Технология лазерной сварки

Применение лазерной сварки

Отработана технология лазерной сварки малых и средних (5—10 мм) толщин. Однако широкое применение лазерной сварки в ряде случаев сдерживается соображениями экономического характера. Стоимость технологических лазеров пока еще достаточно высока, что требует тщательного анализа возможностей применения лазерной сварки. Перспектива для лазерной сварки появляется тогда, когда применение традиционных способов сварки сопряжено с трудностями.

Лазерную сварку следует рекомендовать при необходимости получения прецизионной конструкции, форма и размеры которой практически не должны изменяться в результате сварки; возможности значительного упрощения технологии изготовления сварных конструкций за счет выполнения сварки в виде заключительного процесса без последующих операций правки либо механической обработки для достижения требуемой точности; необходимости существенного увеличения производительности, так как процесс лазерной сварки может осуществляться на скоростях 100—200 м/ч и более, что в несколько раз превышает скорость наиболее распространенного традиционного способа дуговой сварки; производстве крупногабаритных конструкций малой жесткости с труднодоступными швами. При этом в отличие от электронно-лучевой сварки не требуются вакуумные камеры; соединении трудносвариваемых материалов, в том числе разнородных.

Лазерное излучение рекомендуется к использованию для изготовления конструкций с учетом технологических особенностей лазерной сварки основных конструкционных материалов.

Сварка сталей

Качество и надежность сварных соединений, выполняемых лазерным лучом, в значительной степени определяются точностью сборки элементов под сварку. Необходимая точность сборки достигается подготовкой свариваемых кромок на металлорежущих станках (строганием, фрезерованием, точением).

Поверхность металла в зоне сварки следует очищать от окалины, ржавчины, других загрязнений, а также от влаги. Указанные загрязнения и влага создают условия для образования пористости, оксидных включений, а в некоторых случаях и холодных трещин в металле шва и зоне термического влияния за счет насыщения водородом.

Зачищать свариваемые поверхности следует щетками из нержавеющей стали на участке не менее 10—15 мм как выше, так и ниже свариваемых кромок. Зачищаются также торцевые поверхности, прилегающие к свариваемым участкам. После зачистки место сварки рекомендуется обезжирить.

Сборка под сварку должна обеспечивать возможность тщательной подгонки кромок по всей длине шва с минимальным зазором и перекосом кромок. При толщине свариваемого материала >1,0 мм зазор не должен превышать 5—7% толщины (не более 0,2—0,3 мм). Смещение одной кромки относительно другой по высоте не должно превышать 20—25 % от толщины свариваемых деталей (не более 0,5 мм).

При сборке под сварку не рекомендуются прихватки. В случае необходимости прихватки следует выполнять лучом лазера.

Предпочтительное соединение — стыковое. Нахлесточные и замковые соединения углеродистых сталей не рекомендуются из-за высокой чувствительности к концентраторам напряжений.

Защищать поверхности шва от окисления следует гелием или смесью гелия с аргоном в соотношении 2:1, а также аргона с углекислым газом при соотношении 3:1, подаваемыми через специальное сопло. Корень шва с обратной стороны рекомендуется защищать аргоном. В некоторых случаях при сварке низкоуглеродистых сталей допускается отсутствие защиты шва.

Характерные режимы непрерывной лазерной сварки некоторых сталей обеспечивают сочетание качественного формирования шва, высокой технологической прочности и высоких механических свойств сварного соединения (табл. 6.1).

Таблица 6.1. Характерные режимы непрерывной лазерной сварки сталей

Как следует из табл. 6.1, оптимальные режимы сварки сталей обеспечиваются сравнительно высокими (80—120 м/ч) скоростями сварки. При этом мощность лазерного излучения может быть ориентировочно подобрана из условия 1 кВт на 1 мм толщины свариваемой детали.

Представленные в табл. 6.1 режимы даны для стыковых сварных соединений, но в первом приближении их можно использовать и для угловых, тавровых, прорезных и других видов соединений.

Сварка алюминиевых и магниевых сплавов

Сварка алюминиевых и магниевых сплавов характеризуется рядом особенностей, связанных с взаимодействием расплавленного металла с газами окружающей среды, испарением легирующих элементов, образованием оксидной пленки на поверхности панны, затрудняющей качественное проведение сварочного процесса. Основные трудности сварки алюминия и его сплавов в большинстве своем устраняются применением концентрированных источников энергии, к которым относятся лазерный и электронный луч.

Под лазерную сварку соединяемые поверхности подготавливают также тщательно, как и под дуговую, включая механическую обработку, травление с последующим осветлением, промывку в горячей воде и зачистку шабером непосредственно перед сваркой.

Лазерную сварку осуществляют в среде защитных газов. Обычно рекомендуется использовать гелий для защиты верхней части сварочной ванны, а для корневой части шва может быть использован аргон. Расход гелия должен быть не менее 7—8 л/мин, а аргона 5—6 л/мин.

Таблица 6.2. Оптимальные режимы сварки алюминиевых сплавов излучением СО₂-лазера

При лазерной сварке алюминиевых, сплавов (табл. 6.2) наблюдается характерная особенность расплавления металла лишь при определенном уровне мощности и плотности мощности. Например, для сплава АМг6 пороговая мощность излучения СО₂ составляет 2—2,2 кВт. При этом сразу достигается глубина проплавления 1,5—2,0 мм, а при меньших значениях мощности проплавление полностью отсутствует. Это обстоятельство связано с высоким коэффициентом отражения алюминиевой поверхностью и последующим резким снижением отражения после начала плавления.

Прочность сварных соединений толщиной 2,0 и 3,0 мм составляет не менее 0,9 от прочности основного металла при сварке без присадочной проволоки (табл. 6.3). Разрушаются соединения преимущественно по шву.

Таблица 6.3. Механические свойства основного металла (числитель) и сварных соединений (знаменатель) из сплава АМг6

Примечание. Материал толщиной 4.0 мм нагартован.

Сварные швы магниевых сплавов, выполненные лучом лазера, хорошо формируются, не образуя провисания при сварке на весу. Это позволяет в отличие от дуговой сварки осуществлять лазерную сварку без применения подкладок, что существенно упрощает технологию изготовления, особенно крупногабаритных конструкций.

Механические свойства сварных соединений, выполненных лазерным излучением с оптимальными параметрами режимов (табл. 6.4) находятся на уровне соответствующих свойств основного металла.

Таблица 6.4. Режимы лазерной сварки магниевых сплавов непрерывным излучением СО₂

Сварка титановых сплавов

Основными трудностями сварки титановых сплавов являются высокая химическая активность металла при повышенных температурах и особенно в расплавленном состоянии, склонность к росту зерна при нагреве до 330—350 °С и выше, а также повышенная склонность к образованию холодных трещин при повышении содержания в шве и околошовной зоне примесей газов, в особенности водорода. Перечисленные трудности устраняются при сварке с минимальными значениями погонной энергии, обеспечиваемыми такими высококонцентрированными источниками энергии, как лазерный и электронный лучи.

Необходима тщательная подготовка кромок под сварку, включая механическую обработку или дробеструйную, пескоструйную с последующим химическим травлением, осветлением и промывкой.

Существенно влияет на свойства сварных соединений качество защиты поверхности, корня шва, остывающих участков шва и околошовной зоны до 400—500 °С. Для защиты поверхности шва и плазмоподавления в зоне лазерного воздействия используется гелий высокой чистоты с ориентировочным расходом 10—12 л/мин. Для защиты остывающей поверхности шва и корня можно применять аргон повышенной чистоты с ориентировочным расходом для корня шва 4—5 л/мин и для поверхности шва 15—18 л/мин.

Режимы лазерной сварки выбираются из условий обеспечения качественного формирования, необходимой геометрии шва, предотвращения образования холодных трещин и создания наиболее благоприятных структур в шве и околошовной зоне (табл. 6.5).

Таблица 6.5. Режимы лазерной сварки титановых сплавов

Повышенные механические свойства сварных соединений, выполненных лазерной сваркой (табл. 6.6), связаны с высокой скоростью процесса и соответственно с высокими скоростями охлаждения металла шва и околошовной зоны, составляющими в полиморфной области 400—600 °С/с по сравнению с 20—25°С/с при дуговой сварке. Это приводит к повышению дисперсности металла шва в три-четыре раза, а также значительному измельчению зерна в околошовной зоне.

Таблица 6.6. Механические свойства сварных стыковых соединений из титанового сплава ПТЗВ, полученных разными способами

* Зона термического влияния.

Источник публикации: autowelding.ru - Волченко В.Н. "Сварка и свариваемые материалы, том 2"

См. также:

• Лазерная сварка
• Оборудование для лазерной сварки
• Автоматизация лазерной сварки