Сварка волоконными лазерами

Классификация приемов и способов лазерной сварки волоконными лазерами позволит более четко упорядочить существующее многообразие технологических процессов.

Введение

Объемы применения лазеров в промышленности постоянно растут [1]. Станки лазерной резки и маркировки можно встретить на многих металлообрабатывающих предприятиях. Выгода применения лазерных технологий очевидна: высокие скорости, точность и качество обработки, низкая себестоимость и высокая степень автоматизация труда делают процесс лазерной обработки экономически эффективным.
Появление в начале 2000‑х годов нового поколения лазеров диапазона мощностей излучения от 1 кВт и выше [2] на основе активного волокна легированного ионами иттербия, вызвало интерес к широкому их использованию и для других видов металлообработки: сварки, термообработки, наплавки, аддитивных технологий. Высокая мощность лазерного излучения до 100 кВт [3], возможность передачи излучения через транспортное волокно, высокий КПД (до 35 %), стабильность работы и простота в эксплуатации, отсутствие необходимости применения газов и других расходных элементов повысили экономическую целесообразность использования лазера в качестве источника нагрева для различных технологических процессов.

Начиная с 2000‑х годов в Европе, Японии, США технологии лазерной сварки на базе волоконных лазеров активно развиваются и внедряются в промышленность. В автомобилестроении, вагоностроении, машиностроении и авиационной промышленности применяется лазерная (гибридная) сварка, обеспечивающая высокий уровень автоматизации производства, а получаемые соединения, выполненные посредством лазера, имеют высокое качество.

Лазерная сварка активно исследуется и периодически внедряется на заводах такими организациями как МГТУ им. Н. Э. Баумана (Москва), Политехнический университет (Санкт-Петербург), ИПЛИТ РАН (Шатура) и другими, однако широкого распространения в России технология лазерной сварки пока не получила. Во многом это связано со сложившейся экономической ситуацией в стране и неспособностью предприятий внедрять новые технологии, а также с недостаточной осведомленностью технологов и главных сварщиков предприятий о современных возможностях лазерной сварки.

Цель данной работы — показать все имеющиеся лазерные технологии и способы на сегодняшний день, структурировать и классифицировать имеющуюся информацию.

Классификация технологии лазерной сварки

С появлением волоконных лазеров технология лазерной сварки получила второе дыхание. Те области, где ее применение было затруднено и казалось невозможным, стали доступны. За последние 10 лет технология лазерной сварки значительно развилась и дополнилась технологическими приемами и способами. Так, возможна следующая классификация:
1. По форме (геометрии) получаемого сварного шва;
2. По количеству проходов;
3. По виду фокусного пятна;
4. По виду присадочного материала;
5. По наличию дополнительных источников нагрева;
6. По виду сварных швов;
7. По типу оптических сварочных головок;

8. По типу защиты сварного шва
Схематически классификация лазерной сварки представлена на рис. 1.

Рис. 1. Классификация технологии лазерной сварки

Классификация по форме проплавления

По форме можно различить три вида сварных лазерных швов: с глубоким проплавлением, средним и широким. Коэффициент проплавления K, отношение глубины сварного шва b к ширине a у сварных швов с глубоким проплавления равен более двух, у средних находится на уровне от 1 до 2, и у широких равен или менее 1 (рис. 2).

Рис. 2. Виды сварных соединений, выполненных методом лазерной сварки

Рис. 3. Образец лазерной сварки с глубоким проплавлением k = 4: P = 5.4 кВт, V = 0,9 м/мин, δ = 12 мм [5].
Получение шва с глубоким проплавлением (рис. 3) возможно благодаря феномену парогазового канала, который возникает в жидкой ванне расплаве [4]. Такие сварные швы выполняются, как правило, на скоростях от 1 м/мин, фокус находится ближе к поверхности свариваемых деталей или немного заглублен. В результате получения максимальной плотности мощности на поверхности изделия сварной шов приобретает глубокое «кинжальное» проплавление на рис. 2.
Технология лазерной сварки с формированием глубокого «кинжального» проплавления может быть использована при обеспечении беззазорной сборки между свариваемыми кромками. Такие жесткие требования могут быть выполнены только при наличии ровных (фрезерованных) кромок и точной геометрии заготовок. Наличие даже минимального зазора между свариваемыми кромками (0,1–0,2 мм) будет вносить в геометрию сварного шва дефекты.

    а)                                б)                                  в)
Рис. 4. Образец лазерной сварки со средним и широким формированием шва, толщиной 6 мм: а) лазерная сварка в среде защитного газа К=1,4, б) лазерная сварка с присадочной проволокой, в) пример сварного шва с широким формированием шва К=1

Для уменьшения требований к сборке свариваемых кромок разработаны технологические режимы, для которых типично получение более широких сварных швов (рис. 4) с меньшими требованиями к качеству сборки кромок. Одним из самых простых способов для получения широкого шва является сварка в расфокусе. При этом требуемая глубина проплавления регулируется скоростью сварки и увеличением мощности лазерного излучения. Феномен парогазового канала при таком режиме остается, но ширина шва увеличивается. Такие сварные соединения снижают требования к величине зазора между кромками и составляют в среднем до 10 % от толщины свариваемого материала. Увеличение диаметра пятна на поверхности и объема жидкой ванны расплава позволяет вести сварку с подачей присадочной проволоки, требования к величине зазора снижаются до 15–20 % от толщины материала. Другим способом увеличения ширины является применение различных специализированных фокусных пятен, речь о которых пойдет ниже.

Для получения максимально широкого сварного шва еще больше снижают скорость сварки, увеличивают диаметр пятна на поверхности за счет расфокусировки с одновременным увеличением мощности лазерного излучения. У таких швов глубина проплава может быть меньше, чем ширина шва. Такие сварные соединения могут быть использованы для получения несквозных, облицовочных сварных швов, а также для компенсации неточностей сборки деталей перед сваркой или влияния поводок, возникающих в ходе самой сварки.

Классификация по количеству проходов

Лазерная сварка обычно выполняется за один проход, без разделки кромок, с высокими скоростями ведения процесса и это, бесспорно, считается преимуществом. Такая технология применяется для сварки, например сталей, толщин до 10 мм без возникновения каких-либо технологических проблем. Увеличение толщины свариваемых изделий (уже свыше 12 мм) приводит к повышению вероятности появления дефектов в сварном шве, таких как провалы, подрезы, поры, полости, трещины.

Причины появления дефектов следующие: при увеличении толщины свариваемых изделий (свыше 16 мм) прямопропорционально увеличивается мощность лазерного излучения, для обеспечения сквозного проплавления, снижается и скорость сварки, в результате чего объем жидкой ванны расплава становится больше и процессы происходящие в ней становятся менее управляемыми.
Так, при достижении определенного объема жидкого металла силы поверхностного натяжения уже не могут удерживать ванну расплава и жидкий металл вытекает каплями снизу, образуя недостаток материала сварного шва сверху. Для устранения подобных дефектов авторы [6] предлагают гибридизировать процесс и использовать медные и флюсовые подкладки.
При увеличенном объеме жидкой ванны расплава перенос металла в заднюю часть расплава происходит не за один цикл, а за несколько, прежде чем металл успеет кристаллизоваться. Периодические раскачивания жидкого металла в ванне расплава назад и вперед снижает стабильность процесса сварки, металл, попадая под лазерный луч, всхлапывает парогазовый канал и приводит к появлению дефектов.
Следует также отметить, что однопроходная сварка больших толщины ведет к образованию срединных трещин (полостей) независимо от склонности материала к растрескиванию (рис. 5) вследствие термической усадки материала и высоких скоростей охлаждения.

Рис. 5. Проплавление по телу пластины глубиной 20 мм, выполненное волоконным лазером на мощности 30 кВт, со скоростью 1 м/мин, материал сталь 3 [5]

Рис. 6. Сварное соединение, выполненное за два прохода с двух сторон [5]

Для таких случаев технологами разрабатываются специальные методы лазерной сварки с применением дополнительных технологических приемов и способов: в горизонтальном положении, на медной подкладке, с поддувом парогазового канала, с предварительным введением компенсационных напряжений в конструкцию.

Другим таким методом является сварка за два прохода с двух сторон. При первом проходе формируется основной шов с качественным формированием корня шва, при втором проходе формируется верх шва (рис. 6). Скорость сварки при этом сохраняется высокой, поэтому выполнение второго прохода существенно не снижает производительности.
При увеличении толщины свариваемых изделий свыше 20 мм может применяться технология многопроходной лазерной сварки в узкую разделку [7]. Такая технология сварки последние годы активно исследуется и начинает применяться в различных отраслях промышленности. Преимущества технологии по отношению к дуговой сварке больших толщин в широкую разделку следующие: увеличение производительности в 5–8 раз, снижение объема фрезеровки в 10 раз, снижение остаточных напряжений и деформация в 3 раза [8], снижение зоны термического влияния, экономия присадочного материала и электроэнергии. Преимущества по отношению к однопроходной лазерной сварке следующие: не требуется большая мощность лазерного излучения, снижается вероятность появления дефектов, особенно в виде трещин, повышение стабильности процесса.

Классификация по виду фокусного пятна

Технология лазерной сварки обычно осуществляется с применением одного лазерного излучения, которое фокусируется в нужный диаметр пятна при помощи выпуклой линзы, установленной в оптической сварочной головке. В случае применения волоконных лазеров применяется коллимирующая линза, для того чтобы расходящееся лазерное излучение собрать в параллельный пучок. Такая схема используется в большинстве станков для лазерной сварки, и она формирует круглое фокусное пятно, которое пригодно для решения большинства задач.
Однако в некоторых случаях для решения конкретных технологических задач могут применяться и специализированные фокусирующие системы. Так, для уменьшения требований к зазорам могут применяться сканирующие системы, позволяющие колебать лазерный луч около оси распространения излучения. Ключевыми параметрами в задании колебаний являются амплитуда, частота и фаза колебаний, в частности, гармонические, круговые (рис. 4, 8, 9).

а)    б) 

 в)  г)
Рис. 7. Макрошлиф сварного соединения, полученного методом многопроходной лазерной сварки: а) сталь 09 Г2 С толщиной 25 мм; б) алюминиевый сплав АМг3 толщиной 30 мм, в) титановый сплав ВТ‑1 толщиной 20 мм, г) титановый сплав ВТ‑1 толщиной 40 мм [5]

а)б)

 Рис. 8. Типы сканирования лазерного излучения

 

а) б)
Рис. 9. Влияние кругового сканирования на геометрию сварного шва: а) без сканирования; б) с круговым сканированием [5]

Рис. 10. Внешний вид сварочной головки IPG FLW D50 с модулем двойного фокуса [5]

Помимо сканирования разработаны системы для расщепления лазерного излучения (TwinFocus, Duаl Focus — рис. 10). Двойные фокусные пятна используются как для уменьшения требований к зазорам за счет увеличения ширины сварного шва [8], так и для стабилизации процессов в парогазовом канале и уменьшения количества пор [9]. В первом случае фокусные пятна расположены поперечно сварному шву, во втором случае линейно вдоль сварного шва.
Помимо специализированных оптических систем используются два или более лазеров, излучение которых фокусируется на поверхности свариваемых изделий по различным схемам. Двухлучевая лазерная сварка является более гибким инструментом в отличие от систем расщепления лазерного луча. Взаимное расположение фокусных пятен, углов подачи лазерного излучения позволяют регулировать различные процессы, возникающие в парогазовом канале, жидкой ванне расплава во время сварки и управлять скоростью кристаллизации и охлаждения сварного шва [10].

Классификация по применению присадочного материала

Присадочный материал в виде проволоки при лазерной сварке может использоваться при формировании средних по ширине сварных швов. Присадочная проволока обычно подается в переднюю часть жидкой ванны расплава либо в холодном, либо в горячем состоянии. Разогрев проволоки осуществляется путем резистивного нагрева и регулируется величиной тока, протекающего в проволоке. Добавление присадочного материала позволяет сформировать усиление с лицевой поверхности соединения, а также производить легирование металла шва.
Другим способом осуществить присадку возможно при помощи тонких пластин (проставок) из определенного материала, которые в процессе подготовки соединения под сварку фиксируются между свариваемыми кромками (рис. 11). Способ предпочтителен при соединении трудносвариваемых сталей и разнородных материалов. В зависимости от толщины вставки (до 1 мм) можно сформировать на всю глубину отличный по составу сварной шов, состоящий из смеси основного и присадочного материалов.

Рис. 11. Пример сварного соединения, выполненного лазерной сваркой по вставке волоконным лазером: марка сталь 40, толщина 8 мм, скорость сварки 1 м/мин, мощность лазерного излучения 9,5 кВт [5]

 

а)   б)
Рис. 12. Лазерное сварное соединение, полученное волоконным лазером с присадочным порошком и с линейным сканированием: скорость сварки 1,5 м/мин, мощность лазерного излучения 7 кВт. а) макрошлиф с измерением микротвердости HV0.1 б) микроструктура зоны сплавления, увеличение 50х [5]
Следует отметить, лазерная сварка может осуществляться с присадочным материалом в виде порошка. Данный способ возможно применять для устранения плавающих зазоров между свариваемыми кромками, когда порошок предварительно засыпается в имеющийся зазор. Величина зазора в этом случае может составлять 1,5–2 мм. При помощи порошка также можно осуществлять легирование сварного шва. Так, на рис. 12 представлено сварное соединение, сварной шов которого состоит из никелевого сплава и имеет аустенитную структуру, тогда как основной металл имеет ферритную структуру.

Классификация по наличию дополнительных источников нагрева

Начиная с 80‑х годов лазерный источник нагрева начали применять одновременно с дуговым, назвав технологию комбинированным методом лазерной сварки и дуговым плавящимся электродом (MIG) [11]. Сейчас эта технология стала достаточно популярной и получила название гибридной технологии лазерной сварки.
Гибридизация процесса может быть как с дуговым процессом, плазменным и с другими источниками тепла. Если два источника находятся достаточно близко друг от друга, то происходит объединение двух источников энергии в одной жидкой ванне расплава и возникает синергетический эффект, т. е. увеличение глубины проплавления. Если два источника разнесены на определенное расстояние, то синергетического эффекта не происходит, то есть процесс становится комбинированным.
В этом случае добавление второго источника тепла носит другие конкретные функции. Так, например, наличие дугового источника, который идет впереди лазерного излучения, позволяет произвести предварительный подогрев изделия и увеличить поглощательную способность материала. Если дуговой источник идет позади лазерного излучения, то дуговой процесс влияет на температуру охлаждения жидкого металла, делая термическим более мягким, в результате чего лазерная сварка может применяться для трудносвариваемых материалов, также дуговой процесс может использоваться для устранения геометрических дефектов верха сварного шва.
Помимо дуги к лазерному источнику для решения конкретных технологических задач могут добавлять плазму, световое пятно, индукционный подогрев. Последнее позволяет проводить предварительный подогрев свариваемых кромок, что позволяет проводить сварку трудносвариваемых сталей с повышенным углеродным эквивалентом [12].

Классификация по виду сварных швов

Известно, что лазерной сваркой можно выполнять различные типы сварных соединений: стыковые, внахлест, угловые, тавровые и т. д. Однако помимо типовой классификации лазерные сварные соединения можно классифицировать также по виду сварных швов: непрерывные, точечные и коротко-шовные.
Мощными волоконными лазерами непрерывного действия обычно выполняют непрерывные продольные швы. Такие сварные соединения наиболее часто используются для сварки ответственных сварных конструкций, для обеспечения герметичности конструкций.
Для сварки менее ответственных конструкций применяют точечную лазерную сварку, такая технология используется при сварке импульсными твердотельными лазерами.
Короткошовная лазерная сварка применяется для сварки тонколистового материала в автомобильной промышленности. В частности, разработана специализированная клещевая сварочная головка для сварки тонкостенных конструкций, которая уже применяется на ряде автомобильных заводов [13] (рис. 13).

Рис. 13. Устройство клещевой лазерной коротко-шовной сварки типа [5]

В сравнении с контактной сваркой данный способ сварки позволяет уменьшить вес кузова автомобиля, что достигается путем изменения ширины фланцев под сварку с 16 до 8 мм, а также применением новых типов сварных соединений [14]. Следует также отметить, что лазерная сварка оказывает минимальное воздействие на оцинкованное покрытие вокруг сварного шва и в некоторых случаях позволяет производить сварку без выхода сварного шва с лицевой стороны.

Классификация по виду оптических сварочных головок.

Сварочные головки обычно различают по типу оптических элементов: проходного и зеркального типа. Но для самой технологии лазерной сварки большее значение имеют параметры оптической системы, фокусные расстояния коллимирующей и фокусирующей линз, которые для сварочного процесса подбираются конкретно для решения той или иной задачи.
Так, в зависимости от основного параметра оптической системы — фокусного расстояния фокусирующей линзы можно различить три вида сварочных головок: короткофокусные, среднефокусные и дальнофокусные. К короткофокусным системам можно отнести системы с фокусным расстоянием до 200 мм. К среднефокусным — от 200–600 мм. К длиннофокусным — от 600 мм и выше.
Короткофокусные системы выгодно использовать для сварки тонкостенных изделий (до 2–3 мм), не требующих больших мощностей лазерного излучения. Процесс сварки в этом случае идет без образования значительных брызг и плазмы.
Среднефокусные системы используются для сварки толщин более 3 мм, в этом случае используются лазерные источники с большей мощностью и увеличение фокусного расстояния позволяет уменьшить риск попадания брызг и искр на оптические элементы сварочной
головки.
Длиннофокусные системы используются для сварки небольших толщин с применением волоконных лазеров мощностью до 10 кВт либо для сварки сверхбольших толщин с использованием лазеров, имеющих мощность до 100 кВт. Так, получила распространение технология удаленной лазерной сварки (рис. 14). Для этих целей специально разработаны мощные сканеры, позволяющие независимо от манипулятора производить запрограммированные движения лазерным лучом, что позволяет увеличить производительность процесса сварки. Технология нашла применение в автомобильной промышленности для сварки различных штампованных изделий.

Рис. 14. Устройство удаленной лазерной сварки [5]

Классификация по типу защиты сварного шва от окружающей среды

Обычно лазерную сварку волоконными лазерами осуществляют в среде защитного газа аргон, как наиболее дешевого инертного газа. Длина волны волоконных лазеров 1065–1085 нм не поглощается аргоном. Однако приповерхностная плазма все равно присутствует, т. к. во время сварки аргон смешивается с парами металла и происходит ионизация. При повышении мощности лазерного излучения (свыше 5 кВт) приповерхностная плазма увеличивается, прозрачная плазма для лазерного излучения волоконного лазера уменьшается из-за наличия различных примесей, что вносит видимые искажения в процесс фокусировки лазерного излучения.
Для подавления плазмы и увеличения стабильности лазерной сварки возможно применение различных смесей инертных газов: аргон + гелий. Добавление гелия позволяет уменьшить размер приповерхностной плазмы, снизить ее температуру и увеличить прозрачность для лазерного излучения, тем самым повысить стабильность процесса сварки.
Для решения узкоспециализированных задач, например, для увеличения глубины проплавления, производительности или для уменьшения вероятности появления количества дефектов в сварном шве добавляют активные газы: углекислоту, кислород, водород или азот.
Так, кислород, попадая в большом количестве в сварной шов, однозначно ухудшает прочность сварного шва, так как появляются оксиды, которые выпадают по границам зерен кристаллов, что в конечном счете увеличивает вероятность появления горячих и холодных трещин. Однако добавления кислорода в защитный газ в лимитированном размере позволяет стабилизировать парогазовый канал, в результате чего снижается количество внутренних дефектов в виде пор. Углекислота оказывает аналогичное влияние [15].
Небольшое количество азота в защитном газе на некоторых сталях, которые содержат такие легирующие элементы, как марганец, титан, молибден, оказывает положительное воздействие. Образование нитридов увеличивает прочность сварного шва с уменьшением пластичности.
Другим методом защиты сварного шва является применение сварочного флюса, который может использоваться сверху для защиты сварного шва от взаимодействия с окружающей средой, так и снизу в виде флюсовой подушки для поддержания жидкой ванны расплава и для защиты от окисления.
Также на неответственных конструкциях при лазерной сварке защитный газ не применяется. Так, для сварки низкоуглеродистых сталей, используемых в автомобильной промышленности, для уменьшения себестоимости погонного метра сварки защита не применяется.
Следует также отметить, что лазерная сварка, также как и сварка электронным лучом, может производиться в вакууме. На рынке доступны станки для лазерной сварки трансмиссий автомобилей в вакууме [16]. Лазерный источник в этом случае работает как полноценная замена электронно-лучевой пушке. При этом не требуется обеспечивать глубокий вакуум.

Заключение

1. Предложенная классификация лазерной сварки по восьми признакам позволяет упорядочить то многообразие технологических процессов, имеющихся в области лазерной сварки.
2. Лазерная сварка на базе волоконных лазеров является гибким многообразным процессом, и в зависимости от поставленных задач могут применяться и разрабатываться новые способы сварки.

Литература
1. DAVID A. BELFORTE Fiber lasers continue growth streak in 2014 laser market//Industrial laser solution. — 2015. — № 1. — С. 5–13.
2. Gapontsev V. et al. 2 kW CW ytterbium fiber laser with record diffraction-limited brightness//Lasers and Electro-Optics Europe, 2005. CLEO/Europe. 2005 Conference on. — IEEE, 2005. — С. 508.
3. Gapontsev V. P. et al. 100‑kW ytterbium fiber laser//Optoelectronics’ 99‑Integrated Optoelectronic Devices. — International Society for Optics and Photonics, 1999. — С. 49–54.
4. Григорьянц А. Г., Шиганов И. Н., Мисюров А. И. Технологические процессы лазерной обработки. — М.: Изд-во МГТУ им. НЭ Баумана, 2008.
5. Технический отчет о проведении научно-исследовательской работы отдела лазерных технологий (103) сектор лазерной сварки ООО НТО «ИРЭ-Полюс».
6. Seffer O. et al. Laser-GMA hybrid welding of API 5L X70 with 23 mm plate thickness using 16 kW disk laser and two GMA welding power sources//Journal of Laser Applications. — 2014. — Т. 26. — №. 4.
7. Zhang X. et al. Welding of thick stainless steel plates up to 50 mm with high brightness lasers//Journal of Laser Applications. — 2011. — Т. 23. — №. 2
8. Longfield N. et al. Improving laser welding efficiency//WELDING JOURNAL-NEW YORK-. — 2007. — Т. 86. — №. 5. — С. 52.
9. Hayashi T. et al. Reduction mechanism of porosity in tandem twin-spot laser welding of stainless steel//Welding international. — 2003. — Т. 17. — №. 1. — С. 12–19.
10. Grigor’yants A. G. et al. Efficiency of the process of two-beam deep penetration laser welding//Welding International. — 2011. — Т. 25. — №. 03. — С. 188–195.
11. Hamasaki M. Welding method combining laser welding and MIG welding: пат. 4507540 США. — 1985.
12.Lahdo R. et al. GMA-laser Hybrid Welding of High-strength Fine-grain Structural Steel with an Inductive Preheating//Physics Procedia. — 2014. — Т. 56. — С. 637–645.
13.Siewert A., Krastel K. Fiber Laser Seam Stepper Replacing Resistance Spot-Welding//Laser Technik Journal. — 2014. — Т. 11. — №. 4. — С. 52–55.
14. Klinger J. Automotive Body Structure Assembly: Mass & Cost Saving Potential ofLaser Welding Compared to Spot Welding. — 2012.
15.Zhao L. et al. Prevention of porosity by oxygen addition in fibre laser and fibre laser-GMA hybrid welding//Science and Technology of Welding and Joining. — 2014. — Т. 19. — №. 2. —  С. 91–97.
16.Сайт компании Precision technology, INC. url: http://www.ptreb.com/Vacuum-Laser-Welding-Systems/.

Лазерная сварка | Сварка и сварщик

Лазерная сварка

это высокотехнологический процесс нагрева и плавки металла, который производиться с помощью лазера.

В последнее время лазерная сварка пользуется большим спросом, поскольку является единственным подходящим вариантом в определенных ситуациях по сварке материалов и изделий.

Плотность мощности лазера превосходит традиционные сварочные источники, включая электронный луч. Одним из важных преимуществ лазерного излучения есть также возможность его легкого транспортирования на значительные расстояния с помощью оптических систем.

Источником лазерного излучения служат оптические квантовые генераторы. Это излучение возникает в результате генерации квантов света атомами активного вещества, предварительно приведенных в возбужденное состояние. Возбужденное состояние атомов может достигаться различными способами: за счет световой энергии, энергии химических реакций, электрического разряда в газах, облучением электронным лучом и т.д.

Для лазерной сварки применяют генераторы с использованием в качестве активного тела кристалла рубина (оксид алюминия, в котором часть атомов защищена атомами хрома — до 0,5%), а также углекислого газа т.е. твердотельный или газовый лазер.

Газовый и твердотельный лазер

Газовый лазер

Газовый лазер характеризуется своей мощностью, поскольку его телом есть газ. Газ перекачивается в газовую трубу с баллонов при помощи насоса. Чтоб газ энергетически возбуждался, используют электрический разряд, который проводят между электродами. Электроды подключаются к блоку питания, а на торцы устанавливаются зеркала. Лазер охлаждается с помощью водяной системы. Главный минус лазера с продольной прокачкой — это большие размеры.

Более удобными размерами характеризуется лазер, который прокачивает газ поперечной прокачкой.

Одним из самых мощных есть газодинамический лазер. Во время его работы газ нагревается до высокой температуры.

Твердотельный лазер

Телом твердотельного лазера является рубиновый стержень стекла с примесью неодима. Чтоб возбудить атом используют лампу накачки, которая создаёт сильную вспышку света. Как и в газовом, так и в твердотельном лазере зеркала расположены на торцах. Луч много раз отражается в рубиновом стержне, усиливается и через частично прозрачное зеркало выходит. Такой лазер не характеризуется сильной мощностью. И сваривает в основном небольшие детали, имеющие небольшую толщину.

Достоинством сварочных работ с использованием твердотельного лазера является способность давать точную дозу энергии. В результате чего соединения на маленьких деталях производиться очень точно и качественно.

Преимущества и недостатки лазерной сварки

Преимущества лазерной сварки

Лазерная сварка имеет ряд очень важных преимуществ, по сравнению с другими способами сварки:

• зона термического влияния имеет узкую зону, поскольку сварка производится с высокой скоростью нагрева и охлаждения, которые также снижают неблагоприятные изменения структуры и свойств металла в ней;
• в сравнении с электронно-лучевой сваркой, лазерная сварка не требует использования вакуумных камер, что значительно сокращает время на выполнение работ и снимает ограничение габаритов изделий;
• острая фокусировка луча и возможность передачи его на значительные расстояния дает возможность сваривать в тяжело доступных местах;
• лазерная установка может использоваться для сварки на нескольких рабочих местах, поскольку луч лазера можно отклонять с помощью зеркала;
• не происходит деформация изделий, если есть, то небольшая. Высокая концентрация энергии дает возможность получать ширину сварных швов в 2-5 раза меньше, с большим на порядок соотношением глубины провара к ширине шва, что дает возможность уменьшить деформацию деталей до 10 раз.

Недостатки лазерной сварки

Помимо всех достоинств, лазерная сварка имеет и свои недостатки:

• высокая стоимость оборудования;
• низкий коэффициент полезного действия установок;
• сложность конструкции установки для лазерной сварки.

Технология LaserHybrid в судостроении — Технологический центр

Краткий обзор: учитывая, что конечным потребителям в сфере судостроения требуется все более высокое качество продукции и улучшенные рабочие характеристики, непрерывные инновации считаются решающим фактором успеха. Данное утверждение в наибольшей степени справедливо для сварочных технологий, что ставит перед профессионалами данной отрасли задачу разработки новой, усовершенствованной и более производительной технологии сварки. В технологии соединения материалов важную роль играют, с одной стороны, высокая скорость сварки в сочетании со снижением деформации и, с другой стороны, хорошая способность к перекрытию зазора. При этом оба указанных условия можно обеспечить при использовании традиционных технологий лазерной сварки.

Нет никаких сомнений в том, что технология сварки лазерным лучом и технология GMAW (сварка плавящимся электродом в среде защитных газов) будут широко использоваться для соединения материалов еще в течение очень долгого времени. Сочетание обеих технологий при использовании различных источников лазерного излучения обеспечивает новые возможности и эффект совместного действия. В статье, рассматривается использование углекислотных, волоконных и YAG лазеров в сочетании с технологией GMAW, а также описывается использование технологии LaserHybrid со сварочным трактором совместно с системой отслеживания шва для выполнения длинных линейных швов.

1. Введение

Лазерная сварка демонстрирует огромный потенциал использования для сварки конструкционных сталей благодаря таким чрезвычайно привлекательным свойствам, как высокая скорость сварки, низкая деформация и простота автоматизации. Использование гибридной технологии сварки GMAW-Laser улучшает способность к перекрытию зазора, а также существенно увеличивает скорость сварки, что обеспечивает преимущества при широком зазоре. Как сварка лазерным лучом, так и дуговая сварка в течение долгого времени используются в промышленности, обеспечивая широкий спектр видов применения для соединения материалов. Для каждой из данных технологий характерны определенные области применения, в зависимости от физических процессов переноса энергии к заготовке и потоков получаемой энергии.

Энергия передается от источника лазерного излучения к обрабатываемому материалу инфракрасным когерентным излучением высокой энергии с использованием оптоволоконного кабеля или системы зеркал. Сварочная дуга передает тепловую энергию, необходимую для сварки посредством электрического тока высокого напряжения, который направляется к заготовке через столб дуги. Лазерное излучение способствует образованию чрезвычайно узкой околошовной зоны при высоком отношении глубины проплавления к ширине шва (эффект глубокого проплавления). Способность технологии лазерной сварки к перекрытию зазора чрезвычайно низкая в связи с малым диаметром фокального пятна, но, с другой стороны, она обеспечивает очень высокую скорость сварки.

Технология дуговой сварки характеризуется гораздо более низкой плотностью энергии и более низкой скоростью сварки, но создает фокальное пятно большего диаметра на поверхности заготовки. Объединив обе технологии, можно добиться полезного комбинированного эффекта. Это позволяет достичь как преимуществ в качестве и технологичности производства, так и снижения затрат. Данная технология позволяет использовать нестандартные решения и уменьшать затратность работ в судостроительной отрасли, не в последнюю очередь благодаря снижению требований к точности заготовок, повышению производительности и возможности обеспечения хороших механических/технологических свойств.

Методика объединения в одном сварочном процессе технологий лазерной и дуговой сварки известна с 70-х годов XX века, но дополнительные разработки не велись в течение длительного периода с того времени. В последнее время разработчики вновь обратили свое внимание на этот вопрос и предприняли попытку объединить достоинства дуговой и лазерной сварки в технологии гибридной сварки. На начальном этапе использования технологии необходимо было подтвердить пригодность источников лазерного излучения для промышленного применения, но в настоящее время они входят в комплект стандартного технологического оборудования на многих производственных предприятиях.

Сочетание лазерной сварки с другой сварочной технологией называется «гибридная технология сварки». Это означает, что лазерная и дуговая сварка одновременно используются в одной зоне сварки, оказывая взаимное влияние и дополняя друг друга. Цель представленных исследований заключалась в том, чтобы определить, насколько технологические характеристики способствуют улучшению возможностей сварочной технологии. Одной из стандартных сфер применения гибридной технологии CO2–Laser GMA является судостроение. В данном отчете демонстрируются и обсуждаются возможности использования технологии в данной сфере.

2. Аспекты использования технологии лазерной сварки

В технологии лазерной сварки требуется не только мощный источник лазерного излучения, но и высококачественный лазерный луч, обеспечивающие получение желаемого «эффекта глубокого проплавления». Более высокое качество лазерного луча может использоваться для получения фокального пятна меньшего диаметра или большего фокусного расстояния. Количество энергии на единицу длины Es находится на очень низком уровне, что позволяет значительно уменьшить деформацию и необходимость в регулировании мощности. Как и при использовании автоматизированной дуговой сварки, при лазерной сварке крупногабаритных заготовок необходимо использовать отдельную разработку управляющих программ, функцию отслеживания шва и адаптивное управление процессом сварки.

Без использования присадочной проволоки максимально допустимая величина зазора составляет 0,1 — 0,2 мм, в то время как для зазора большего размера необходимо использование присадочного материала, при этом присадочная проволока обычно используется в производстве для увеличения способности к перекрытию зазора до 0,4 мм. В промышленности используется углекислотный лазер мощностью 12 кВт. При использовании углекислотного лазера лазерный луч передается к заготовке с помощью системы зеркал. Лазерный луч направляется на заготовку с помощью фокусирующего модуля с фокусным расстоянием 300 мм. Для настоящего исследования также использовались YAG-лазер с ламповой накачкой мощностью 4 кВ, установленный на заготовке, и стекловолоконный лазер мощностью 7 кВт.

3. Технология LaserHybrid

При сварке металлических заготовок интенсивность лазерного излучения составляет более 106 Вт/см2. Когда лазерный луч попадает на поверхность материала, место контакта нагревается до температуры испарения, при этом в свариваемом металле образуется паровая каверна в связи с выходом паров металла. Отличительной особенностью сварного шва является высокий коэффициент отношения глубины проплавления к ширине шва. Плотность потока энергии свободно горящей сварочной дуги немногим превышает 104 Вт/см2.

На рисунке 1 показан базовый принцип данной технологии, в частности перенос металла при гибридной сварке. Изображенный на рисунке лазерный луч передает тепло металлу верхней части шва в дополнение к нагреву металла сварочной дугой. В отличие от последовательного сочетания двух отдельных технологий сварки, гибридную сварку можно рассматривать как сочетание двух процессов сварки, одновременно воздействующих на одну и ту же технологическую зону. В зависимости от того, какая технология лазерной или дуговой сварки используется, и от технологических параметров, процессы влияют друг на друга в различной степени и различным образом.

Рис. 1: Схематическое изображение процесса сварки Laser-GMAW

Благодаря сочетанию лазерной и дуговой технологий увеличивается как глубина проплавления, так и скорость сварки (в сравнении с результатами использования любой из указанных технологий по отдельности). Пары металла, выходящие из паровой каверны, воздействуют на плазму дуги. Поглощением лазерного излучения плазмой сварочной дуги можно пренебречь. В зависимости от выбранного отношения мощности на входах двух сварочных аппаратов, характеристики всего процесса могут в большей или меньшей степени определяться воздействием лазера или сварочной дуги.

На поглощение лазерного излучения значительное влияние оказывает температура поверхности заготовки. После достижения температуры испарения образуется паровая каверна, в результате чего практически вся энергия излучения может быть поглощена заготовкой. Таким образом, необходимая для этого энергия определяется температурно-зависимым процессом поглощения и количеством энергии, которая теряется в результате ее переноса в остальную часть заготовки. В процессе сварки по технологии Laser-GMAW испарение происходит не только с поверхности заготовки, но и с поверхности присадочной проволоки; это означает, что количество паров металла увеличивается, что, в свою очередь, способствует поглощению лазерного излучения. Это также предотвращает прерывание процесса.

Одним из предварительных условий применения гибридной сварки в судостроительной отрасли является достаточная способность по перекрытию зазора. По этой причине исследование было направлено на достижение максимальной способности по перекрытию зазора. В случае с переменным зазором возникает необходимость изменения нескольких технологических параметров. Более жесткие допуски для корневого зазора требуют обязательного регулирования мощности источника лазерного излучения. Кроме того, скорость сварки или скорость подачи проволоки необходимо отрегулировать в соответствии с фактическим объемом зазора, который меняется в зависимости от угла раскрытия кромок и корневого зазора.

Рис. 2: Эффект совместного использования двух технологий

4. Экспериментальное исследование и сравнение технологии LaserHybrid с другими технологиями сварки

Исследование с использованием углекислотного лазера

Высокая квантовая эффективность углекислотного лазера, обеспечивающая КПД до 20 %, относительная простота технической реализации и масштабируемость являются основными причинами того, что данный лазер является наиболее важным в сфере промышленной обработки материалов. Для углекислотных лазеров характерны высокая выходная мощность; при этом обеспечиваемая коммерческая мощность на входе достигает 50 кВт.

Приведенные ниже результаты (таблица 3) были получены при использовании углекислотного лазера (12 кВт) компании Trumpf Laser technology и микропроцессорного источника электропитания Fronius TPS 5000 от Meyer Werft. Рабочая зона данной лабораторной установки составляет 4,5 x 13 м. Используемый зажимной механизм позволил сваривать образцы размером 2000 x 300 мм. В качестве материала использовалась судостроительная сталь марки A со стандартной грунтовкой (Lindokote Shopprimer). Испытания сварных соединений проводились на стыковом соединении с подготовкой таврового соединения в положениях PA и PB и без опорной подкладки.

Исследование относится к упомянутым стыковым соединениям материала толщиной до 15 мм. Было проведено сравнение технологии дуговой сварки под флюсом, LaserHybrid и лазерной сварки с присадочной проволокой. Технология дуговой сварки под флюсом обеспечивает перекрытие зазора от 2 до 5 мм при толщине материала до 12 мм. При использовании технологии Laser Hybrid становится возможным достичь способности к перекрытию зазора до 1 мм при толщине материала до 15 мм, но при этом скорость сварки в 3 раза превышает скорость дуговой сварки под флюсом и в два раза скорость лазерной сварки с присадочной проволокой. Использование технологии лазерной сварки с присадочной проволокой позволяет достичь способности к перекрытию зазора до 0,4 мм при толщине материала до 15 мм. Для оценки максимальной скорости сварки при максимальной величине зазора использовались материалы толщиной 5, 8, 12 и 15 мм. Влияние защитных газов гелия и аргона на технологию гибридной сварки исследовалось стандартными методами. Для сварки высокомощными углекислотными лазерами необходима, главным образом, гелиевая фракция защитного газа.

Таблица 1: сравнение технологии сварки Laser-Hybrid с другими технологиями

Технология	Дуговая сварка под флюсом	LaserHybrid	Лазерная сварка с присадочной проволокой
Скорость	100%	300%	150%
Толщина	> 12 мм	> 15 мм	> 15 мм
Зазор	2–5 мм	0–1 мм	0–0,4 мм
Деформация	> 1,5 мм/м	> 0,2 мм/м	> 0,1 мм/м
Металлургия	некритично	некритично	критично
Усталостные свойства	хорошие	отличные	критично

В судостроении технология сварки Laser-GMA-hybrid используется с применением сварочных станков с подвижным порталом на верфи компании Meyer в городе Папенбург, Германия. Здесь на этапе предварительной сборки палубы изготавливаются полностью автоматическим способом с использованием технологии, разработанной верфью. Высокое качество данной методики позволяет соединить 20 секций палубы длиной 20 м без необходимости переворота заготовок. В зоне предварительной сборки устанавливаются две станции для сварки встык. Методика позволяет сваривать пластины толщиной до 15 мм со скоростью до 3,0 м/мин. На следующем этапе устанавливаются две станции для сварки тавровых швов. Привариваются элементы жесткости для палуб и переборок длиной до 20 м и толщиной до 12 мм. Перед сваркой соединяемые детали фрезеруются, чтобы обеспечить точность подгонки.

Исследование с использованием волоконного лазера

В настоящее время в сфере обработки материалов значительное количество высокомощных лазерных установок мощностью до 10 кВт поставляется компанией IPG Photonics, имеющей штаб-квартиру и завод в городе Оксфорд, штат Массачусетс, и два производственных предприятия в Европе. Основным элементом технологии являются фирменные активные волокна и патентованная технология накачки, которая позволяет использовать многомодовые диоды большой площади вместо диодных матриц. Это обеспечивает чрезвычайно продолжительный срок службы диодов. Устройство может изготавливаться из бухт легированного иттербием волокна с многослойной оболочкой, обеспечивающего длину волны излучения 1,07 – 1,08 микрона. В качестве альтернативного варианта, волокно может быть легировано туллием и обеспечивать длину волны 1,8 – 2,0 микрона или легировано эрбием и обеспечивать длину волны 1,54 – 1,56 микрона. Энергия диодной накачки передается активному веществу через многомодовые волокна, уложенные в бухты с многослойной оболочкой. Лазерный резонатор создается непосредственно в активном волокне. Лазерное излучение выходит из волоконного лазера через пассивное одномодовое волокно, диаметр жилы которого обычно составляет 6 микрон. Результирующий лазерный луч, главным образом, дифракционно ограничен и, при наличии встроенного коллиматора, производит луч с высокой степенью направленности. К примеру, полное угловое отклонение лазера с одномодовым волокном мощностью 100 Вт составляет 0,13 миллирадиана в половинном угле с сужением пучка до 5 мм в диаметре.

В настоящее время максимальная мощность промышленного лазерного модуля с одномодовым IPG волокном составляет 200 Вт. Бо́льшая мощность достигается при использовании нескольких модулей. Излучение лазера фокусируется с помощью фирменного устройства сведения пучков, создающего один высококачественный пучок. Например, модуль мощностью 1 кВт будет состоять из 10 отдельных волоконных лазеров, объединенных в общем корпусе. Хотя пучок больше не является одномодовым, результирующий показатель M2 в диапазоне 7–10 превосходит соответствующий показатель высокомощных твердотельных лазеров. Пучок волоконного лазера мощностью 7 кВт может передаваться по волокну толщиной 300 микрон. Возможно создание выходных пучков разного профиля, включая форму, близкую к четырехугольной.

Лазер с легированным иттербием волокном обладает степенью преобразования электрической энергии в оптическую в диапазоне 16 – 20 процентов. Лазеры с волокном, легированным эрбием и туллием, демонстрируют меньшую степень преобразования электрической энергии в оптическую, но при этом являются более эффективными, чем стандартные лазеры YAG. В некоторых областях применения длины волн излучения, характерные для данных лазеров, являются оптимальными. Данная установка разрабатывается в связи с существующим в отрасли спросом на лазер, производительность которого будет соответствовать классу Nd:YAG, а безопасность для глаз – классу углекислотных лазеров. Одномодовые системы непрерывного излучения компании допускают модуляцию до уровня 50 000 Гц с длительностью импульса всего 10 микросекунд. В настоящее время существуют три суперимпульсные модели с продолжительностью импульса всего 1 наносекунда или энергией импульса до 1 миллиджоуля для импульса продолжительностью 100 нсек и многомодовые версии непрерывного излучения мощностью от 300 Вт до 10 кВт.

Технология волоконных лазеров предлагает промышленному потребителю несколько преимуществ. Диаграмма направленности излучения волоконного лазера мощностью 4 кВт составляет 0,5 м2 по сравнению с 11 м2 для стандартного лазера Nd:YAG с ламповой накачкой, и при этом данный тип лазера не требует системы охлаждения. Он практически не требует обслуживания в течение всего срока службы, в связи с отсутствием необходимости в замене импульсных ламп или диодов. Высокий электрический КПД позволяет снизить эксплуатационные расходы. Лучшее качество пучка обеспечивает пользователю возможность достижения диаметра фокального пятна значительно меньшего, чем у стандартных лазеров, с достижением высокой плотности потока и/или большего рабочего расстояния (пучок мощностью 1 кВт может быть сфокусирован до диаметра 50 микрон с помощью линзы диаметром 4 дюйма).

Стоимость использования волоконного лазера мощностью до 1 кВт не превышает стоимости использования YAG-лазера с ламповой накачкой. В настоящее время стоимость приобретения волоконного лазера мощностью более 1 кВт выше. Однако при учете всех факторов – площадь помещения, охладители, обслуживание и т.п. – использование таких лазеров должно быть более экономичным, чем использование лазеров Nd:YAG аналогичной мощности. За последние шесть месяцев на европейских предприятиях на испытательном стенде были испытаны несколько волоконных лазеров мощностью несколько киловатт. Данные лазеры безукоризненно работали в течение нескольких смен и демонстрировали надежность и производительность, которую можно достичь только при использовании лазеров значительно большей мощности. Образец мощностью 2 кВт использовался для сварки внахлестку листов оцинкованной автомобильной стали толщиной 1,2 мм со скоростью 5 м/мин. Качество сварки и КПД сопоставимы с показателями Nd:YAG лазера с ламповой накачкой мощностью 4 кВт. Волоконный лазер мощностью 2 кВт с окончательным диаметром волокна 300 микрон разрезает оцинкованную сталь толщиной 4 мм со скоростью 10 м/мин с образованием ровных кромок без скоса. Максимальная скорость резки достигает 16 м/мин. [5].

Исследования использования волоконного лазера мощностью 7 кВт вместе с дуговым сварочным аппаратом в лаборатории LaserHybrid в отделе исследований и разработки компании Fronius-Wels демонстрируют возможность сварки нелегированных и высоколегированных видов стали толщиной до 8 мм. На рис. 3 показана лабораторная установка LaserHybrid в комбинации с волоконным лазером IPG.

Рис. 3: Сварка Laser Hybrid с использованием волоконного лазера (Pl: 6,5 кВт, s: 8 мм, основной материал: S235JR, присадочная проволока: G3Si1).

Исследование с использованием на заготовке твердотельного лазера с ламповой накачкой мощностью 4 кВт

В связи с выходной мощностью Nd:YAG лазера, превышающей 4 кВт, и сопутствующей простотой эксплуатации таких систем, исследуются их технические средства. Во всех рассмотренных видах применения и исследованиях использовались углекислотные лазеры и/или лазеры с активной средой из иттриево-алюминиевого граната, легированного ионами неодима (Nd:YAG). Неблагоприятными условиями является использование плазменной защиты в связи с длиной волны 10,6 мкм и систем точного наведения пучка с помощью негибкой системы зеркал, что делает мобильную систему с углекислотным лазером практически нереализуемой. Роботизированное или мобильное применение возможно, главным образом, благодаря использованию лазеров Nd:YAG. За последнее десятилетие промышленная значимость этого типа твердотельных лазеров возросла. Благодаря длине волны 1,06 мкм, лазерный пучок можно направлять по гибкому оптическому волокну даже на расстояния, превышающие 70 м, что позволяет выполнять роботизированную сварку трехмерных конструкций. Эффект плазменной защиты отсутствует, в связи с чем для сварки в среде защитных газов могут использоваться газы, наилучшим образом подходящие для обеспечения стабильности горения дуги, лучшего отделения капель, защитного эффекта, а также предотвращения брызгообразования. С помощью системы управления лазером несколько технологических установок могут использовать один источник лазерного излучения.

Таким образом, продолжительность работы источника электропитания и непосредственные расходы могут быть оптимизированы. Высокомощные лазеры Nd:YAG закрепились на рынке недавно, и их цена относительно высока (€/кВт) в сравнении с углекислотными лазерами. Их выходная мощность сравнительно низкая и находится в диапазоне до 6 кВт. В Японии предпринимаются попытки использования лазера мощностью 10 кВт. При этом не следует недооценивать опасность отраженного излучения, которое может представлять угрозу для незащищенных органов зрения даже на расстоянии несколько метров.

Три основных области применения:

• выполнение длинных линейных тавровых сварных швов с помощью системы тракторного типа,
• сварка прихваточными швами с помощью механической системы,
• ручная сварка/резка в процессе достройки судов.

Рис. 4: Схематическое изображение системы тракторного типа для выполнения длинных линейных сварных швов встык.

Рис. 5: Тавровое соединение со сваркой с обеих сторон. Толщина: 8 мм, лазер типа Nd-YAG, мощность 4,2 кВт, скорость сварки 2 м/мин [4]

Мобильный трактор для перемещения сварочной головки LaserHybrid обладает рядом преимуществ. Изменение ориентации может производиться вручную. Необходимое для работ пространство чрезвычайно мало в сравнении с системой с подвижным порталом. В результате снижения количества перемещений оптической системы, на оптоволокно, по которому передается лазерный пучок, не действуют механические напряжения. Регулировка процесса необходима только для источника питания сварочного аппарата, т.к. характеристики дуговой сварки в среде защитных газов не оптимальны для гибридной технологии. Существует возможность очень точной настройки системы отслеживания шва, лазерного пучка и сварочной горелки. Благодаря использованию специальной лазерной оптики, тавровый шов можно также выполнять с помощью модифицированного сварочного трактора. Для защиты оптоволокна от отражений из технологической зоны оси лазерного луча могут быть смещены на несколько градусов по направлению сварки. Это практически не оказывало влияния на результат сварки.

Заключение

Сварка Laser-GMAW представляет собой совершенно новую технологию, которая обеспечивает объединение различных технологий для многих сфер применения в судостроительной отрасли, в частности, если соблюдение допусков составных деталей, необходимых для сварки лазерным лучом, невозможно или нерационально с финансовой точки зрения. Гораздо более широкий спектр областей применения и высокие показатели комбинированного процесса приводят к увеличению конкурентоспособности благодаря снижению размера капиталовложений, более короткому времени изготовления, более низким затратам на производство и более высокому КПД. Большим преимуществом сварки LaserHybrid является низкий уровень деформации свариваемых деталей и малая потребность в доработке после сварки.

Данное исследование показывает возможности технологии Laser-GMA LaserHybrid с применением высокомощных углекислотных, волоконных или YAG лазеров для сварки листов различной толщины. Обсуждаются такие достоинства гибридной технологии сварки, как хорошая способность к перекрытию зазора и малое количество энергии на единицу длины. В сравнении с технологией лазерной сварки с присадочной проволокой, скорость сварки по технологии Laser Hybrid выше в два раза. Максимальная способность к перекрытию зазора при использовании технологии LaserHybrid достигает 1 мм при толщине материала до 15 мм.

Лазерные технологии

Технологии лазерной сварки

Внедрение технологий лазерной сварки позволяет повысить качество сварных соединений, уменьшить тепловложение и уровень остаточных напряжений и деформаций сварной конструкции, снизить трудозатраты на последующую обработку конструкции, повысить производительность сварочного процесса.

Локальность нагрева и высокие скорости обработки, характерные для лазерной сварки позволяют получать сварные швы с минимальной зоной термического влияния. Высокие скорости нагрева и охлаждения материала при лазерной сварке обеспечивают возможность получения равнопрочных сварных соединений не только однородных, но и разнородных материалов. Наличие глубокого проплавления снижает количество проходов при сварке толстостенных конструкций и позволяет проводить сварку без разделки кромок. При этом необходимо учитывать повышение требований к качеству сборки конструкций под сварку. Возможность транспортировки лазерного излучения с помощью зеркал и оптических волокон позволяет осуществлять сварку в труднодоступных местах.

Институтом лазерных и сварочных технологий разработаны  и применяются технологии лазерной сварки нержавеющих сталей, лазерной сварки алюминиевых, титановых сплавов и разнородных соединений, лазерной сварки пластмасс.

Лазерная сварка нержавеющих сталей

Технология сварки нержавеющих сталей отличается от сварки углеродистых рядом особенностей. Практически все нержавеющие стали являются высоколегированными сплавами и обладают другими физико-химическими свойствами. У нержавеющих сталей удельное электрическое сопротивление практически в 6 раз больше, температура плавления на 100 градусов меньше, чем у низколегированного и углеродистого проката. Теплопроводность практически в два раза меньше, что приводит к концентрации теплоты и увеличению области проплавления в зоне сварки. Также у нержавеющих сталей термический коэффициент линейного расширения выше практически на 20%, что способствует существенной деформации во время сварки. Указанные факторы могут способствовать появлению существенных остаточных напряжений, которые могут привести к значительному короблению металлоконструкции и образованию трещин, а неправильный термический режим также может снизить коррозионные свойства сварного соединения.

Классические виды сварки преимущественно осуществляются с существенным перегревом. Перспективные методы лучевой обработки позволяют избежать подобных последствий. Лазерные и лазерно-дуговые методы сварки также позволяют существенно снизить затраты присадочных материалов. Локальный нагрев позволяет получить зону термического влияния толщиной не более 2-3 мм, и  избежать коробления конструкции. Высокая скорость сварки позволяет уменьшить остаточные напряжения и, в итоге, избежать образование трещин при сварке и исключить негативное влияние перегрева на коррозионные свойства металла.

Институтом лазерных и сварочных разработана специальная система газовой защиты для сварки высоколегированных сталей толщиной от 0,4 – 15мм. Экспериментальные исследования показали получение качественного сварного соединения, при значениях скоростей сварки в диапазоне от  1 до 5 м/мин., обеспечивающих стабильное формирование сварного шва при отсутствии дефектов. Для определения технологических параметров сварки на базе института была разработана математическая модель процесса сварки в различных пространственных положениях, которая была экспериментально верифицирована. Разработанная модель процесса формирования шва при лазерной сварке является эффективным средством анализа нестационарных процессов и может обоснованно применяться для отбора стабильных технологических режимов для сварки нержавеющих сталей.

Лазерная сварка алюминиевых, титановых сплавов и разнородных соединений

В авиакосмической промышленности, судостроении, транспортном машиностроении и других отраслях промышленности при изготовлении целого ряда ответственных изделий часто бывает необходимо применять сварку разнородных материалов: подобные соединения возникают при изготовлении несущих алюминиевых элементов фюзеляжа, крыльев самолетов, судовой и топливной арматуры из алюминия со стальным корпусом, топливных баков, соединения медно-никелевого сплава с углеродистой сталью при изготовлении холодильных установок, испарителей, сосудов давления и т.п.

Задача сварки разнородных материалов технологически достаточна сложна. Это связано с металлургическими особенностями формирования швов таких соединений при сварке плавлением. Многие сочетания разнородных металлов: медь/алюминий, алюминий/сталь, алюминий/титан, титан/сталь, железо/ниобий и др. имеют ограниченную взаимную растворимость.

В авиастроении требуется применять сварку алюминиевых сплавов со сталями и сплавами на основе титана и меди. Сварка алюминиевых сплавов с другими материалами сопровождается рядом трудностей: большая разница в теплопроводности ведет к интенсивному теплоотводу в сторону алюминия, что препятствует образованию качественного сварного соединения. Металлургические особенности формирования соединения разнородных материалов, одним из которых является алюминиевый сплав, приводят к образованию в зоне сплавления хрупких интерметаллидов, что негативно влияет на свойства сварного соединения. В связи с указанными трудностями только некоторые виды сварки подходят для соединения таких разнородных материалов.

Лазерная сварка является одним из наиболее перспективных методов. В сравнении с другими методами сварки разнородных материалов, данный метод не требует применения дополнительных материалов, специальной обработки кромок, а также обладает высокой скоростью сварки (до 4 м/мин). Данный метод позволяет получить ультратонкую диффузионную зону и избежать появления дефектов. Главной особенностью лазерной сварки и математической модели, разработанной для данного метода сварки, является возможность прогнозирования скоростей диффузионного обмена, которые зависят от регулируемых температурно-временных условий взаимодействия металлов при сварке. Путем варьирования скорости сварки, величины смещения фокуса лазерного пучка в сторону одного из свариваемых металлов, мощности излучения, можно получить требуемую структуру сварного соединения.

Экспериментальные исследования, проведенные в ИЛИСТ с использованием соответствующего  технологического и исследовательского оборудования показали, что при варьировании вышеперечисленных параметров можно получить ультратонкую диффузионную зону без непрерывных интерметаллидных прослоек. При этом, в сварном шве отсутствуют такие дефекты, как трещины и поры, а механические свойства сварного соединения соответствуют свойствам используемого алюминиевого сплава.

Лазерная сварка пластмасс

Лазерная сварка является актуальной технологией для соединения термопластов в промышленности. Несмотря на то, что большинство пластиков прозрачны для лазерного излучения диодного лазера, сварка возможна за счет комбинации прозрачных и непрозрачных пластиков, при этом зона высоких температур ограничена областью контакта. При этом поверхность прозрачного пластика не подвержена деструкции. При сварке прозрачных пластиков необходимо использовать поглощающие добавки. Дополнительный контроль температуры активной зоны обеспечивает высокое качество технологического процесса.