Технологические особенности процесса лазерной сварки
Лазерную сварку можно производить со сквозным и с частичным проплавлением. Сварные швы одинаково хорошо формируются в любом пространственном положении. При толщине свариваемых кромок менее 0,1 мм и при сварке больших толщин с глубоким проплавлением по-разному происходит формирование шва и различны подходы к выбору параметров режима сварки. При сварке как непрерывным, так и импульсным излучением малых толщин используют более мягкие режимы, обеспечивающие лишь расплавление металла в стыке деталей без перегрева его до температуры интенсивного испарения. Сварку сталей и других относительно малоактивных металлов можно в этом случае выполнять без дополнительной защиты зоны нагрева, что существенно упрощает технологию, тогда как сварку с глубоким проплавлением ведут с защитой шва газом, состав которого подбирают в зависимости от свариваемого материала.
Основные параметры режима импульсной лазерной сварки - это энергия и длительность импульсов, диаметр сфокусированного излучения, частота следования импульсов, положение фокального пятна относительно поверхности свариваемых деталей. Длительность лазерного импульса должна соответствовать тепловой постоянной времени для данного материала, приближенно определяемой по формуле:
τ = δ2/(4α),
где δ и α - соответственно толщина и коэффициент температуропроводности свариваемого материала.
Значения τ для тонких деталей (δ = 0,1...0,2 мм) составляют несколько миллисекунд. Соответственно длительность импульса нужно выбирать, например, для меди 0,0001...0,0005 с, для алюминия 0,0005...0,002 с, для сталей 0,005...0,008 с. При увеличении δ более 1,0 мм τ возрастает и может значительно превосходить достижимую длительность лазерных импульсов. Поэтому лазерная сварка металлов толщиной более 1,0 мм импульсным излучением затруднена.
Диаметр сфокусированного излучения d определяет площадь нагрева и плотность мощности Е. При сварке d изменяют от 0,05 до 1,0 мм путем расфокусировки луча. При этом фокальную плоскость, на которой сфокусированный световой пучок имеет наименьший диаметр, располагают выше или ниже поверхности свариваемых деталей. Сварной шов при импульсном излучении образуется наложением сварных точек с их взаимным перекрытием на 30...90 % в зависимости от типа сварного соединения и требований к нему. Промышленные сварочные установки с твердотельными лазерами позволяют вести шовную сварку со скоростью до 5 мм/с при частоте импульсов до 20 Гц. Сварку можно вести с присадочным материалом в виде проволоки диаметром менее 1,5 мм, ленты или порошка. Использование присадки позволяет увеличивать сечение шва, устраняя один из наиболее распространенных дефектов - ослабление шва, а также легировать металл шва. Легирующие элементы при лазерной сварке можно также наносить предварительно на поверхности свариваемых кромок напылением, обмазкой, электроискровым способом и т.п.
Наиболее распространена лазерная сварка импульсным излучением в электронной и электротехнической промышленности, где сваривают угловые, нахлесточные и стыковые соединения тонкостенных деталей. Хорошее качество соединений обеспечивается сваркой лазерным лучом тонких деталей (0,05...0,5 мм) с массивными. В этом случае, если свариваемые детали значительно отличаются по толщине, в процессе сварки луч смещают на массивную деталь, чем выравнивают температурное поле и достигают равномерного проплавления обеих деталей. Чтобы снизить разницу в условиях нагрева и плавления таких деталей, толщину массивной детали в месте стыка уменьшают, делая на ней бурт, технологическую отбортовку или выточку (рис. 3). При лазерной сварке нагрев и плавление металла происходят так быстро, что деформация тонкой кромки может не успеть произойти до того, как металл затвердеет. Это позволяет сваривать тонкую деталь с массивной внахлестку. Для этого надо, чтобы при плавлении тонкой кромки и участка массивной детали под ней образовалась общая сварочная ванна. Это можно сделать, производя сварку по кромке отверстия в тонкой детали или по ее периметру.
Рис. 3. Сварные соединения деталей разной толщины:
а - по бурту на массивной и отбортовке на тонкой детали; б - тавровое соединение; в - по кромке выточки в массивной детали; г - по отверстию в тонкой детали. Стрелками показано направление лазерного луча
Детали малой толщины можно сваривать также газовыми и твердотельными лазерами непрерывного действия мощностью до 1 кВ-А. Лучше всего формируется шов при стыковом соединении тонких деталей. Однако при сборке таких соединений под лазерную сварку предъявляются более жесткие требования: должен быть обеспечен минимальный и равномерный зазор в стыке и практически полное отсутствие смещения кромок.
Сложнее формируется шов при сварке деталей толщиной более 1,0 мм с глубоким проплавлением. Как только плотность мощности лазерного излучения станет больше критической, нагрев металла будет идти со скоростью, значительно превышающей скорость отвода теплоты в основной металл за счет теплопроводности. На поверхности жидкого металла под действием реакции образуется углубление. Увеличиваясь, оно образует канал, заполненный паром и окруженный жидким металлом. Давления пара оказывается достаточно для противодействия силам гидростатического давления и поверхностного натяжения, и полость канала не заполняется жидким металлом. При некоторой скорости сварки форма канала приобретает динамическую устойчивость. На передней его стенке происходит плавление металла, на задней - затвердевание. Наличие канала способствует поглощению лазерного излучения в глубине свариваемого материала, а не только на его поверхности. Формируется так называемое "кинжальное проплавление". При этом образуется узкий шов с большим соотношением глубины проплавления к ширине шва.
Сварочная ванна (рис. 4) имеет характерную форму, вытянутую в направлении сварки. В головной части ванны расположен канал (кратер) 3. Это область наиболее яркого свечения. На передней стенке канала существует слой расплавленного металла, испытывающий постоянные возмущения. Здесь наблюдается характерное искривление передней стенки в виде ступеньки, которая периодически перемещается по высоте канала. Удаление расплавленного металла с передней стенки осуществляется при перемещении ступеньки сверху вниз. Перенос расплавленного металла из головной части ванны в хвостовую происходит по боковым стенкам в горизонтальном направлении. В хвостовой части ванны 4 расплавленный металл завихряющимися потоками поднимается вверх и частично выносится на поверхность сварочной ванны. При образовании канала 3 над поверхностью металла появляется светящийся факел 2, состоящий из продуктов испарения, мелких выбрасываемых из ванны капель металла и из частиц конденсированного пара.
Рис. 4. Схема сварочной ванны при лазерной сварке:
1 - лазерный луч; 2 - плазменный факел; 3 - парогазовый канал; 4 - хвостовая часть ванны; 5 - металл шва; 6 - свариваемый металл; Vсв - направление сварки
При значительной скорости сварки факел отклоняется на 20...600 в сторону, противоположную направлению сварки. Этот факел поглощает часть энергии луча и снижает его проплавляющую способность.
При сварке деталей толщиной более 1,0 мм на проплавляющую способность луча в первую очередь влияет мощность излучения. Поскольку сварка таких деталей ведется при непрерывном излучении, то к основным параметрам режима здесь относится и скорость сварки. При выбранном значении мощности излучения скорость сварки определяют исходя из особенностей формирования шва: минимальное значение скорости ограничено отсутствием кинжального проплавления, а максимальное - ухудшением формирования шва, появлением пор, непроваров. Скорость сварки может достигать 90...110 м/ч.
На качество сварных швов влияет фокусировка луча. Для сварки луч фокусируют в пятно диаметром 0,5...1,0 мм. При меньшем диаметре повышенная плотность мощности приводит к перегреву расплавленного металла, усиливает его испарение - появляются дефекты шва. При диаметре более 1,0 мм снижается эффективность процесса сварки. Формирование шва зависит также от положения фокальной плоскости относительно поверхности свариваемых деталей. Максимальная глубина проплавления достигается, если фокус луча будет находиться над поверхностью детали.
Форма сварочной ванны в продольном сечении также отличается от ее формы при дуговой сварке (рис. 5). На поверхности фронта кристаллизации имеется выступ, который делит ванну на две характерные части. Нижняя часть значительно заглублена и имеет малую протяженность в поперечном сечении, тогда как верхняя часть более широкая и вытянута вдоль шва. Отсюда очевидно, что при лазерной сварке имеют место два процесса проплавления металла. Первый процесс связан с образованием канала, как это было показано выше. Именно он обеспечивает эффект глубокого проплавления. Второй процесс - поверхностное плавление за счет теплопроводности свариваемого материала. Преимущественное развитие того или иного процесса зависит от режима сварки и определяет очертания сварочной ванны.
Рис. 5. Продольное сечение сварочной ванны
Высокая концентрация энергии, большая скорость лазерной сварки по сравнению с дуговыми способами, незначительное тепловое воздействие на околошовную зону вследствие высоких скоростей нагрева и охлаждения металла существенно повышают сопротивляемость большинства конструкционных материалов образованию горячих и холодных трещин. Это обеспечивает высокое качество сварных соединений из материалов, плохо свариваемых другими способами сварки. Существенно (до десяти раз) снижаются деформации сваренных деталей, что снижает затраты на правку.
При лазерной сварке с глубоким проплавлением металл шва защищают от окисления, подавая через сопло в зону сварки защитный газ. Применяют специальные сопла (рис. 6). Для сварки алюминия, титана и других высокоактивных металлов требуется дополнительная защита корня шва. Для защиты используют те же газы, что и при дуговой сварке, чаще это аргон, гелий или их смеси. Защитные газы влияют на эффективность проплавления: чем выше потенциал ионизации и теплопроводность газа, тем она больше. Качественную защиту можно обеспечить при расходе гелия 0,0005...0,0006 м3/с, аргона 0,00015...0,0002 м3/с, смеси, состоящей из 50 % аргона и 50 % гелия, - 0,00045...0,0005 м3/с. Для защиты зоны лазерной сварки можно использовать флюсы такого же состава, что и при дуговой сварке. Применяют их в виде обмазок, наносимых на свариваемые кромки.
Рис. 6. Схемы защитных сопел:
а - при сварке деталей малой толщины; б - при сварке с глубоким проплавлением; 1 - лазерный луч; 2 - свариваемые детали
Наиболее часто встречающиеся дефекты при лазерной сварке больших толщин - это неравномерность проплавления корня шва и наличие полостей в шве. Для снижения вероятности образования пиков проплавления при сварке с несквозным проплавлением рекомендуют повышать скорость сварки и отклонять лазерный луч от вертикали на 15... 17° по направлению движения луча. При сварке со сквозным проплавлением неравномерность проплава устраняют, применяя остающиеся или удаляемые подкладки.
Повысить эффективность процесса лазерной сварки можно, увеличивая проплавляющую способность луча. Перспективно применение для этого импульсных режимов сварки. При частоте импульсов 0,4... 1 кГц и при длительности импульсов 20...50 мс глубина проплавления может быть увеличена в 3...4 раза по сравнению с непрерывным режимом. При импульсном режиме КПД луча в 2...3 раза выше, чем при непрерывном. Однако импульсная сварка требует очень точной наводки луча на стык, более высокого качества подготовки кромок к сварке, а ее скорость в несколько раз уступает скорости сварки с непрерывным излучением.
Другой путь повышения эффективности - это подача в зону сварки дополнительного потока газа под давлением. Глубина проплавления при этом увеличится, но чрезмерное повышение расхода газа легко приводит к ухудшению формирования шва, появлению в нем пор, раковин, свищей. Затем газ начинает выдувать жидкий металл, процесс сварки переходит в резку. При сварке с несквозным проплавлением применяют разработанный в МГТУ им. Н. Э. Баумана способ импульсной подачи дополнительного газа. Это повышает глубину проплавления на 30...40 %, стабилизирует проплав. Эффективность процесса лазерной сварки можно повысить, вводя в зону сварки химические элементы, способствующие ионизации газа в зоне сварки и снижающие экранирующее действие факела. Это достигается нанесением на поверхности свариваемых кромок покрытий, содержащих элементы с низким потенциалом ионизации (калий, натрий).
Широкое применение лазерной сварки сдерживается экономическими соображениями. Стоимость технологических лазеров пока еще высока, что требует тщательного выбора области применения лазерной сварки. Однако, если применение традиционных способов не дает желаемых результатов либо технически неосуществимо, можно рекомендовать лазерную сварку. К таким случаям относится необходимость получения прецизионной (высокоточной) конструкции, форма и размеры которой не должны меняться в результате сварки. Лазерная сварка целесообразна, когда она позволяет значительно упростить технологию изготовления сварных изделий, выполняя сварку как заключительную операцию, без последующей правки или механической обработки. Экономически эффективна лазерная сварка, когда необходимо существенно повысить производительность, поскольку скорость ее может быть в несколько раз больше, чем у традиционных способов.
При изготовлении крупногабаритных конструкций малой жесткости или с труднодоступными швами, а также при необходимости соединения трудно свариваемых, в том числе разнородных материалов, лазерная сварка может оказаться единственным процессом, обеспечивающим качественные сварные соединения.