Описание технологии лазерной сварки
Лазерная сварка – процесс получения неразъемного соединения путем сплавления примыкающих поверхностей свариваемых частей с помощью излучения лазера. Лазерная сварка относится к методам сварки плавлением, а по плотности энергии – к высококонцентрированным источникам энергии – как электронно-лучевая сварка, сжатая дуга, плазменная сварка.
Локальность лазерной обработки, концентрация теплового воздействия, высокие скорости роста и уменьшения температуры в зоне обработки, а также возможность быстрого образования сварной ванны в заданном объеме позволяют широко применять лазерное излучение для реализации сварочного процесса.
Самым важным отличием лазерной сварки от остальных методов является отсутствие присадочного материала. Сварка производится за счет материала соединяемых изделий.
В ходе процесса сварки оператор или специальная программа (в случае, если сварка автоматизированная) контролируют движение лазерного луча, который перемещается по траектории, совпадающей с границей соединения деталей. Оплавляя одновременно соприкасающиеся кромки изделий, лазерный луч формирует их общую расплавленную ванну, которая после застывания образует сварной шов. Лазерный луч может быть непрерывным, перемещая сварную ванну по траектории шва, либо импульсным, формирующим новую сварную ванну в каждой точке прицеливания.
Сварка непрерывным лучом похожа на сварку другими традиционными средствами сварки (например, аргоно-дуговая), при которых в расплавленную сварную ванну добавляются новые участки (захватываемые перемещающимся лазерным лучом), а уже сваренные участки постепенно остывают.
Преимуществами данного метода являются:
- хороший и равномерный прогрев сварного шва;
- плавное его остывание, (что уменьшает вероятность поверхностного растрескивания шва или образования сквозной трещины);
- возможность сквозного провара шва.
Недостатки метода:
- зона термического воздействия шире, чем у импульсного, возможен перегрев тонкостенных изделий;
- хотя при сварке лазером производится локальная подача защитного газа, возможны появления цветов побежалости, оксидных пленок.
Сварка импульсным методом представляет собой перемещение лазерного излучателя по траектории соединения деталей с кратковременным периодическим включением лазера в точках. При включении лазера на период 3-5 мс происходит формирование полусферической сварной ванны, излучатель перемещается к следующей точке, находящейся на небольшом расстоянии от предыдущей. Следующая сварная ванна формируется частично из материала предыдущей сварной ванны с добавлением нового материала из соединяемых деталей. Сварные ванны формируются с наложением друг на друга с определенным смещением, обычно составляющем 10-30% от диаметра сварной ванны. Это смещение называется перекрытием. От величины процентного перекрытия зависит степень герметичности изделия, прочность шва и производительность процесса сварки.
Преимуществами данного метода являются:
- минимальное термическое воздействие на изделие, возможность сваривать изделия с наполнением (например, корпуса микросборок с содержащимися внутри микросхемами) без ущерба для содержимого;
- отсутствие перегрева шва;
- полная защита агроном, так как обеспечить защиту сварной точки до 1.5 мм в диаметре не представляется проблемой даже с локальной подачей защитного газа.
При этом сварка импульсным методом более требовательна к качеству подготовки изделий, зазорам, а также химическому составу свариваемых изделий.
Преимущества лазерной сварки
Большой интерес к лазерной сварке обусловлен специфическими достоинствами, которые выгодно отличают ее от других методов сварки:
- Лазерная сварка может осуществляться в любой среде и любых условиях, не требует наличия вакуума.
- Зона термического влияния при лазерной сварке очень мала, при этом сохраняются свойства исходного материала.
- Лазерная сварка практически не вызывает деформации обрабатываемых изделий, так как зона теплового влияния минимальна.
- Высокая точность и производительность процесса лазерной сварки достигается при сварке любых марок сталей.
- Лазерная сварка – один из немногих типов сварки, допускающих соединение разнородных материалов.
- При лазерной сварке обеспечивается значительная глубина провара при небольшой ширине сварного шва.
- Лазерная сварка не требует дополнительных расходных материалов (например, присадочных электродов или флюсов и пр.) под различные свариваемые металлы, переналадка под другие материалы определяется только параметрами лазерного излучения, которые просто и гибко настраиваются.
- Лазерная сварка возможна по месту, без дополнительного закрепления изделий, поэтому возможна обработка изделий крупных габаритов.
- Лазерная сварка возможна и в труднодоступных местах за счет средств доставки лазерного излучения к месту сварки.
- Лазерная сварка является бесконтактным методом обработки, позволяя осуществлять процесс сварки в том числе через кварцевое стекло вакуумной камеры.
- Оборудование и расходы на эксплуатацию для лазерной сварки требуют гораздо меньших капиталовложений, чем для ближайшего аналога – электронно-лучевой сварки.
Подготовка изделий к лазерной сварке
Как уже было отмечено выше, лазерная сварка более требовательна к условиям сварки и подготовке изделий к сварке.
В случае импульсной сварки подготовка изделий и общие условия сварки регламентируются ГОСТ 28915-91 («Лазерная сварка импульсная...»). В случае непрерывной лазерной сварки условия регламентируются отраслевыми стандартами.
В случае несоблюдения требований к подготовке изделий к сварки можно не только не получить готовое изделие с заданными характеристиками, но и привести его в негодность, без возможности дальнейшего восстановления.
Примеры несоблюдения требований и соответствующие последствия приведены ниже:
|
Причина | Последствия | Возможные решения |
1 |
Большой зазор между изделиями (более 1/10 от ширины шва или толщины свариваемых изделий для импульсной сварки) |
Вместо образования общей сварной ванны лазер оплавил обе кромки изделий, расплав стёк по краям, увеличив зазор между изделиями еще больше. Более того, как уже отмечалось, при импульсной сварке большую часть материала сварная ванна может брать из предыдущей. Если в какой-то момент импульс не смог сформировать сварную ванну, для следующего импульса материала тоже не хватит. |
Иногда незначительные участки можно вручную заплавить с присадочным материалом, создав стенку искусственно. Однако это требует куда больше времени, чем обычная лазерная сварка. Более правильным решением будет исправление техпроцесса для более точной подготовки изделий по зазорам. |
2 |
Разнородные материалы |
В случае импульсной сварки разнородные материалы, обладающие разными свойствами (в том числе коэффициентом температурного расширения) могут вести себя различно в процессе остывания. Из соединяемой пары металлов один металл остывает быстрее и быстрее сжимается, чем другой – и мы получаем сквозную трещину на всю глубину шва. В таком случае шов будет и хрупким, и негерметичным. |
По возможности при разработке изделия желательно не прибегать к выбору разнородных материалов в местах соединения сварным методом. Выполнить обе детали из более дорогого материала, но сэкономить на затратах их сварке – иногда более выгодно. |
3 |
Большое количество примесей |
Материалы типа Д16 (конструкционный алюминий) отличаются легкостью и прочностью, хорошо обрабатываются механически. Это достигается большим количеством легирующих элементов и присадок. Однако при импульсной сварке это является значительным препятствием для получения прочного шва. При резком застывании сварной ванны после импульса имеющиеся в материале присадки не дают материалу нормально сжиматься при остывании. Возникают сильные внутренние напряжения, приводящие к образованию трещины. |
Решением может быть использование непрерывного лазера, при работе которого сварная ванна остывает медленнее, и напряжения в шве успевают перераспределиться. При импульсной сварке тонкостенных изделий мы рекомендуем обратить внимание на более пластичные сплавы, например АМЦ, которые возможно сваривать с применением присадочных проволок из чистого алюминия. Иногда удачным решением является изготовление одной детали из примесных сплавов типа АМЦ, а другой детали из чистого алюминия (АД1, А0-А5), таким образом все напряжения по деформации сможет на себя забрать более мягкий материал. |
4 |
Наличие инородных включений (грязь, масло, сож) |
Любые примеси и инородные включения в шве реагируют на лазерное излучение гораздо быстрее, чем свариваемые материалы. При импульсном режиме сварки грязь в шве детонирует, разрывая шов и разбрызгивая металл вокруг, что приводит к образованию дырки. Особенно требовательна к чистоте соединяемых изделий сварка цветных металлов, так как в таком случае энергии для сварки требуется гораздо больше, и детонация грязи в шве происходит гораздо сильнее. |
Для качественной сварки соединяемые изделия должны быть зачищенны от грязи, масла, жира и пр. Образованные грязью дырки в материале можно заплавить с присадкой, однако обычно затраты на заплавку таких последствий больше, чем на промывку детелей перед сваркой. |
5 |
Недостаточная подача аргона |
В случае нарушения защиты шва можно получить окислы в самом шве или образование оксидной пленки на поверхности шва. Это сказывается на хим.составе шва и его прочностных характеристиках. В большинстве случаев, особенно в случае сварки конструкционных сталей, изменения будут незначительны, однако есть материалы (например, титан), для которых нормальная защита инертным газом крайне необходима. |
В большинстве случаев защита аргоном обеспечивается локально. В некоторых случаях необходима защита как с лицевой стороны шва, так и с обратной. Оператор лазерной установки имеет возможность настройки давления защитного газа, предзадержки импульса для достаточного поступления газа в зону обработки перед первым импульсом. Также большое значение имеет направление подачи, которое регулируется суставчатым шлангом. |
6 |
Использование тонколистового материала |
Для тонколистового материала требования по ГОСТ 28915-91 по сути остаются те же самые, а это означает, что для приварки листового материала тлщиной 50 мкм зазор между изделиями должен быть не более 5 мкм. Это довольно сложно обеспечить в обычных условиях, поэтому например сварка тонкостенных сильфонов может представлять значительную проблему: любой импульс в условиях больших зазоров будет оставлять дырку в стенке, которую заплавить уже не представится возможности. |
Сварка тонкостенных изделий должна производиться грамотными специалистами с соблюдением всех требований по зазорам. При этом должно обеспечиваться хорошее прижатие тонколистового материала к основе. Иногда правильным решением является обвальцовка тонкостенного изделия на основе. В любом случае, подготовка таких изделий к сварке гораздо более трудоемкая, однако остается вполне реализуемой. |
Сфера применения лазерной сварки
Точечная импульсная лазерная сварка в микроэлектронике
В приборостроительной промышленности широкую популярность приобрела технология лазерной сварки точечным методом. Зачастую лазерная сварка может использоваться для получения прочных и герметичных соединений проводников между собой или приварки их к печатной плате, к элементам микросхем, для соединения токопроводящих элементов. В данном случае показывает высокую эффективность и качество лазерная сварка разнородных материалов: никель-бор, вольфрам-никель и др.
Методы лазерной сварки проводников имеют несомненное преимущество в виду того, что для лазерной сварки нет необходимости в подготовке поверхностей для сварки и зачистке изоляционных слоев (полиуретан, тефлон и др.). Лазерная сварка позволяет удалить изоляцию в месте воздействия непосредственно в процессе сварки.
Лазерная сварка выводов обмотки якоря с коллектором
Один из примеров – лазерная сварка статора с соединением выводов обмотки якоря с коллектором электродвигателя. Для этого медные выводы должны располагаться в пазах для соединения в коллекторе. Применение технологии лазерной сварки для получения токопроводящего соединения медных выводов с коллектором выполняется без удаления изолирующего слоя.
Фиксация зубчатых колес на оси с помощью лазерной сварки
В приборостроении зачастую важна не механическая прочность изделия под силовыми нагрузками, а необходима качественная фиксация изделий друг с другом, герметичность шва, отсутствие деформаций деталей в процессе сварки. Из-за небольших размеров изделий различные традиционные методы соединений (резьбовые, шпоночные, клепаные, посадки с натягом) не подходят для данных изделий. Другие методы сварки, дающие большой неравномерный нагрев изделий, также не подходят для данной задачи т.к. теряется аккуратного самого сварного шва. Примеры сварных работ: сварка цилиндрических изделий по поверхности одного из них, круговая сварка по торцу, точечная прихватка деталей перед дальнейшей обработкой.
Изготовление датчиков давления с помощью лазерной сварки
Большое распространение получила технология лазерной сварки датчиков высокого давления. Внедрение лазерной сварки позволило повысить надежность работы датчика, увеличить диапазон рабочего давления и циклическую прочность. Лазерная импульсная сварка гарантирует высокое качество сварного соединения и обеспечивает технологическую воспроизводимость сварочного процесса.
Ремонт очковых оправ
Лазерная сварка широко применяется не только в промышленности и серийном производстве, но и для точечной сварки применяемых в быту изделий (очковые оправы, кухонная утварь, ювелирные изделия). Лазерная сварка позволяет надежно скреплять детали из конструкционных сплавов, титана, нержавеющей стали, в том числе применяемой при изготовлении в пищевой промышленности (пищевая нержавейка). Для ремонта подобных изделий обычно применяют лазерные установки малой мощности, сварка производится вручную.
