Лазерно заваряване

МашиниСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 7, 2013

Заваряването е един от често използваните методи за производство на неразглобяеми съединения. Подходящо е за съединяване както на плътни, така и на листови материали. Получените посредством заваряване метални конструкции, в сравнение с тези, съединени с друг вид връзка, се отличават с икономичност по отношение на използван метал, както и като време за извършване на процеса.

В практиката се използват различни методи за заваряване, които се класифицират по различни признаци. Най-често класификацията е в зависимост от вида на подадената енергия, вида на инструмента-носител на енергията, степента на механизация на процеса и други.

Съвременен метод за заваряване е лазерното заваряване, при което като източник на топлина се използва мощен концентриран лазерен лъч. То е високотехнологичен процес, който в определени случаи може да се окаже и единственият възможен при определени видове работа.

Лазерното заваряване се счита за много подходящо решение при обработката на големи обеми материали, както и за такива, при които заваряването посредством други методи би било трудно постижимо. Получените заваръчни съединения се характеризират с високо качество, а самият процес се отличава с висока скорост.

Лазерният лъч
Източникът на топлина при лазерното заваряване е мощен концентриран светлинен лъч, който се получава в специално устройство – квантов генератор и усилвател (лазер). Основни характеристики на този лъч са: насоченост, монохроматичност и кохерентност. Това на практика означава, че лазерът генерира тънък кохерентен сноп с постоянна дължина на вълната (еднакъв цвят), постоянна фаза и голяма яркост.

Некохерентните източници излъчват в почти целия електромагнитен спектър и във всички посоки. Благодарение на насочеността енергията на лазерния лъч се концентрира на сравнително малък участък. Поради факта, че се явява монохроматичен - има определена честота и дължина на вълната, лазерният лъч отлично се фокусира чрез оптични лещи.

Кохерентният му характер определя редица изключително важни свойства на лазерното лъчение като успоредността на лъчите един на друг в един лазерен сноп светлина, възможността за пренос на огромно количество енергия за кратко време и други. Благодарение на тези си свойства лазерният лъч може да бъде фокусиран върху много малка повърхност от метала и да създаде в тази точка енергия с плътност до около 108 W/cm2, което е достатъчно за разтопяването му, а оттам и за неговото заваряване.

Използвани видове лазери
Принципно, в зависимост от начина на обработка на материала лазерите биват твърдотелни, газови, течни и полупроводникови. От тях в промишлеността за лазерно заваряване се използват предимно твърдотелните и газовите лазери. От твърдотелните лазери, които биват импулсни и непрекъснати, за момента най-широко използвани са твърдотелните лазери, при които лазерният лъч се генерира в кристална пръчка от итриево-алуминиев гранат, активиран с ниодим.

Дължината на вълната на лъча обикновено е от 1 до 3 микрона. Лъчът се характеризира с много къс импулс и повторение на специфична честота. Твърдотелните лазери се считат за подходящи за заваряване на детайли със сравнително малки размери и дебелина. Често намират приложение в микроелектрониката. Възможно е извършването и на точково заваряване на изделия от фолио с диаметър на точките от около 0,5-0,9 mm.

Сред най-широко използваните газови лазери са СО2 лазерите, при които лазерният лъч се генерира във вакуум, съдържащ CO2 газ. Дължината на вълната на лъча е около 10 микрона. Основно предимство на газа като активна среда се явява високата оптическа еднородност. Ето защо за научни и технически приложения, за които се изисква много добра насоченост и монохроматичност на излъчването, газът е предпочитан.

Особено мощни се явяват газодинамичните лазери, работещи с газ, с температура до над 2500 оС. Газът протича с много висока скорост през дюза на Лавал, в резултат на което се реализира адиабатно разширение и охлаждане в зоната на резонатора. При охлаждане молекулите на CO2 те преминават на по-ниско енергийно ниво, което е съпроводено с кохерентно излъчване.

За усилване може да се използва друг лазер или друг мощен източник на енергия. Такъв лазер с мощност N = 100 kW може да се използва например за заваряване на стомана с дебелина 35 mm с много висока скорост, от порядъка на около 200 m/h.

Особености на процеса
При лазерното заваряване съсредоточената в точката на заваряване енергия води до топене и кристализация с големи температурни градиенти и скорости на нагряване и охлаждане. Важен фактор за ефективното протичане на процеса на заваряване се явява абсорбционната способност на падащото лазерно лъчение спрямо подложените на заварка материали.

Този показател зависи от редица фактори, които е добре да се вземат предвид в процеса на заваряване. Сред тях са: дължина на вълната; ъгъл на падане спрямо работната зона; работна температура и агрегатно състояние, при които се реализира процесът; геометрия на заваръчния контур и други. Добре е да се има предвид също, че при заваряването плътността на мощността и времето на въздействие в зоната на обработка също оказват влияние.

В зависимост от технологичните признаци лазерното заваряване може да се раздели на заваряване в дълбочина и заваряване на малки дебелини. В практиката се използват основно три метода на заваряване - заваряване чрез топлопроводност, дълбочинно заваряване, заваряване от разстояние.

При заваряването чрез топлопроводност разтопяването и съединяването на материалите е посредством абсорбция на лазерния лъч в повърхността на материала. Получава се стопилка, която след охлаждане допринася за трайното и устойчиво съединяване на материалите. Този метод е предпочитан при заваряване на детайли с малка дебелина, обикновено до около 2 mm.

При дълбочинното заваряване в материала се образува канал от прегрети пари. За да се постигне това е необходимо да се достигне до температура над температурата на изпарение на материала. Създаденото налягане на парите предизвиква образуването на канал с диаметър 1,5 пъти по-голям от този на фокусното петно.

Хидравличното налягане, повърхностните напрежения на стопилката и налягането на образувалите се пари се намират в равновесие, което осигурява стабилност на канала във времето. Падащото лазерно лъчение прониква в канала, търпи пълно вътрешно отражение и прониква дълбоко в материала. Постиганата дълбочина на провара за стомана например може да достигне до 25 mm.

Като сравнително нов метод се определя лазерното заваряване от разстояние. То намира широко приложение в областта на автомобилостроенето. Реализира се посредством използването на скенер, отклоняващ лазерното лъчение по повърхността на работната зона.
Посредством лазер може да се реализира точково заваряване.

То се използва за заваряване на големи части в микроелектрониката и позволява да се постигне висока точност при заваряване на миниатюрни елементи. За постигане на точност на заваряването се използват предимно импулсни твърдотелни лазери с прецизна механична система на позициониране.

Режим на заваряване
Лазерите могат да работят в импулсен или непрекъснат режим. Качеството на шева при използването на непрекъснато лазерно излъчване е много високо и често превъзхожда механичните свойства на заварявания материал, което е свързано с изменение на структурата на материала в областта на заваряване. Изборът на параметри на режима е в зависимост от дебелината на заварявания материал.

Обикновено заваръчният шев трябва да отговаря на високи изисквания. Сред тях са удовлетворяване на критериите за дълбочина и ширина на заваръчната вана, от които се определя здравината на заваръчния шев по цялата му дължина. Също така от особено значение е постигането на фина, хомогенна структура в зоната на заварка.

Добавянето на допълнителни компоненти като хром, никел, силиций по време на заваръчния процес допринася за придаване на специфични свойства на заварката като например корозионна устойчивост, избягване на микропукнатини и други.
За ограничаване влиянието на топлината в зоната на обработка възможно решение е използването на различни видове геометрии на заваръчния шев.

Предимства на лазерното заваряване
Лазерното заваряване все по-често измества традиционни методи на заваряване като електродъгово, плазмено и т .н. поради редицата предимства, които притежава, като малък обем на заваръчната вана и отсъствие на нежелани външни продукти в нея; реализиране на заварка от разстояние; много тесен заваръчен шев с голямо отношение широчина-дълбочина; заварка на труднодостъпни места; малка термично повлияна зона; висока производителност на процеса и други.

Високата концентрация на топлинна енергия, високата скорост на лазерното заваряване в сравнение с другите методи и незначителното топлинно въздействие върху зоната около заваръчния шев поради високите нива на нагряване и охлаждане на метала значително увеличават съпротивлението на повечето конструкционни материали срещу образуването на топли и студени пукнатини. Това осигурява високо качество на полученото съединение, което трудно би могло да се постигне с други методи на заваряване.

Ефективността на използването на лазерен лъч за заваряване се обуславя от високата концентрация на енергия в място на лазерния източник. Това позволява използването на лазерно заваряване за получаването на заваръчни шевове с много високо качество. Сравними концентрации се наблюдават и при електронен лъч, но използването на заваряване с електронен лъч е възможна само във вакуум, което затруднява използването на тази технология.

Малкият размер на точката позволява да се получи тънък шев с високо качество, без да се използват допълнителни материали за процеса на заваряване. Предимство на лазерното заваряване се явява по-високата производителност в сравнение с други методи, което позволява използването в предприятия с голям обем произвеждана продукция. 

Важно предимство на лазерното заваряване с твърдотелни лазери се явява възможността много точно да се дозира енергията, което позволява да се получат много качествени съединения при производството на детайли с малки размери.

При използването на мощни газови лазери се появява възможност за получаване на големи дълбочини на разтопяване на материала при малка ширина на получения шев. Това позволява да се намали зоната на топлинно влияние и, съответно, да се намалят заваръчните деформации и възникващите в материала напрежения.

Важно предимство на лазерното заваряване е възможността за заваряване от разстояние. Лесното управление на лазерния лъч позволява да се осъществи заваряване в труднодостъпни, понякога не намиращи се в пределите на пряката видимост, места. Възможно е също лазерно заваряване на няколко детайла от един лазер, разделен на лъчи посредством призма. Като цяло областите на приложение на лазерното заваряване са многобройни. То се счита за подходящо освен за заваряване на метални, така също и на пластмасови изделия.

Новият брой 8/2017

брой 8-2017

ВСИЧКИ СТАТИИ | АРХИВ

ЕКСКЛУЗИВНО

Top