5.2. Лазерная сварка

Метод лазерной сварки обладает важными преимуществами по срав­нению с большинством других способов сварки.

Высокая плотность мощности излучения обеспечивает возможность сваривания тугоплавких материалов (вольфрам, тантал, молибден) и мате­риалов, обладающих большой теплопроводностью (медь, серебро). Крат­ковременность и локальность лазерного воздействия позволяют сваривать детали малой толщины (~ 10 мкм) и малых размеров при незначительном термическом воздействии на соседние участки. Большое значение имеют бесконтактность воздействия и возможность сварки в прозрачной газовой или жидкой среде.

Плавление под действием лазерного излучения представляет основной процесс, лежащий в основе лазерной сварки. При этом возможность сварки определяется, в первую очередь, используемыми материалами. Если материалы пригодны для лазерной сварки, то для обеспечения хорошего свар­ного соединения необходимо создать условия, при которых происходило бы опережающее плавление свариваемой детали больших размеров отно­сительно плавления свариваемой детали меньших размеров.

При лазерной сварке металлов световое пятно, получаемое на поверх­ности свариваемых деталей при фокусировке излучения, является поверх­ностным источником нагрева, т.к. излучение поглощается тонким поверх­ностным слоем толщиной в несколько сотых долей микрона. При значени­ях плотности мощности излучения, недостаточных для интенсивного ис­парения (q≈ 10⁵—10⁶ Вт/см² при длительности воздействия τ~ 10^-3-10^-2 с) передача тепла в глубину свариваемых материалов осуществляется в ос­новном за счет теплопроводности. При этом (теплопроводностный режим, рис. 5.1, а) форма зоны проплавления близка к шаровому сегменту.

Рис. 5.1. Режимы лазерной сварки: а) теплопроводностный режим, б) свар­ка с прогибом, в) режим кинжального проплавления

Если плотность мощности излучения достаточна для испарения мате­риала с поверхности образца (что обычно наблюдается при лазерной свар­ке), поверхность сварочной ванны прогибается под действием давления пара. При относительно малой плотности мощности излучения поверхно­стное натяжение расплавленного металла превышает силу давления паров, что препятствует выплеску расплава, т.е.

(5.3)

где толщина расплавленного слоя, /2 радиус кривизны на краю зоны расплава. При этом после окончания воздействия получения расплавленный металл заполняет образовавшееся углубление, но глубина пронлавлення увеличивается по сравнению с нагревом без заметного испа­рения. Форма зоны проплавления близка к конической (сварка с прогибом рис. 5.1. б).

При увеличении плотности мощности излучения до величины q ~ 5 • 10⁶ – 5 • 10⁷ Вт/см² в сварочной ванне образуется узкое глубокое от­верстие, металл из которого частично испаряется, частично вытесняется к периферии зоны воздействия давлением паров. При этом после окончания воздействия излучения отверстие заполняется расплавом из периферийной части области воздействия, где интенсивность излучения была недоск!-ючна для испарения расплава (режим кинжального или глубокою про­плавления. рис. 5.1, в).

Оценка глубины проплавления при сварке в отсутствии испарения может быть получена из решения краевой задачи теплопроводности одно­мерного нагрева материала (5.1).

Существуют следующие разновидности сварки: точечная и шовная. Точечная лазерная сварка эффективно применяется в микроэлектронной технологии на операциях сварки проводов, приварки проволок к контакт­ным площадкам и тонким пленкам, сварки тонких пластин. Шовная лазер­ная сварка производится с помощью лазеров, работающих и непрерывном режиме и в импульсно-частотном режиме методом перекрытия зон воз­действия.

Скорость шовной импульсной сварки определяется диаметром свар­ных точек d, коэффициентом их перекрытия p и частотой следования им­пульсов f:

(5.4)

При заданном коэффициенте перекрытия, от которого зависит качест­во шва, увеличение скорости сварки может быть достигнуто за счет увели­чения диаметра светового пятна или его вытягивания в направлении шва. Из-за ограничений, налагаемых теплопроводностью, высокие скорое!и сварки возможны лишь для тонких деталей.