3. Особенности процесса лазерной сварки
3.1. 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. 3.1 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. 3.1. 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.