Лазерная сварка — один из важных аспектов применения технологии лазерной обработки, а также наиболее привлекательная и перспективная технология сварки XXI века. По сравнению с традиционными методами сварки, лазерная сварка обладает множеством преимуществ, более высоким качеством сварки и большей эффективностью. В настоящее время технология лазерной сварки широко используется в производстве, порошковой металлургии, автомобильной промышленности, электронной промышленности, биомедицине и других областях.
В зависимости от механизма образования сварочной ванны, лазерная сварка имеет два основных способа сварки: теплопроводящая сварка и сварка с глубоким проплавлением (с образованием небольших отверстий). Тепло, выделяемое при теплопроводящей сварке, рассеивается на заготовку посредством теплопередачи, в результате чего поверхность сварного шва расплавляется, практически не происходит испарения, поэтому этот метод часто используется при сварке тонкостенных деталей, изготовленных на низких скоростях. При сварке с глубоким проплавлением материал испаряется, и образуется большое количество плазмы. Из-за высокой температуры в передней части расплавленной ванны образуются отверстия. Сварка с глубоким проплавлением позволяет тщательно сварить заготовку, при этом подводимая энергия велика, а скорость сварки высока, поэтому это наиболее распространенный способ лазерной сварки.
На качество лазерной сварки влияет множество параметров процесса, таких как плотность мощности, форма лазерного импульса, расфокусировка, скорость сварки и вспомогательный газ для продувки.
1. Плотность мощности лазера. Плотность мощности является одним из наиболее важных параметров в лазерной обработке. При более высокой плотности мощности поверхностный слой может быть нагрет до точки кипения в течение микросекунд, что приводит к значительному испарению. Поэтому высокая плотность мощности очень выгодна для процессов удаления материала, таких как штамповка, резка и гравировка. При низкой плотности мощности для достижения поверхностной температурой точки кипения требуется несколько миллисекунд, и до испарения поверхностного слоя нижний слой достигает точки плавления, что облегчает образование качественного сварного шва. Поэтому в лазерной сварке с теплопроводностью диапазон плотности мощности составляет 104-106 Вт/см².
2. Форма лазерного импульса
Форма лазерного импульса является не только важным параметром для различения удаления материала от его плавления, но и ключевым параметром, определяющим объем и стоимость технологического оборудования. При воздействии высокоинтенсивного лазерного луча на поверхность материала происходит отражение и потеря 60–90% лазерной энергии, особенно сильное отражение наблюдается у золота, серебра, меди, алюминия, титана и других материалов, что приводит к быстрой передаче тепла. Отражательная способность металла изменяется со временем в течение импульса лазерного излучения. Когда температура поверхности материала повышается до точки плавления, отражательная способность быстро снижается, а когда поверхность находится в состоянии плавления, отражение стабилизируется на определенном значении.
3. Ширина импульса. Ширина импульса является важным параметром импульсной лазерной сварки. Ширина импульса определяется глубиной проплавления и зоной термического воздействия. Чем больше ширина импульса, тем больше зона термического воздействия, а глубина проплавления увеличивается с увеличением ширины импульса вдвое. Однако увеличение ширины импульса снижает пиковую мощность, поэтому увеличение ширины импульса обычно используется при сварке теплопроводностью, что приводит к получению широкого и неглубокого сварного шва, особенно подходящего для сварки внахлест тонких и толстых пластин. Однако более низкая пиковая мощность приводит к избыточному подводу тепла, и для каждого материала существует оптимальная ширина импульса, обеспечивающая максимальное проплавление.
4. Лазерная сварка с расфокусировкой обычно требует определенной степени расфокусировки, поскольку плотность мощности лазерного луча в центре пятна слишком высока, что легко приводит к образованию отверстий. Распределение плотности мощности относительно равномерно в каждой плоскости, удаленной от фокуса лазера. Существует два метода расфокусировки: положительная и отрицательная. Если фокальная плоскость расположена над заготовкой, это положительная расфокусировка; в противном случае — отрицательная. Согласно теории геометрической оптики, когда расстояние между плоскостями положительной и отрицательной расфокусировки и плоскостью сварки одинаково, плотность мощности в соответствующей плоскости приблизительно одинакова, но фактическая форма сварочной ванны различна. В случае отрицательной расфокусировки достигается большее проплавление, что связано с процессом формирования расплавленной ванны.
5. Скорость сварки. Скорость сварки определяет качество свариваемой поверхности, глубину проплавления, зону термического воздействия и т. д. Скорость сварки влияет на количество подводимой тепловой энергии в единицу времени. Если скорость сварки слишком низкая, подводимая тепловая энергия слишком велика, что приводит к прогоранию заготовки. Если скорость сварки слишком высокая, подводимая тепловая энергия слишком мала, что приводит к непрозрачности свариваемой заготовки. Снижение скорости сварки обычно используется для улучшения глубины проплавления.
6. Вспомогательная продувка защитным газом. Вспомогательная продувка защитным газом является важным процессом в высокомощной лазерной сварке. С одной стороны, она предотвращает разбрызгивание металла и загрязнение фокусирующего зеркала; с другой стороны, она предотвращает чрезмерную фокусировку плазмы, образующейся в процессе сварки, и препятствует попаданию лазерного луча на поверхность материала. В процессе лазерной сварки для защиты расплавленной ванны часто используются гелий, аргон, азот и другие газы, что защищает заготовку от окисления в сварочной технике. Такие факторы, как тип защитного газа, размер воздушного потока и угол продувки, оказывают большое влияние на результат сварки. Различные методы продувки также оказывают определенное влияние на качество сварки.
Гелий не легко ионизируется (обладает высокой энергией ионизации), что позволяет лазерному лучу беспрепятственно проходить сквозь заготовку, обеспечивая равномерное распределение энергии луча. Это наиболее эффективный защитный газ, используемый при лазерной сварке, но его цена относительно высока. Аргон дешевле и плотнее, поэтому обеспечивает лучшую защиту. Однако он легко ионизируется высокотемпературной металлической плазмой, экранируя часть луча от заготовки, снижая эффективную мощность лазера при сварке, а также ухудшая скорость и глубину проплавления. Поверхности сварных швов, защищенных аргоном, более гладкие, чем поверхности, защищенные гелием. Азот является самым дешевым защитным газом, но он не подходит для некоторых видов сварки нержавеющей стали, главным образом из-за металлургических проблем, таких как абсорбция, которая иногда приводит к образованию пор в зоне нахлеста.
Лазерная сварка, как новая технология сварки, обладает такими характеристиками, как высокая плотность энергии, высокая скорость, высокая точность, глубокое проплавление и высокая адаптивность. Ее применение становится все более широким, что позволяет не только повысить эффективность производства, но и улучшить качество сварки. Технология лазерной сварки, безусловно, будет играть все более важную роль в области обработки материалов.
Дата публикации: 28 марта 2023 г.
