УДК 629.621.791

Лазерная сварка

Кайзер Денис Сергеевич – магистрант Сибирского государственного университета науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева.

Пятаев Дмитрий Александрович – магистрант Сибирского государственного университета науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева.

Зимин Максим Алексеевич – магистрант Сибирского государственного университета науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева.

Аннотация: В статье рассматривается лазерная сварка. Лазерная сварка – процесс, предполагающий соединение деталей при помощи лазерного излучения. На поверхности часть луча отражается, а часть проходит внутрь, что приводит к нагреву и плавлению материала, формированию сварного шва.

Лазерная сварка – это метод сварки с низким тепловыделением, при котором сварные швы с полным проплавлением обеспечивают эстетичный конечный результат. При соединении тонких широких листов лазерная сварка во многих случаях является единственным методом сварки, позволяющим предотвратить термическую деформацию конечного изделия. Лазерная сварка – лучший метод сварки, позволяющий свести к минимуму потерю основных свойств металла, таких как твердость и прочность.

Ключевые слова: лазерная сварка, лазер, линза, аргон, CO2.

Лазерные сварки проникли в производство высокоточного металла. Эта технология является жизненно важной в автомобильном строительстве, в производстве медицинских приборов, в деталях аэрокосмического и точного оборудования. Теперь они появляются в большей степени, чем раньше, начиная с крупнейшего производителя OEM и заканчивая цехом прецизионных обработок листовых металлов. В процессе развития лазерного синтеза он стал крайне гибким. Большое разнообразие сварок, которое могут делать лазеры, действительно удивляет. Понимание, как лазерные лучи достигают всех этих, начинается с знания основы - как световой луч соединяет два металла.

Фокусирование света

Металлы обычно хорошо отражают свет. Лазер концентрировал и фокусировал этот свет для преодоления отражательной способности. Когда луч поглощает достаточное количество энергии, металл начинается плавать. Всё это начинается с того, что оптика, будь то зеркало изогнутого цвета или линз с изогнутыми поверхностями, фокусирует свет на размер пятна, которые могут быть от десяти до сотни микрон диаметром. Такое фокусирование создает крайне плотную мощность. Какой прозрачный оптик использовать зависит от луча и длины волн. Лазеры CO2 излучают длину волны 10-6 микрон, длина волны - 10-6 микрон, длина волны - 10-6 Стандартные стекла для него непрозрачны, поэтому такие лазеры используют альтернативные материалы для объективов, например, цинковый селенид ZnSe. Для одномикронных лазеров, в том числе волоконных, дисковых и YAG, используется плавленный кварц и стекло. Линзы ZnSE, фокусирующие 10-6 мкм CO2-луч, имеют отличную теплопроводность, что позволяет оптику чуть более восприимчивой к грязи. Увы, экономичный материал имеет такую же теплопроводность, как 1-микроновый лазер, а значит, среда фокусирования должна быть чистой, а оптика должна быть стеклянной или плавленной кварцевой. В процессе сварки, требующей высокого мощного лазера, может произойти неизбежная загрязнение. В таких случаях фокусировка луча используется зеркалом, а не прозрачной оптикой. Фокусное зеркало широко используется при сварке на углекислом газе с мощностью более 5 кВт. Одномикроновые лазеры, включая волоконную и дисковую, используют также зеркала, чтобы повысить мощность лазера в большей степени. Обычно установка предусматривает попадание горизонтального луча на рабочую поверхность на параболический зеркальный луч, отражающий луч снизу. Лазерные оптики фокусируют необработанные диаметры луча для создания глубины резкости, когда луч обладает достаточной интенсивностью, чтобы обработать материал. На самом узком участке перетяжки луча имеется размер луча. Расстояние фокуса - расстояние объектива и точки фокуса (см. рисунок 1). Один. Все переменные связаны. Чем больше расстояние фокуса, тем больше размер пятна, а глубина его резкости меньше. А каждый из параметров может быть настроен на оптимизацию сварочного процесса. К примеру, увеличение расстояния фокуса может изменять положение и увеличивать глубину фокуса, что способствует увеличению проплавления сварных швов.

Рисунок 1. Такие переменные, как диаметр луча, глубина резкости, размер пятна и фокусное расстояние, взаимосвязаны.

Еще одним фактором является качество луча или врожденная способность лазерного луча фокусироваться. Его нельзя отрегулировать – он зависит от типа и конструкции лазера, – но этот параметр влияет на то, как человек набирает общий процесс. Лазеры с наивысшим качеством луча называются одномодовыми лазерами, которые имеют чисто гауссовский или TEM00-пучок с профилем плотности мощности, который очень интенсивен в центре и менее интенсивен по краям. Высокое качество луча помогает достичь большей глубины резкости, что, в свою очередь, открывает множество возможностей обработки.

Все распространенные типы лазеров имеют одномодовые версии с высоким качеством луча, но воздействие такого высокого качества луча зависит от длины волны лазера. Одномодовый CO 2 -лазер с длиной волны 10,6 микрон будет иметь размер пятна в 10 раз больше, чем у волоконного лазера с длиной волны 1 микрон.Как правило, более короткая длина волны также означает меньший размер фокусного пятна.

О газе

Поскольку его жидкая фаза очень недолговечна, лазерная сварка вызывает очень мало окисления, а это означает, что защитный газ часто не требуется. Тем не менее, некоторые приложения, особенно в медицинской промышленности, требуют почти нулевого окисления, поэтому в этих установках для лазерной сварки часто используется какой-либо защитный газ.

Рисунок 2. При сварке в режиме «замочная скважина» луч испаряет металл, создавая узкое углубление либо частично, либо полностью через соединение. Минимизация турбулентности является ключевым фактором. Турбулентность в замочной скважине вызывает нестабильность, из-за чего жидкий металл закупоривает пустоты и создает поры.

Во многих случаях для лазерной сварки может не потребоваться защитный газ, но требуется вспомогательный газ, который помогает удалять загрязнения и нежелательные элементы, такие как сажа из сварных швов с использованием волоконного лазера и плазменные шлейфы из сварных швов с использованием лазера на углекислом газе . В некоторых приложениях газ используется в качестве своего рода защиты, подавляющей образование плазменного факела. Другие используют воздушные ножи, которые сдувают искры и другой мусор с чувствительной сварочной оптики.

Список литературы

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.