Лазерная сварка

Введение.

Эта первая статья серии, посвященной промышленным лазерным технологиям, посвящена лазерной сварке. По поводу этого вида сварки хочется применить известную формулу "хорошо забытое старое". Действительно, уже у всех производственников на слуху лазерная резка, уже не редкость фирмы, имеющие станки для лазерной резки разного класса, быстро расширяется использование лазерной маркировки. Но лазерная сварка в основном используется в приборостроительных отраслях для сварки миниатюрных компонентов. Поэтому необходимо отметить, что в СССР достаточно широким фронтом велись работы по созданию технологий и оборудования для промышленной лазерной сварки. Эти работы были доведены до разработки реальных технологий, с проведением большого объема аттестационных испытаний сварных соединений, а в ряде случаев и до промышленного внедрения. Сейчас, когда производственники опять всерьез заинтересовались технологией лазерной сварки, им полезно знать, что эту технологию вовсе не нужно создавать с нуля или приобретать у стран - мировых технологических лидеров. В России имеются научные и технологические центры и специалисты по разным технологиям лазерной сварки.
В этой статье мы не будем касаться технологии точечной импульсной лазерной сварки, которая давно широко применяется в отечественном приборостроении (установки серии КВАНТ), а обсудим вопросы стыковой лазерной сварки достаточно больших толщин металла - от 1 до 10 мм. Основы технологии лазерной сварки больших толщин создавались в ФИАЭ им. И.С. Курчатова и в ряде других научных центров СССР. Здесь обязательно нужно упомянуть пионера этих исследований - Феликса Косырева, под руководством которого были созданы первые СО2-лазеры для сварки мощностью 5 кВт, установки ЛТ-1. На этих установках выучилось большое количество технологов в разных городах страны. Позже работы были продолжены в НИИЭФА им. Д.В.Ефремова, в ЦНИИ КМ Прометей, МВТУ им. Баумана и Политехническом Университете Санкт-Петербурга и множестве других научно-технологических центров. Уже на первом этапе этих работ планировалось промышленное внедрение технологий и оборудования, так на ПО "Ижорский завод" в Ленинграде начались работы по строительству лазерной установки мощностью 20 кВт для сварки трубных узлов и фрагментов приводов СУЗ. На ПО "Балтийский завод" была доведена до промышленного внедрения технология лазерной сварки специального теплообменного модуля из титановых сплавов [1]- лазером производилась сварка трубок толщиной стенки до 2.5 мм в трубную доску.

Физика процесса и виды лазерной сварки

Процесс лазерной сварки состоит в расплавлении металла под действием высококонцентрированного источника световой энергии. Излучение лазера фокусируется (см. рис.1) на поверхности металла в области стыка двух деталей, частично поглощается верхним слоем металла, вызывая его нагрев до температуры плавления и кипения. Хотя поглощающая способность металлов и сплавов относительно невелика, но с ростом температуры поглощение растет. При достижении состояния кипения пленка жидкого металла может вытесняться под действием обратного давления струи паров металла и образуется каверна, а затем и парогазовый канал. В таком режиме излучение лазера поглощается почти полностью, а с точки зрения теплофизики источник нагрева имеет характер линейного. Если сфокусированный пучок излучения движется по стыку, то образуется зона проплавления и поверхности свариваются. К сожалению, существует еще один физический эффект, существенным образом усложняющий картину процесса. Это образование плазменного облака над поверхностью металла. Сравнительно легко ионизируемые пары металла начинают поглощать лазерное излучение, образуя плазменный факел. Этот факел может оказывать разнообразное влияние на процесс - отрицательное, блокируя передачу части лучевой энергии к поверхности металла и в канал проплавления или рассеивая пучок из-за образования отрицательной оптической линзы - положительное, за счет косвенного нагрева поверхности металла в начальных стадиях, когда прямое поглощение излучения невелико. Для исключения вредного влияния плазменного факела используют плазмоподавляющие газовые смеси. При лазерной сварке это обычно смесь гелия с аргоном, которая одновременно выполняет и функции защиты расплавленного металла от окисления воздухом. Так как скорости лазерной сварки могут быть достаточно велики, то иногда необходимо применять и газовую защиту хвостовой зоны и даже обратной стороны шва. Здесь можно применять чистый аргон. В классическом варианте для лазерной сварки не нужны ни присадочные материалы, ни флюсы. Процесс сварки бесконтактный и хорошо управляемый - в отличии от дуговых способов сварки не нужно применять специализированных источников энергии с падающей характеристикой. На рис.2, изображены: внешний вид сварного соединения, выполненного лазерным лучом и шлифы сварных швов. Видно, что форма зоны проплавления металла хорошо укладывается в изложенную выше картину физических процессов при лазерной сварке - тепловой источник носит комбинированный характер, обусловленный сочетанием нескольких механизмов нагрева металла - поглощением излучения в сквозном канале проплавления и буферным нагревом верхней части шва концентрированной лазерной плазмой.

Классификация процессов лазерной сварки

Здесь мы не претендуем на полноту классификации, нам важно представить более-менее полный спектр используемых вариантов процесса лазерной сварки. По типу лазерного источника. Для промышленных применений разработаны три основных типов лазеров (на Рис.2 изображены несколько моделей промышленных лазеров): CO2-лазеры, это газовые лазеры, обычно работающие на смеси гелий-азот-углекислота. Лазеры отличаются по организации разряда, но самыми современными на настоящий момент являются лазеры с ВЧ-разрядом, в частности, так называемые щелевые лазеры (slabb lasers). Длина волны излучения этих лазеров - 10.6 мкм. Мощности излучения до десятков киловатт. YAG- лазеры, это твердотельные лазеры на алюмоиттриевом гранате. Они различаются по источнику накачки, ламповому или диодному. Лазеры с диодной накачкой (DPSS) достаточно дороги и для сварочных применений используются нечасто. Длина волны излучения этих лазеров - 1.06 мкм - ближний инфракрасный диапазон. Мощности излучения до 5-6 кВт.
Волоконные лазеры. Это на настоящий момент самый новый тип лазеров со своеобразной конструкцией. В этих лазерах рабочим телом служит кварцевое оптоволокно, легированное редкоземельными металлами, а накачка выполняется лазерными диодами. Это же волокно используется для транспортировки излучения к сварочной головке, что чрезвычайно удобно. Мощности излучения до 5 кВт.

Основные режимы лазерной сварки:

а) Сварка непрерывным излучением - мощность лазерного излучения или постоянна во времени, либо имеет импульсный характер с частотой импульсов порядка десятков килогерц
б) Импульсная или импульсно-периодическая сварка - в этом случае частота лазерных импульсов невелика 10-300 Гц, а энергия каждого импульса значительна.

По схеме сварки можно выделить сварку встык, внахлест, угловая и прочие варианты, отличающиеся взаимным положением деталей и лазерного луча.

Кроме того, используются целый ряд комбинированных видов сварки, например, лазерно-дуговая сварка.

Здесь идея состоит в том, чтобы большую часть энергии вкладывать не через лазерный луч, а через дуговой разряд. Эта технология чрезвычайно эффективна для высокоскоростной сварки небольших толщин металла. Известно, что при высоких скоростях дуга сама по себе ведет себя нестабильно, поэтому лазерное пятно нагрева является специальным "стабилизатором дуги", так как создает устойчивую точку привязки дуги к металлу. За счет такой комбинации удается уменьшить капитальные затраты на оборудование в несколько раз.

Рис.1. Физические процессы при лазерной сварке металла а) и фотография реального процесса сварки б) 1 - проплавляемый металл, 2 - лазерный пучок, 3 - фокусирующая линза, 4 - сопло с потоком защитного газа, 5 - подача защитного газа (He+Ar), 6 - парогазовый канал в металле, 7 - кристаллизационная ванна жидкого металла, 8 - лазерная плазма (приповерхностная и внутриканальная), 9 - кристаллизовавшийся металл шва.

Рис.2. Внешний вид образца, сваренного лазерной сваркой и характерные шлифы сварного соединения (толщина металла 10 мм).

                                               Качество и свойства лазерной сварки.

С точки зрения теплофизических и металлургических процессов при лазерной сварке она имеет основной особенностью существенно меньшие времена плавления и кристаллизации металла, а также очень локальную зону термического влияния. Это приводит к особому режиму металлургических трансформаций металла, в частности, к образованию различных неравновесных структур в металле шва. В то же время многочисленные исследования и аттестации показали, что лазерная сварка отличается очень высокой технологической гибкостью и высоким качеством сварного шва [2]. Для множества конструкционных материалов свойства сварного шва не хуже свойств основного металла. Характерные фотографии образцов после испытаний приведены на фотографиях рис.4,5. Видно, что разрушение всегда идет по основному металлу.
Технологическая гибкость лазерной сварки позволяет сваривать встык даже такие металлы и сплавы как нержавеющая сталь и медь, которые невозможно сварить между собой без нанесения переходных слоев.

Решающий шаг в направлении использования лазерной сварки был сделан в 1996 году, когда был успешно завершен объединенный европейский проект [3], посвященный изучению возможностей использования лазерной сварки в судостроительной промышленности. К сожалению, в проекте, объединившем восемь стран Европы, Россия не участвовала, несмотря на большой научный и технологический задел в этой области. Технические материалы проекта были переданы в классификационные организации стран-участников, которые разработали нормы использования лазерной сварки в судостроении. Этим, по-существу, был дан "зеленый свет" широкому применению новой технологии в судостроительной промышленности. В настоящее время лазерная сварка уже широко используется на ряде верфей Великобритании, Германии и Японии для сварки ряда типовых конструктивных фрагментов, например, крупногабаритных сотовых панелей.

Вторым технологическим прорывом можно считать начавшееся применение лазерной сварки алюминиевых сплавов в автостроении и авиастроении. Концерн Audi сваривает в серийной модели A2 около 20 метров шва корпуса лазером. А концерн Эрбас начал применять лазерную сварку для соединения стрингеров (продольных силовых элементов) с обшивкой при изготовлении нижней части фюзеляжа [4]. Последний факт особо примечателен - в авиации сварка алюминия почти не применялась из-за плохой статистики поведения и разрушения сварных швов, полученных традиционными методами сварки. Нужную статистику и надежность обеспечивала только клепка. Тот факт, что в новейшей модели A3XX решено использовать именно лазерную сварку говорит о многом, но главное о высоком качестве получаемых сварных соединений. Этот метод дает не только снижение веса соединений, но и значительно ускоряет процесс сборки по сравнению с клепкой. Лазерная сварка позволяет соединять с обшивкой до восьми метров стрингеров в минуту.

Рис.3. Различные типы технологических лазеров.

А) СО2-лазер TLF12000 фирмы Trumpf мощностью 12 кВт

Б) СО2-лазер Rofin RF050 фирмы RofinSinar мощностью 5 кВт

В) Твердотельный лазерный излучатель МЛТИ-1200 мощностью 1000 Вт

Г) СО2-лазер "Славянка" мощностью 16-20 кВт (с разрешения НИИЭФА им. Д.В.Ефремова)

Приведем перечень основных особенностей и преимуществ лазерной сварки:
Высокая производительность процесса, характерные скорости сварки могут достигать 200-400 м/час, а при использовании лазернодуговой технологии и до 2000 м/час.
Возможность сварки самого широкого спектра марок сталей, сплавов и материалов - от высоколегированных высокоуглеродистых марок стали до сплавов меди и титана, керамики и стекла.

Возможность сварки разнородных металлов. Отсутствие присадочных материалов

Возможность сварки встык листов металла достаточно большой толщины за один проход.

Отличные свойства металла шва и околошовной зоны, во многих случаях механические свойства металла шва не хуже свойств основного металла, а иногда и выше/ Малая ширина зоны термического влияния и малый уровень деформаций, примерно в 3-5 раз ниже, чем при дуговой сварке.

Возможность сварки в труднодоступных местах и разных пространственных положениях

Хорошая управляемость и гибкость процесса, возможность полной автоматизации
Возможность транспортировки лазерного излучения от источника на значительные расстояния, а для волоконных лазеров и по оптическому световоду.
Экологическая чистота процесса, определяется отсутствием флюсов и других сварочных материалов.
Высокое качество сварных швов иллюстрируется фотографиями Рис.4 - видно, что при испытаниях на удар разрыв соединения разрушаются по основному металлу, а Рис. 5 показывает высокую пластичность соединения при испытаниях на статический загиб.

Рис.4. Внешний вид сварных соединений после ударных испытаний с надрезами по Шарпи. А) Сталь 09Г2С, толщина соединения 10 мм. Б) Сталь 10ГН2МФА, толщина соединения 10 мм



Рис.5. Внешний вид образцов после испытания на статический изгиб. Стали - сверху вниз - АБ-32Ш, 09Г2С, 22К, 08Х18Н10Т. Толщина соединений - 10 мм

Рис.6. Возможная архитектура многоцелевого лазерного комплекса. 1 - мощный технологический лазер, 2,4 - стенды лазерной сварки цилиндрических изделий, 3 - стенд лазерной сварки и резки плоских изделий. Красным цветом показаны трассы передачи лазерного пучка.

                               Организация производственного процесса

Технологический процесс лазерной сварки необходимо есть процесс роботизированный. Даже если прогнозировать развитие систем с передачей излучения по оптическому световоду, ручная лазерная сварка вряд ли практически возможна из-за высоких требований к точности ведения лазерного луча по стыку и к постоянству скорости перемещения источника.

Для проектировщиков производств важно знать, что лазерный луч может транспортироваться на достаточные расстояния и переключаться на несколько рабочих постов. На Рис. 6 приведен вариант организации лазерной сварочной системы, в которой имеется три роботизированных сварочных поста для разных геометрий деталей. Такая архитектура выгодна, если процесс подготовки непосредственно к процессу сварки занимает большое время в сравнении с чистым сварочным временем. Это позволяет более полно загрузить самую дорогую часть системы - лазерный источник и ускорить окупаемость капитальных вложений.

Из-за многообразия сварочных геометрий в реальных производствах мощное лазерное оборудование обычно проектируется по индивидуальному заказу, в отличие от станков для лазерной резки, которые обычно имеют типовую схему и производятся в серийном режиме. Тем не менее, есть ряд типовых конфигураций для сварки определенных классов изделий (см. примеры рис. 7,8). Наибольшую гибкость, но и максимальную стоимость имеют системы на основе специальных высокоточных "лазерных" роботов, обеспечивающих произвольную траекторию перемещения сварочной лазерной головки в пространстве. Отметим, однако, что подавляющее большинство производственных задач может быть решено с использованием более простой робототехники. По крайней мере, российским производственникам мы бы на основании своего опыта рекомендуем использование сравнительно недорогих узкоспециализированных сварочных стендов в комбинации с многопостовой архитектурой технологического участка.



Рис.7. Лазерный сварочный станок серии LMI фирмы Presco Laser Systems. Сварка швов плоской и эллиптической геометрии.



Рис.8. Лазерный сварочный станок серии LMI фирмы Presco Laser Systems. Сварка тел вращения, размещенных в групповом манипуляторе.

Заключение

Мы надеемся, что этот, достаточно общий обзор, может помочь производственникам сориентироваться в перспективах применения технологии лазерной сварки. В одном из следующих номеров журнала мы поместим более специализированный материал по свойствам сварных соединений, выполненных лазером.

Важно знать то, что технология лазерной сварки не является для России чем-то совершенно новым, что накоплен большой практический опыт разработки лазерных сварочных технологий, имеются технологические центры, которые способны выполнить все работы по созданию технологии, изготовить опытные сварные изделия для необходимых тестов и аттестаций и спроектировать необходимое оборудование под ключ.

Авторы:

А. И. Скрипченко - Генеральный директор ООО "ArtLaser", к.т.н., Санкт-Петербург
         А. Г.  Игнатов - Директор АОЗТ "ЛазерИнформ", Санкт-Петербург

Источники:

1. Журов Н.В., Мильруд С.Р. Некоторые технологические особенности лазерной сварки трубных соединений // Использование высококонцентрированных источников энергии в сварочном производстве: материалы краткосрочного семинара 20 - 21 декабря.-Л.: ЛДНТП.- 1983.-С.34 - 40.

2. Лазерная сварка со сквозным проплавлением сталей различных классов // А.Г.Игнатов, А.В.Козлов, А.И.Скрипчеко и др. // Автоматическая сварка. - 1987, М 9.- С.26 – 29.

3. СО2-лазеры в судостроении. Перевод из журнала EuroLASER, 1997, №1 - Лазер-Информ, №127, август 1997.

4. www.avia.ru