Лазерне зварювання

Визначення і загальна характеристика

ЛА́ЗЕРНЕ ЗВА́РЮВА­Н­НЯ — один із видів зварюва­н­ня плав­ле­н­ням, при якому джерелом тепла для роз­плавле­н­ня частин зʼ­єд­на­н­ня є енергія світлового променя, одержана від оптичного квантового генератора — лазера. Завдяки своїм унікал. можливостям процеси зʼ­єд­нан­ня 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; зʼ­єд­на­н­ня 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 зʼ­єд­нан­ня 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 зʼ­єд­нува­н­ня 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 зʼєд­на­н­ня тонких лист. матеріалів. Особливого пошире­н­ня ця технологія набула в автомобілебудуван­ні. Висока ефективність продемонстрована для зʼ­єд­на­н­ня 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 зʼ­єд­нан­ні 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 зʼ­єд­на­н­ня дає можливість значно економити срібла, що традиційно використовують для пая­н­ня таких сегментів. Л. з. є гнучкою технологією для зʼєд­нува­н­ня 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 — зʼ­єд­на­н­ня 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

Завантажити статтю