|
ФPAГMEHT УЧЕБНИКА (...) ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЛАЗЕРНОЙ СВАРКИ МЕТАЛЛОВ
Лазерная сварка относится к тер.мическому классу процессов сварки, для которых получение неразъемного соединения достигается местным расплавлением материалов, с последующей кристаллизацией расплава. При затвердевании расплава между атомами материалов устанавливаются прочные химические связи, соответствующие природе соединяемых материалов и типу их кристаллической решетки.
Источником тепловой энергии для активации поверхности соединяемых твердых материалов при сварке лазером служит энергия излучения, поглощаемая материалами в зоне воздействия лазерного пучка.
В настоящее время лазерную сварку, применяемую в приборо и машиностроенни, можно условно разделить иа три вида: микросварка (соединение элементов с толщиной или глубиной проплавлеиня менее 100 мкм), мини-сварка (глубина ироплавления 0,1 — 1 мм) и макросварка (глубина проплавления более 1 мм).
Для первых двух видов сварки, получивщих наибольщее распространение в промыщленности, используют преимущественно импульсные лазеры с чрезвычайно удачным сочетанием свойств излучения, небходимых для осуществления локальной сварки. Для получения литой зоны с заданными размерами требуется определенная энергия. Чем выще плотность мощности пучка в зоне нагрева, тем меньше необходимо времени для ввода этой энергии и расплавления требуемого объема металла, и тем меньше размеры зоны термического влияния (ЗТВ). Сочетание коротких импульсов излучения с высокой концентрацией энергии в малом пятне облучения — большие преимущества лазерной импульсной сварки, особенно при соединении легко деформируемых деталей. Для обеспечения технической чистоты импульсную сварку чаще всего осуществляют без значительного перегрева материала, т. е. исключая его интенсивное испарение. В этом случае передача теплоты в глубь свариваемых деталей происходит в основном за счет теплопроводности (теплопроводностный режим сварки).
В связи с промышленным выпуском непрерывных лазеров в последнее время получает развитие и лазерная макросварка. Механизм формирования сварного шва при воздействии мощного непрерывного излучения (сотни — тысячи ватт) во многом подобен механизму формирования при электроиио-лучевой сварке и характеризуется в основном газодинамическими явлениями в зоне расплава. При сварке излучением мощного (до 4 кВт) СОг-лазера в головной части ванны образуется глубокий парогазовый канал, что позволяет сварить различные материалы большой толщины с узкой зоной проплавления. Образование парогазового канала обусловливает высокую эффективность использования лазерного пучка, который многократно поглощается на стенках канала вследствие многочисленных переотражеинй. При сварке в режиме глубокого проплавления в шве часто образуются несплошности, которые могут быть уменьшены расфокусировкой (расположением фокальной плоскости над поверхностью материала).
Процесс сварки излучением непрерывных и импульсно-периодических лазеров мощностью до 1 кВт ие связан с интенсивным испарением материала из сварочной ванны и во многом подобен теплопроводностному режиму сварки. Глубина проплавления при этом несколько превышает глубину проплавления при сварке импульсными твердотельными лазерами и составляет 0,5 — 1,5 мм.
СТРУКТУРНЫЕ СХЕМЫ ЛАЗЕРНЫХ СВАРОЧНЫХ УСТАНОВОК И ИХ ПАРАМЕТРЫ
Процесс лазерной сварки происходит по следующей схеме: излучение лазера, как правило, направляется на фокусирующую систему, после которой формируется в пучок меньших размеров и попадает на свариваемые детали, где частично отражается, а частично проникает внутрь материала, поглощается, вызывая его нагрев и плавление.
Для сварки металлов широкое применение нашли следующие типы технологических лазеров: импульсные, в качестве активных сред которых используются стекло или алюмоиттриевын гранат (АИГ) с неодимом; иепрерывиые твердотельные АИГ-лазеры и газовые СОг-лазеры, активной средой которых служит молекулярный углекислый газ в смеси с азотом и гелием.
При промышленном использовании лазеры дополнительно содержат различные функциональные устройства, которые вместе с лазером составляют технологическую установку. Независимо от типа лазера сварочные установки чаще всего состоят из ряда аналогичных блоков (рис. 1). Лазер 1 генерирует излучение 2, которое формируется оптической системой 3 в пучок с определенными пространственными характеристиками и направляется на свариваемый объект 4. С помощью микроскопа 5 возможны визуальный контроль положения объекта сварки, наблюдение за ходом процесса сварки и оценка его результатов. Для наблюдения можно также использовать специальный экран или телемонитор. Механизм 6 обеспечивает фиксацию свариваемого объекта на раоочеи позиции, его перемещение и замену. Установка может быть снабжена программным устройством 7, управляющим механизмом б и параметрами лазера. Датчик б предназначен для контроля параметров излучения, а датчик 9 — параметров технологического процесса (температуры зоны сварки, яркости свечения плазменного факела, энергии отраженного излучения и т. п.).
Сигналы с датчиков 8 и 9 поступают в элементы управления лазером непосредственно или через программное устройство, передавая информацию, необходимую для автоматического управления процессом сварки. Некоторые процессы сварки требуют подачи в рабочую зону той или иной технологической среды, а также отсоса из рабочей зоны продуктов сгорания материалов. Для этих целей служат соответствующие устройства 10 и II. Для повышения КПД процесса сварки металлов установка может быть снабжена устройством 12 введения дополнительной энергии (генератор ультразвука, устройство возврата отраженного излучения и т. п.). Кроме перечисленных узлов установка может содержать устройство сканирования лазерного пучка или его точного наведения на объект сварки (на схеме не показано).
Структурная схема твердотельного лазера для сварки (рис. 2) содержит блок питания I, обеспечивающий импульсный или непрерывный режим горения лампы накачки 2, которая вместе с осветителем 3, активным элементом 4 и оптическим резонатором 5 составляет излучатель 6. Система управления 7 осуществляет контроль и регулирование параметров режима работы блока питания.
Для сварки непрерывным пучком промышленностью освоен выпуск твердотельных лазеров иа АИГ («Квант-50», ЛТН-102, ЛТП-103) с мощностью излучения 100—250 Вт и газовых СОг-ла-зеров: УЛН-1,2 (1,2 кВт), УЛГ-2.01 (2 кВт), УЛГН-5.02 (5 кВт).
Для передачи энергии излучения лазера к месту сварки, формирования пучка с заданной плотностью мощности и конфигурацией, регулирования параметров излучения служат оптические системы, состоящие в общем случае из фокусирующих, отражающих и преломляющих оптических элементов.
В сварочных установках наиболее распространена оптическая система, состоящая из коллиматора н фокусирующего объектива (рис. 4). Сферические линзы / и 2 составляют коллиматор, служащий для уменьшения н изменения расходимости лазерного пучка, что достигается относительным смещением линз вдоль оси Z. Объектив 3 служит для фокусировки лазерного пучка в зону сварки. Применение коллиматора позволяет уменьшить размеры сфокусированного пучка и реализовать достаточно удобный способ изменения размеров пятна облучения путем перемещения линзы 1 или 2 при неподвижном объекте сварки.
Рис. 4. Оптическая система для формирования пучка в лазерных сварочных установках
Для анализа закономерностей формирования лазерных пучков оптической системой коллиматор — фокусирующий объектив (КФО) следует использовать дифракционную теорию преобразования пучков [5]. Более простые методы геометрической оптики не позволяют проанализировать осевое смещение лазерного пучка и, кроме того, дают неверное представление о его параметрах после трансформации. |
