лауреатом. В 1896 г.французский физик Антуан Анри Беккерель открыл явление радиоактивности — Нобелевская премия 1903 г. В 1897 г. английский физик Дж. Дж. Томсон открыл электрон и в следующем году измерил его заряд — Нобелевская премия 1906 г. 14 декабря 1900 г. на заседании Немецко-физического общества Макс Планк дал вывод формулы для испускательнойспособности черного тела; этот вывод опирался на совершенно новые идеи,ставшие фундаментом квантовой теории — одной из основных физических теорий XX века. В 1905 г. молодой Альберт Эйнштейн — ему тогда было всего 26 лет —опубликовал специальную теорию относительности. Все эти открытия производили ошеломляющее впечатление и многих повергали в замешательство — они никак не укладывались в рамки существовавшей физики, требовали пересмотра ее основных представлений. Едва начавшись, 20-й век возвестил о рождении новой физики, обозначил невидимую грань, за которой осталась прежняя физика, получившая название «классическая».

   И вот сегодня  человек получил в своё распоряжение  всемогущий луч лазера. На что  употребит он это новое завоевание  ума? Чем станет лазер:универсальным инструментом, надёжным помощником или, напротив,

   грозным космическим  оружием, ещё одним разрушителем?

Обоснование в применении данного технологического процесса при изготовлении (двигателя II ступени).

Для соединения сопла с критикой целесообразно выбрать лазерную сварку в сравнении с другими  видами сварки.

Исследования эффективности  лазерных технологий показали их основные преимущества : 
- высокую производительность (цикл при автоматизированной загрузке и выгрузке деталей составляет 0,04 - 4 мин при скорости сварки 40-1000 м / час и толщине свариваемого металла за один проход от долей миллиметра до 20 мм и более); 
- низкая трудоемкость (в 3 - 20 раз ниже традиционных способов сварки); 
- возможность сварки самого широкого спектра марок сталей, сплавов и материалов: от высоколегированных, высокоуглеродистых марок стали до сплавов меди и титана, пластмасс, керамики, алмазов, стекла и разнородных соединений; 
- высокое качество сварных соединений (во многих случаях механические свойства швов могут быть обеспечены на уровне свойств основного материала); 
- минимальный нагрев деталей и деформации (в 3 - 5 раз ниже, чем при дуговой сварке); 
- возможность сварки в труднодоступных местах и разных пространственных положениях; 
- возможность сварки без изменения режима комбинированных изделий, с переменной толщиной в 3-5 и более раз; 
- гибкость процесса, возможность быстрой автоматической программируемой и дистанционной перенастройки и переналадки на другие режимы, или технологические процессы; 
- экономия электроэнергии и присадочных материалов; 
- хорошие, комфортные условия труда, экологическая чистота.  
 

К недостаткам лазерной сварки следует отнести: 
-достаточно дорогое оборудование (~1 мм толщины ~0,75-1 кВт ~ 100 тыс.евро); 
-высокие требования к качеству сборки соединения (зазор не более 0,1-0,25 мм)

Описание физического процесса.

   Лазерная сварка - это процесс соединения материалов (прежде всего металлов) при котором  происходит расплавлением кромок  с помощью концентрированного  лазерного луча и образования   общей ванны расплавленного металла   с последующим затвердеванием.

   Лазерная сварка - процесс бесконтактный, потому  более чистый, чем другие виды  сварки. Сварочный шов не загрязнен  материалами электродов, флюса и  т.д.

   Лазерная сварка происходит  при высокой концентрации энергии,  поэтому производительность сварки  намного превышает производительность  традиционных видов сварки.

   Поводки и термодеформации при лазерной сварке значительно меньше, чем при традиционных видах сварки.

Структура технологического процесса.

   Процесс лазерной  сварки состоит в расплавлении  металла под действием высококонцентрированного  источника световой энергии. Излучение  лазера фокусируется на поверхности  металла в области стыка двух  деталей, частично поглощается  верхним слоем металла, вызывая  его нагрев до температуры  плавления и кипения. Хотя поглощающая  способность металлов и сплавов  относительно невелика, но с ростом  температуры поглощение растет.

   При достижении  состояния кипения пленка жидкого  металла может вытесняться под  действием обратного давления  струи паров металла и образуется  каверна, а затем и парогазовый  канал. В таком режиме излучение  лазера поглощается почти полностью,  а с точки зрения теплофизики  источник нагрева имеет характер  линейного. Если сфокусированный  пучок излучения движется по  стыку, то образуется зона проплавления  и поверхности свариваются.

   К сожалению, существует еще один физический эффект, существенным образом усложняющий картину процесса. Это образование плазменного облака над поверхностью металла. Сравнительно легко ионизируемые пары металла начинают поглощать лазерное излучение, образуя плазменный факел. Этот факел может оказывать разнообразное влияние на процесс - отрицательное, блокируя передачу части лучевой энергии к поверхности металла и в канал проплавления или рассеивая пучок из-за образования отрицательной оптической линзы - положительное, за счет косвенного нагрева поверхности металла в начальных стадиях, когда прямое поглощение излучения невелико.

   Для исключения  вредного влияния плазменного  факела используют плазмоподавляющие газовые смеси. При лазерной сварке это обычно смесь гелия с аргоном, которая одновременно выполняет и функции защиты расплавленного металла от окисления воздухом. Так как скорости лазерной сварки могут быть достаточно велики, то иногда необходимо применять и газовую защиту хвостовой зоны и даже обратной стороны шва. Здесь можно применять чистый аргон. В классическом варианте для лазерной сварки не нужны ни присадочные материалы, ни флюсы. Процесс сварки бесконтактный и хорошо управляемый - в отличии от дуговых способов сварки не нужно применять специализированных источников энергии с падающей характеристикой Форма зоны

   проплавления металла  хорошо укладывается в  картину физических процессов при лазерной сварке - тепловой источник носит комбинированный характер, обусловленный сочетанием нескольких механизмов нагрева металла - поглощением излучения в сквозном канале проплавления и буферным нагревом верхней части шва концентрированной лазерной плазмой.

Применяем нахлесточную лазерную сварку.

   Применяется при  изготовлении теплообменных панелей,  а также в тех случаях, когда необходимо соединить две и более наложенных друг на друга детали.

   Особенности:

   -Не требуется точного  наведения на стык (его нет!)

   -Требования на  зазор между поверхностями металла  в зоне сварки остаются.

   Сварку ведут с  локальным прижимом деталей.

   - Мощность лазерного  луча определяется исходя из необходимости насквозь проварить верхний лист металла и нижний на глубину, равную приблизительно

   0.5-1 мм.

   -Прочность на отрыв  пропорциональна ширине шва на  верхней поверхности нижней детали  и длине шва. Иногда для увеличения  прочности применяется двойной  шов.

Описание  операции технологического процесса.

   Для проектировщиков  производств важно знать, что  лазерный луч может транспортироваться  на достаточные расстояния и  переключаться на несколько рабочих  постов. Существует вариант организации лазерной сварочной системы, в которой имеется три роботизированных сварочных поста для разных геометрий деталей. Такая архитектура выгодна, если процесс подготовки непосредственно к процессу сварки занимает большое время в сравнении с чистым сварочным временем. Это позволяет более полно загрузить самую дорогую часть системы - лазерный источник и ускорить окупаемость капитальных вложений.

   Из-за многообразия  сварочных геометрий в реальных  производствах мощное лазерное  оборудование обычно проектируется  по индивидуальному заказу, в  отличие от станков для лазерной  резки, которые обычно имеют  типовую схему и производятся  в серийном режиме. Тем не менее,  есть ряд типовых конфигураций  для сварки определенных классов  изделий 

 Наибольшую гибкость, но и максимальную стоимость  имеют системы на основе специальных  высокоточных "лазерных" роботов,  обеспечивающих произвольную траекторию  перемещения сварочной лазерной  головки в пространстве. Отметим,  однако, что подавляющее большинство  производственных задач может  быть решено с использованием  более простой робототехники.  По крайней мере, российским производственникам мы бы на основании своего опыта рекомендуем использование сравнительно недорогих узкоспециализированных сварочных стендов в комбинации с многопостовой архитектурой технологического участка.

а) Сварка непрерывным излучением - мощность лазерного излучения или  постоянна во времени, либо имеет  импульсный характер с частотой импульсов  порядка десятков килогерц

   б) Импульсная или  импульсно-периодическая сварка - в  этом случае частота лазерных  импульсов невелика 10-300 Гц, а энергия  каждого импульса значительна.

   По схеме сварки  можно выделить сварку встык,  внахлест, угловая и прочие варианты, отличающиеся взаимным положением деталей и лазерного луча.

   Кроме того, используются  целый ряд комбинированных видов  сварки, например, лазерно-дуговая сварка.

   Здесь идея состоит  в том, чтобы большую часть  энергии вкладывать не через  лазерный луч, а через дуговой  разряд. Эта технология чрезвычайно  эффективна для высокоскоростной  сварки небольших толщин металла.  Известно, что при высоких скоростях  дуга сама по себе ведет  себя нестабильно, поэтому лазерное  пятно нагрева является специальным  "стабилизатором дуги", так  как создает устойчивую точку  привязки дуги к металлу. За  счет такой комбинации удается  уменьшить капитальные затраты  на оборудование в несколько  раз.

Характеристика  применяемого оборудования.

Основные элементы лазера - это генератор накачки и активная среда. По активным средам различают  твердотельные, газовые и полупроводниковые  лазеры. В твердотельных лазерах (рис. 1) в качестве активной среды  чаще всего применяют стержни  из розового рубина - окиси алюминия А1₂О₃ с примесью ионов хрома Сг³⁺ (до 0,05 %). При облучении ионы хрома переходят в другое энергетическое состояние -возбуждаются и затем отдают запасенную энергию в виде света. На торцах рубинового стержня нанесен слой отражающего вещества (например, серебра) так, что с одного конца образовано непрозрачное, а с другого - полупрозрачное зеркало. Излучение ионов хрома, отражаясь от этих зеркал, циркулирует параллельно оптической оси стержня, возбуждая новые ионы, - идет лавинообразный процесс. Происходит бурное выделение лучистой энергии, которая излучается параллельным пучком через полупрозрачное зеркало и фокусируется линзой в месте сварки. Выходная мощность твердотельных лазеров достигает 10⁷ Вт при сечении луча менее 1 см². В фокусе достигается громадная концентрация энергии, позволяющая получать температуру до миллиона градусов.

Рис. 1. Схема твердотельного лазера:

1 - рубиновый стержень; 2 - генератор накачки; 3 - отражатель; 4 - непрозрачное зеркало; 5 - охлаждающая  среда; 6 - источник питания; 7 - полупрозрачное  зеркало; 8 - световой луч; 9 - фокусирующая  линза; 10 - обрабатываемые детали

При работе в импульсном режиме существенный недостаток твердотельного лазера - низкий КПД (0,01...2,0 %). Более высокую  мощность и больший КПД обеспечивают лазеры, работающие в непрерывном  режиме, например твердотельный лазер  на алюмоит-триевом гранате, активированном атомами неодима (приблизительно 1 %). 

Параметры технологического процесса.

Основные энергетические характеристики процесса лазерной сварки - это плотность Е мощности лазерного излучения и длительность t его действия. При непрерывном излучении t определяется продолжительностью времени экспонирования, а при импульсном - длительностью импульса. Превышение верхнего предела Е вызывает интенсивное объемное кипение и испарение металла, приводящее к выбросам металла и дефектам шва. На практике лазерную сварку ведут при Е=10⁶...10⁷ Вт/см².

При Е < 10⁵ Вт/см² лазерное излучение теряет свое основное достоинство - высокую концентрацию энергии. Изменение Е и t позволяет сваривать лазерным лучом различные конструкционные материалы с толщиной от нескольких микрометров до десятков миллиметров.

Скорость лазерной сварки непрерывным излучением в несколько  раз превышает скорости традиционных способов сварки плавлением. Например, стальной лист толщиной 20 мм электрической  дугой сваривают со скоростью 15 м/ч  за 5...8 проходов, ширина шва получается 20 мм. Непрерывным лазерным лучом  этот лист сваривается со скоростью 100 м/ч за 1 проход, получают ширину шва 5 мм. Однако лазерная сварка импульсным излучением по скорости сопоставима  с традиционными способами сварки.

Исходя из этого, можно  чказать, что сновными параметрами являются 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.

Контроль  качества технологического процесса.

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).

Заключение.

   За последнее время  в России и за рубежом были  проведены обширные исследования  в области квантовой электроники,  созданы разнообразные лазеры,а так же приборы, основанные на их использовании. Лазеры применяются в локации и связи, в космосе и на земле, в медицине и строительстве, в вычислительной технике и строительстве. Становление и развитие голографии также немыслимо без лазеров.

   Нам, молодому поколению,  нужно знать об этом интересном  приборе,переделывающем мир, как можно больше, и быть готовым к его использованию в учебной, научной и военной деятельности.

   Широкое применение лазерной сварки сдерживается экономическими соображениями. Стоимость технологических лазеров пока еще высока, что требует тщательного выбора области применения лазерной сварки. Однако, если применение традиционных способов не дает желаемых результатов либо технически неосуществимо, можно рекомендовать лазерную сварку. К таким случаям относится необходимость получения прецизионной (высокоточной) конструкции, форма и размеры которой не должны меняться в результате сварки. Лазерная сварка целесообразна, когда она позволяет значительно упростить технологию изготовления сварных изделий, выполняя сварку как заключительную операцию, без последующей правки или механической обработки. Экономически эффективна лазерная сварка, когда необходимо существенно повысить производительность, поскольку скорость ее может быть в несколько раз больше, чем у традиционных способов.

Список литературы.

   1. Журов Н.В., Мильруд С.Р. Некоторые технологические особенности лазерной

   сварки трубных  соединений // Использование высококонцентрированных

   источников энергии  в сварочном производстве: материалы  краткосрочного

   семинара 20 - 21 декабря.-Л.: ЛДНТП.- 1983.-С.34 - 40.

   2. Лазерная сварка  со сквозным проплавлением сталей  различных классов //

   А.Г.Игнатов, А.В.Козлов, А.И.Скрипчеко и др. // Автоматическая сварка. -

   1987, М 9.- С.26 - 29.

   3. СО2-лазеры в машиностроении. Перевод из журнала EuroLASER, 1997, №1 -

   Лазер-Информ, №127, август 1997.

   4. www.avia.ru

   5. Алемасов В.Е., Дрегалин А.Ф., Тишин А.П. Теория ракетных двигателей / Под ред. В.П. Глушко. М.: Машиностроение, 1980. 533 с.

   6. www.svarkainfo.ru

   7.  Глушко В.П. Развитие ракетостроения и космонавтики в СССР. М.: Машиностроение, 1987. 302 с.

   8. Добровольский М.В. Жидкостные ракетные двигатели. М.: Машиностроение, 1968. 396 с.

   9. Космонавтика. М.: Советская энциклопедия, 1985. 528 с.

   10. Основы  теории и расчета жидкостных  ракетных двигателей / Под ред. В.М. Кудрявцева. М.: Высшая школа, 1983. 703 с.