Лазерная сварка и сверление металлов

СТАТЬЯ ИЗ РУБРИКИ: «ЛАЗЕРЫ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ»

Laser technologies are capable of playing an evermore important role in industrial processing of materials. They successfully carry out cutting, welding, drilling, thermal surface machining, scribing and other operations. The advantages of this include higher productivity, perfect quality, uniqueness of operations performed in out-of-reach places or very small surfaces. Automatic systems for positioning and focusing the laser complexes make their application even more efficient and ease of operation creates preconditions for their wide implementation into production processes

Лазерная сварка и сверление металлов

С.Н. Колпаков, А.А. Приёмко,
ООО «Альт лазер», г. Харьков

В настоящее время лазер успешно выполняет целый ряд технологических операций, прежде всего, таких, как резка, сварка, сверление отверстии, термическая обработка поверхности, скрайбирование, маркировка, гравировка и т. п., а в ряде случаев обеспечивает преимущества по сравнению с другими видами обработки. Так, сверление отверстий в материале может быть выполнено быстрее, а скрайбирование разнородных материалов является более совершенным. Кроме того, некоторые виды операции, которые раньше были невозможны из-за повышенной трудоемкости, выполняются с большим успехом. Например, сварка материалов и сверление отверстий могут осуществляться через стекло в вакууме или атмосфере различных газов

Промышленная обработка материалов стала одной из областей наиболее широкого использования лазеров. До появления лазеров основными тепловыми источниками для технологической обработки являлись газовая горелка, электродуговой разряд, плазменная дуга и электронный поток. С появлением лазеров, излучающих большую энергию, оказалось возможным создавать на обрабатываемой поверхности высокие плотности светового потока. Роль лазеров как световых источников, работающих в непрерывном, импульсном режимах или в режиме гигантских импульсов, состоит в обеспечении на поверхности обрабатываемого материала плотности мощности, достаточной для его нагревания, плавления или испарения, которые лежат в основе лазерной технологии.

В настоящее время лазер успешно выполняет целый ряд технологических операций, прежде всего, таких, как резка, сварка, сверление отверстий, термическая обработка поверхности, скрайбирование, маркировка, гравировка и т. п., а в ряде случаев обеспечивает преимущества по сравнению с другими видами обработки. Так, сверление отверстий в материале может быть выполнено быстрее, а скрайбирование разнородных материалов является более совершенным. Кроме того, некоторые виды операций, которые раньше выполнить было невозможно из-за трудной доступности, выполняются с большим успехом. Например, сварка материалов и сверление отверстий могут выполняться через стекло в вакууме или атмосфере различных газов.

Слово «лазер» составлено из начальных букв в английском словосочетании Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, что в переводе на русский язык означает: усиление света посредством вынужденного испускания.Классически так сложилось, что при описании лазерных технологий обработки материалов основное внимание уделяется только непосредственно лазерам, принципам их работы и техническим параметрам. Однако для того, чтобы реализовать любой процесс лазерной размерной обработки материалов, кроме лазера, необходимы ещё система фокусировки луча, устройство управления движением луча по поверхности обрабатываемого изделия или устройство перемещения изделия относительно луча, система поддува газов, оптические системы наведения и позиционирования, программное обеспечение управления процессами лазерной резки, гравировки и т. д. В большинстве случаев выбор параметров устройств и систем, обслуживающих непосредственно лазер, является не менее важным, чем параметры самого лазера. Например, для маркировки подшипников диаметром менее 10 мм или прецизионной точечной лазерной сварки время, затрачиваемое на позиционирование изделия и фокусировку, превышает время гравировки или сварки на один-два порядка (время нанесения маркировочной надписи на подшипник приблизительно 0,5 с). Поэтому без использования автоматических систем позиционирования и фокусировки использование лазерных комплексов во многих случаях становятся экономически нецелесообразными. Аналогия лазерных систем с автомобилями показывает, что лазер выполняет функции двигателя. Каким бы хорошим двигатель ни был, но без колёс и всего остального автомобиль не поедет.

Ещё одним немаловажным фактором в выборе лазерных технологических систем является простота их обслуживания. Как показала практика, операторы имеют невысокую квалификацию обслуживания подобного оборудования. Одной из причин этого является то, что лазерные комплексы устанавливают в большинстве случаев на замену устаревшим технологическим процессам (ударная и химическая маркировки изделий, механическая гравировка, ручная сварка, ручная разметка и т. п.). Руководители предприятий, которые проводят модернизацию своего производства, как правило, из этических соображений, заменяя старое оборудование новым, оставляют старый (в прямом и переносном смыслах) обслуживающий персонал. Поэтому для внедрения лазерных технологических систем в производство при данных начальных условиях его развития (в постсоветских республиках) необходимо предусматривать максимально возможный уровень автоматизации и простоты обучения. Не следует отбрасывать и тот факт, что зарплата неквалифицированного персонала ниже, чем подготовленного специалиста. Поэтому экономически выгодней покупать сложное оборудование с возможностью простоты в его обслуживании, чем приглашать высококвалифицированный персонал.

Таким образом, задачу использования лазерных технологий в современном производстве следует рассматривать не только с точки зрения технических параметров непосредственно лазера, но и с учётом характеристик оборудования, программного обеспечения, которые позволяют использовать специфические свойства лазера для решения отдельно взятой технологической задачи.

Любая лазерная система, предназначенная для размерной обработки материалов, характеризуется следующими параметрами:

  • скоростью обработки (реза, гравировки и т. п.);
  • разрешающей способностью;
  • точностью обработки;
  • размером рабочего поля;
  • диапазоном материалов обработки (чёрные металлы, цветные металлы, дерево, пластмасса и т. д.);
  • диапазоном размеров и массы изделий, предназначенных для обработки;
  • конфигурацией изделий (например, гравировка на плоской, цилиндрической, волнообразной поверхностях);
  • необходимым временем изменения выполняемых задач (смена рисунка гравировки, конфигурации линии реза, изменение материала обработки и т. п.);
  • временем установки и позиционирования изделия;
  • параметрами условий окружающей среды (диапазон температур, влажность, запылённость), в которых может эксплуатироваться система;
  • требованиями к квалификации обслуживающего персонала.

Исходя из этих параметров, выбирается тип лазера, устройство развертки луча, разрабатывается конструкция крепежа изделия, уровень автоматизации системы в целом, решается вопрос о необходимости написания специализированных программ для подготовки файлов рисунков, линий реза и т. д.

Основными техническими характеристиками, определяющими характер обработки, являются энергетические параметры лазера — энергия, мощность, плотность энергии, длительность импульса, пространственная и временная структуры излучения, пространственное распределение плотности мощности излучения в пятне фокусировки, условия фокусировки, физические свойства материала (отражательная способность, теплофизические свойства, температура плавления и т. д.).

Лазерное сверление отверстий в металлах

Использование лазера в качестве сверлящего инструмента дает преимущества.

Отсутствует механический контакт между сверлящим инструментом и материалом, а также поломка и износ сверл.

Увеличивается точность размещения отверстия, так как оптика, используемая для фокусировки лазерного луча, используется также и для наводки его в необходимую точку. Отверстия могут быть ориентированы в любом направлении.

Достигается большее отношение глубины к диаметру сверления, чем это имеет место при других способах сверления.

При сверлении, так же как и при резании, свойства обрабатываемого материала существенно влияют на параметры лазера, необходимые для выполнения операции. Сверление осуществляют импульсными лазерами, работающими как в режиме свободной генерации с длительностью импульсов порядка 1 мкс, так и в режиме с модулированной добротностью с длительностью в несколько десятков наносекунд. В обоих случаях происходит тепловое воздействие на материал, его плавление и испарение. В глубину отверстие растет в основном за счёт испарения, а по диаметру — за счет плавления стенок и вытекания жидкости при создаваемом избыточном давлении паров.

Как правило, глубокие отверстия желаемого диаметра получаются при использовании повторяющихся лазерных импульсов малой энергии. В этом случае образуются отверстия с меньшей конусностью и лучшего качества, нежели отверстия, полученные с более высокой энергией одиночного импульса. Исключение составляют материалы, содержащие элементы, способные создавать высокое давление паров. Так, латунь сваривать очень трудно лазерным импульсным излучением из-за высокого содержания цинка, однако при сверлении латунь имеет некоторые преимущества, так как атомы цинка значительно улучшают механизм испарения.

Поскольку многоимпульсный режим позволяет получать отверстия лучшего качества нужной геометрии и с небольшим отклонением от заданных размеров, то на практике этот режим получил распространение при сверлении отверстий тонких металлов и неметаллических материалов. Однако при сверлении отверстий в толстых материалах предпочтительными являются одиночные импульсы большой энергии. Диафрагмирование лазерного потока позволяет получить фигурные отверстия, однако этот способ чаще используется при обработке тонких пленок и неметаллических материалов. В том случае, когда лазерное сверление производится в тонких листах толщиной меньше 0,5 мм, имеет место некоторая унификация процесса, состоящая в том, что отверстия диаметром от 0,001 до 0,2 мм могут быть изготовлены во всех металлах при относительно низких мощностях.

Высверливание отверстий в металлах может быть использовано в ряде случаев. Так, с помощью импульсных лазеров может быть произведена динамическая балансировка деталей, вращающихся с высокой скоростью. Дисбаланс выбирается путем локального выплавления определенного объема материала. Лазер может быть использован также для подгонки электронных элементов либо локальным испарением материала, либо за счет общего разогрева. Высокая плотность мощности, малый размер пятна и малая длительность импульса делают лазер идеальным инструментом для этих целей.

Лазеры, применяемые для сверления отверстий в металле, должны обеспечить в фокусированном луче плотность мощности порядка 107–108 Вт/см2. Сверление отверстий металлическими сверлами диаметром меньше 0,25 мм является трудной практической задачей, в то время как лазерное сверление позволяет получать отверстия диаметром, соизмеримым с длиной волны излучения, с достаточно высокой точностью размещения. Специалистами фирмы «Дженерал Электрик» (США) подсчитано, что лазерное сверление отверстий по сравнению с электроннолучевой обработкой имеет высокую экономическую конкурентоспособность (табл. 1). В настоящее время для сверления отверстий используются в основном твердотельные лазеры. Они обеспечивают частоту следования импульсов до 1000 Гц и мощность в непрерывном режиме от 1 до 103 Вт, в импульсном — до сотен киловатт, а в режиме с модуляцией добротности — до нескольких мегаватт. Некоторые результаты обработки такими лазерами приведены в табл. 2.

Лазерная сварка металлов

Лазерная сварка в своем развитии имела два этапа. Первоначально получила развитие точечная сварка. Это объяснялось наличием в то время мощных импульсных твердотельных лазеров. В настоящее время, при наличии мощных газовых СО2 и твердотельных Nd:YAG-лазеров, обеспечивающих непрерывное и импульсно-непрерывное излучение, возможна шовная сварка с глубиной проплавления до нескольких миллиметров. Лазерная сварка имеет ряд преимуществ по сравнению с другими видами сварки. При наличии высокой плотности светового потока и оптической системы возможно локальное проплавление в заданной точке с большой точностью. Это обстоятельство позволяет производить сваривание материалов в труднодоступных участках, в вакуумной или газонаполненной камере при наличии в ней окон, прозрачных для лазерного излучения. Сваривание, например, элементов микроэлектроники в камере с атмосферой инертного газа представляет особый практический интерес, поскольку в этом случае отсутствуют реакции окисления.

Сваривание деталей происходит при значительно меньших плотностях мощности, чем резка. Это объясняется тем, что при сварке необходимы только разогрев и плавление материала, т. е. необходимы плотности мощности, еще недостаточные для интенсивного испарения (105–106 Вт/см2), при длительности импульса около 10-3–10-4 с. Поскольку излучение лазера, сфокусированное на обрабатываемом материале, является поверхностным тепловым источником, то передача тепла в глубину свариваемых деталей осуществляется за счет теплопроводности, и зона проплавления с течением времени при правильно подобранном режиме сварки изменяется. В случае недостаточных плотностей мощности имеет место непроплавление свариваемой зоны, а при наличии больших плотностей мощности наблюдаются испарение металла и образование лунок.

Сварку можно производить на установке для газолазерной резки при меньших мощностях и использовании слабого поддува инертного газа в зону сварки. При мощности СО2-лазера около 200 Вт удается сваривать сталь толщиной до 0,8 мм со скоростью 0,12 м/мин; качество шва получается не хуже, чем при электроннолучевой обработке. Электроннолучевая сварка имеет несколько большие скорости сваривания, но зато проводится в вакуумной камере, что создает большие неудобства и требует значительных общих временных затрат.

В табл. 3 приведены данные по стыковой сварке СО2-лазером, мощностью 250 Вт различных материалов.

При других мощностях излучения СО2-лазера получены данные шовной сварки, приведенные в табл. 4. При сварке внахлест, торцовой и угловой были получены скорости, близкие к указанным в таблице, при полном проплавлении свариваемого материала в зоне воздействия луча.

Лазерные сварочные системы способны сваривать разнородные металлы, производить минимальное тепловое воздействие за счет малого размера лазерного пятна, а также сваривать тонкие проволочки диаметром менее 20 мкм по схеме провод-провод или провод-лист.

Литература

1. Крылов К.И., Прокопенко В.Т., Митрофанов А.С. Применение лазеров в машиностроении и приборостроении. — Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1978. — 336 с.

2. Рыкалин Н.Н. Лазерная обработка материалов. — М., Машиностроение, 1975. — 296 с.

Рекламодатели

Партнёры

Новостная рассылка

Будьте в курсе наших последних новостей. Оформите бесплатно персональную новостную рассылку.