Одно из основных задач изготовления деталей и узлов машин – повышение надежности, качества и эффективности технологического процесса специалисты сварочного производства пытаются решить за счет использования высококонцентрированных источников тепловой энергии, в частности, — энергии лазерного луча. Интерес к возможностям лазера привлек внимание сотрудников Института им. Есть.А.Патона, Института металлургии им. Байкова, Московского высшего технического училища им. М.Е.Баумана и других организаций в 1960-х годах, почти сразу же после создания первых промышленных установок на рубиновом ОКГ. Исследования, выполненные в ИЭС им. Есть.А.Патона, в МВТУ вместе с лазерным центром АН СССР на протяжении 1960-х гг. доказали перспективность разработки специальных технологических лазеров на сайте laser-form.ru и технологий сварки металлов; в последующие годы были разработаны требования к сварочных установок, изучены процессы свариваемости конструкционных сталей, титановых и алюминиевых сплавов и др.
Было установлено, что лазер, как источник нагрева, характеризуют следующие технологические свойства: высокая концентрация энергии в пучке; практически безінерційна управления потоком тепловой энергии, что позволяет увеличить скорость и точность обработки материалов и полностью автоматизировать процесс; высокая точность фокусировка луча и большая скорость обработки, что обеспечивает минимизацию зоны нагрев и исключает температурные деформации; возможность делать обработку в труднодоступных местах, при сложных и прецизионных формах швов; возможность передачи лазерного луча на значительные расстояния при помощи оптической системы
Испытания лазера рассматривается как процесс преобразование одной формы энергии в другую под действием определенного активной среды, способной под действием электрического разряда и ионизации «возбуждаться» и «выпускать» энергию в виде когерентных электромагнитных излучений. К таким сред относятся, например, кристаллы рубина, неодима в сочетании с другими полупроводниковыми материалами, плавиковая кислота и газовая среда. По этим признаках лазеры подразделялись соответственно на твердотільни, жидкостные (химические), полупроводниковые, газовые и лазеры на свободных электронах.
В 1969г. в СССР начался серийный выпуск сварочной установке СЛС-10-1 с энергией излучения до 10Дж и длительностью импульса 2-4мс. Мощности лазера было достаточно только для проплавления листов толщиной менее 0,4 мм. Первые опыты с этими и более мощными лазерами показали, что достичь удовлетворительного качества трудно и необходимы широкие исследования процессов сварки и дальнейшее совершенствование установок. Аналогичная ситуация сложилась и за рубежом. Повысить мощность и частоту посылок импульсов до нескольких десятков герц удалось в установках с кристаллы иттрий — алюминиевого граната, легированного неодимом. Первые промышленные установки серии «Квант» позволяли осуществлять шовной сварки (с перекрытием точек) изделий небольшой толщины и применялись для герметизации электронных приборов. Модернизация установок этого типа привела к повышению мощности и увеличению частоты. (Так, «Квант-16» работал в импульсном режиме с энергией излучения до 30Дж и частотой 0,5 Гц с фокусировкой в пятне диаметром к 1 мм). В 1970-х гг. был начат выпуск ИАГ-Лазеров непрерывного излучения и возможности лазерной сварки значительно расширились. Однако наиболее перспективными оказались газоразрядные Со 2-лазеры. На использование лазеров этого типа взяли ориентацию металлообрабатывающие фирмы. Уже к началу 1980-х гг. выходная мощность лазерных установок в лучи превысила 500Вт. Характерной чертой газовых импульсных лазеров является высокая мощность излучения в импульсе достигает тысяч кВт, небольшая продолжительность излучения в импульсе и несложной конструкции разрядной системы. В сравнении с другими системами, разработанными до конца 1970-х гг., эти лазеры более надежны, экономичны и имеют меньшие габариты. Возможность получения соединений удовлетворительного качества доказана рядом экспериментов [5,6]. С 1981 г. в СССР начали выпускать твердотельные лазеры непрерывного действия типа ЛТН. Это существенно расширило диапазон возможностей твердотельных лазеров в промышленности, особенно для термоупрочнення инструмента и резки тонколистовых материалов.
Лазерный технологический комплекс включает собственно лазер, прецизионные исполнительные механизмы для перемещения детали и луча, систему управления с использованием ЭВМ, что позволяет автоматизировать процесс подготовки программ, контролировать и при необходимости корректировать режим работы. Для управления распределением интенсивности лазерного луча можно использовать гомогенезируючего устройства, расщепляющие поступающего луч на несколько лучей, после чего их можно складывать или отсекать с помощью диафрагмы только лучи с необходимой интенсивностью. Наибольшими техническими возможностями обладают установки с множеством Nd-Аиг-лазеров и головок, фокусуючего лучи. С помощью приводов, оптоволоконных світоводів и линзовых блоков можно выбирать лучи с разными направлениями поляризации и длиной волны, суммировать мощность лучей, объединять по группам [7]. Одной из существенных особенностей лазерного луча является концентрированный характер энергии, в результате чего металлургические процессы протекают в микрообъемах практически мгновенно. Исследовано влияние защитных газов (He, Ar, N2 , CO2, O2) и их двойных смесей на формирование и размеры однослойных швов, выполненных лазерной сваркой на стали перлітного и аустенитного классов. Определены составы защитных газов, обеспечивающих высокое проплавление и качество швов. (НПО «ЦНИИТМАШ») [7].
При сварке лазером заметно снижается величина остаточных деформаций. Производительность при сварке лазером значительно (в 2-3 раза) повышается в сравнению со сваркой в среде защитных газов. Особенно эффективно показал себя процесс лазерной сварки при заглублении проплавления. При этом необходимо добиться полного использования энергии плазмы, образованной в процессе лазерной сварки. Это гарантирует хорошее формирование сварного шва, его высокие механические свойства, производительность. Энергия лазерного пучка может концентрироваться в точку диаметром около 0,2 мм, обеспечивая мощность, необходимую для расплавления металлов. Импульсный СО2 лазер мощностью 3 кВт позволяет резать нержавеющую сталь толщиной 12,7 мм со скоростью 0,76 м/мин, а плиту со стальной брони толщиной 25,4 мм со скоростью 0,127 м/мин. Лазерный луч способен сваривать практически любые металлы и сплавы, включая материалы, с различными теплофизическими характеристиками. Диапазон свариваемых толщину металлов от менее 0,1 до 20 мм за один проход (при мощности излучения 0,5…25 кВт). Лазерная сварка можно проводит без применения присадочных материалов, требующих дополнительной обработки, что особенно важно при изготовлении, например, термоэлементов, биметаллических пластин и заготовок в прокатном производстве [8,9].
Разработан технологию выполнения продольных непрерывных швов путем постановки отдельных точек (подобно шовной контактной сварки) с перекрытием сварных точек от 0,5 до 0,95. Для сварка сильфонов из тонкой нержавеющей стали использовали промышленную установку “Квант” на разных частотах следования импульсов. До настоящего времени накоплена большая информация о возможности лазерной сварки, разработанные технологические приемы сварки угловых соединений разнотолщинных листов. Исследовано влияние на качество соединения отклонение энергетического центра источника нагрева от стыка [10,11].
С одной стороны, этот способ сварки характеризуется большим отношением глубины проплавления к его ширине и высокими скоростями сварки, требования к подготовке шва и присохлому достаточно высокие, а способность сварки по зазоре — низкая. Это обусловливает применение лазерной сварки с присадоковим проволокой для выполнения соединений различных материалов с промежуточными слоями, а также для сварки материалов, склонных к образование трещин.
Определенные трудности вызывает подача присадочной проволоки при необходимости заполнения обработки или наплавки. Одним из приемов является подача проволоки в фокусное пятно луча под углом по синусоидальной траектории. При использовании присадки снижаются требования к составлению: увеличиваются допуски к зазоров и депланації. С помощью присадочной проволоки можно осуществлять легирование металла шва [11]. Недостатком такой технологии является необходимость повышать мощность лазерного излучения или снижение скорости сварки. Известная технология с поперечными к линии шва колебаниями лазерного луча так, что металл ванны затекает в скважину по мере перемещения зоны сварки. Траектория колебаний луча может быть не только прямолинейной, но кольцевой, эллиптической или комбинированной.
Как и при других видах сварки плавлением при лазерной сварке в ванне протекают металлургические реакции и происходит кристаллизация, а в навколошовної зоне – термические превращения. Следовательно, при разработке конкретных технологий необходимо учитывать влияние окружающей атмосферы и защитной среды. Проблема решается применением флюсов или защитных газов (как правило, инертных). При высоких скоростях сварки (около 500 м/ч) не проходит полной дегазации сварочной ванны, а флюсы замедляют остывание хвостовой части сварочной ванны, улучшает формирование и легируют металл шва. Флюс в виде пасты должен наноситься тонким слоем (не более 0,2-0,5 мм) [12].
С 1980-х годов начала применяться технология, соединяющие способ лазерного и дуговой сварки в среде защитных газов. Комбинированный способ позволил сделать сварку термически упрочненного сплава, используя эффект скоростного расплавления. Процесс сварки происходит одновременно: лазерный луч направляется вертикально к поверхности свариваемого а вольфрамовый электрод устанавливается под углом 450; значительно увеличилась скорость сварки (до 30,5 м/мин) при небольшой мощности лазерного пучка. Гибридное сварки (лазер — МОГ) является комбинацией процесса лазерной сварки и обычную МОГ процесса в одной общей зоне сварки. При использовании этого способа достигается глубокое проплавление, что обеспечивает процесс лазерной сварки, и хорошее качество сварки по зазоре. Более того — лазерный пучок стабилизирует процесс сварки МОГ.
Гибридное сварки (лазер-МОГ) применяют для соединения сталей (СО2-лазеры) и легких сплавов (ИАГ-лазеры). Толщина пластин, свариваемых может быть различной. Для проплавление стальной пластины толщиной 1 мм требуется 1кВт мощности. С помощью одного или двух зеркал отклоняется луч лазера, а наведение фокуса в вертикальном направлении осуществляется путем перемещения фокусирующей евтектичної линзы вдоль оси луча. При сварке с дистанционным наведением время перемещение от места сварки одного шва до другого можно уменьшить до чуть сотых долей секунды, что сокращает время сварки почти на 25%.
Новейшие усовершенствования позволили создать высокопроизводительное оборудование с дистанционным управлением для сварки во всех пространственных положениях. Особенно ценной технологической качеством является возможность подводить лазерный луч до нескольких участков сварки [12]. Во многих странах предпринимаются усилия по развитию лазерной технологической техники, лазеров и лазерных систем типа лазер – станок, лазер – автомат, лазер – робот, лазер – обрабатывающий центр
Волоконные лазеры являются дальнейшим развитием лазеров. Использование активных элементов на основе волоконной оптики с диодной накачкой обеспечивает высокое качество луча, КПД преобразование электроэнергии — до 20%. В это время есть диодные лазеры с выходной мощностью луча до 6 кВт. Мощность лазера в несколько киловатт достигают путем комбинирование нескольких диодных блоков с оптическими системами.
В отличие от газовых или твердотельных лазеров увеличение мощности диодных лазеров не достигают удлинением резонаторов, а увеличением количества излучающих диодов и их рабочей поверхности, что приводит к снижению качества луча.
Опыт внедрение лазерной сварки показал, что процесс наиболее эффективен при производстве стальных крупногабаритных тонколистовых конструкций (толщиной до 2 мм): боковых стенок пассажирских вагонов с листов коррозионностойкой стали; корабельные секции размером 20х20 м (листы обшивки, а затем ребра жесткости). Диапазон изделий, выполняемых из применением лазерной сварки, составляет от крупногабаритных листовых конструкций к мікродеталей для электронной промышленности. Лазерная сварка двумя лучами с разных сторон могут обрабатывать трехмерные крупногабаритные элементов фюзеляжа размером до 10х3х1м как с использованием присадочных материалов, так и без них. В Германии создана установка для лазерной микросварки с микроскопом, миниатюрной видиокамерою и компьютером, программы которого обеспечивают адаптивное управление сварочным процессом. Проблема опечатывания титановых капсул с радиоактивными элементами (для медицинских целей) была решена путем заварки Nd-АИГ-лазером [13]. Применение лазерного луча наиболее эффективно при соединений листов из покрытием (эмалированных, оцинкованных листов).
Технология сварка автомобильных деталей, разработанная в лаборатории электронно-лучевой и лазерной обработки Московский автозавод им. И.А.Лихачева вместе с НІЦТЛ АН СССР, МВТУ им. М.Е. Баумана, ИЭС им. Есть.А.Патона и других организаций [14]. В 1970-х гг. в МВТУ им. М.Е.Баумана были организованы исследования по применению лазера в медицине. Лазерное нагревание положительно зарекомендовало себя в хирургических операциях и терапии [15].Специалисты разных отраслей техники считают, лазерные технологии не исчерпали своих возможностей и подлежат дальнейшей разработке [16,17].
Основными преимуществами сварки электронным лучом являются: скорость сварки, отсутствие присадочной метала, большая мощность, малые деформации, высокое соотношение глубина/ширина сварного шва; отсутствие окисления при сварке, сокращение необходимых последующих обработок. Недостатками электронно–лучевого сварки являются: необходимость проведения процесса в вакууме, защита от рентгеновского излучения, сварки только розмагнічених деталей; недостатки лазерного процесса: присутствие защитного газа, низкий к.к.д. (~ 10%), отражения луча от таких материалов, как Al, Cu, Au, Pt, Ag и других сплавов. Создано оборудование, применяемое для обоих процессов [18].
Сплавы X2NiCoMo(18.12.4) и X2NiCoMo (13.15.10) входят в группу мартенситно-твердеющих Ni-содержащих сталей и отличаются высокой прочностью и деформируются. Однако термический цикл при сварке снижает механические свойства сталей, она становится хрупкой. Правильным выбором термообработки приближают прочность сварного шва к прочности основного металла, но получить удовлетворительную пластичность металла за счет частичной замене молибдена вольфрамом в модифицированной форме.
Нахлесточні соединения в производстве электронных и электротехнических компонентов из разнородных металлов по химическому составу и толщине. успешно сваривают электронным лучом, например, толщины 0,1 и 3,18 мм. Довольно узкая зона термического влияния не ухудшает физико-механическими свойствами. У материалов, например, напряженности пружинных элементов, что было бы неизбежным при других видах сварки лазерная сварка позволяет выполнять сборные детали, которые раньше изготавливали с фрезеровкой одной заготовки. Электронно-лучевая сварка экономит материал, расширяет конструктивные возможности [19]. В девяти странах Западной и Восточной Европы (без СССР) и Австралии было выполнено по объединенной программе исследования влияния конструкции сварочных установок на форму и качественность сварного шва [20].
Решая вопрос о внедрении в производство технологического процесса, необходимо подходить к задаче комплексно; не рассчитывать только на наличие определенного типа лазера, а предсказать, увидеть всю технологическую цепочку с ее слабыми местами. Так, опыт внедрения лазерной сварки карданных валов показал, что отсутствие надежной системы наведение луча на стык, что приводит к большому проценту брака, заставило целиком всю технологию сварки.
Любой технологический процесс можно считать освоенным и надежным, если есть методы контроля работы всей цепочки, всех звеньев. Наличие необходимой аппаратуры для контроля и управления — гарантия повторяемости процесса и качества продукции, что выпускается.