1.6. Лазерне зварювання

Лазерне зварювання — історично одне з найперших застосувань лазерів у виробництві. Після появи імпульсних твердотілих лазерів вони майже відразу стали використовуватися для мікрозварювання в мікроелектроніці.

Процес лазерного зварювання заснований на ефекті глибокого проплавлення металу лазерним променем і в чомусь подібний до процесу електроннопроменевий зварювання. При впливі на поверхню металу концентрованого лазерного вивчення в результаті плавлення і кипіння металу утворюється каверна — парогазовий канал, який з точки зору теплової задачі є приблизно лінійним джерелом нагрівання. Лазерне зварювання, таким чином, може виконуватися в стик без використання присадних матеріалів і характеризується високою швидкістю процесу. У сучасних технологіях іноді все ж застосовують присадні матеріали для управління хімічним складом зварного шва і компенсації дефіциту металу при наявності зазорів, викликаних неточною збіркою і підгонкою.

Різновиди лазерного зварювання: точкова лазерне зварювання і шовна лазерне зварювання. Точкова лазерне зварювання використовується здебільшого в мікроелектроніці і дозволяє добитися високої точності при зварюванні мініатюрних елементів. Для точкового зварювання застосовуються, переважно, імпульсні твердотільні лазери з прецизійної механічної системою позиціонування. Шовна лазерне зварювання використовується дляотримання надійного механічного з’єднання і високої герметичності шва. Для шовного зварювання використовуються як лазери працюють в імпульсному режимі, так і в безперервному.

Рис. 1.11. Використання лазерного зварювання на практиці

Переваги лазерного зварювання: висока продуктивність; низька трудомісткість; високу якість зварних з’єднань; мінімальні зварювальні деформації (в 3-5 разів нижче, ніж при дугових способах зварювання); можливість вирішувати унікальні технологічні завдання — зварювати матеріали найширшого спектру — від високолегованих і високовуглецевих сталей до сплавів на основі міді і титану, пластмас, кераміки, скла і різноманітних сполук, у важкодоступних місцях і в різних просторових положеннях; можливість виконувати з’єднання різних типів, коли застосування традиційних способів зварювання просто виключено. Таким чином, лазерне зварювання в даний час є найбільш перспективною технологією зварювальних робіт.

Лазер (оптичний квантовий генератор) — пристрій, що генерує когерентні і монохроматичні електромагнітні хвилі видимого діапазону завдяки вимушеного випускання (розсіювання) світла атомами активного середовища. Лазерне випромінювання володіє цілим рядом особливих властивостей, які дозволяють використовувати його в різних галузях науки і техніки, і навіть у побуті. У промисловості лазери застосовують для лазерного різання, зварювання, пайки, різних матеріалів.

Основні елементи лазера — це генератор накачування і активне середовище. По активних середах розрізняють твердотільні, газові та напівпровідникові лазери. У твердотільних лазерах в якості активного середовища найчастіше застосовують стрижні з рожевого рубіна — окису алюмінію А12О3 з домішкою іонів хрому Сг3 + (до 0,05%). При опроміненні іони хрому переходять в інше енергетичне стан — збуджуються і потім віддають запасеніенергію у вигляді світла. На торцях рубінового стрижня нанесений шар відбиває речовини (наприклад, срібла) так, що з одного кінця утворено непрозоре, а з іншого — напівпрозоре дзеркало. Випромінювання іонів хрому, відбиваючись від цих дзеркал, циркулює паралельно оптичній осі стрижня, збуджуючи нові іони, — йде лавиноподібний процес. Відбувається бурхливе виділення променевої енергії, яка випромінюється паралельним пучком через напівпрозоре дзеркало і фокусується лінзою в місці зварювання. Вихідна потужність твердотільних лазерів досягає 107 Вт при перетині променя менше 1 см2. У фокусі досягається величезна концентрація енергії, що дозволяє отримувати температуру до мільйона градусів.

Для лазерного зварювання зазвичай використовуються такі типи лазерів: твердотілі і газові — з поздовжньою або поперечною прокачуванням газу, газодинамічні. Твердотілими лазерами у зв’язку з їх невеликою потужністю зварюються тільки дрібні деталі невеликої товщини, зазвичай об’єкти мікроелектроніки. Наприклад, приварюються найтонші висновки з дротів діаметром 0,01-0,1 мм, виготовлені з танталу, золота, ніхрому. Можлива точкове зварювання виробів з фольги з діаметром точки 0,5-0,9 мм. Лазерної зварюванням виконується герметичний шов катодів кінескопів сучасних телевізорів.

Більш потужними є газові лазери, в яких як активного тіла використовують суміш газів, зазвичай СО2 + N2 + Чи не. Газ з балонів прокачується насосом через газорозрядну трубку. Для енергетичного збудження газу використовується електричний розряд між електродами. По торцях газорозрядної трубки розташовані дзеркала. Електроди підключені до джерела живлення. Лазер охолоджується водяною системою. Недоліком лазерів з поздовжньою прокачуванням газу є їх великі габаритні розміри. Компактніші лазери з поперечною прокачуванням газу. Вони дозволяють досягти загальної потужності 20 кВт і більше, що дає можливість зварювати метали товщиною до 20 мм з досить високою швидкістю, близько 60 м / ч.

Найбільш потужними є газодинамічні лазери. Для роботи використовуються гази, нагріті до температури 1000-3000 К. Газ закінчується з надзвуковою швидкістю через сопло Лаваля, в результаті чого відбувається його адіабатичне розширення та охолодження в зоні резонатора. При охолодженні збуджених молекул вуглекислого газу відбувається перехід їх на більш низький енергетичний рівень з випусканням когерентного випромінювання.

Лазерну зварювання виробляють на повітрі або в середовищі захисних газів: аргону, вуглекислого газу. Вакуум, як при електронно-променевого зварювання, тут не потрібен, тому лазерним променем можна зварювати великогабаритні конструкції. Лазерний промінь легко управляється і регулюється, за допомогою дзеркальних оптичних систем легко транспортується і прямує у важкодоступні для інших способів місця. На відміну від електронного променя і електричної дуги на нього не впливають магнітні поля, що забезпечує стабільне формування шва. Через високу концентрацію енергії (в плямі діаметром 0,1 мм і менше) в процесі лазерного зварювання обсяг зварювальної ванни слабкий, мала ширина зони термічного впливу, високі швидкості нагріву та охолодження. Це забезпечує високу технологічну міцність зварних з’єднань, невеликі деформації зварних конструкцій. Наприклад, лазерне зварювання вилки з карданним валом автомобіля в порівнянні з дугового зварюванням збільшує термін служби карданної передачі в три рази, тому що більш ніж удвічі зменшується площа перетину зварного шва, в кілька разів-час зварювання. Деформації вилки, що викликають передчасне зношування, практично відсутні.

Основні енергетичні характеристики процесу лазерного зварювання — це щільність потужності лазерного випромінювання і тривалість його дії. При безперервному випромінюванні визначається тривалістю часу експонування, а при імпульсному — тривалістю імпульсу. Швидкість лазерного зварювання безперервним випромінюванням в кілька разів перевищує швидкості традиційних способів зварювання.

При значній швидкості зварювання факел відхиляється на 20 … 600 у бік, протилежний напрямку зварювання. Цей факел поглинає частину енергії променя і знижує його проплавлять здатність. При зварюванні деталей товщиною більше 1,0 мм на проплавлять здатність променя в першу чергу впливає потужність випромінювання. Оскільки зварювання таких деталей ведеться при безперервному випромінюванні, то до основних параметрів режиму тут відноситься і швидкість зварювання. При вибраному значенні потужності випромінювання швидкість зварювання визначають виходячи з особливостей формування шва: мінімальне значення швидкості обмежено відсутністю кинджального проплавлення, а максимальне — погіршенням формування шва, появою пір, непроварів. Швидкість зварювання може досягати 90 … 110 м / ч.

Найбільш часто зустрічаються дефекти при лазерної зварюванні великих товщин — це нерівномірність проплавлення кореня шва та наявність порожнин у шві. Для зниження ймовірності утворення піків проплавлення при зварюванні з некрізним проплавленням рекомендують підвищувати швидкість зварювання і відхиляти лазерний промінь від вертикалі на 15 … 17 ° у напрямку руху променя. При зварюванні з наскрізним проплавленням нерівномірність проплавити усувають, застосовуючи що залишаються або видаляються підкладки.

Широке застосування лазерного зварювання стримується економічними міркуваннями. Вартість технологічних лазерів поки ще висока, що вимагає ретельного вибору області застосування лазерного зварювання. Однак, якщо застосування традиційних способів не дає бажаних результатів або технічно нездійсненно, можна рекомендувати лазерну зварювання. До таких випадків належить необхідність отримання прецизійної (високоточної) конструкції, форма і розміри якої не повинні змінюватися в результаті зварювання. Лазерне зварювання доцільна, коли вона дозволяє значно спростити технологію виготовлення зварних виробів, виконуючи зварювання як заключну операцію, без подальшої правки або механічної обробки. Економічно ефективна лазерне зварювання, коли необхідно суттєво підвищити продуктивність, оскільки швидкість її може бути в кілька разів більше, ніж у традиційних способів.

При виготовленні великогабаритних конструкцій малої жорсткості або з важкодоступними швами, а також при необхідності з’єднання важко зварюються, в тому числі різнорідних матеріалів, лазерне зварювання може виявитися єдиним процесом, що забезпечує якісні зварні з’єднання.

Обладнання для лазерного зварювання є одним з найбільш перспективних рішень для отримання нероз’ємного з’єднання при обробці мініатюрних деталей з високою продуктивністю.