Примечание редактора: все нижеследующее основано на документе «Введение в промышленную лазерную сварку», представленном Томом Куглером, менеджером по волоконным системам компании Laser Mechanisms Inc., на выставке FABTECH, 13–16 сентября 2021 г., Чикаго.
Лазерная сварка проникла в высокотехнологичное и прецизионное производство металлов. Эта технология играет жизненно важную роль в автомобилестроении, производстве медицинского оборудования, а также в деталях для аэрокосмической и точной электроники. Теперь он появляется в большем количестве мест, чем когда-либо, от крупнейшего OEM-производителя до цеха прецизионной обработки листового металла.
По мере развития лазерной сварки она стала чрезвычайно гибкой. Огромное разнообразие сварочных работ, которые могут выполнять лазеры, поистине ошеломляет. Понимание того, как лазеры достигают всего этого, начинается с изучения основ — как луч света сплавляет два металла вместе.
Фокусировка света
Металлы, как правило, очень хорошо отражают свет. Лазер концентрирует и фокусирует этот свет, чтобы преодолеть отражательную способность. Когда поглощается достаточно энергии луча, металл начинает разжижаться.
Все это начинается, когда оптика — изогнутое зеркало или линза с изогнутой поверхностью — фокусирует свет до размера пятна, диаметр которого может варьироваться от десятков до нескольких сотен микрон. Такая фокусировка создает чрезвычайную плотность мощности.
Какую прозрачную оптику использовать, зависит от лазера и его длины волны. CO 2 -лазеры излучают длину волны 10,6 микрон. Стандартное стекло не прозрачно для него, поэтому в таких лазерах используется альтернативный материал линз, например селенид цинка (ZnSe). В одноммикронных лазерах, в том числе волоконных, дисковых и YAG, используется плавленый кварц или стекло.
Линзы ZnSe, фокусирующие 10,6-микронный луч CO 2 -лазера, обладают превосходной теплопроводностью, что делает оптику более устойчивой к загрязнению. К сожалению, не существует экономически эффективного материала, который бы демонстрировал такую же теплопроводность, как и 1-микронный лазер, а это означает, что среда фокусировки должна оставаться чистой и иметь оптику из стекла или плавленого кварца хорошего качества.
Сварочные работы, требующие высокой мощности лазера, могут привести к образованию неизбежного мусора. В этих случаях для фокусировки луча вместо прозрачной оптики используются зеркала. Фокусирующие зеркала широко распространены при сварке лазером CO 2 с мощностью лазера 5 кВт и более. В одноммикронных лазерах, в том числе волоконных и дисковых, также используются зеркала для более высокой мощности лазера. Обычная установка предполагает, что луч (горизонтально рабочей поверхности) попадает в параболическое зеркало, которое отражает луч вниз.
Лазерная оптика фокусирует диаметр необработанного луча , чтобы создать глубину фокуса , при которой луч имеет достаточную интенсивность для обработки материала. Самое узкое место на талии пучка – это размер пятна . Фокусное расстояние — это расстояние между линзой и фокусной точкой.
Все эти переменные взаимосвязаны. Чем короче фокусное расстояние, тем меньше размер пятна и меньше глубина резкости. И каждый из этих параметров можно регулировать для оптимизации процесса сварки. Например, увеличение фокусного расстояния может изменить положение фокуса и увеличить глубину фокуса, что может увеличить проплавление сварного шва.
Другим фактором является качество луча или врожденная фокусируемость лазерного луча. Его нельзя отрегулировать — это зависит от типа и конструкции лазера, — но этот параметр действительно влияет на то, как человек управляет общим процессом. Лазеры с самым высоким качеством луча называются одномодовыми лазерами, которые имеют чисто гауссовский луч или TEM00 с профилем плотности мощности, который очень интенсивен в центре и менее интенсивен по краям. Высокое качество луча помогает достичь большей глубины фокуса, что, в свою очередь, открывает множество возможностей обработки.
Все распространенные типы лазеров имеют одномодовые версии с высоким качеством луча, но влияние такого высокого качества луча зависит от длины волны лазера. Одномодовый лазер CO 2 с длиной волны 10,6 микрона будет иметь размер пятна в 10 раз больше, чем у волоконного лазера с длиной волны 1 микрон. В общем, более короткая длина волны также означает меньший размер пятна фокусировки.
Преодоление отражательной способности
Опять же, весь смысл фокусировки состоит в том, чтобы преодолеть естественную отражательную способность металла. Жидкий металл поглощает больше энергии света, чем твердый металл, поэтому, когда металл переходит в жидкую фазу, поглощение энергии сильно увеличивается, настолько, что жидкая сварочная ванна начинает превращаться в вогнутую форму. Эта вогнутая форма имеет тенденцию направлять энергию в центр сварочной ванны. Как только сварочная ванна становится глубоко вогнутой, она начинает поглощать большую часть лазерной энергии и отражать лишь около 5%. Точка, в которой первоначальная отражательная способность металла падает до 5% и менее, — это момент, когда процесс переходит в материал.
В каком-то смысле лазерная сварка похожа на плохую лазерную резку. Вместо удаления металла происходит его контролируемое разжижение. Как и при резке, лазер может использовать больше мощности, чтобы сваривать быстрее и толще. Но этот процесс не опирается на аэродинамическое преимущество потока вспомогательного газа, откачивающего расплавленный металл, и не может использовать реакцию горения железа и кислорода. Вместо этого хорошая лазерная сварка должна обеспечивать контролируемое плавление и часто использовать газы для предотвращения обширного окисления.
Твердость материала не имеет значения. Титан и суперсплавы легче сваривать лазером, чем алюминий. И наоборот, отражательная способность и теплопроводность имеют большое значение, поскольку все они влияют на то, как конкретный металл поглощает энергию луча. Материалы с очень хорошей теплопроводностью, такие как золото и серебро, могут представлять проблемы при лазерной сварке. Теплоотводящие материалы, такие как медь, которые имеют высокую температуропроводность (насколько хорошо материал рассеивает тепло), также могут представлять собой проблему. Тем не менее, современные волоконные и дисковые лазеры имеют достаточную плотность мощности луча, чтобы решить эти проблемы.
В отличие от лазерной резки, лазерная сварка требует большего количества металлургических соображений. Лазерная резка превращает одну деталь в две. Лазерная сварка включает в себя металлургические факторы, такие как прочность, пористость, хрупкость и микротрещины.
Талые бассейны
Лазерная сварка приводит к образованию трех распространенных типов ванн расплава: неглубокой, образующейся при сварке в режиме проводимости; глубокая узкая депрессия, создаваемая сваркой в режиме «замочной скважины»; и мгновенное углубление (обычно где-то между режимом «замочной скважины» и режимом проводимости), создаваемое сваркой в режиме провара, для которой обычно используется импульсный лазер.
Режим проводимости и режим замочной скважины. Те, кто разбирается в газовой дуговой сварке (GMAW или MIG), знакомы с ванной расплава в режиме проводимости и ее полукруглым поперечным сечением. Небольшой размер лазерного пятна нагревает деталь ровно настолько, чтобы образовался расплав. Тепло передается от центра бассейна наружу, поэтому в центре бассейн горячее, а по краям прохладнее.
Сварные швы в режиме «замочной скважины» действуют как раз наоборот. Здесь лазер имеет достаточную интенсивность, чтобы довести жидкий металл до точки кипения и вытеснить испаренный металл с поверхности на высокой скорости. Испаряющийся металл выталкивает жидкий металл вниз, создавая узкую замочную скважину.
Эта замочная скважина фактически создает своего рода канал для лазерного луча, который меняет способ нагрева и плавления окружающего металла. Сварная замочная скважина может иметь глубину 10 мм, но ширину всего 1,5 мм, поэтому для получения сварного шва необходимо только расплавить и повторно затвердеть металл, окружающий эту замочную скважину толщиной 1,5 мм.
Сравните это со сваркой в режиме проводимости. Лазер создает ванну глубиной 10 мм, но тепло луча уходит наружу, образуя сварочную ванну шириной 20 мм, в которой весь металл необходимо разжижить и повторно затвердеть. Это, конечно, не делает сварку в режиме проводимости плохой по своей сути. Его просто используют для достижения разных целей, например, для получения косметически идеальных угловых соединений и сварных швов в тонких материалах. Помимо сварки, режим проводимости используется для лазерной наплавки, эффективно обеспечивая очень низкое разбавление между плакируемым и основным материалом, а также для аддитивных применений.
Режим проникновения. В режиме проваривания используются импульсные лазеры, которые имеют высокую пиковую мощность, но низкую среднюю мощность. Например, импульсный лазер со средней мощностью 150 Вт может иметь пиковую мощность 1500 Вт. Представьте себе, что вы забиваете гвоздь молотком. Если вы просто приложите молоток к шляпке гвоздя, ничего не произойдет; это было бы похоже на попытку сварки с мощностью всего 150 Вт. Если вы размахнете молотком и правильно ударите по гвоздю, он сможет войти в него до конца всего за один удар; это импульсная сварка с высокой пиковой мощностью.
Сварка с проваром не создает узкого углубления, как сварка с замочной скважиной, но может создать сварочную ванну, глубина которой превышает ширину. Это также помогает контролировать подвод тепла, создавая сварочную ванну, которая намного шире замочной скважины.
Импульсы можно регулировать и формировать в зависимости от применения. Например, сформированный импульс представляет собой временную форму, в которой пиковая мощность лазера регулируется с течением времени. Это часто используется для замедления скорости охлаждения и минимизации растрескивания материалов с высоким содержанием углерода. Импульсы другой формы усиливают первоначальный пик, увеличивая поглощение в алюминии и других материалах с высокой отражающей способностью. Иногда начальные импульсы используются для очистки поверхности материала от мусора, оксидов или масел перед тем, как последующие импульсы создадут ванну расплава и начнут сварку.
Стабильность замочной скважины
Стабильность замочной скважины важна, особенно при сварке с частичным проваром. Фактически, во многих приложениях указывается полное проникновение, чтобы смягчить эти проблемы со стабильностью замочной скважины.
Иногда из-за конструкции соединения или других характеристик детали замочная скважина с полным проникновением просто невозможна. Однако замочная скважина с частичным проваром имеет больше шансов на блуждание — перемещение вверх и вниз по мере продвижения сварного шва. Это движение может оставить пустоты, которые заполнятся жидкостью, образуя поры.
Основная проблема 1-микронных лазеров — рассеяние луча, вызванное сажей, которая всплывает во время сварки. Это изменяет точку фокусировки и снижает мощность лазера. Сама замочная скважина может смещаться влево или вправо, в зависимости от того, где находится концентрация сажи. Такое движение препятствует последовательному испарению металла, что в конечном итоге может привести к разрушению замочной скважины.
Здесь помогает правильный поток газа, удаляющий примеси и другие нежелательные элементы из зоны сварки. При использовании волоконного или дискового лазера струи вспомогательного газа удаляют сажу из зоны сварки, часто в зону сбора дыма.
Лучи CO2 - лазера не взаимодействуют с сажей, но взаимодействуют с шлейфом на поверхности сварного шва. Проблема начинается с того, как 10-микронный луч взаимодействует со свободными электронами шлейфа. Как только шлейф поглощает достаточное количество фотонов, он превращается в белый шар плазмы, который эффективно останавливает лазерную сварку. Чтобы избежать этого, системы лазерной сварки включают в себя газовые струи, которые толкают шлейф к затвердевшему металлу, следующему за зоной сварки.
О газе
Поскольку жидкая фаза очень недолговечна, лазерная сварка вызывает очень незначительное окисление, а это означает, что защитный газ часто не нужен. Тем не менее, в некоторых приложениях, особенно в медицинской промышленности, окисление практически не требуется, поэтому в установках для лазерной сварки часто используется какой-либо защитный газ.
Во многих случаях для лазерной сварки может не требоваться защитный газ, но требуется вспомогательный сварочный газ, который помогает удалить примеси и нежелательные элементы, такие как сажа из сварных швов волоконным лазером и плазменные шлейфы из сварных швов CO 2 лазером . В некоторых приложениях газ используется в качестве своего рода защиты, подавляющей образование плазменного шлейфа. Другие используют воздушные ножи, которые сдувают искры и другой мусор с чувствительной сварочной оптики.
О присадочном металле
Большая часть лазерной сварки происходит без присадочного металла, но в некоторых случаях это требуется. Присадочный металл обычно добавляют либо для устранения определенного зазора, либо по металлургическим причинам, например, чтобы избежать проблем с растрескиванием.
Никелевый наполнитель может решить проблемы растрескивания некоторых сплавов на основе железа и нержавеющих сталей. Что касается алюминия, то для сварки двух алюминиевых сплавов серии 6000 иногда используется наполнитель с высоким содержанием кремния серии 4000, например 4047.
Что касается допустимых зазоров между основными металлами, традиционное эмпирическое правило состоит в том, чтобы зазор не превышал 10% толщины самого тонкого основного материала. Это всего лишь общее правило, которое может меняться в зависимости от толщины материала и применения. Однако новые лазерные технологии позволяют использовать большие зазоры, и именно здесь в игру вступает манипуляция лучом.
Разделение и манипулирование лучом
Производители сварных заготовок по индивидуальному заказу сталкиваются с проблемой при каждом сварном шве: они сваривают два основных металла разной толщины. Чтобы оптимизировать процесс, некоторые используют лазерную сварку с двойной оптикой, в которой призма разделяет лазерный луч на два фокусных пятна. Мощность можно регулировать от одной точки к другой для достижения оптимальных результатов, преодолевая любой чрезмерный зазор, а также проблемы, возникающие при сварке двух материалов разной толщины.
Подобные установки могут создавать несколько точек фокусировки либо с использованием призмы, либо с граненым зеркалом, при непрерывной сварке или при точечной сварке с помощью импульсного лазера. Некоторые сварочные головки имеют призмы, которые могут создавать три или даже четыре точки одновременно.
Специальные головки с дифрагированной или скульптурной оптикой воспринимают выходную мощность лазера и создают прямоугольный фокус с равномерной плотностью мощности. Это может хорошо работать в некоторых случаях сварки, но чаще встречается при термообработке и наплавке, особенно при лазерной наплавке с проволокой, которая требует точного уровня разбавления между плакируемым и основным металлом и высоких скоростей наплавки. Некоторые могут вносить материал со скоростью до 20 кг в час.
В других приложениях используются зеркала с гальванометрическим приводом для более быстрого перемещения пятна фокусировки. Это характерно для установок удаленной лазерной сварки (где расстояние фокусировки может составлять метр и более), в которых гальваническое движение перемещает пятно луча из одной области в другую почти мгновенно. Другие используют оптико-механические устройства для перемещения пятна, например установку, в которой вращающиеся клиновые призмы создают быстро движущуюся круговую траекторию.
Некоторые продвинутые приложения перемещают точку по небольшой, точной круговой траектории, чтобы создать пятно большего размера, а другие сканируют луч, чтобы создать более крупную границу раздела между сварным швом и основным металлом. Это движение часто работает в сочетании с импульсными лазерами с высокой пиковой мощностью, которые помогают снизить отражательную способность, например, при сварке меди с алюминием.
Еще одним недавним достижением является лазерная сварка с перемешиванием (LSW) или колебательная сварка, процесс, при котором луч движется по непрерывному круговому или другому пути, предназначенный для сглаживания поверхности сварного шва, увеличения ширины и устранения пористости. При высокой мощности лазера и низкой скорости вращения LSW создает непрерывную ванну расплава с большой зоной плавления, позволяя газу эвакуироваться, а жидкости «заживлять» пустоты.
В некоторых случаях применения LSW балка вращается так быстро, что металл сварного шва буквально затвердевает прямо за ней. В этих случаях целью является не увеличение прочности сварного шва или создание большой ванны расплава и устранение пористости, а улучшение характеристик сопротивления между основными металлами. Сварка таким способом сводит к минимуму тепловложение, одновременно увеличивая поперечное сечение сварного шва, что снижает сопротивление.
О качестве
Сегодня лазерная сварка является синонимом качества. В качестве примера можно привести некоторые из наиболее совершенных одномодовых систем, которые создают точные сварные швы, которые, если изучить их микроструктуру, вообще не похожи на сварные швы. Между основным металлом и ванной расплава существует лишь самая слабая линия. Такое качество было достигнуто благодаря одномодовому волоконному лазеру с чрезвычайно малым размером пятна в сочетании с очень высокой глубиной фокуса. До недавнего времени эти сварные швы были просто невозможны.
За прошедшие годы лазеры сделали то, что ранее нельзя было сваривать, свариваемым, а ранее трудоемкие и трудоёмкие процессы стали проще и быстрее. На ум приходят угловые соединения, сваренные кондуктивной сваркой. Лазеры сваривают их за один проход, и заготовки поступают непосредственно на окончательную сборку без какой-либо шлифовки или полировки. Они выглядят идеально как есть. Сама сварка может быть немного быстрее, но именно качество делает лазер действительно блестящим.
