Лазерная сварка металлов¶

Лазерная сварка — технология соединения материалов, при которой нагрев и плавление кромок осуществляется сфокусированным лазерным излучением. Относится к методам сварки плавлением и использует энергию когерентного светового пучка в качестве источника нагрева. Применяется преимущественно для соединения металлов и сплавов, реже — полимеров и стекла. Отличается высокой концентрацией энергии, узкой зоной термического влияния и возможностью автоматизации.

¶Физические основы

При взаимодействии лазерного излучения с поверхностью металла энергия фотонов поглощается электронами проводимости и переходит в тепло. Поглощение зависит от длины волны излучения, материала и состояния поверхности: полированные металлы отражают значительную часть света, поэтому для повышения эффективности применяют просветляющие покрытия или используют излучение с длиной волны, лучше поглощаемой металлом.

Различают два основных механизма формирования сварного шва:

• Теплопроводностный режим. Плотность мощности относительно невелика, металл плавится за счёт теплопередачи. Шов имеет широкую и неглубокую форму, процесс близок к обычной дуговой сварке.
• Режим глубокого проплавления (кинжальный). При высокой плотности мощности металл интенсивно испаряется, образуется парогазовый канал (так называемое «кинжальное» отверстие), заполненный плазмой. Канал перемещается вместе с пучком, а расплав за ним застывает, формируя узкий и глубокий шов с параллельными стенками.

Переход между режимами определяется плотностью мощности и скоростью сварки.

¶Виды и источники излучения

По типу активной среды применяются:

По способу подвода энергии различают непрерывную, импульсную и модулированную сварку. Импульсный режим применяется для тонких деталей и точечных соединений, непрерывный — для протяжённых швов.

¶Технология и параметры

Основные параметры процесса: мощность излучения, скорость сварки, диаметр пятна фокусировки, защитная атмосфера, взаимное расположение пучка и стыка. Ключевой характеристикой служит плотность мощности — отношение мощности к площади пятна.

Для защиты расплава от окисления применяют инертные газы (аргон, гелий) или их смеси. В ряде случаев сварку ведут в вакууме, что улучшает стабильность канала и качество шва.

Разновидности по способу соединения:

• стыковая сварка впритык;
• сварка с зазором и без него;
• нахлёсточная сварка;
• сварка с присадкой (проволокой или порошком);
• гибридная лазерно-дуговая сварка, совмещающая лазер и дуговой источник.

¶Преимущества и ограничения

К достоинствам относят:

• высокую скорость и производительность;
• узкую зону термического влияния и малые деформации;
• возможность сварки тонких деталей и прецизионных узлов;
• лёгкость автоматизации и роботизации;
• возможность сварки разнородных материалов и труднодоступных мест.

Ограничения:

• высокая стоимость оборудования;
• требования к точности сборки и зазорам;
• образование пор и трещин при неправильных режимах;
• необходимость защиты персонала от лазерного излучения.

¶Применение

Лазерная сварка используется в автомобилестроении (кузова, трансмиссии), авиа- и ракетостроении, приборостроении, производстве аккумуляторов и электроники, в медицинской технике, а также в ювелирном деле. В России технология применяется на предприятиях машиностроения, атомной и космической отраслей; ведутся разработки отечественных волоконных лазеров и сварочных комплексов.

¶Безопасность

Лазерное излучение опасно для зрения и кожи, поэтому работы ведутся в защитных кабинах или с применением экранов и очков. Учитываются также опасность поражения электрическим током, выделение аэрозолей и паров металла, требующее вентиляции.

¶Источники

• Григорьянц А. Г., Шиганов И. Н. Лазерная сварка металлов.
• Веденов А. А., Гладуш Г. Г. Физические процессы при лазерной обработке материалов.
• Материалы по лазерным технологиям в машиностроении.