Лазерная сварка

Эта первая статья серии, посвященной промышленным лазерным технологиям, посвящена лазерной сварке. По поводу этого вида сварки хочется применить известную формулу "хорошо забытое старое". Действительно, уже у всех производственников на слуху лазерная резка, уже не редкость фирмы, имеющие станки для лазерной резки разного класса, быстро расширяется использование лазерной маркировки. Но лазерная сварка в основном используется в приборостроительных отраслях для сварки миниатюрных компонентов. Кстати заказать лазерную сварку можно по контактам office@laser-form.ru.

Поэтому необходимо отметить, что в СССР достаточно широким фронтом велись работы по созданию технологий и оборудования для промышленной лазерной сварки. Эти работы были доведены до разработки реальных технологий, с проведением большого объема аттестационных испытаний сварных соединений, а в ряде случаев и до промышленного внедрения. Сейчас, когда производственники опять всерьез заинтересовались технологией лазерной сварки, им полезно знать, что эту технологию вовсе не нужно создавать с нуля или приобретать у стран - мировых технологических лидеров. В России имеются научные и технологические центры и специалисты по разным технологиям лазерной сварки.
В этой статье мы не будем касаться технологии точечной импульсной лазерной сварки, которая давно широко применяется в отечественном приборостроении (установки серии КВАНТ), а обсудим вопросы стыковой лазерной сварки достаточно больших толщин металла - от 1 до 10 мм. Основы технологии лазерной сварки больших толщин создавались в ФИАЭ им. И.С. Курчатова и в ряде других научных центров СССР. Здесь обязательно нужно упомянуть пионера этих исследований - Феликса Косырева, под руководством которого были созданы первые СО2-лазеры для сварки мощностью 5 кВт, установки ЛТ-1. На этих установках выучилось большое количество технологов в разных городах страны.

Позже работы были продолжены в НИИЭФА им. Д.В.Ефремова, в ЦНИИ КМ Прометей, МВТУ им. Баумана и Политехническом Университете Санкт-Петербурга и множестве других научно-технологических центров. Уже на первом этапе этих работ планировалось промышленное внедрение технологий и оборудования, так на ПО "Ижорский завод" в Ленинграде начались работы по строительству лазерной установки мощностью 20 кВт для сварки трубных узлов и фрагментов приводов СУЗ. На ПО "Балтийский завод" была доведена до промышленного внедрения технология лазерной сварки специального теплообменного модуля из титановых сплавов - лазером производилась сварка трубок толщиной стенки до 2.5 мм в трубную доску.


Процесс лазерной сварки состоит в расплавлении металла под действием высококонцентрированного источника световой энергии. Излучение лазера фокусируется на поверхности металла в области стыка двух деталей, частично поглощается верхним слоем металла, вызывая его нагрев до температуры плавления и кипения. Хотя поглощающая способность металлов и сплавов относительно невелика, но с ростом температуры поглощение растет.

При достижении состояния кипения пленка жидкого металла может вытесняться под действием обратного давления струи паров металла и образуется каверна, а затем и парогазовый канал. В таком режиме излучение лазера поглощается почти полностью, а с точки зрения теплофизики источник нагрева имеет характер линейного. Если сфокусированный пучок излучения движется по стыку, то образуется зона проплавления и поверхности свариваются.

К сожалению, существует еще один физический эффект, существенным образом усложняющий картину процесса. Это образование плазменного облака над поверхностью металла. Сравнительно легко ионизируемые пары металла начинают поглощать лазерное излучение, образуя плазменный факел. Этот факел может оказывать разнообразное влияние на процесс - отрицательное, блокируя передачу части лучевой энергии к поверхности металла и в канал проплавления или рассеивая пучок из-за образования отрицательной оптической линзы - положительное, за счет косвенного нагрева поверхности металла в начальных стадиях, когда прямое поглощение излучения невелико. Для исключения вредного влияния плазменного факела используют плазмоподавляющие газовые смеси.

При лазерной сварке это обычно смесь гелия с аргоном, которая одновременно выполняет и функции защиты расплавленного металла от окисления воздухом. Так как скорости лазерной сварки могут быть достаточно велики, то иногда необходимо применять и газовую защиту хвостовой зоны и даже обратной стороны шва. Здесь можно применять чистый аргон. В классическом варианте для лазерной сварки не нужны ни присадочные материалы, ни флюсы. Процесс сварки бесконтактный и хорошо управляемый - в отличии от дуговых способов сварки не нужно применять специализированных источников энергии с падающей характеристикой. На рис.2, изображены: внешний вид сварного соединения, выполненного лазерным лучом и шлифы сварных швов. Видно, что форма зоны проплавления металла хорошо укладывается в изложенную выше картину физических процессов при лазерной сварке - тепловой источник носит комбинированный характер, обусловленный сочетанием нескольких механизмов нагрева металла - поглощением излучения в сквозном канале проплавления и буферным нагревом верхней части шва концентрированной лазерной плазмой.