Лазерная сварка — исторически одно из первых применений лазеров в производстве. После появления импульсных твердотельных лазеров они почти сразу стали использоваться для микросварки в микроэлектронике.
Процесс лазерной сварки основан на эффекте глубокого проплавления металла лазерным лучом и в чем-то подобный к процессу сварки. При воздействии на поверхность металла концентрированного лазерного изучение в результате плавления и кипения металла тут образуется каверна — парогазовый канал, который с точки зрения тепловой задачи является примерно линейным источником нагрева. Лазерная сварка, таким образом, может выполняться в стык без использования присадочных материалов и характеризуется высокой скоростью процесса. В современных технологиях иногда все же применяют присадочные материалы для управления химическим составом сварного шва и компенсации дефицита металла при наличии зазоров, вызванных неточной сборкой и подгонкой.
Разновидности лазерной сварки: точечная и шовная лазерная сварка лазерная сварка. Точечная лазерная сварка используется в основном в микроэлектронике и позволяет добиться высокой точности при сварке миниатюрных элементов. Для точечного сварки применяются, преимущественно, импульсные твердотельные лазеры с прецизионной механической системой позиционирование. Шовная лазерная сварка используется для получения надежного механического соединения и высокой герметичности шва. Для шовной сварки используются как лазеры работают в импульсном режиме, так и в непрерывном.
Использование лазерной сварки на практике
Преимущества лазерной сварки: высокая производительность; низкая трудоемкость; высокое качество сварных соединений; минимальные сварочные деформации (в 3-5 раз ниже, чем при дуговых способах сварки); возможность решать уникальные технологические задачи — сваривать материалы широчайшего спектра — от высоколегированных и высокоуглеродистых сталей до сплавов на основе меди и титана, пластмасс, керамики, стекла и различных соединений в труднодоступных местах и в различных пространственных положениях; возможность выполнять соединения различных типов, когда применение традиционных способов сварки просто исключено. Таким образом, лазерная сварка в настоящее время является наиболее перспективной технологией сварочных работ.
Лазер (оптический квантовый генератор) — устройство, что генерирует когерентные и монохроматические электромагнитные волны видимого диапазона благодаря вынужденному выпуска (рассеивания) света атомами активной среды. Лазерное излучение обладает целым рядом особых свойств, которые позволяют использовать его в различных отраслях науки и техники, и даже в быту. В промышленности лазеры применяют для лазерной резки, сварки, пайки, различных материалов.
Основные элементы лазера — это генератор накачки и активная среда. По активным средам различают твердотельные, газовые и полупроводниковые лазеры. В твердотельных лазерах в качестве активной среды чаще всего применяют стержни из розового рубина — окиси алюминия А12О3 с примесью ионов хрома Сг3 + (до 0,05%). При облучении ионы хрома переходят в другое энергетическое состояние — возбуждаются и потом отдают запасенную энергию в виде света. На торцах рубинового стержня нанесен слой отбивает вещества (например, серебра) так, что с одного конца образовано непрозрачное, а с другой — полупрозрачное зеркало. Излучение ионов хрома, отражаясь от этих зеркал, циркулирует параллельно оптической оси стержня, возбуждая новые ионы, — идет лавинообразный процесс. Происходит бурное выделение лучистой энергии, которая излучается параллельным пучком через полупрозрачное зеркало и фокусируется линзой в месте сварки. Выходная мощность твердотельных лазеров достигает 107 Вт при пересечении луча меньше 1 см2. В фокусе достигается огромная концентрация энергии, что позволяет получать температуру до миллиона градусов.
Для лазерной сварки обычно используются следующие типы лазеров: твердотельные и газовые — с продольной или поперечной прокачкой газа, газодинамические. Твердотельными лазерами в связи с их небольшой мощностью свариваются только мелкие детали небольшой толщины, обычно объекты микроэлектроники. Например, привариваются тончайшие выводы из проволок диаметром 0,01-0,1 мм, изготовленные из тантала, золота, нихрома. Возможна точечная сварка изделий из фольги с диаметром точки 0,5-0,9 мм. Лазерной сваркой выполняется герметичный шов катодов кинескопов современных телевизоров.
Более мощными являются газовые лазеры, в которых в качестве активного тела используют смесь газов, обычно СО2 + N2 + не. Газ из баллонов прокачивается насосом через газоразрядную трубку. Для энергетического возбуждения газа используется электрический разряд между электродами. По торцам газоразрядной трубки расположены зеркала. Электроды подключены к источнику питания. Лазер охлаждается водяной системой. Недостатком лазеров с поздовжн последним прокачкой газа являются их большие габаритные размеры. Более компактны лазеры с поперечной прокачкой газа. Они позволяют достичь общей мощности 20 кВт и больше, что дает возможность сваривать металлы толщиной до 20 мм с достаточно высокой скоростью около 60 м / ч.
Наиболее мощными являются газодинамические лазеры. Для работы используются газы, нагретые до температуры 1000-3000 К. Газ истекает со сверхзвуковой скоростью через сопло Лаваля, в результате чего происходит его адіабатичне расширения и охлаждение в зоне резонатора. При охлаждении возбужденных молекул углекислого газа происходит переход их на более низкий энергетический уровень с испусканием когерентного излучения.
+Лазерную сварку производят на воздухе или в среде защитных газов: аргона, углекислого газа. Вакуум, как при электронно-лучевой сварки, здесь не нужен, поэтому лазерным лучом можно сваривать крупногабаритные конструкции. Лазерный луч легко управляется и регулируется, с помощью зеркальных оптических систем легко транспортируется и направляется в труднодоступные для других способов места. В отличие от электронного луча и электрической дуги на него не влияют магнитные поля, что обеспечивает стабильное формирование шва. Через высокую концентрацию энергии (в пятне диаметром 0,1 мм и менее) в процессе лазерной сварки объем сварочной ванны слабый, малая ширина зоны термического влияния, высокие скорости нагрева и охлаждения. Это обеспечивает высокую технологическую прочность сварных соединений, небольшие деформации сварных конструкций. Например, лазерная сварка вилки с карданным валом автомобиля по сравнению с дуговой сваркой увеличивает срок службы карданной передачи в три раза, потому что более чем вдвое уменьшается площадь сечения сварного шва, в несколько раз-время сварки. Деформации вилки, вызывающих преждевременный износ, практически отсутствуют.
Основные энергетические характеристики процесса лазерного сварки — это плотность мощности лазерного излучения и продолжительность его действия. При непрерывном излучении определяется продолжительностью времени экспонирования, а при импульсном — длительностью импульса. Скорость лазерной сварки непрерывным излучением в несколько раз превышающей скорость традиционных способов сварки.