світ інновацій

Лазерне зварювання

Основні напрямки розвитку лазерних способів зварювання

Одне з основних завдань виготовлення деталей і вузлів машин – підвищення надійності, якості й ефективності технологічного процесу фахівці зварювального виробництва намагаються вирішити за рахунок використання  висококонцентрованих джерел теплової енергії, зокрема, - енергії лазерного променя. Інтерес до можливостей лазера привернув увагу співробітників Інституту елктрозварювання ім. Є.О.Патона, Інституту металургії ім. Байкова, Московського вищего технічного училища ім. М.Е.Баумана й інших організацій в 1960-х роках, майже відразу ж після створення перших промислових установок на рубіновому ОКГ. Дослідження, виконані в ІЕЗ ім. Є.О.Патона, у МВТУ разом з лазерним центром АН СРСР протягом 1960-х рр. довели перспективність розробки спеціальних технологічних лазерів і технологій зварювання металів; у наступні роки були розроблені вимоги до зварювальних установок, вивчені процеси зварюваності конструкційних сталей, титанових і алюмінієвих сплавів і ін. 

Було встановлено, що лазер, як джерело нагрівання, характеризують такі технологічні властивості: висока концентрація енергії в пучку; практично безінерційна керування потоком теплової енергії, що дозволяє збільшити швидкість і точність обробки матеріалів і повністю автоматизувати процес; висока точність фокусування променя й більша швидкість обробки, що забезпечує мінімізацію зони нагрівання й виключає температурні деформації; можливість робити обробку у важкодоступних місцях, при складних і прецизійних формах швів; можливість передачі лазерного променя на значні відстані за допомогою оптичної системи.

Лазерний технологічний комплекс включає властиво лазер, прецизійні виконавчі механізми для переміщення деталі й променя, систему керування з використанням ЕОМ, що дозволяє автоматизувати процес підготовки програм, контролювати й при необхідності коректувати режим роботи. Для керування розподілом інтенсивності лазерного променя можна використовувати гомогенезируючего пристрою, що розщеплюють вступника промінь на кілька променів, після чого їх можна складати або відтинати за допомогою діафрагми тільки промені з необхідною інтенсивністю. Найбільшими технічними можливостями володіють установки з безліччю Nd-Аиг-лазерів і головок, фокусуючего промені. За допомогою приводів, оптоволоконних світоводів і лінзових блоків можна вибирати промені з різними напрямками поляризації й довжиною хвилі, підсумувати потужність променів, поєднувати по групах . Однієї з істотних особливостей лазерного променя є концентрований характер енергії, у результаті чого металургійні процеси протікають у мікрообсягах практично миттєво.  

 При зварюванні лазером помітно знижується величина залишкових 

деформацій. Продуктивність при зварюванні лазером значно (в 2-3 рази) 

підвищується в порівнянні зі зварюванням у середовищі захисних газів. 

Особливо ефективно показав себе процес лазерного зварювання при 

заглибленні проплавлення. При цьому необхідно домогтися повного 

використання енергії плазми, утвореної в процесі лазерного зварювання. Це 

гарантує гарне формування звареного шва, його високі механічні властивості, 

продуктивність. Енергія лазерного пучка може концентруватися в крапку 

діаметром близько 0,2 мм, забезпечуючи потужність, необхідну для 

розплавлювання металів. Імпульсний СО₂ лазер потужністю 3 кВт дозволяє 

різати нержавіючу сталь товщиною 12,7 мм зі швидкістю 0,76 м/хв, а плиту зі 

сталевої броні товщиною 25,4 мм зі швидкістю 0,127 м/хв. Лазерний промінь 

здатний зварювати практично будь-які метали й сплави, включаючи матеріали, з

різними теплофізичними характеристиками. Діапазон що зварюють товщину 

металів від менш 0,1 до 20 мм за один прохід (при потужності випромінювання 

0,5...25 кВт). Лазерне зварювання можна проводить без застосування 

присадкових матеріалів, що вимагають додаткової обробки, що особливо 

важливо при виготовленні, наприклад, термоелементів, біметалічних пластин і 

заготівель у прокатному виробництві.

Розроблено технологію виконання поздовжніх безперервних швів шляхом постановки окремих крапок (подібно шовного контактного зварювання) з перекриттям зварених крапок від 0,5 до 0,95. Для  зварювання сильфонів з тонкої корозійностійкої стали використовували промислову установку “Квант” на різних частотах проходження імпульсів. До теперішнього часу накопичена більша інформація про можливості лазерного зварювання, розроблені технологічні прийоми зварювання кутових з'єднань різнотовщинних аркушів. Досліджено вплив на якість з'єднання відхилення енергетичного центра джерела нагрівання від стику .

З одного боку, цей спосіб зварювання характеризується більшим відношенням глибини проплавлення до його ширини й високими швидкостями зварювання, вимоги до підготовки шва й присохлому досить високі, а здатність зварювання по зазорі - низька. Це обумовлює застосування лазерного зварювання з присадоковим дротом для виконання з'єднань різних матеріалів із проміжними шарами, а також для зварювання матеріалів, схильних до утворення тріщин.

Певні труднощі викликає подача присадкового дроту при необхідності заповнення оброблення або наплавлення. Одним із прийомів є подача дроту у фокальну пляму променя під кутом по синусоїдальній траєкторії. При використанні присадки знижуються вимоги до складання: збільшуються допуски до зазорів і депланації. За допомогою присадкового дроту можна здійснювати легування металу шва . Недоліком такої технології є необхідність підвищувати потужність лазерного випромінювання або зниження швидкості зварювання. Відома технологія з поперечними до лінії шва коливаннями лазерного променя так, що метал ванни затікає в шпару в міру переміщення зони зварювання. Траєкторія коливань променя може бути не тільки прямолінійної, але кільцевий, еліптичної або комбінованої.

Як і при інших видах зварювання плавленням при лазерному зварюванні у ванні протікають металургійні реакції й відбувається кристалізація, а в навколошовної зоні – термічні перетворення. Отже, при розробці конкретних технологій необхідно враховувати вплив навколишньої атмосфери й захисного середовища. Проблема вирішується застосуванням флюсів або захисних газів (як правило, інертних). При високих швидкостях зварювання (близько 500 м/г) не проходить повної дегазації зварювальної ванни, а флюси сповільнюють остигання хвостової частини зварювальної ванни, поліпшує формування й легують метал шва. Флюс у вигляді пасти повинен наноситися тонким шаром (не більше 0,2-0,5 мм) .

Гібридне зварювання (лазер-МІГ) застосовують для з'єднання сталей (СО₂-лазери) і легких сплавів (ИАГ-лазери). Товщина пластин, що зварюються, може бути різної. Для проплавлення сталевої пластини товщиною 1 мм потрібно 1кВт потужності. За допомогою одного або двох дзеркал відхиляється промінь лазера, а наведення фокуса у вертикальному напрямку здійснюється шляхом переміщення евтектичної фокусуючої лінзи уздовж осі променя. При зварюванні з дистанційним наведенням час переміщення від місця зварювання одного шва до іншого можна зменшити до трохи сотих часток секунди, що скорочує час зварювання майже на 25%.

Новітні вдосконалення дозволили створити високопродуктивне устаткування з дистанційним керуванням для зварювання у всіх просторових положеннях. Особливо цінною технологічною якістю є можливість підводити лазерний промінь до декількох ділянок зварювання . У багатьох країнах уживають зусилля по розвитку лазерної технологічної техніки, лазерів і лазерних систем типу лазер – верстат, лазер – автомат, лазер – робот, лазер – обробний центр

Волоконні лазери є подальшим розвитком лазерів. Використання активних елементів на основі волоконної оптики з діодним накачуванням забезпечує висока якість променя, ККД перетворення електроенергії - до 20%. У цей час є діодні лазери з вихідною потужністю променя до 6 кВт. Потужність лазера в трохи кіловат досягають шляхом комбінування декількох діодних блоків з оптичними системами.

На відміну від газових або твердотільних лазерів збільшення потужності діодних лазерів досягають не подовженням резонаторів, а збільшенням кількості випромінюючих діодів і їхньої робочої поверхні, що приводить до зниження якості променя.

Досвід впровадження лазерного зварювання показав, що процес найбільш ефективний при виробництві сталевих великогабаритних тонколистових конструкцій (товщиною до 2 мм): бічних стінок пасажирських вагонів з аркушів корозійностійкої  стали;  корабельні секції розміром 20х20 м (аркуші обшивання, а потім ребра жорсткості). Діапазон виробів, виконуваних із застосуванням лазерного зварювання, становить від великогабаритних листових конструкцій до мікродеталей для електронної промисловості. Лазерне зварювання двома променями з різних сторін можуть обробляти тривимірні великогабаритні елементів фюзеляжу розміром до 10х3х1м як з використанням присадкових матеріалів, так і без них. У Німеччині створена  установка для лазерного мікрозварювання з мікроскопом, мініатюрної видиокамерою і компьютером, програми якого забезпечують адаптивне керування зварювальним процесом. Проблема опечатування титанових капсул з радіоактивними елементами (для медичних цілей) була вирішена шляхом заварки Nd-АИГ-лазером . Застосування лазерного променя найбільше ефективно при з'єднань аркушів з покриттям (емальованих, оцинкованих аркушів).

Технологія зварювання автомобільних деталей, розроблена в лабораторії електронно-променевої й лазерної обробки Московський автозавод ім. І.О.Лихачова разом з НІЦТЛ АН СРСР, МВТУ ім. М.Е. Баумана, ІЕЗ ім. Є.О.Патона й інших організацій . В 1970-х рр. у МВТУ ім. М.Е.Баумана були організовані дослідження із застосування лазера в медицині. Лазерне нагрівання позитивно зарекомендувало себе в хірургічних операціях і терапії [15].Фахівці різних галузей техніки вважають, лазерні технології не вичерпали своїх можливостей і підлягають подальшій розробці .

Основними перевагами зварювання електронним променем є: швидкість зварювання, відсутність присадкового метала, більша потужність, малі деформації, високе співвідношення глибина/ширина звареного шва; відсутність окислювання при зварюванні, скорочення необхідних наступних обробок. Недоліками електронно–променевого зварювання є: необхідність проведення процесу у вакуумі, захист від рентгенівського випромінювання, зварювання тільки розмагнічених деталей; недоліки лазерного процесу: присутність захисного газу, низький к.к.д. (~ 10%), відбиття променя від таких матеріалів, як Al, Cu, Au, Pt, Ag і інших сплавів. Створено устаткування, застосовуване для обох процесів.

Нахлесточні з'єднання у виробництві електронних і електротехнічних компонентів з різнорідних металів по хімічному составу й товщині. успішно зварюють електронним променем, наприклад, товщини 0,1 і 3,18 мм. Досить вузька зона термічного впливу не погіршує фізикомеханічні властивості. У матеріалів, наприклад, напруженості пружинних елементів, що було б неминучим при інших видах зварювання лазерне зварювання дозволяє виконувати збірні деталі, які раніше виготовляли фрезеруванням з однієї заготівлі. Електронно-променеве зварювання заощаджує матеріал, розширює конструктивні можливості . В дев'яти країнах Західної й Східної Європи (без СРСР) і Австралії було виконано по об'єднаної програмі дослідження впливу конструкції зварювальних установок на форму й якісність звареного шва [20].

Вирішуючи питання про впровадження у виробництво технологічного процесу, необхідно підходити до завданню комплексно; не розраховувати тільки на наявність певного типу лазера, а передбачити, побачити весь технологічний ланцюжок з її слабкими місцями. Так, досвід впровадження лазерного зварювання карданних валів показав, що відсутність надійної системи наведення променя на стик, що приводить до великого відсотка браку, змусило цілком всю технологію зварювання.

Будь-який технологічний процес можна вважати освоєним і надійним, якщо є методи контролю роботи всього ланцюжка, всіх ланок. Наявність необхідної апаратури для контролю й керування - гарантія повторюваності процесу і якості продукції, що випускається.

Підводне зварювання застосовують при будівництві гідротехнічних споруд, ремонті кораблів і підводних частин портових і нафтопромислових металевих конструкцій. Вперше дугове зварювання під водою запропонував і розробив К. К. Хрінов (1932).

Зварювання під водою виконуютьплавкими штучними електродами, порошковим дротом і неплавким електродом. Для дугового підводного зварювання використовують електроди з товстим покриттям і гіроскопічною ізоляцією. Стрижень виготовляють з низько вуглецевої сталі; до складу покриття входять: оксид титану, залізна руда, польовий шпат, феротитан, феромарганець, крохмаль і рідке скло. Гідроізоляцію здійснюють парафіном, розчином целулоїду в ацетоні або спеціальними лаками. Коефіцієнт покриття повинен бути в межах 0,35-0,40, а коефіцієнт наплавлення — 8-9 г/А-год.

Суть процесу зварювання під водою полягає в тому, що теплота дуги випаровує і розкладає воду, створюючи навколо дуги газову порожнину. На стійкість горіння дуги впливає втулка, що утворюється через запізнення плавлення електродного покриття порівняно з плавленням стрижня. Вона сприяє збереженню газової порожнини, в якій горить дуга.

При зварюванні проходить поглинання теплоти дуги і зниження термоелектронної емісії, що затрудняє запалювання дуги. Тому необхідно використовувати джерела живлення дуги змінного ті постійного струму з більш високою напругою холостого ходу (70-85 В). Сила зварювального струму вибирається на 10-25% вищою, а напруга дуги — на 6-7 В більшою, ніж при роботі на повітрі.

Техніка зварювання під водою штучними електродами і порошковим дротом аналогічна зварюванню на повітрі. Зварюють у всіх просторових положеннях і до глибин, які обмежують можливості людського організму у водолазному спорядженні. При збільшенні глибини тиск води на газову порожнину і стовп дуги зростає, що сприяє підвищенню глибини проплавлення металу. Шви, виконані штучними електродами, мають пористість, низьку пластичність і в'язкість через негативний вплив водню. При зварюванні порошковим дротом щільність і міцність шва відповідає вимогам відповідальних виробів. Через тяжкі умови роботи при підводному зварюванні виникають дефекти: пропуски, зміщення осі шва, не розплавлення однієї із кромок.

Для зварювання під водою використовують спеціальні електродотримачі з детально ізольованою поверхнею. Перед роботою зварник повинен уважно перевірити водолазне спорядження. Передній ілюмінатор водолазного шолома повинен на 2/3 закриватися знизу світлофільтром. Зварювання починають тільки при наявності над водою чергового — проінструктованого працівника, який має двосторонній телефонний зв'язок із зварником. Поблизу чергового має бути телефон, автоматичний вимикач напруги джерела живлення і рубильник для вимикання зварювальної установки від електромережі. Найперспективнішими видами підводного зварювання є дугове напівавтоматичне, плазмо-дугове і електронно-променеве.