Особенности лазерной сварки

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

лазерный сварка расплавление металл

Не менее потрясающими оказались достижения в физике. Только за одно десятилетие на рубеже двух веков было сделано пять открытий. В 1895г. немецкий физик В. Рентген открыл новый вид излучения, названный позднее его именем; за это открытие он получил в 1901 г. Нобелевскую премию, став,таким образом, первым в истории нобелевским лауреатом. В 1896 г.французский физик Антуан Анри Беккерель открыл явление радиоактивности -- Нобелевская премия 1903 г. В 1897 г. английский физик Дж. Дж. Томсон открыл электрон и в следующем году измерил его заряд -- Нобелевская премия 1906 г. 14 декабря 1900 г. на заседании Немецко-физического общества Макс Планк дал вывод формулы для испускательнойспособности черного тела; этот вывод опирался на совершенно новые идеи, ставшие фундаментом квантовой теории -- одной из основных физических теорий XX века. В 1905 г. молодой Альберт Эйнштейн -- ему тогда было всего 26 лет -- опубликовал специальную теорию относительности. Все эти открытия производили ошеломляющее впечатление и многих повергали в замешательство -- они никак не укладывались в рамки существовавшей физики, требовали пересмотра ее основных представлений. Едва начавшись, 20-й век возвестил о рождении новой физики, обозначил невидимую грань, за которой осталась прежняя физика, получившая название «классическая».

И вот сегодня человек получил в своё распоряжение всемогущий луч лазера.

Лазерная сварка

Лазерной сваркой называют технологический процесс получения неразъемного соединения частей изделия путем местного расплавления металлов по примыкающим поверхностям. В качестве источника нагрева используют концентрированный поток излучения лазера. В результате плавления и кристаллизации возникает прочное сцепление (сварной шов), основанное на межатомном взаимодействии.

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.

Процесс бесконтактный, потому более чистый, чем другие виды сварки. Сварочный шов не загрязнен материалами электродов, флюса и т.д. Лазерная сварка происходит при высокой концентрации энергии, поэтому производительность сварки намного превышает производительность традиционных видов сварки. Поводки и термодеформации при лазерной сварке значительно меньше, чем при традиционных видах сварки.

Рисунок. Схема процесса лазерной сварки

Процесс сварки лазерным излучением весьма сложен и в настоящее время нет теоретической расчетной модели, описывающей его во всей полноте. Как правило, расчеты касаются какой-либо одной из физических характеристик процесса воздействия лазерного излучения на обрабатываемый материал.

Виды лазерной сварки:

Стыковая лазерная сварка

Характерные особенности :- Стык беззазорный, сварка без флюса и, как правило, без присадки. Довольно жесткие требования на величину зазора. Зазор должен быть менее 0.2 мм.

-Точность наведения сфокусированного луча на стык также 0.1-0.2 мм.

-Сварка проходит с формированием каверны (кинжальное проплавление) на всю толщину свариваемого металла.

-Фокусировка, как правило, - на поверхность металла.

-Оптимальная интенсивность лазерного изучения 1-МВт/см2, при большей интенсивности происходит экранирование лазерной плазмой поверхности детали.

-Глубина лазерной сварки при характерной скорости 2 м/мин составляет 1-1.5 кВт/мм.

-Ширина сварного шва уменьшается при увеличении скорости лазерной сварки и при скоростях больших 5 м/мин всего в 1.5-2 раза превышает размер сфокусированного лазерного луча. Зона термического воздействия при этом уменьшается значительно.

-Требуется защита шва от окисления с помощью инертного газа (Азот, Аргон), а также защита зоны сварки от пробоя лазерным излучением с помощью Гелия или гелий-содержащей смеси (He-Ar).

-Многопроходная лазерная сварка с присадочной проволокой и с разделкой кромок реализуется при большой толщине металла. Кромки разделывают под углом 10-15 градусов, а сварку ведут с помощью присадочной проволоки для заполнения металлом образовавшегося дефицита на глубину, равную Р кВт/мм (P-мощность лазерного луча), затем процесс повторяют до полного заполнения стыка.

Нахлесточная лазерная сварка

Применяется при изготовлении теплообменных панелей, а также в тех случаях тогда необходимо соединить две и более наложенных друг на друга детали.

Особенности:

-Не требуется точного наведения на стык (его нет!)

-Требования на зазор между поверхностями металла в зоне сварки остаются. Сварку ведут с локальным прижимом деталей.

- Мощность лазерного луча определяется исходя из необходимости насквозь проварить верхний лист металла и нижний на глубину, равную приблизительно 0.5-1 мм.

-Прочность на отрыв пропорциональна ширине шва на верхней поверхности нижней детали и длине шва. Иногда для увеличения прочности применяется двойной шов.

Примеры лазерной сварки:

1.Лазерная сварка высокоуглеродистых хромистых сталей

Рис.

Разработана технология лазерной сварки высокоуглеродистых хромистых сталей прошедших объемную термическую обработку. Лазерная сварка не требует предварительного подогрева, последующей термической и механической обработки. Твердость свариваемой стали HRCэ = 60. Геометрические размеры свариваемой детали сохраняются в поле допуска несколько микрон. Механические свойства сварного соединения соответствуют требования конструкторской документации Данная технология позволяет получать детали имеющие различные физико-технические свойства и внедрена в крупносерийном производстве для сварки детали компрессора домашнего холодильника. Свариваемая деталь состоит из шарика от шарикоподшипника, изготовленного из шарикоподшипниковой стали закаленной до HRCэ = 60.

Данная технология может быть использована в автомобильной, тракторной, судовой, инструментальной и других отраслях промышленности.

2. Лазерная сварка сталей прошедших химико-термическую обработку.

Рис.

Разработана технология лазерной сварки сталей прошедших химико-термическую обработку и в, частности, прошедших нитроцементацию. Технология лазерной сварки не требует предварительного подогрева, последующей механической, термической обработки и является окончательной сборочной операцией. Механические свойства сварного соединения соответствуют требования конструкторской документации. Данная технология разработана для сварки шестерен коробки передач автомобиля. Лазерная сварка позволяет заменить шлицевое соединение шестерен, что дает большой экономический эффект. Геометрия свариваемых деталей не выходит за поле допуска.

3. Лазерная сварка сталей пришедших термическую обработку.

Рис.

Разработана технология лазерной сварки сталей прошедших термическую обработку и имеющих твердость HRCэ = 55. Лазерная сварка не требует предварительного подогрева и последующей механической и термической обработки, то есть является окончательной сборочной операцией. Данная технологи внедрена в массовом производстве для лазерной сварки гидротолкателя автомобильной промышленности. Геометрия свариваемой детали находится в поле допуска нескольких микрон. Дефекты в сварном соединении отсутствуют. Механические свойства сварного соединения соответствуют требованиям конструкторской документации.

4. Лазерная сварка нержавеющих сталей

Рис.

Разработана технология лазерной сварки нержавеющих сталей. Данная технология внедрена для лазерной сварки штуцеров высокого давления. Наибольшее выдерживаемое давление 2000 атм. Применение: различные специальные области машиностроения, автомобильная, тракторная промышленность

5. Лазерная сварка сильфонов

Рис.

Разработана технология лазерной сварки сильфонов. Лазерная сварка позволяет значительно повысить качество сварного соединения. Области применения: судостроение, авиационная промышленность

6. Лазерная сварка конструкционных сталей

Рис.

Разработана технология лазерной сварки шестерни с валом коробки передач автомобиля. Лазерная сварка производится без предварительного подогрева и последующей термообработки, геометрия свариваемых деталей остается в поле допуска, последующая механическая обработка сваренной детали не требуется.

В развитии лазерной сварки выделяют два этапа. Вначале развивалась точечная сварка -- на основе импульсных лазеров на рубине и на стекле снеодимом. С появлением мощных СО2-лазеров и лазеров на гранате с неодимом, дающих непрерывное излучение или последовательность часто повторяющихся импульсов, стала развиваться шовная сварка.

Примеры точечной лазерной сварки: соединение никелевого контакта с зажимом из никелевого сплава на основании транзистора, приваривание тонких медных проводов друг к другу или к зажимам, взаимное соединение микроэлектронных компонентов. Шовная лазерная сварка непрерывным излучением мощностью около 100 Вт применяется для герметизации корпусов приборов, приваривания наконечников к лопастям газовых турбин и кромок из закаленной стали к полотнам металлорежущих пил и т. д. С помощью киловаттных лазеров производят автоматизированную шовную сварку кузовов автомобилей, корпусов судов, труб газопроводов и т.д. Для сварки деталей из стекла используютсялазеры мощностью 100 Вт, для сварки кварца -- мощностью до 300 Вт.

Лазерная сварка успешно конкурирует с известными способами сварки, например с электродуговой и сваркой электронным лучом. Она обладает весомыми преимуществами. При лазерной сварке нет контакта со свариваемым образцом, а значит, нет опасности загрязнения его какими-либо примесями. В отличие от электронно-лучевой сварки, для которой нужен вакуум, лазерная сварка производится в обычных условиях. Она позволяет производить быстро и с высокой точностью проплавление локально: в данной точке или вдоль данной линии. Зона, подвергающаяся тепловому воздействию, имеет очень малые размеры. Это важно, в частности, в тех случаях, когда сварка выполняется в непосредственной близости от элементов, чувствительных к нагреву.

Классификация процессов лазерной сварки

Здесь мы не претендуем на полноту классификации, нам важно представить более-менее полный спектр используемых вариантов процесса лазерной сварки. По типу лазерного источника. Для промышленных применений разработаны три основных типов лазеров: CO2-лазеры, это газовые лазеры, обычно работающие на смеси гелий-азот-углекислота. Лазеры отличаются по организации разряда, но самыми современными на настоящий момент являются лазеры с ВЧ-разрядом, в частности, так называемые щелевые лазеры (slabb lasers). Длина волны излучения этих лазеров - 10.6 мкм. Мощности излучения до десятков киловатт. YAG- лазеры, это твердотельные лазеры на алюмоиттриевом гранате. Они различаются по источнику накачки, ламповому или диодному. Лазеры с диодной накачкой (DPSS) достаточно дороги и для сварочных применений используются нечасто. Длина волны излучения этих лазеров - 1.06 мкм - ближний инфракрасный диапазон. Мощности излучения до 5-6 кВт. Волоконные лазеры. Это на настоящий момент самый новый тип лазеров со своеобразной конструкцией. В этих лазерах рабочим телом служит кварцевое оптоволокно, легированное редкоземельными металлами, а накачка выполняется лазерными диодами. Это же волокно используется для транспортировки излучения к сварочной головке, что чрезвычайно удобно. Мощности излучения до 5 кВт.

Основные режимы лазерной сварки:

а) Сварка непрерывным излучением - мощность лазерного излучения или постоянна во времени, либо имеет импульсный характер с частотой импульсов порядка десятков килогерц.

б) Импульсная или импульсно-периодическая сварка - в этом случае частота лазерных импульсов невелика 10-300 Гц, а энергия каждого импульса значительна.

По схеме сварки можно выделить сварку встык, внахлест, угловая и прочие варианты, отличающиеся взаимным положением деталей и лазерного луча.

Кроме того, используются целый ряд комбинированных видов сварки, например, лазерно-дуговая сварка.

Здесь идея состоит в том, чтобы большую часть энергии вкладывать не через лазерный луч, а через дуговой разряд. Эта технология чрезвычайно эффективна для высокоскоростной сварки небольших толщин металла. Известно, что при высоких скоростях дуга сама по себе ведет себя нестабильно, поэтому лазерное пятно нагрева является специальным "стабилизатором дуги", так как создает устойчивую точку привязки дуги к металлу. За счет такой комбинации удается уменьшить капитальные затраты на оборудование в несколько раз.

Качество и свойства лазерной сварки

С точки зрения теплофизических и металлургических процессов при лазерной сварке она имеет основной особенностью существенно меньшие времена плавления и кристаллизации металла, а также очень локальную зону термического влияния. Это приводит к особому режиму металлургических трансформаций металла, в частности, к образованию различных неравновесных структур в металле шва. В то же время многочисленные исследования и аттестации показали, что лазерная сварка отличается очень высокой технологической гибкостью и высоким качеством сварного шва [2]. Для множества конструкционных материалов свойства сварного шва не хуже свойств основного металла. Характерные фотографии образцов после испытаний приведены на фотографиях рис.4,5. Видно, что разрушение всегда идет по основному металлу. Технологическая гибкость лазерной сварки позволяет сваривать встык даже такие металлы и сплавы как нержавеющая сталь и медь, которые невозможно сварить между собой без нанесения переходных слоев.

Вторым технологическим прорывом можно считать начавшееся применение лазерной сварки алюминиевых сплавов в автостроении и авиастроении. Концерн Audi сваривает в серийной модели A2 около 20 метров шва корпуса лазером. А концерн Эрбас начал применять лазерную сварку для соединения стрингеров (продольных силовых элементов) с обшивкой при изготовлении нижней части фюзеляжа [4]. Последний факт особо примечателен - в авиации сварка алюминия почти не применялась из-за плохой статистики поведения и разрушения сварных швов, полученных традиционными методами сварки. Нужную статистику и надежность обеспечивала только клепка. Тот факт, что в новейшей модели A3XX решено использовать именно лазерную сварку говорит о многом, но главное о высоком качестве получаемых сварных соединений. Этот метод дает не только снижение веса соединений, но и значительно ускоряет процесс сборки по сравнению с клепкой. Лазерная сварка позволяет соединять с обшивкой до восьми метров стрингеров в минуту

Приведем перечень основных особенностей и преимуществ лазерной сварки: Высокая производительность процесса, характерные скорости сварки могут достигать 200-400 м/час, а при использовании лазернодуговой технологии и до 2000 м/час. Возможность сварки самого широкого спектра марок сталей, сплавов и материалов - от высоколегированных высокоуглеродистых марок стали до сплавов меди и титана, керамики и стекла.

Возможность сварки разнородных металлов. Отсутствие присадочных материалов

Возможность сварки встык листов металла достаточно большой толщины за один проход.

Отличные свойства металла шва и околошовной зоны, во многих случаях механические свойства металла шва не хуже свойств основного металла, а иногда и выше/ Малая ширина зоны термического влияния и малый уровень деформаций, примерно в 3-5 раз ниже, чем при дуговой сварке.

Возможность сварки в труднодоступных местах и разных пространственных положениях

Хорошая управляемость и гибкость процесса, возможность полной автоматизации Возможность транспортировки лазерного излучения от источника на значительные расстояния, а для волоконных лазеров и по оптическому световоду. Экологическая чистота процесса, определяется отсутствием флюсов и других сварочных материалов.

Источники

1. Журов Н.В., Мильруд С.Р. Некоторые технологические особенности лазерной сварки трубных соединений // Использование высококонцентрированных источников энергии в сварочном производстве: материалы краткосрочного семинара 20 - 21 декабря.-Л.: ЛДНТП.- 1983.-С.34 - 40.

2. Лазерная сварка со сквозным проплавлением сталей различных классов // А.Г.Игнатов, А.В.Козлов, А.И.Скрипчеко и др. // Автоматическая сварка. - 1987, М 9.- С.26 - 29.

3. СО2-лазеры в судостроении. Перевод из журнала EuroLASER, 1997, №1 - Лазер-Информ, №127, август 1997.

4. www.avia.ru

Размещено на Allbest.ru