Основные направления развития лазерных способов сварки

Одна из основных задач изготовления деталей и узлов машин - повышение надежности, качества и эффективности технологического процесса. Специалисты производства сварочного оборудования пытаются решить эту задачу за счет использования высококонцентрированных источников тепловой энергии, в частности, - энергии лазерного луча. Интерес к возможностям лазера привлек внимание сотрудников Института электросварки им. Е. О. Патона, Института металлургии им. Байкова, Московского высшего технического училища им. Н. Э. Баумана и других организаций в 1960-х годах, почти сразу же после создания первых промышленных установок на рубиновом ОКГ. Исследования, выполненные в ИЭС им. Е. О. Патона, в МВТУ вместе с лазерным центром АН СССР в течение 1960-х гг доказали перспективность разработки специальных технологических лазеров и технологий сварки; в последующие годы были разработаны требования к сварочных установок, изучены процессы свариваемости конструкционных сталей, титановых и алюминиевых сплавов и др.

Было установлено, что лазер в качестве источника нагрева, характеризуют следующие технологические свойства:

• высокая концентрация энергии в пучке,
• практически безынерционная управления потоком тепловой энергии, что позволяет увеличить скорость и точность обработки материалов и полностью автоматизировать процесс;
• высокая точность фокусировки луча и большая скорость обработки, что обеспечивает минимизацию зоны нагрева и исключает температурные деформации;
• возможность производить обработку в труднодоступных местах, при сложных и прецизионных формах швов;
• возможность передачи лазерного луча на значительные расстояния с помощью оптической системы.

Испытания лазера рассматривается как процесс преобразования 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 средам относятся, например, кристаллы рубина, неодима в сочетании с другими полупроводниковыми материалами, плавиковая кислота и газовую среду. По этим признакам лазеры подразделялись соответственно на твердотельные, жидкостные (химические), полупроводниковые, газовые и лазеры на свободных электронах.

В 1969г. в СССР начался серийный выпуск сварочной установки 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 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 кристаллами иттрий - алюминиевого граната, легированного неодимом. Первые промышленные установки серии «Квант» позволяли осуществлять шовная сварка (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 до 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 приняли ориентацию металлообрабатывающие фирмы. Уже к началу 1980-х гг выходная мощность лазерных установок в луче превысила 500Вт.

Характерной чертой газовых импульсных лазеров является высокая мощность излучения в импульсе, достигающей тысяч кВт, небольшая продолжительность излучения в импульсе и несложной конструкции разрядной системы. По сравнению 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.

С 1981 г. в СССР начали выпускать твердотельные лазеры непрерывного действия типа ЛТН. Это существенно расширило диапазон возможностей твердотельных лазеров в промышленности, особенно для термоупрочненного 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 гомогенизирующего устройства, расщепляющие поступающего луч на несколько лучей, после чего их можно складывать или отсекать с помощью диафрагмы только лучи с необходимой интенсивностью. Крупнейшими техническими возможностями обладают установки с множеством Nd-АИГ-лазеров и головок, фокусирующего лучи. С помощью приводов, оптоволоконных световодов и линзовых блоков можно выбирать лучи с различными направлениями поляризации и длине волны, суммировать мощность лучей, сочетать по группам. 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 перлитного и аустенитного классов. Определены составы защитных газов, обеспечивающих высокое проплавление и качество швов.