4. Глубина проплавления и дефектысварки
Точечную сварку импульсным лазером применяют для соединения мелких деталей. Сварные швы с глубоким проплавлением формируются при увеличении длительности импульса вблизи фокального пятна, образуемого с помощью системы фокусирующих линз. Тем не менее, максимальная глубина прочной точечной сварки обычно менее 1,5 мм или З мм в контролируемых условиях. Потому что в этих условиях легко образуется пористость, особенно в мелких сварных швах при очень кратком времени облучения и в глубоких швах, выполненных с помощью лазерного импульсом с прямоугольной формой фронта. Отсюда становится ясно, что, изменяя форму импульса на медленно возрастающую и падающую во времени мощность, можно достичь снижения разбрызгивания и уменьшения пористости. Сварные швы с глубоким проплавлением эффективно формируются при сварке непрерывными лазерами с высокой мощностью, Глубина проплавления сварных швов, получаемых при сварке материалов из нержавеющей стали с помощью волоконного лазера с пучками различных диаметров и мощностью 6 кВт и 10 кВт в среде защитного газа Ar, представлена на Рис.7. Во время сварки волоконным лазером высокой мощности глубокое проникновение может быть достигнуто даже с защитным газом Ar, хотя в этом случае глубина проплавления уменьшается за счет обратного тормозного поглощения, возникающего из-за образования газовой Ar плазмы, как и в случае применения СО2-лазерной сварки [3]. Глубина проплавления уменьшается также и с увеличением скорости сварки. Но на высоких скоростях она становится большие, если используется мощный узкий пучок. Становится понятно, что на низких скоростях доминирующим параметром становится мощность лазера. При скорости менее 3 м/мин (50 мм/с) глубина проплавления получится больше при 10 кВт, чем при лазере с мощностью 6 кВт. При низких скоростях сварки легко формируется пористость, в то время как при высоких скоростях пористость предотвращается. Но вспученность или разбрызгивание (в зависимости от меньшего или большего диаметра луча, соответственно) приводит к недостаточному наполнению. При определенных условиях легко образуются дефекты сварки, такие как пористость, трещины, вспученности, недостаточное наполнение и т.д.
Рис.7 Влияние диаметра пучка (плотности мощности) и скорости сварки на глубину проплавления шва (нержавеющая сталь типа 304, волоконный лазер: мощность 6 кВт и 10 кВт)
5. Особенности лазерной сварки различных материалов
5.1. Лазерная сварка алюминиевых сплавов
При сварке алюминиевых сплавов существуют фундаментальные проблемы, из-за которых надёжность сварки алюминиевых сплавов оказывается ниже, чем у сварки других промышленных металлов, таких, как сталь. Причина этого лежит в физических свойствах алюминиевых сплавов, особенно в их высокой теплопроводности, высокой отражательной способности и низкой вязкости. Коэффициент теплопроводности алюминиевых сплавов зависит от разных факторов, таких как температура, объем и природа легирующих элементов, а также от предварительной тепловой обработки сплава. На Рис.8 приведена теплопроводность при комнатной температуре некоторых алюминиевых сплавов в зависимости от лоли присутствуюших в них легирующих элементов.
Рис.8 Теплопроводность некоторых алюминиевых сплавов при комнатной температуре в зависимости от общего содержания легирующих элементов
Относительно высокие значения теплопроводности обеспечивают быстрый перенос тепла при воздействии лазерного луча на алюминиевые сплавы. Этот эффект становится существенным препятствием для сварки лазерным лучом, так как тепло распространяется по всему свариваемому элементу, снижал локализацию энергии только в сварочной ванне. Поэтому для алюминиевых сплавов требуется использовать излучение лазеров с более высокой мощностью, чем для других сплавов, так как нужна высокая скорость достижения температуры плавления в свариваемой зоне. Необходимо учитывать, что каждый легирующий элемент оказыват свое влияние на коэффициент теплопроводности.
Вторым важным фактором, ограничивающим применение сварку алюминиевых сплавов, является их высокая отражательная способность, Поглощение излучения алюминиевыми сплавами зависит от длины волны падающего излучения лазера. В любом случае независимо от источника лазерного излучения отражательная способность алюминиевых сплавов может превышать 80%, и эта величина тем выше, чем чище алюминиевый сплав. Высокая отражательная способность приводит к тому, что алюминиевые сплавы поглощают лишь малую долю падающего излучения.
Третьим фактором, ответственным за низкую свариваемость алюминиевых сплавов, является низкая вязкость материала ванны расплава, которая ограничивает расширение перед отвердением.