3.3. Тепловые процессы

Распространение теплоты в материале при сварке описывается по законам теплопроводности. В общем случае изменение температуры произвольной точки твердого тела во времени определяется нелинейным дифференциальным уравнением теплопроводности в частных производных, аналитическое решение которого затруднительно. При введении условия независимости теплофизических свойств материала от температуры дифференциальное уравнение сводится к упрощенному линейному виду, решаемому для ряда случаев в аналитической форме

Для расчета тепловых процессов следует правильно задать источник теплоты, соответствующий рассматриваемому случаю сварки. Как уже отмечалось, лазерный луч, используемый для сварки, отличается высокой степенью концентрации энергии на малом участке поверхности. Это дает основание считать, что в большинстве случаев лазерной сварки источник нагрева действует в очень малом объеме, который для удобства аналитического расчета представляется бесконечно малым объемом.

Для однопроходной лазерной сварки встык с полным проплавлением элементов малой и средней толщины (до 6...10 мм) обеспечивается так называемое “кинжальное” проплавление, практически равномерное по толщине. В этом наиболее распространенном случае лазерной сварки можно считать, что действует сосредото- ченный источник теплоты с равномерным распределением по толщине. Это так называемый линейный источник теплоты (рис. 3.3), сосредоточенный в бесконечно малом объеме равномерно по толщине (по линии О — O^).

.

Рис. 3.3. Расчетная схема линейного источника теплоты

При лазерной сварке с полным проплавлением отдельным импульсом источник теплоты представляется в виде мгновенного линейного.

При импульсно-периодическом лазерном воздействии процесс нагрева тела при сварке описывается непрерывно действующим источником теплоты, который представляется в виде серии действующих друг за другом мгновенных источников теплоты.

При лазерной сварке непрерывным излучением имеет место непрерывно действующий линейный источник. При лазерной сварке перемещающимся относительно деталей лучом в расчет вводится подвижный линейный источник (рис 3.4.).

Рис. 3.4. Изменение мощности лазерного излучения во времени:

а — импульсное воздействие; б — непрерывное излучение

4. Методы лазерной сварки и их физические особенности

4.1. Классификация методов лазерной сварки

Лазерной сваркой называется технологический процесс получения неразъемного соединения частей изделия путем местного расплавления металлов по примыкающим поверхностям. Источником нагрева (при расплавлении) служит сконцентрированный поток излучения квантового генератора. В результате плавления и кристаллизации возникает прочное сцепление (сварной шов), основанное на межатомном взаимодействии.

Исходя из данного определения, лазерную сварку относят к методам сварки плавлением. Этот метод входит в группу концентрированных источников энергии, таких, как сжатая дуга, плазма, электронный луч, отличающихся высокой плотностью энергии.

Для эффективного использования любого технологического процесса необходимо представлять его физическую сущность, энергетические и технологические возможности. Особенностью лазерной сварки является широкий диапазон варьирования режимов, обеспечивающих не только возможность сварки различных материалов толщиной от нескольких микрон до десятков миллиметров, но и осуществление принципиально различных механизмов проплавления. Для ориентации в таком многообразии возможностей лазерной сварки необходима классификация ее методов.

Все существующие методы лазерной сварки можно классифицировать по трем группам признаков.

Энергетические признаки. Наиболее общими энергетическими признаками, характеризующими метод сварки, являются плотность мощности Е, измеряемая в Вт/см², и длительность воздействия излучения t. Под длительностью воздействия понимается продолжительность времени экспозиции при непрерывном излучении и длительность импульса при импульсном излучении.

Плотность мощности, необходимая и достаточная для осуществления процессов сварки, лежит в диапазоне 10⁵...10⁷ Вт/см². Нижний предел ограничивается плотностью мощности менее 10⁵ Вт/см², так как в данном случае более эффективны и экономичны другие методы сварки, например дуга или газовое пламя. Верхний предел ограничивают процессы интенсивного испарения, которые приводят к выбросу металла, в результате чего возникают дефекты сварного шва.

Для осуществления того или иного процесса лазерной сварки необходимо определенное сочетание плотности мощности длительностью воздействия излучения на материал.В общем, возможны три основные группы сочетаний, охватывающие весь реальный диапазон технологических режимов лазерной сварки.

Первая группа — плотность мощности Е = 10⁵...10⁶ Вт/см² и длительность воздействия t> 10^-2. Этот диапазон относится к методам сварки с использованием непрерывного излучения лазера с различными длинами волн.

Варьирование сочетанием плотности потока с временем воздействия дает возможность применять разнообразные методы лазерной сварки в этой группе энергетических признаков. В частности, возможна сварка как малых, так и больших толщин практически всех конструкционных материалов, соединяемых сваркой плавлением.

Вторая группа — плотность мощности Е =10⁶...10⁷ Вт/см², длительность воздействия t<.10^-3. В данном диапазоне используются импульсно-периодические режимы сварки. Сочетание высокой плотности мощности с импульсностью многоразового воздействия излучения дает возможность осуществлять сварку с по-вышенной эффективностью проплавления. Частота следования импульсов в этом случае составляет десятки и сотни герц. На подобных режимах возможна сварка целого ряда металлов и сплавов различных толщин при меньших энергозатратах, чем при непрерывном излучении.

Третья группа — режимы с плотностью мощности Е = 10⁵...10⁶ Вт/см² и длительностью воздействия 10^-3 <t <.10^-2. Подобные условия создаются отдельными импульсами с длительностью в указанном диапазоне. Образование сварного соединения определяется временем воздействия импульса, т. е. существует ограниченная область расплавления, называемая точками. Сочетание плотности мощности и времени воздействия в указанных диапазонах дает возможность проплавлять только малые толщины. Энерговложение в данном случае регулируется таким образом, что температура поверхности материала не достигает точки кипения и процесс протекает только на стадии плавления.

Технологические признаки. Эти признаки делятся на две основные группы: сварка с глубоким проплавлением и сварка малых толщин.

Под лазерной сваркой с глубоким проплавлением понимается сварка материала толщиной более 1,0 мм. Процесс может осуществляться как в непрерывном, так и в импульсно-периодическом режиме излучения лазера. При непрерывном излучении за счет особого механизма проплавления можно получить узкие глубокие швы при скорости процесса 30...40 мм/с. Сварка по этому методу осуществляется мощными газовыми лазерами с непрерывным режимом излучения. Применяется только шовная сварка по различным геометрическим контурам.

В зависимости от конструкции свариваемых деталей, технологических требований и ряда других факторов возможно осуществление сварки со сквозным проплавлением и без сквозного проплавления. Сквозное проплавление находит более широкое применение при сварке листовых нагруженных конструкций, а несквозное проплавление часто используют для герметизации или для соединения тонких деталей с массивными. При необходимости возможна двусторонняя сварка при несквозном проплавлении каждого прохода.

Аналогично целому ряду традиционных методов сварки плавлением лазерная сварка может осуществляться в различных пространственных положениях, т. е. в нижнем положении, на вертикальной плоскости горизонтальным лучом или в потолочном положении. При этом возможна сварка как с перемещением изделия, так и с перемещением луча.

Сварка с глубоким проплавлением в импульсно-периодическом режиме отличается более высокой энергетической эффективностью проплавления по сравнению с непрерывной сваркой. Однако скорость сварки в этом случае на порядок ниже. Все перечисленные технологические особенности непрерывной сварки свойственны и импульсно-периодической сварке.

Особенности технологии, связанные с высокой скоростью процесса, прецизионностью и рядом других факторов, обусловливают возможность лазерной сварки с глубоким проплавлением только в автоматическом режиме.

Вторая группа технологических признаков объединяет методы, используемые для сварки материалов малых толщин, т. е. толщин менее 1,0 мм. Принципиальным отличием этих методов является сварка на режимах, обеспечивающих только плавление материала, без его интенсивного испарения. В этом случае применяется как непрерывный, так и импульсный режим излучения.

Для непрерывного режима излучения используются как газовые, так и твердотельные лазеры с мощностью излучения в непрерывном режиме до 1,0 кВт.

Импульсный режим осуществляется в основном твердотельными лазерами с энергией излучения от нескольких единиц до десятков джоулей.

Материалы малых толщин можно сваривать как непрерывными швами, так и отдельными точками. При непрерывном излучении используют шовную сварку, а при импульсном как шовную, так и точечную. Шов в данном случае формируется как перекрытие отдельно действующих точек, а сплошность его зависит от степени перекрытия.

Сварку деталей одинаковой толщины выполняют импульсно или в непрерывном режиме со сквозным проплавлением. При сварке внахлест тонких деталей с массивными можно применять несквозное проплавление массивной детали, т. е. тонкая деталь проплавляется насквозь, а массивная не проплавляется. Кроме того, несквозное проплавление может использоваться для скрепления двух массивных деталей при небольших нагрузках в процессе эксплуатации или для обеспечения герметичности.

В отличие от сварки с глубоким проплавлением при сварке малых толщин можно использовать как автоматическую, так и ручную сварку. В последнем случае вручную перемещается деталь, что бывает технологически удобно при получении прецизионных соединений в труднодоступных местах.

Безынерционность луча, высокая концентрация энергии и малое время воздействия позволяет осуществлять сварку в различных пространственных положениях практически без изменения геометрии проплавления, что существенно расширяет технологические возможности этого метода.

Экономические признаки. Интенсификация производства в современных условиях требует учета целого ряда экономических показателей при проектировании или внедрений того или иного технологического процесса.

Лазерная сварка с точки зрения ее классификации также имеет несколько наиболее существенных экономических признаков, характеризующих эффективность рассматриваемых методов.

Одним из таких признаков является скорость сварки. В общем случае скорость любого процесса в первую очередь определяет его производительность. Некоторые методы лазерной сварки, такие, как сварка непрерывным излучением, обладают исключительно высокими скоростями. Применение таких скоростей позволяет в 10... 15 раз увеличить производительность по сравнению с традиционными методами сварки плавлением.

Другим экономическим признаком является экономия материала. При массовом производстве деталей с большой протяженностью шва и глубиной проплавления 5...20 мм эта экономия может быть существенной из-за отсутствия необходимости разделки кромок и использования присадочной проволоки.

Возможность концентрации луча в пятно диаметром до 0,1 мм позволяет использовать такой экономический признак, как локальность обработки. В этом случае осуществляется экономное проектирование деталей с учетом сварки в крайне узкой зоне, а также в труднодоступных местах. Наиболее ярко это проявляется при использовании лазерной сварки в электронной промышленности при изготовлении прецизионных деталей при малой глубине проплавления.

По совокупности рассмотренных признаков лазерная сварка разделяется на:

1. непрерывную с глубоким проплавлением;

2. импульсно-периодическую с глубоким проплавлением;

3. непрерывную лазерную сварку малых толщин;

4. импульсную лазерную сварку малых толщин.

Используя данную классификацию, можно разработать технологический процесс для всех случаев, где необходимо применение лазерной сварки на существующем или вновь создаваемом лазерном технологическом оборудовании.

Рассмотрение технологии лазерной сварки в рамках такой классификации дает возможность детализировать каждый метод, раскрыть его особенности, достоинства и недостатки, а также показать наиболее эффективные области применения.