Среди известных источников энергии, используемой для сварки, лазерное излучение обеспечивает наиболее высокую концентрацию энергии, превосходя по концентрации другие источники теплоты, используемые для сварки, на несколько порядков.
Такие высокие значения концентрации энергии определяются уникальными характеристиками лазерного излучения, в первую очередь, его монохроматичностью и когерентностью.
Световой поток, сфокусированный оптической системой в луч, направляется на заготовку. Энергия фотонов, при поглощении ее атомами материала, превращается в теплоту, используемую для плавления и испарения материала.
Основными параметрами луча лазера являются его мощность, длительность импульса и диаметр светового пятна на свариваемой поверхности. Расфокусировка луча также влияет на глубину проплавления основного материала.
Поглощение световой энергии основным материалом зависит от состояния его поверхности, поглощающей способности (часть светового потока, отражаясь, теряется). Высокая концентрация теплоты в световом пятне лазера позволяет практически все металлы довести не только до плавления, но и до кипения. Поэтому лазер можно использовать для сварки различных металлов, в том числе тугоплавких.
До недавнего времени мощность квантового генератора была не велика и позволяла сваривать материал толщиной до 1 мм. В связи с этим наибольшее применение сварка лазером приобрела в радиоэлектронике.
Однако, появились лазеры с большей энергией, что существенно расширило возможность лазерной обработки. Они позволяют сваривать и резать различные металлы и неметаллы толщиной до десятков миллиметров.
Так же как и электронно-лучевая сварка, сварка лазером дает узкий шов «кинжального типа», с малыми деформациями свариваемых деталей, что позволяет применять этот способ для соединения окончательно обрабатываемых узлов и деталей.
Уникальные возможности лазерной сварки достигаются за счет варьирования режимов сварки в широком диапазоне, что позволяет говорить о существенном различии методов лазерной сварки, которые можно классифицировать по трем группам признаков. (Рис. 1)
Энергетические признаки. Каждый метод лазерной сварки характеризуется плотностью мощности Е, Вт/см2, т.е. отношением мощности лазерного излучения к площади пятна сфокусированного луча, и длительностью воздействия излучения ?, т.е. экспозицией непрерывного излучения, или длительностью импульса при импульсном излучении.
Лазерную сварку ведут, как правило, при Е=1–10 МВт/см2. Меньшие плотности мощности не рекомендуются, так как при этом более эффективны и экономичны другие методы сварки, например дуговая. При Е>10 МВт/см2 происходит интенсивное испарение металла, которое приводит к его выплеску и нарушению качественного формирования шва. Однако качественное формирование шва определяется не только плотностью мощности лазерного излучения, но и определенным сочетанием ее с длительностью воздействия излучения на материал. Возможны три основных режима с определенным сочетанием плотности мощности и длительности воздействия.
1. Е=0,1–1,0 МВт/см2, ?>10-2 с. Режим 1 обеспечивается лазерами непрерывного действия. В этом случае , где d – диаметр сфокусированного излучения, скорость сварки. Сварка плавлением по данному режиму применима для конструкционных материалов разных толщин.
2. Е=1,6–10 МВт/см2, ?<10-3 с. Режим 2 обеспечивается лазерами импульсно-периодического действия. Вследствие высоких Е процесс сварки высокоэффективен. Частота повторения импульсов излучения – от десятков до нескольких сотен герц. Сочетание указанных значений Е и ? позволяет осуществить сварку ряда металлов и сплавов разных толщин при меньших энергетических затратах, чем при использовании непрерывного излучения.
3. Е=0,1–1,0 МВт/см2, ?=10-3–10-2 с. Режим 3 обеспечивается лазерами импульсно-периодического действия и используется для сварки малых толщин. Технологические признаки. По этим признакам следует различать сварку металлов с глубоким проплавлением и сварку малых толщин. Лазерная сварка с глубоким проплавлением обеспечивает соединение металлов толщиной более 1,0 мм и выполняется лазерами как непрерывного действия, так и импульсно-периодическими. Лазерную сварку с глубоким проплавлением ведут, как правило, без присадочного материала, хотя в отдельных случаях для повышения свойств шва и для улучшения свариваемости в сварочную ванну подают присадочный материал. Использование присадки позволяет осуществить сборку деталей под сварку с менее жесткими требованиями к точности зазора по длине шва, т. е. с менее жесткими условиями подготовки стыкуемых кромок. Лазерная сварка с присадкой обеспечивает качественное формирование шва лишь при условии точной подачи проволоки в зону плавления непосредственно под лазерным лучом.
Лазерную сварку с глубоким проплавлением в большинстве случаев ведут в защитной среде для обеспечения эффективного проплавления и высоких свойств сварных соединений.
Лазерную сварку можно выполнять во всех пространственных положениях.
Скорость импульсно-периодической лазерной сварки с глубоким проплавлением примерно в десять раз меньше, чем при непрерывном лазерном излучении. Однако при этом обеспечивается более высокая эффективность проплавления по сравнению с непрерывной сваркой.
Малыми при лазерной сварке считают толщины металлов до 1,0 мм. Принципиальным в отличие от сварки с глубоким проплавлением является отсутствие значительного перегрева и интенсивного испарения расплавленного металла шва.
Сварку малых толщин ведут как непрерывными, так и импульсно-периодическими лазерами. При использовании непрерывного излучения выполняется шовная сварка, а импульсно-периодическое излучение позволяет выполнять как точечную, так и шовную сварку. В последнем случае шов формируется перекрытием отдельных точек. В большинстве случаев сварку малых толщин ведут без присадки.
Принципиально сварку малых толщин, в особенности при выполнении точечных соединений, можно проводить без защитной среды. На эффективность проплавления в данном случае защитные газы не оказывают существенного влияния. Однако в тех случаях, когда необходимо предохранить швы от окисления, в особенности при сварке титана, молибдена, ниобия, циркония и других активных материалов, применяют защитные газы.
Экономические признаки. Методы лазерной сварки характеризуются своеобразными экономическими признаками, которые необходимо учитывать как при разработке технологического процесса, так и при проектировании сварных соединений.
Одним из важных признаков, определяющих производительность процесса сварки, является скорость. Лазерная сварка непрерывным излучением выполняется с весьма высокими скоростями, позволяющими в 10—15 раз увеличить производительность по сравнению с традиционными методами сварки плавлением. Наряду с высокой производительностью лазерная сварка энергетически эффективна, так как благодаря высокой концентрации энергии излучения процесс сварки осуществляется с минимальной погонной энергией, определяемой отношением мощности к скорости сварки.
Лазерная сварка на высоких скоростях наряду с повышением производительности и энергетической эффективности одновременно обеспечивает минимальные остаточные деформации и снижение склонности к образованию горячих и холодных трещин при сварке целого ряда конструкционных материалов. Однако высокая скорость достигается не во всех случаях лазерной сварки. В частности, лазерная сварка нмпульсно-периодическим излучением осуществляется на меньших скоростях, сопоставимых с традиционными методами сварки плавлением.
Одним из важных экономических признаков, свойственных процессу лазерной сварки, является значительная экономия сварочных материалов вследствие малых объемов расплавленного металла шва. В частности, лазерная сварка металла толщиной 5—20 мм может быть выполнена за один проход без предварительной разделки кромок и без использования присадочного материала.
Высокая концентрация энергии лазерного излучения позволяет осуществлять сварку сфокусированным лучом, обеспечивая значительную локальность обработки. Это условие локальности обеспечивает рациональное и экономически целесообразное проектирование сварных деталей и конструкций с учетом возможностей сварки в крайне ограниченной по размерам зоне, а также в труднодоступных местах.
Важным обстоятельством, связанным с локальностью процесса лазерной сварки, являются минимальные остаточные деформации. Это дает возможность проектировать технологию изготовления сварных конструкций без использования дорогостоящих методов последующего уменьшения либо устранения остаточных деформаций.