Лазерная сварка
Это сварка плавлением, при которой для нагрева используется энергия излучения лазера (название по первым буквам английской фразы, которая в переводе означает: усиление света посредством стимулированного излучения).
В соответствии с технологическими признаками классификации по виду источников света относится к световой сварке. Излучение лазера может быть сфокусировано в пятно диаметром несколько микрометров, что обеспечивает концентрацию энергии, в десятки раз превышающую концентрацию других сварочных источников.
Для сварки используют газовые и твердотельные лазеры. Газовые лазеры дают непрерывное излучение, а твердотельные — непрерывное или импульсное.
Твердый активный элемент (стержни из кристалла искусственного рубина, стекла с присадкой неодима, алюмоиттриевого граната с добавкой неодима) 2 размещают в резонаторе между двумя зеркалами 1 и 3. Зеркало 1 полностью отражает все падающее на него излучение, а зеркало 3 является полупрозрачным. Оптическая накачка активной среды осуществляется энергией газоразрядной лампы-вспышки 4 с источником питания 6. Для получения более эффективного облучения лампу 4 и активный элемент 2 помещают в кожух 5, на внутреннюю поверхность которого нанесено отражающее покрытие типа серебра. Кожух 5 имеет эллиптическую форму, а лампа и активный элемент размещаются в фокусах эллипса.
Мощность твердотельных лазеров относительно невелика и обычно не превышает 1–6 кВт. Твердотельными лазерами в связи с их небольшой мощностью свариваются только мелкие детали небольшой толщины, обычно объекты микроэлектроники. Например, привариваются тончайшие выводы из проволок диаметром 0,01–0,1 мм, изготовленные из тантала, золота, нихрома. Возможна точечная сварка изделий из фольги с диаметром точки 0,5–0,9 мм.
Более мощными являются газовые лазеры, в которых в качестве активного тела используют смесь газов, обычно СО2+N2+Не. Газ прокачивается насосом через газоразрядную трубку. Для энергетического возбуждения газа используется электрический разряд между электродами. Электроды подключены к источнику питания. По торцам газоразрядной трубки расположены зеркала.
Они позволяют достичь общей мощности 20 кВт и больше, что дает возможность сваривать металлы толщиной до 20 мм с достаточно высокой скоростью, около 60 м/ч.
Современные промышленные лазеры применяют для сварки, резки, наплавки, поверхностной обработки, прошивки отверстий и других видов обработки различных конструкционных материалов во многих специальных отраслях машиностроения.
Вакуум при сварке лазером не нужен, и ее можно выполнять на воздухе, в аргоне, гелии или углекислом газе даже на значительном расстоянии от генератора излучения.
Лазерный луч с помощью оптических систем легко транспортируется и направляется в труднодоступные места. При этом обеспечивается надежное и оперативное управление процессом лазерной сварки с регулируемыми энергетическими характеристиками. На лазерный луч в отличии от электронного луча, электрической дуги и плазмы не влияют магнитные поля, что позволяет получать устойчивое формирование сварного соединения. Благодаря высокой концентрации энергии в процессе сварки обеспечивается малый объем расплавленного металла и незначительные размеры зоны термического влияния.
Основные параметры режима. Основными параметрами луча лазера являются мощность, длительность импульса, диаметр светового пятна и положение фокуса относительно свариваемой поверхности. Количество световой энергии, поглощенной основным металлом, зависит от шероховатости и отражательной способности поверхности, которыми определяют потери энергии вследствие отражения светового потока. Эти особенности теплового воздействия обеспечивают минимальные деформации сварных конструкций.
Сварку деталей малых толщин до 1 мм выполняют в импульсном и непрерывном режимах. При этом плотность мощности выбирают в диапазоне 105...106 Вт/см2, а диаметр сфокусированного луча — от 0,05 до 1,0 мм. Скорость сварки в импульсном режиме определяется диаметром точки (диаметр сфокусированного луча), коэффициентом перекрытия (0,3...0,9) и частотой импульсов и может достигать 20 м/ч при частоте импульсов до 20 Гц.
При сварке с глубоким проплавлением основными параметрами режима являются мощность лазерного излучения, скорость сварки и параметры фокусирующей системы. Лазерное излучение фокусируется в пятно диаметром 0,5...1,0 мм и при мощности, выбранной из условия 1 кВт на 1 мм толщины металла, скорость при сварке сталей толщиной до 5 мм может достигать 100 м/ч.
Из параметров фокусирующей системы наиболее значимыми являются фокусное расстояние (обычно 120... 150 мм) и положение фокальной плоскости относительно поверхности свариваемых деталей. Максимальная глубина проплавления достигается при расположении фокуса под поверхностью детали на глубине, зависящей от толщины и состава свариваемого материала (для стали от 1,0 до 1,5 мм).