Лазерная сварка это технологический процесс, при котором соединение материалов (как правило металлов и их сплавов), выполняется под действием концентрированного луча лазера. При этом кромки материала плавятся и создастся общая ванна расплава, которая затем затвердевает.
Преимуществом над другими разновидностями сварных работ является то, что лазерная сварка не требует контакта и является более аккуратным процессом. Поскольку для формирования сварочного шва не требуются флюс, сварочные электроды и прочее. В свою очередь высочайшая концентрация энергии, существенно повышает эффективность, которая значительно превышает таковую у иных разновидностей сварки.
Своим появлением лазерный луч обязан фундаментальным достижениям в физике, начало которых было положено в конце XIX века. В течении десятка лет было произведено пять важнейших открытий. Начало положил немецкий физик В. Рентген. Который в 1895 году открыл новую разновидность излучения, за это открытие позднее он получил первую в истории Нобелевскую премию. Француз А. Беккерель открыл радиоактивность в 1896 году, за что также удостоен Нобелевской премии. Свою награду от фонда Нобеля получил и англичанин Дж. Томсон, который не только открыл электрон, но и позднее произвел измерения его заряда.
В 1900 году М. Планк вывел формулу испускательной способности черного тела. В основе его работы лежала новая концепция, которая впоследствии стала фундаментом квантовой теории. Которая в XX веке стала одной из основополагающих теорий в физике. Молодой А. Эйнштейн в 1905 году опубликовал теорию относительности. На мировую научную общественность эти открытия произвели ошеломительное впечатление. Многие исследователи пребывали в замешательстве, потребовалось переосмыслить существовавшие ранее представления. Поскольку новые данные никак не укладывались в рамки классических теорий.
В 1964 году советские академики Прохоров Н.Г. и Басов, А.М., а также и американский физик Ч. Таунс стали лауреатами Нобелевской премии, за теоретическое обоснование и создание лазеров. Таким образом человечество получило в свои руки луч лазера.
Огромную роль в проектирование передовых технологий сварки, а также ее механизацию, конструирование оборудования для сварки, создание основных и сварочных материалов сыграл Институт электросварки им. Е. О. Патона, Центральный научно - исследовательский институт конструкционных материалов «Прометей», Центральный научно-исследовательский институт технологии судостроения.
В ходе лазерной сварки источником тепла служит сам луч лазера. Значительная плотность энергии, большая скорость сварки, а также незначительный нагрев материалов рядом со швом значительно снижают вероятность появления холодных и горячих трещин. Что предоставляет возможность значительно улучшить качество сварного шва, в том числе и для материалов, которые неудовлетворительно соединяются с использованием обычных технологий.
Характерной чертой лазерной сварки считается большой интервал изменения ее режимов, что обеспечивают не только возможность соединять всевозможные материалы любой толщины, но и производить ее в разных механизмах проплавления. Вследствие чего, лазерную сварку принято разделять на две группы: сварку с глубоким проплавлением и сварку малых толщин.
Пользуясь лазерным излучением возможно соединять сплав из меди и алюминия, а также цветные металлы. Сделанные лазером сварные швы характеризуются замечательными механическими характеристиками. Величина остаточной деформации при этом в 3-5 раз ниже, по сравнению с газовой сваркой.
Сварка при помощи лазера является самым передовым способом соединения металлов, который обладает собственной спецификой. Нагревание и дальнейшее плавление материала производится при помощи лазерного луча, который формирует квантовый генератор. В качестве излучателя квантового генератора может выступать:
- Газы и их смеси, например углекислый газ, азот, водород.
- Жидкость, такая как красители, раствор окиси неодима и прочее.
- Твердое тело, например рубин, стекло с неодимом и прочее.
Сам процесс обработки как металлов, так и неметаллических материалов может происходить в разных газах, вакууме и, конечно, в атмосфере. Лазерный луч беспрепятственно проходит сквозь воздух, кварц и стекло.
Основным элементом лазерной сварки является лазерный луч. Вследствие узкой направленности вся энергия сосредоточена на относительно незначительной площади. Что предоставляет ряд преимуществ в виде небольшого объема сварочной ванны, малой ширины ЗТВ, а также большой скорости остывания и нагревания. В результате чего технологическая прочность соединения значительно повышается, а деформация заметно снижается. Мощность излучения усиливается за счет когерентности. К главным частям лазера относиться:
- активная среда;
- генератор накачки.
Среди лазеров с активной средой имеются:
- полупроводниковые;
- газовые;
- твердотельные.
Если вкратце, то базовый принцип технологии лазерной сварки таков: луч проходит через систему фокусировки, в которой оно сжимается до меньшего размера и поступает на детали, что необходимо соединить. На них луч отчасти поглощается материалом, где его энергия идет на разогрев, а частью отражается. Энергия, поглощенная материалом, разогревает его и плавит материал тем самым образуя шов.
Сварка может выполняться при любом расположении в пространстве при помощи частичного либо сквозного проплавления. Импульсным либо непрерывным излучением. В случае соединения деталей небольшой толщины процесс ведется с расфокусированным лучом.
При сварке с применением импульсного излучения шов формирует последовательность сварных точек с перекрытием от 30 до 90%. В настоящее время установка с твердотельным лазером способна производить сварку имея частоту импульсов около 20 Гц и скоростью до 5 мм/с. В процессе используется присадочные материалы, для увеличения шва.
- Существует три вида сварки лазером:
- Макросварка (с глубиной проплавления более чем 1 мм).
- Мини-сварка (с глубиной проплавления в пределах 0,1 до 1 мм).
- Микросварка (с глубиной либо толщиной проплавления до 100 мкм).
Обычно в комплект сварочного инструмента включается сам лазер, устройства, обеспечивающие фокусировку, движение луча, а также газовой защиты. В сварочных работах применяются газовые и твердотельные лазеры. Последние изготавливаются на базе алюмоиттриевого граната с неодимом, стекла с присадкой ионов неодима и рубина. В качестве рабочего тела газовых лазеров применяется смесь Не, N2 и СO2. В настоящее время применяются полуавтоматические установки с микропроцессорным управлением, которые проводят сварочные работы в импульсном режиме.
Точечная сварка обычно применяется в машиноприборостроении и радиоэлектронике. При этом используются импульсные твердотельные лазеры, в основном для осуществления неразъемных соединений. Как правило — это соединение тонколистовых материалов, проволоки, проволоки к подложке и прочее. Используется импульсный и непрерывный режим излучения.
Шовная сварка предоставляет возможность создавать прочные соединение, обеспечивая при этом отличную непроницаемость шва. Сварка происходит как с высокой частотой генерации в импульсном режиме, таки и режиме непрерывного излучения. В последнем случае он применяется для соединения толстостенных деталей.
Сварка с неглубоким проплавлением полностью отличается от сварки с глубоким проплавлением. Так как при использовании глубокого проплавления сварное соединение формируется с образованием газового канала. По этому газовому каналу и проходят испарения металла. Шов получается глубокий, небольшой ширины, а зона прогара вытянутой формы.
К недостаткам использования лазерной сварки можно отнести значительные расходы на оборудование. Тогда как достоинств значительно больше. К техническим достоинствам следует отнести:
- возможность проведения работ в труднодоступных зонах;
- высокая эффективность;
- нет необходимости в правке или механической обработке;
- большую точность.
Экономические достоинства лазерного метода сварки:
- уменьшение процента брака;
- экономия материала;
- экономия энергозатрат.
Сегодня лазерная сварка используется для производства конструкций из стали, титановых, магниевых, а так же алюминиевых сплавов. Она хорошо подходит для изготовления конструкций, для которых важна высокая точность. А также в случаях, когда доступ к конструкции затруднен. Широкое применение данный вид сварки нашел в радиоэлектронике и цифровой технике.
В настоящее время высокие затраты на приобретение оборудования ограничивают ее широкое применение на производстве. Тогда как возможность производить высококачественное и эффективное соединение материалов дает возможность прогнозировать этот вид сварки как важный технологический прием в дальнейшем.
