ГОСТ EN 1011-6-2017. Межгосударственный стандарт. Сварка. Рекомендации по сварке металлических материалов. Часть 6. Лазерная сварка

12 Лазерная сварка

 

12.1 Характеристики

 

12.1.1 Режимы

Лазерная сварка является процессом сварки плавлением, и для соединения характерно наличие зон термического влияния в свариваемых деталях, контактирующих с металлом шва.

Лазерная сварка часто выполняется в режиме "замочная скважина". Этот режим требует пучка с высокой плотностью мощности, способной испарить материал в точке взаимодействия. Лазерный пучок затем может создать (с помощью давления испаренного материала) глубокую полость формы, приближенной к цилиндрической. Стенки полости покрыты расплавленным материалом. Если этот процесс находится под контролем, полость вместе с лазерным лучом перемещается вдоль шва. Распределение тепла и материала в основном является двухмерным. Материал плавится в передней части полости и перемещается к ее задней стенке, где, застывая, образует металл сварного шва. Небольшая часть материала испаряется или удаляется в виде брызг в направлении вдоль оси лазерного луча. Режим "замочная скважина" обычно используется для сварки стыковых швов с полным или частичным проплавлением толстых деталей.

Другой режим - это сварочный режим, основанный на теплопроводности материала. В этом режиме интенсивность пучка недостаточна для создания "замочной скважины", и распределение тепла становится похожим на распределение тепла при дуговой сварке. Этот теплопроводный режим сварки имеет место, когда луч (низкой интенсивности) расфокусирован или колеблется. Теплопроводный режим сварки может дать трехмерное распределение тепла, и поперечное сечение сварного шва будет приблизительно круглым, с шириной на поверхности примерно в 2 раза выше глубины проплавления. Тепло может распространяться в более широких областях, в результате чего создается шов, ширина которого более чем в 2 раза превышает глубину проплавления. Аналогичный метод используется для плакирования лазерным пучком, когда обычно стремятся к минимальному проплавлению.

В точечной сварке фокусирующая головка во время сварки находится в стационарном состоянии по отношению к основному материалу. Время сварки для каждой точки может быть измерено в миллисекундах. Как правило, для этой цели используются импульсные лазеры. Получаемый профиль сварного шва, как правило, является промежуточным между швом, получаемым в режиме теплопроводности, и швом "замочная скважина".

12.1.2 Передача энергии

Энергия передается от лазерного луча к основному материалу, где она расплавляет материал и создает "замочную скважину" (в режиме "замочная скважина"). На передачу энергии влияют главным образом два фактора:

- отражение (частичное) энергии пучка от поверхности основного материала и жидкого материала ванны;

- образование шлейфа испарившихся элементов и/или плазменного облака (CO₂-лазер).

Лазерные лучи отражаются от поверхности материалов. Доля отраженной энергии зависит от состояния поверхности (на микроскопическом уровне), например от шероховатости поверхности, а также от температуры поверхности. Отраженная доля может быть очень большой, близкой к 90% для полированных материалов и длине волны более 1 мкм при комнатной температуре. Доля отраженной энергии значительно ниже, менее 50% для более коротких длин волн и поверхностей с более низкой отражающей способностью. Если пучок обладает достаточной мощностью для выполнения полного проплавления, отражение не имеет большого значения. Отражающая способность материала стала меньше приниматься во внимание при использовании лазеров с высокой мощностью и высоким качеством пучка. Отражение может вызвать нестабильность процесса, и "замочная скважина" не будет выполнена в определенной для нее зоне, если по какой-либо причине происходит отражение достаточно высокой доли энергии пучка.

Лазерная сварка обычно сопровождается испарением части основного материала. Это вызывает паровой шлейф над местом "замочная скважина". CO₂-лазеры высокой мощности создают такую высокую температуру, что по крайней мере часть шлейфа ионизируется и создается облако плазмы в сварном соединении и над ним (над местом "замочная скважина"). Плазменное облако может ослабить лазерный пучок, при этом обычной мерой предосторожности является применение струи гелия, которая выдувает плазму.

Гелий является предпочтительным газом для устранения плазмы. На экспериментальной основе использовались другие газы, такие как N₂ или Ar. Влияние плазмы не может быть полностью устранено, тем не менее сварка возможна.

Испарение избирательно влияет на различные химические элементы основного материала. Элементы с высоким давлением пара испаряются более легко. Металл шва, следовательно, будет обеднен такими элементами по сравнению с основным материалом.

12.1.3 Импульсная лазерная сварка

Импульсная лазерная сварка может использоваться для точечной сварки. Высокая пиковая мощность импульсных лазеров может использоваться в некоторых случаях для создания сварных швов "замочная скважина" в сравнительно толстых деталях. Однако скорость сварки при этом более низкая, чем у мощного лазера постоянной мощности.

12.1.4 Колебание луча

Колебание луча может применяться для создания более широкого профиля сварного шва и используется при наличии зазоров. Увеличенное поперечное сечение сварного шва сопровождается уменьшением скорости охлаждения.

12.1.5 Управление мощностью лазерного луча

Цифровое управление источником мощности лазерного пучка обычно осуществляется в форме линейной функции (с пологим подъемом и пологим спуском), которая вместе с регулировкой фокуса может быть использована для получения удовлетворительного результата в начале и в конце шва. Это важно для создания кольцевых и замкнутых сварных швов.

12.1.6 Зона фокусировки лазерного луча

Лазерный луч обычно фокусируется на поверхности основного материала или вблизи ее.

12.1.7 Защита газом

Определенные виды защиты газом необходимы для большинства случаев. Сварочная ванна, высокотемпературная часть шва, находящаяся непосредственно за сварочной ванной, и корень шва (при полном проплавлении во время сварки) должны быть защищены. Должны использоваться газовые сопла требуемой конструкции. Необходимость защиты и тип используемого защитного газа зависят от свариваемого материала. Достаточная защита всех высокотемпературных зон имеет ключевое значение, например при сварке коррозионностойких сталей, для того чтобы сохранить высокую степень коррозионной стойкости. Сварные швы с полным проплавлением низкоуглеродистых сталей могут выполняться без защиты корня шва. Сварка тонких деталей с высокой скоростью также может производиться без защиты газом.

12.1.8 Использование сварочных материалов

Сварочные материалы могут быть необходимы, например, при сварке с зазором, чтобы избежать уменьшения сечения шва. Сварочные материалы также могут применяться по металлургическим соображениям. При этом требуется очень точная подача сварочной проволоки. Оптимальным решением может быть применение гибридной дуговой сварки.

12.1.9 Гибридные процессы

Гибридные процессы состоят из сочетания лазерной сварки с дуговой сваркой, плазменной сваркой, сваркой неплавящимся электродом в среде инертного газа TIG, сваркой плавящимся электродом в среде активного газа MAG и т.д. Хорошим решением может стать применение присадочного материала. При этом могут достигаться высокая скорость сварки и низкое тепловложение. Комбинация стыковой/угловой шов является другим вариантом использования гибридного процесса.

Рекомендации по дуговой сварке приведены в EN 1011-1.