Новости

Рассмотрена возможность применения импульсной лазерной шовной сварки для соединения узлов с прецизионными геометрическими размерами.

Дата публикации: 12/05/2010
Категория: Новости лазерных технологий
Версия для печати

Приведены примеры применения импульсной лазерной шовной сварки (Вятский Государственный университет, ДОАО «Центрэнергогаз» - В. В. Мелюков, д.т.н., А. М. Чирков, к.т.н., А. В. Орехов, инж.)
Возможность высокой концентрации энергии в локальном объеме пространства, высокоскоростного управления изменением энергии во времени и ее перемещения в пространстве открыли принципиально новые перспективы в сфере обработки материалов.
Суть обработки материалов концентрированными и высококонцентрированными потоками энергии заключается в преобразовании с определенным коэффициентом полезного действия энергии источника в тепловую энергию, изменяющую структурно-фазовое состояние поверхностного слоя или агрегатное состояние вещества.
В отличие от концентрированных источников энергии (электрической дуги, электроискровой, плазменной обработки и др.) высококонцентрированные источники энергии (лазерные, электронно-лучевые) обладают большими потенциальными технологическими возможностями и более высокими технико-экономическими характеристиками технологических процессов. Высокая технико-экономическая эффективность применения луча лазера при обработке различных материалов обусловлена не только его преимуществами как высоко-концентрированного источника энергии, но и его гибкостью и универсальностью как технологического инструмента.
Несомненным преимуществом лазерного луча является возможность одним источником обслуживать несколько рабочих мест, в течение нескольких секунд переходить с обработки продукции одного вида на другой, что резко снижает межоперационное время и повышает коэффициент загрузки оборудования.
Луч лазера - универсальный инструмент, способный выполнять различные технологические операции - сварку, резку, термическую обработку, наплавку, легирование и т. д. Свойства луча лазера как универсального инструмента проявляются в самых различных технологических возможностях обработки материалов - универсальности, гибкости, локальности обработки в пространстве и во времени, высокоскоростной обработке, прецизионности, селективности, корпоративности.
Производство лазерной техники, синтезировав достижения электроники, оптики, компьютерной техники, робототехники, стало одной из ведущих отраслей промышленности, определяющей технологический прогресс развития цивилизации. Степень оснащения лазерным оборудованием - один из важнейших критериев научного и технического развития всех индустриально развитых стран мира.
В настоящее время в промышленности и, в частности, машиностроении наиболее широко применяют лазеры двух типов - газовые СО2-лазеры с длиной волны лазерного излучения λ, равной 10,6 мкм и твердотельные на алюмо-иттриевом гранате YАG : Nd (λ= 1,06 мкм).
Твердотельные лазерные технологические установки имеют ряд определенных преимуществ перед СО2-лазерами. Меньшая длина волны лазерного излучения обеспечивает более высокое значение коэффициента поглощения обрабатываемой поверхностью материала.
Применение световолоконной оптики открывает широкие технологические возможности, особенно при использовании роботов.
Меньшая длина волны лазерного излучения твердотельных лазеров позволяет, выполнять более локальную и прецизионную обработку материалов.
Лазеры открывают широкий спектр технологических возможностей в обработке материалов - термической обработке, сварке, резке, пайке, наплавке, модификации, легировании, маркировании, гравировании, прошивке отверстий, лазерно-плазменной обработке, гибридных лазерных технологиях, находят применение в различных видах производств машиностроительных предприятий - заготовительном, инструментальном, сварочном, термическом, гальваническом, металлургическом, механообрабатывающем. В технически развитых странах лазерные технологии уже вошли во многие отраслевые стандарты, что делает принципиально невозможным участие в международных кооперациях промышленных предприятий, не оснащенных лазерным оборудованием.
Каждый из сварочных источников энергии, применяемых для соединения материалов, характеризуется вполне определенными технико-экономическими параметрами процесса, главными среди которых являются коэффициент сосредоточенности источника энергии, плотность мощности, создаваемая в зоне обработки, производительность процесса и себестоимость сварки одного погонного метра шва.
В настоящее время сфокусированный луч лазера как сварочный источник энергии является единственным высоко-концентрированным источником энергии, обеспечивающим получение плотности мощности > 0,5-106 Вт/см2 в зоне обработки при атмосферных условиях, и обладает самым высоким коэффициентом сосредоточенности теплового сварочного источника энергии по сравнению с известными классическими сварочными источниками энергии - газопламенным, электродуговым, индукционным, плазменным, что открывает принципиальную возможность выполнять сварку в режиме глубокого (кинжального) проплавления.
Для установления зависимостей между формой проплавления и технологическими параметрами луча лазера широко используют современные методы исследований, в том числе физико-математическое моделирование.
Высокие значения коэффициента сосредоточенности сварочного источника энергии определяют преимущества технологии сварки: • минимизация объема расплава сварочной ванны, что значительно снижает продольную и поперечную усадку в свариваемом узле;
• минимизация объема сварочной ванны, точной дозировки энергии и длительности импульса лазерного излучения минимизируют размер ЗТВ;
• высокое значение коэффициента сосредоточенности и высокая точность дозировки энергии луча лазера позволяют сваривать тонкостенные детали (несколько сотен микрон) без прожогов;
• высокое значение коэффициента сосредоточенности позволяет выполнять сварку малогабаритных деталей, сохраняя их геометрические размеры в микронном поле допуска;
• небольшая масса расплава сварочной ванны позволяет выполнять сварку в потолочном и полупотолочном положении.
К импульсной лазерной сварке проявляют большой интерес специалисты различных отраслей промышленности. Этот интерес обусловлен рядом специфических преимуществ, выгодно отличающих ее от других методов сварки:
• в отличие от электронно-лучевой лазерная сварка не требует вакуума и может выполняться в любой среде, при ее реализации отсутствует вредное рентгеновское излучение;
• при сварке образуется очень малая ЗТВ - десятки микрон, что позволяет выполнять сварку вблизи термочувствительных элементов;
• следствием высокой локальности и минимальности теплового воздействия при лазерной сварке является минимальная деформация свариваемого узла;
• при лазерной сварке обеспечивается высокая точность наведения луча лазера на стык свариваемых деталей за счет применения оптических систем наблюдения за зоной сварки;
• возможна сварка разнородных материалов, а также магнитных сплавов;
• при лазерной сварке возможно достижение большого соотношения глубины и ширины проплавленного материала;
• лазерная сварка отличается гибкостью, процесс легко переналаживается на сварку других материалов и деталей (отпадает необходимость в специальных электродах, флюсах и других дополнительных материалах);
• благодаря передаче излучения по оптоволоконным системам, возможна сварка деталей любых геометрических размеров, многопозиционная сварка;
• возможность сварки в труднодоступных местах вследствие бесконтактности воздействия (сварка на расстоянии), проведения обработки через прозрачные материалы (например, прозрачное окно);
• более низкие стоимость оборудования и эксплуатационные расходы по сравнению с ближайшим аналогом - ЭЛС; • стерильность технологического процесса.
Высокая температура в зоне лазерного воздействия, локализация тепловых процессов, возможность быстрого нагрева и расплавления материалов предопределили применение лазерного излучения как сварочного источника энергии. При этом возможно выполнение импульсной сварки двух видов - точечной и шовной.
Точечную сварку обычно выполняют с использованием одиночных импульсов лазерного излучения, шовную - импульсным лазерным излучением в частотном режиме при последовательном наложении зон лазерного воздействия с перекрытием. Импульсная лазерная точечная сварка получила распространение с первых дней появления импульсных твердотельных лазеров для выполнения неразъемных соединений в электронике и приборостроении. Точечной сваркой соединяют тонколистовые материалы (менее 0,5-1,0 мм), проволоку диаметром 10-500 мкм, проволоку с подложкой, тонколистовые материалы с массивными элементами.
Сварку данного вида применяют не только для обеспечения надежного механического, электрического соединения свариваемых элементов, но и достижения высокой герметичности соединяемых деталей. Импульсная лазерная шовная сварка осуществляется с помощью импульсного излучения с высокой частотой следования импульсов. Приводятся примеры применения импульсной лазерной шовной сварки.

Источник: «Сварка и Диагностика», 2009, № 4, с.37-42

Статьи по теме:

страницы: 1