2. Основы технологии лазерной сварки

2.1. 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. 2.1).

Рис. 4.1. 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. 2.2, а, б, б).

Рис. 2.2. 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.