Лазерная сварка и термообработка

Категория:
Технология миниатюрных изделий


Лазерная сварка и термообработка

Лазерная сварка. Легко поддаются сварке световым лучом такие металлы, как алюминий и его сплавы, медь и ее сплавы, сталь с высоким содержанием серы и других примесей. При этом в отличие от сварки другими методами не образуются трещины в шве. Поддаются сварке высоколегированные, нержавеющие и дисперсионно-твердеющие стали.

Сварка с использованием лазера является одним из немногих способов соединения таких тугоплавких металлов, как вольфрам, молибден, ниобий и др. Причем сварку производят в атмосфере, без применения специальной защиты. Весьма плохо поддаются сварке металлы с высоким содержанием селена. Вследствие того, что зона термического воздействия при сварке лазером мала, можно осуществлять сварку элементов с вмонтированными в них или расположенными в непосредственной близости изделий из •стекла, керамики, технических камней и других материалов. Лучом лазера также производится сварка проводов с эмалевой изоляцией.

Локальность сварки лазерным лучом используют для сварки закаленных изделий без опасности значительного снижения твердости в окрестности места сварки. Так, например, при сварке изделия, имеющего твердость после термообработки HRC 59, снижение твердости до HRC 47 наблюдалось на расстоянии 0,25 мм от шва. При электронно-лучевой и аргонно-дуговой сварке поле снижения твердости гораздо более широкое, а степень снижения твердости более резкая. На рис. 1 показаны типы соединений, свариваемых лазерным лучом. При этом сваривают как прямолинейные, так и кольцевые швы. Толщина свариваемых соединений ограничивается мощностью излучения лазера.

Рис. 1. Типы соединений, полученных лазерной сваркой

Для лазерной сварки используют установки К-ЗМ, УЛ-2М,. УЛ-20М и др. В связи с тем, что длительность импульса составляет весьма малую величину (0,001—0,003 с), возможны два способа сварки:
а) свариваемое изделие перемещают с такой скоростью, чтобы весь свариваемый шов образовался за один импульс;
б) свариваемый шов получают за серию импульсов, причем; отдельные сварные участки перекрывают друг друга. Последний способ используют чаще. Большинство современных сварочных, лазеров обеспечивают до десятка импульсов в секунду. Количество тепловой энергии, вводимое в свариваемые элементы, весьма мало и нагрев их в процессе сварки незначителен. Например, сварка лучом лазера по торцам концентрических трубок чувствительного элемента не нарушила изоляции проволоки, навитой вокруг внутренней трубки.

Для получения длинного сварного шва за один импульс обычно* свариваемые изделия перемещают с определенной скоростью относительно неподвижной головки. При этом луч фокусируют с высокой точностью, и пятно имеет малые размеры. Перемещение изделий должно осуществляться также с большой точностью. Если толщина свариваемых элементов сравнительно велика (более 0,25 мм), необходимая точность перемещений элементов может быть снижена за счет расфокусировки луча. Однако в этом случае-уменьшается глубина провара. Элементы с малой толщиной (0,025—0,15 мм) сваривают остро сфокусированным лучом, поэтому они должны перемещаться с высокой точностью и достаточной скоростью. Свариваемые поверхности предварительно подвергают-тщательной очистке. Это связано с тем, что длительность существования ванны расплавленного металла весьма мала и посторонние включения не успевают испаряться из сварочной ванны.

Определенные трудности при сварке металлов непрерывным лазерным лучом возникают вследствие их высокой отражательной способности, что приводит к значительным потерям мощности. Для их снижения на поверхность наносят специальные покрытия или загрубляют свариваемые поверхности.

Более эффективно мощность излучения лазера используется при сварке в импульсном режиме. Для получения непрерывного шва сварка ведется с перекрытием точек. При сварке внахлестку полупрозрачных листовых материалов разогрев поверхностей производится сфокусированным лучом, точка фокуса которого лежит на линии контакта поверхностей. Луч, проникающий сквозь материал, попадает на собирательное сферическое зеркало, находящееся за свариваемыми материалами. Центр зеркала совпадает с линией контакта свариваемых поверхностей. Отраженный от сферического зеркала луч дополнительно нагревает свариваемые материалы по линии сварки.

Непосредственно за точкой фокуса прямого и отраженного лучей находятся ролики, которые уплотняют сварной шов. Лазеры, работающие в импульсном режиме, широко применяют для приварки проволочек малых диаметров (0,03—0,05 мм) к тонким лентам и пленкам (0,02—0,05) мм, нанесенным на подложки. При этом для получения качественных соединений необходимо найти оптимальное сочетание размеров свариваемых элементов. Если размеры их слишком отличаются, то используемая энергия расплавит тонкий элемент и прочность соединения не будет обеспечена. Обычно сваривают проволочки малых диаметров и фольгу. В случае необходимости получения плотных герметичных соединений следует учитывать металлургическую совместимость свариваемых материалов, так как неправильный выбор их приводит к получению пористого и некачественного соединения.

Наиболее ценным свойством лазерного луча является возможность производить сварку через прозрачные разделительные стенки, например, стекло. Фокусируя луч внутрь стеклянной колбы, из которой откачен воздух, можно производить сварку элементов, не нарушая ее герметичности и целостности. Можно также производить сварку, когда внутри прозрачного сосуда большое избыточное давление.

Лазер используют при производстве небольших газонаполненных баллонов. Сначала в головке баллона прошивается отверстие (диаметром около 0,1 мм), через которое производится заполнение сжатым газом. Затем отверстие лазерным лучом заваривается, чем обеспечивается герметичность баллона. Весьма эффективным является применение лазера с непрерывным излучением для сварки пластмасс. Процесс соединения характеризуется высокой скоростью. Так, например, при сварке полиэтиленовой пленки толщиной 0,125 мм при мощности лазера 500 Вт скорость сварки достигает 40—48 м/с.

Рис. 2. Схема локальной лазерной закалки

Недостатком лазерного метода сварки является зависимость требуемой мощности от состояния поверхности свариваемых изделий и малая глубина провара.

Лазерное микролегирование и термообработка. Весьма перспективным является осуществление локального микролегирования с помощью луча лазера. Процесс микролегирования сводится к следующему. В вакууме или в защитной среде в зону действия луча помещают изделия, на поверхности которых необходимо-осуществить микролегирование. Под воздействием луча расплавляется небольшой объем металла изделия и легирующая присадка. В результате смешивания расплавленного металла и присадки образуется микрованна и происходит легирование локального участка поверхности изделия.

Помимо микролегирования лучом лазера производят локальную микрозакалку рабочих частей, деталей и инструмента: пуансонов, сверл, разверток, игл, цапф осей и т. д. Процесс закалки сводится к дозированному нагреву участка изделия, подвергаемого закалке, до необходимой температуры и последующему охлаждению жидкостью или струей газа. В зависимости от расположения фокального пятна фокусирующей линзы относительно нагреваемой поверхности можно осуществить поверхностную закалку или закалку на всю толщину изделия. На рис. 94 приведена схема закалки цапфы изделия. Изделие 1 пинцетом укладывают в приспособление, ориентируют относительно фокального пятна или луча лазера и закрепляют прижимом. При подаче импульса световой энергии на поверхность цапфы происходит ее местный разогрев. Охлаждающую жидкость или газ подают в зону нагрева через сопло. Ориентирование изделия и наблюдение за процессом закалки ведут через оптическую систему. В связи с кратковременностью нагрева изделия и быстротечностью процессов окисление поверхности незначительное, а для его полного исключения закалку ведут в защитной среде или в вакууме.

Техника безопасности при работе на лазерных установках. При работе на лазерных установках значительное внимание должно быть уделено вопросам техники безопасности. Наибольшую опасность представляет поражение излучением участков тела и особенно глаз. Следует иметь в виду, что излучение с некоторыми спектрами волн является невидимым невооруженным глазом, что особенно опасно. Для предотвращения поражения таким излучением лазер следует оградить кожухом из материала, отражающего или поглощающего инфракрасное излучение.

Для предохранения зрения от воздействия отраженных лучей .лазера принципиально возможны способы, основанные на использовании фототропных веществ, свечей Керра и цветных стекол. Наибольшее распространение получил последний способ. Так, для защиты зрения от излучения с длиной волн в диапазоне 0,694— 1,5 мкм служат сине-зеленые поглощающие светофильтры из стекла СЗС-2 толщиной 3 мм. Очки с использованием этих стекол обеспечивают достаточно хорошую видимость. Для защиты лица от -брызг расплавленного материала необходимо применение щитков из органического стекла и других прозрачных пластмасс.

Определенную опасность представляют токсические пары и газы, образующиеся при обработке лазерным лучом. Для полного исключения влияния световых и других эффектов, возникающих при лазерной обработке, наблюдение за процессами целесообразно осуществлять с помощью телевизионных установок.


Читать далее:



Статьи по теме:


Реклама:




Главная → Справочник → Статьи → БлогФорум