Материал: Сварка и свариваемые материалы. Технология и оборудование

Рис. 6.4. Классификация методов лазерной сварки

Лазерную сварку ведут, как правило, при £ = 1 -И 0 МВт/см2. Меньшие плотности мощности не рекомендуются, так как при этом более эффективны

иэкономичны другие методы сварки, например дуговая. При £> 10 МВт/см2 происходит интенсивное испарение металла, которое приводит к его выплеску

инарушению качественного формирования шва. Однако качественное форми­ рование шва определяется не только плотностью мощности лазерного излу­ чения, но и определенным сочетанием ее с длительностью воздействия излу­ чения на материал. Возможны три основных режима с определенным соче­ танием плотности мощности и длительности воздействия.

1.£ = 0,1 -5-1,0 МВт/см2, т> 10—2 с. Режим I обеспечивается лазерами не­ прерывного действия. В этом случае

2. £=1,0—10 МВт/см2, т<10~3 с. Режим II обеспечивается лазерами им­ пульсно-периодического действия. Вследствие высоких £ процесс сварки вы­ сокоэффективен. Частота повторения импульсов излучения — от десятков до нескольких сотен герц. Сочетание указанных значений £ и х позволяет осу­ ществить сварку ряда металлов и сплавов разных толщин при меньших энер­ гетических затратах, чем при использовании непрерывного излучения.

3. £ = 0,1 -М,0 МВт/см2, т= 10~3-М0""2 с. Режим III обеспечивается лазе­ рами импульсно-периодического действия и используется для сварки малых толщин.

Технологические признаки. По этим признакам следует различать сварку металлов с глубоким проплавлением и сварку малых толщин. Лазерная сварка с глубоким проплавлением обеспечивает соединение металлов толщиной >1,0 мм и выполняется лазерами как непрерывного действия, так и импуль­ сно-периодическими.

Лазерную сварку с глубоким проплавлением ведут, как правило, беэ присадочного материала, хотя в отдельных случаях для повышения свойств шва и для улучшения свариваемости в сварочную ванну подают присадочный материал. Использование присадки позволяет осуществить сборку деталей под сварку с менее жесткими требованиями к точности зазора по длине шва,, т. е. с менее жесткими условиями подготовки стыкуемых кромок. В качестве присадки в основном применяется < 1,5-мм проволока. Лазерная еварка с присадкой обеспечивает качественное формирование шва лишь при условии точной подачи проволоки в зону плавления непосредственно под лазерным лучом.

Лазерную сварку с глубоким проплавлением в большинстве случаев ве­ дут в защитной среде для обеспечения эффективного проплавления и высо­ ких свойств сварных соединений.

Лазерную сварку можно выполнять во всех пространственных положе­ ниях.

Скорость импульсно-периодической лазерной сварки с глубоким проплав­ лением примерно в десять раз меньше, чем при непрерывном лазерном излу­ чении. Однако при этом обеспечивается более высокая эффективность про­ плавления по сравнению с непрерывной сваркой.

Малыми при лазерной сварке считают толщины металлов <1,0 мм. Прин­ ципиальным в отличие от сварки с глубоким проплавлением является отсут­ ствие значительного перегрева и интенсивного испарения расплавленного ме­ талла шва.

Сварку малых толщин ведут как непрерывными, так и импульсно-перио­ дическими лазерами. При использовании непрерывного излучения выполня­ ется шовная сварка, а импульсно-периодическое излучение позволяет выпол­ нять как точечную, так и шовную сварку. В последнем случае шов формиру­ ется перекрытием отдельных точек.

В большинстве случаев сварку малых толщин ведут без присадки. Принципиально сварку малых толщин, в особенности при выполнении то­

чечных соединений, можно проводить без защитной среды. На эффективность проплавления в данном случае защитные газы не оказывают существенного влияния. Однако в тех случаях, когда необходимо предохранить швы от окис­ ления, в особенности при сварке титана, молибдена, ниобия, циркония и дру­ гих активных материалов, применяют защитные газы.

Экономические признаки. Методы лазерной сварки характеризуются свое­ образными экономическими признаками, которые необходимо учитывать как при разработке технологического процесса, так и при проектировании сварных соединений.

Одним из важных признаков, определяющих производительность про­ цесса сварки, является скорость. Лазерная сварка непрерывным излучением выполняется с весьма высокими скоростями, позволяющими в 10—15 раз уве­ личить производительность по сравнению с традиционными методами сварки плавлением. Наряду с высокой производительностью лазерная сварка энерге­ тически эффективна, так как благодаря высокой концентрации энергии излу­ чения процесс сварки осуществляется с минимальной погонной энергией, оп­ ределяемой отношением мощности к скорости сварки.

Лазерная сварка на высоких скоростях наряду с повышением произво­ дительности и энергетической эффективности одновременно обеспечивает ми­ нимальные остаточные деформации и снижение склонности к образованию го­ рячих и холодных трещин при сварке целого ряда конструкционных материа­ лов. Однако высокая скорость достигается не во всех случаях лазерной сварки. В частности, лазерная сварка импульсно-периодическим излучением осуществляется на меньших скоростях, сопоставимых с традиционными мето­ дами сварки плавлением.

Одним из важных экономических признаков, свойственных процессу ла­ зерной сварки, является значительная экономия сварочных материалов вслед­ ствие малых объемов расплавленного металла шва. В частности, лазерная сварка металла толщиной 5—20 мм может быть выполнена за один проход без предварительной разделки кромок и без использования присадочной про­ волоки. Для сопоставления отметим, что дуговая сварка металла толщиной порядка 20 мм выполняется как многопроходная с разделкой кромок и с ис­ пользованием присадочного материала.

Высокая концентрация энергии лазерного излучения позволяет осуществ лять сварку сфокусированным лучом с минимальным диаметром пятна 0,1 мм, обеспечивая значительную локальность обработки. Это условие локальности обеспечивает рациональное и экономически целесообразное проектирование сварных деталей и конструкций с учетом возможностей сварки в крайне ог­ раниченной по размерам зоне, а также в труднодоступных местах. В част­ ности, лазерная сварка в электронике благодаря локальности обеспечивает проектирование крайне уплотненных схем, сварных корпусов приборов мини­ мальных размеров и т. д.

Важным обстоятельством, связанным с локальностью процесса лазерной сварки, являются минимальные остаточные деформации. Это дает возмож­ ность проектировать технологию изготовления сварных конструкций без ис пользования дорогостоящих методов последующего уменьшения либо устранения остаточных деформаций. Лазерная сварка — прецизионный процесс соединения деталей, в ряде случаев ее можно рассматривать как финишную операцию.

6.2.Технология лазерной сварки

6.2.1.Применение лазерной сварки

Отработана технология лазерной сварки малых и средних (5— 10 мм) толщин. Однако широкое применение лазерной сварки в ряде случаев сдерживается соображениями экономического характера. Стоимость технологических лазеров пока еще доста­ точно высока, что требует тщательного анализа возможностей применения лазерной сварки. Перспектива для лазерной сварки появляется тогда, когда применение традиционных способов сварки сопряжено с трудностями.

Лазерную сварку следует рекомендовать при необходимости получения прецизионной конструкции, форма и размеры кото­ рой практически не должны изменяться в результате сварки; возможности значительного упрощения технологии изготовле­ ния сварных конструкций за счет выполнения сварки в виде заключительного процесса без последующих операций правки либо механической обработки для достижения требуемой точ­ ности; необходимости существенного увеличения производитель­ ности, так как процесс лазерной сварки может осуществляться на скоростях 100— 2 0 0 м/ч и более, что в несколько раз пре­ вышает скорость наиболее распространенного традиционного способа дуговой сварки; производстве крупногабаритных кон­ струкций малой жесткости с труднодоступными швами. При этом в отличие от электронно-лучевой сварки не требуются ва­ куумные камеры; соединении трудносвариваемых материалов, в том числе разнородных.

Лазерное излучение рекомендуется к использованию для из­ готовления конструкций с учетом технологических особенностей лазерной сварки основных конструкционных материалов [1].

6.2.2. Сварка сталей

Качество и надежность сварных соединений, выполняемых ла­ зерным лучом, в значительной степени определяются точностью сборки элементов под сварку. Необходимая точность сборки до­ стигается подготовкой свариваемых кромок на металлорежущих станках (строганием, фрезерованием, точением).

Поверхность металла в зоне сварки следует очищать от ока­ лины, ржавчины, других загрязнений, а также от влаги. Ука­ занные загрязнения и влага создают условия для образования пористости, оксидных включений, а в некоторых случаях и хо­ лодных трещин в металле шва и зоне термического влияния за счет насыщения водородом.

Зачищать свариваемые поверхности следует щетками из не­ ржавеющей стали на участке не менее 10—15 мм как выше, так

я ниже свариваемых кромок. Зачищаются также торцевые по­ верхности, прилегающие к свариваемым участкам. После за­ чистки место сварки рекомендуется обезжирить.

Сборка под сварку должна обеспечивать возможность тща­ тельной подгонки кромок по всей длине шва с минимальным зазором н перекосом кромок. При толщине свариваемогомате­ риала > 1 ,0 мм зазор не должен превышать 5—7 % толщины (не более 0,2—0,3 мм). Смещение одной кромки относительно другой по высоте не должно превышать 20—25 % от толщины свариваемых деталей (не более 0,5 мм).

При сборке под сварку не рекомендуются прихватки. В слу­ чае необходимости прихватки следует выполнять лучом лазера.

Предпочтительное соединение — стыковое. Нахлесточцые и замковые соединения углеродистых сталей не рекомендуются из-за высокой чувствительности к концентраторам напряжений.

Защ ищать поверхности шва от окисления следует гелием или

специальное сопло. Корень шва с обратной стороны рекоменду­ ется защищать аргоном. В некоторых случаях при сварке низ­ коуглеродистых сталей допускается отсутствие защиты шва.

Характерные режимы непрерывной лазерной сварки некото­ рых сталей обеспечивают сочетание качественного формирова­ ния шва, высокой технологической прочности н высоких меха­ нических свойств сварного соединения (табл. 6.1).

Как следует из табл. 6.1, оптимальные режимы сварки ста­ лей обеспечиваются сравнительно высокими (80— 120 м/ч) ско­ ростями сварки. При этом мощность лазерного излучения мо-

ТАБЛИЦА 6.1

тенентностареющие (08Х15Н5Д2Т)

П р т е ч м а е . Р - и о ц р о сп луча. F — фокусвое p ic c ro tite , AF — заглуб­ лена* фокуса.