Лазерная сварка — исторически одно из первых применений лазеров в производстве. После появления импульсных твердотельных лазеров они почти сразу стали использоваться для микросварки в микроэлектронике.
Процесс лазерной сварки основан на эффекте глубокого проплавления металла лазерным лучом и в чем-то подобный к процессу електроннопроменевий сварки. При воздействии на поверхность металла концентрированного лазерного изучение в результате плавления и кипения металла образуется каверна — парогазовый канал, который с точки зрения тепловой задачи является примерно линейным источником нагрева. Лазерная сварка, таким образом, может выполняться в стык без использования присадочных материалов и характеризуется высокой скоростью процесса. В современных технологиях иногда все же применяют присадочные материалы для управления химическим составом сварного шва и компенсации дефицита металла при наличии зазоров, вызванных неточной сборкой и подгонкой. Узнать больше можно на страницах нашего специализированного сайта.
Разновидности лазерной сварки: точечная и шовная лазерная сварка лазерная сварка. Точечная лазерная сварка используется в основном в микроэлектронике и позволяет добиться высокой точности при сварке миниатюрных элементов. Для точечного сварки применяются, преимущественно, импульсные твердотельные лазеры с прецизионной механической системой позиционирование. Шовная лазерная сварка используется дляполучения надежного механического соединения и высокой герметичности шва. Для шовной сварки используются как лазеры работают в импульсном режиме, так и в непрерывном.
Рис. 1.11. Использование лазерной сварки на практике
Преимущества лазерной сварки: высокая производительность; низкая трудоемкость; высокое качество сварных соединений; минимальные сварочные деформации (в 3-5 раз ниже, чем при дуговых способах сварки); возможность решать уникальные технологические задачи — сваривать материалы широчайшего спектра — от высоколегированных и высокоуглеродистых сталей до сплавов на основе меди и титана, пластмасс, керамики, стекла и различных соединений в труднодоступных местах и в различных пространственных положениях; возможность выполнять соединения различных типов, когда применение традиционных способов сварки просто исключено. Таким образом, лазерная сварка в настоящее время является наиболее перспективной технологией сварочных работ.
Лазер (оптический квантовый генератор) — устройство, что генерирует когерентные и монохроматические электромагнитные волны видимого диапазона благодаря вынужденному выпуска (рассеивания) света атомами активной среды. Лазерное излучение обладает целым рядом особых свойств, которые позволяют использовать его в различных отраслях науки и техники, и даже в быту. В промышленности лазеры применяют для лазерной резки, сварки, пайки, различных материалов.
Основные элементы лазера — это генератор накачки и активная среда. По активным средам различают твердотельные, газовые и полупроводниковые лазеры. В твердотельных лазерах в качестве активной среды чаще всего применяют стержни из розового рубина — окиси алюминия А12О3 с примесью ионов хрома Сг3 + (до 0,05%). При облучении ионы хрома переходят в другое энергетическое состояние — возбуждаются и потом отдают запасеннуюэнергию в виде света. На торцах рубинового стержня нанесен слой отбивает вещества (например, серебра) так, что с одного конца образовано непрозрачное, а с другой — полупрозрачное зеркало. Излучение ионов хрома, отражаясь от этих зеркал, циркулирует параллельно оптической оси стержня, возбуждая новые ионы, — идет лавинообразный процесс. Происходит бурное выделение лучистой энергии, которая излучается параллельным пучком через полупрозрачное зеркало и фокусируется линзой в месте сварки. Выходная мощность твердотельных лазеров достигает 107 Вт при пересечении луча меньше 1 см2. В фокусе достигается огромная концентрация энергии, что позволяет получать температуру до миллиона градусов.
Для лазерной сварки обычно используются следующие типы лазеров: твердотельные и газовые — с продольной или поперечной прокачкой газа, газодинамические. 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. Лазерной сваркой выполняется герметичный шов катодов кинескопов современных телевизоров.
Более мощными являются газовые лазеры, в которых в качестве активного тела используют смесь газов, обычно СО2 + N2 + не. Газ из баллонов прокачивается насосом через газоразрядную трубку. Для энергетического возбуждения газа используется электрический разряд между электродами. По торцам газоразрядной трубки расположены зеркала. Электроды подключены к источнику питания. Лазер охлаждается водяной системой. Недостатком лазеров с поздовжнпоследним прокачкой газа являются их большие габаритные размеры. Более компактны лазеры с поперечной прокачкой газа. 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.
Наиболее мощными являются газодинамические лазеры. Для работы используются газы, нагретые до температуры 1000-3000 К. Газ истекает со сверхзвуковой скоростью через сопло Лаваля, в результате чего происходит его адіабатичне расширения и охлаждение в зоне резонатора. При охлаждении возбужденных молекул углекислого газа происходит переход их на более низкий энергетический уровень с испусканием когерентного излучения.
Лазерную сварку производят на воздухе или в среде защитных газов: аргона, углекислого газа. Вакуум, как при электронно-лучевой сварки, здесь не нужен, поэтому лазерным лучом можно сваривать крупногабаритные конструкции. Лазерный луч легко управляется и регулируется, с помощью зеркальных оптических систем легко транспортируется и направляется в труднодоступные для других способов места. В отличие от электронного луча и электрической дуги на него не влияют магнитные поля, что обеспечивает стабильное формирование шва. Через высокую концентрацию энергии (в пятне диаметром 0,1 мм и менее) в процессе лазерной сварки объем сварочной ванны слабый, малая ширина зоны термического влияния, высокие скорости нагрева и охлаждения. Это обеспечивает высокую технологическую прочность сварных соединений, небольшие деформации сварных конструкций. Например, лазерная сварка вилки с карданным валом автомобиля по сравнению с дуговой сваркой увеличивает срок службы карданной передачи в три раза, потому что более чем вдвое уменьшается площадь сечения сварного шва, в несколько раз-время сварки. Деформации вилки, вызывающих преждевременный износ, практически отсутствуют.
Основные энергетические характеристики процесса лазерного сварки — это плотность мощности лазерного излучения и продолжительность его действия. При непрерывном излучении определяется продолжительностью времени экспонирования, а при импульсном — длительностью импульса. Скорость лазерной сварки непрерывным излучением в несколько раз превышающей скоростьости традиционных способов сварки.
При значительной скорости сварки факел отклоняется на 20 … 600 в сторону, противоположную направлении сварки. Этот факел поглощает часть энергии луча и снижает его проплавлять способность. При сварке деталей толщиной более 1,0 мм на проплавлять 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 формирование шва: минимальное значение скорости ограничено отсутствием кинжального проплавления, а максимальное — ухудшением формирования шва, появлением пор, непроварів. Скорость сварки может достигать 90 … 110 м / ч.
Наиболее часто встречаются 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 некрізним проплавлением рекомендуют повышать скорость сварки и отклонять лазерный луч от вертикали на 15 … 17 ° в направлении движения луча. При сварке со сквозным проплавлением неравномерность проплавить устраняют, применяя остаются или удаляются подложки.
+Широкое применение лазерной сварки сдерживается экономическими соображениями. Стоимость технологических лазеров пока еще высока, что требует тщательного выбора области применения лазерного сварки. Однако, если применение традиционных способов не дает желаемых результатов или технически невыполнимо, можно рекомендовать лазерную сварку. К таким случаям относится необходимость получение 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 эффективная 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.
Оборудование для лазерной сварки являются одним из наиболее перспективных решений для получения неразъемного соединения при обработке миниатюрных деталей с высокой производительностью.