Лазерне зварювання

ЛА́ЗЕРНЕ ЗВА́РЮВАННЯ – один із видів зварювання плав­ленням, при якому джерелом тепла для розплавлення частин з’єднання є енергія світлового променя, одержана від оптичного квантового генератора – лазера. Завдяки своїм унікал. можливостям процеси з’єднан­ня матеріалів лазерним випромінюванням отримали досить широке впровадження в різних галузях промисловості. На відміну від традиц. технологій зварювання, за його допомогою можливе отримання глибоких і вузьких зварюв. швів; з’єднання різнорід. матеріалів, малих і тонких заготовок; створення мін. зон терміч. впливу в матеріалах, що зварюються; досягнення високої металург. якості швів; проведення зварюв. процесів з високою швидкістю. Порівняно з найближчим аналогом процесу – електронно-променевим зварюванням – реалізація Л. з. не потребує для свого виконан­ня умов вакуум. камери. Існують 2 принцип. механізми Л. з.: розплавленням матеріалу за рахунок теплопровідності (con­duction welding); зварювання з глибоким проплавленням (key­hole welding). Перший механізм використовують для з’єднан­ня матеріалів незнач. товщини. При цьому зона терміч. впливу є досить великою (ванна розплаву дуже широка, але мілка). Такий механізм реалізується з малою густиною потужності ви­промінювання. Другий механізм відбувається в умовах оброблен­ня випромінюванням великої потужності, достатньої для фор­мування початк. отвору (keyhole), через який тепл. енергія швидко передається вглиб матеріалу, а вже розплавлений матеріал поширюється далі в напрямку переміщення випромінювання. Таким чином збільшується глибина та локалізується процес розплавлення матеріалу. Порів­няно з першим механізмом відношення глибини до ширини ванни розплаву (важлива складова характеристики процесу для оцінювання ефективності зварювання) збільшується в 3–5 разів. Цей процес застосовують для зварювання виробів знач. товщини. Ефективність процесу з’єднування матеріалів остан. часом підвищується застосуванням т. зв. гібрид., або комбінов. зварювання. Для цього в якості додатк. джерела енергії використовують електричну дугу або плазм. струмінь. Відповідно в англомов. спец. літературі процес також відомий як electric arc augmented laser welding та laser-plasma hybrid welding. Така комбінація дозволяє поліпшити якість зварювання та змен­шити вартість вживаної енергії (вартість енергії лазер. випромінювання вища, ніж вартість елек­трич. енергії). Розміри зва­рюв. ванни залежать від кількості енергії, необхідної для нагрівання матеріалу, тривалості та інтенсивності дії лазер. променя (енергії або густини потужності), властивостей матеріалів, що обробляються. Серед властивостей матеріалу найваж­ливішою є теплопровідність. Для міді з високою теплопровідністю глибина та ширина ванни розплаву є більшими, ніж для нікелю або молібдену, що мають менші значення теплопровідності. Завдяки високій швидкості та якості зварювання цей процес широко використовують для з’єд­нання тонких лист. матеріалів. Особливого поширення ця технологія набула в автомобілебудуванні. Висока ефективність продемонстрована для з’єднання деталей склад. простор. форми в технології виготовлення кузовів легк. автомобілів. Нині низка провід. автобуд. фірм використовують Л. з. для виготовлення кузовів легковиків з алюмінію та алюмінієвих сплавів, що раніше було неможливо здійснити традиц. методами зварювання. Це дало можливість не тільки запобігти корозії, типової для експлуатації таких виробів, але й дозволило значно зменшити масу автомобіля, що, в свою чер­гу, також призвело до знач. заощадження палива. Вагомі результати досягнуті у з’єднанні таким чином деталей з кераміки та композит. матеріалів. Так, високу ефективність Л. з. продемонстровано для приєднання ріжучих сегментів з діамант. композитів до сталевих диск. пил для оброблення каміння без водяного охолодження. Крім того, впровадження цього процесу з’єднання дає можливість значно економити срібла, що традиційно використовують для паяння таких сегментів. Л. з. є гнучкою технологією для з’єд­нування виробів з пластмас. Його можливості залежать від оптич. властивостей матеріалу. Загалом пластмаси добре абсорбують лазерне випромінювання, особливо з довжиною хвилі в інфрачервоному діапазоні. Для підвищення ефективності поглинання використовують на­несення спец. фарб, введення в пластмасу спец. добавок та ін. Із поширенням тенденцій до мініатюризації виробів постійно зростає потреба у прециз. зварюванні делікат. деталей електрон. промисловості, мед. техніки тощо. Л. з. дозволяє виконати такі операції на мікро- та нанорівнях. Один з прикладів – з’єднання мікродроту діаметром 1–2 мкм з тонкою металевою плівкою мікродеталей електрон. приладу. Серед важливих напрямів Л. з. – наплавлення та нанесення покриттів. Наплавлення розглядають як засіб поліпшення експлуатац. якостей поверхонь деталей, а також як ефективну технологію відновлення зношених деталей та інструменту. Крім того, воно є одним із гол. процесів реалізації технології вирощування виробів (rapid prototyping, selec­tive laser sintering, 3D compo­nents manufacturing, free form fabri­ca­tion тощо).

Літ.: Гаращук В. П. Лазерная сварка тугоплавких металлов // АС. 1969. № 2; W. M. Steen. Arc augmented laser processing of material // J. of Appl. Phys. 1980. Vol. 11; V. Kovalenko. Laser treat­ment of materials: Possibilities and pros­pects // Powder Metallurgy and Metal Ceramics. 1993. Vol. 32, № 5; Його ж. Лазерный синтез 3-мерных объектов машиностроения // Информатизация и высокие технологии. 1996. № 4; I. Kriv­tsun, V. Kovalenko. Combined laser-arc methods of material machining. Part 2 // Transactions of the National Technical University of Ukraine. 2001. № 6; W. W. Du­ley. Fundamental Problems in Laser Wel­ding // Proc. of the «LTWMP–2003»; V. Ko­valenko, L. Golovko, J. Meijer, M. Any­akin. New developments in laser Sintering of diamond cutting disks // Annals of the CIRP. 2007. № 55(1); J. Yao, Q. Zhang, M. Anyakin. Modeling of laser cladding with Diode laser Robotized System // International J. «Surface Engineering and Electrochemistry». 2010. Vol. 46, № 3; L. Li, M. Hong, M. Schmidt, M. Zhong, A. Malshe, B. H. Veld, V. Kovalenko. Laser Nano Manufacturing: State of the Art and Challenges // The CIRP Annals, Manufacturing Technologies. 2011.

В. С. Коваленко

Рекомендована література

1. Гаращук В. П. Лазерная сварка тугоплавких металлов // АС. 1969. № 2;
   Google Scholar Internet
2. W. M. Steen. Arc augmented laser processing of material // J. of Appl. Phys. 1980. Vol. 11;
   Google Scholar Internet
3. V. Kovalenko. Laser treat­ment of materials: Possibilities and pros­pects // Powder Metallurgy and Metal Ceramics. 1993. Vol. 32, № 5;
   Google Scholar Internet
4. Його ж. Лазерный синтез 3-мерных объектов машиностроения // Информатизация и высокие технологии. 1996. № 4;
   Google Scholar Internet
5. I. Kriv­tsun, V. Kovalenko. Combined laser-arc methods of material machining. Part 2 // Transactions of the National Technical University of Ukraine. 2001. № 6;
   Google Scholar Internet
6. W. W. Du­ley. Fundamental Problems in Laser Wel­ding // Proc. of the «LTWMP–2003»; V. Ko­valenko, L. Golovko, J. Meijer, M. Any­akin. New developments in laser Sintering of diamond cutting disks // Annals of the CIRP. 2007. № 55(1); J. Yao, Q. Zhang, M. Anyakin. Modeling of laser cladding with Diode laser Robotized System // International J. «Surface Engineering and Electrochemistry». 2010. Vol. 46, № 3;
   Google Scholar Internet
7. L. Li, M. Hong, M. Schmidt, M. Zhong, A. Malshe, B. H. Veld, V. Kovalenko. Laser Nano Manufacturing: State of the Art and Challenges // The CIRP Annals, Manufacturing Technologies. 2011.
   Google Scholar Internet

завантажити статтю