eng
Содержание
Содержание
Предисловие редактора перевода 20
Часть I. Основные принципы технологии лазерной сварки и ее развитие 22
Глава 1. Введение: Основы лазерной сварки 22
1.1.
Характеристики лазерной сварки 22
1.2.
Лазеры для сварки 24
1.3.
Эффекты, возникающие при лазерной сварке 27
1.4.
Глубина проплавления и дефекты сварки 33
1.5.
Эволюция лазерной сварки 34
1.6.
Справочная литература 37
Глава 2. Развитие СО2-лазерной сварки 38
2.1.
Введение 38
2.2.
Принцип работы и типы лазеров 39
2.3.
Характеристики пучков СО2-лазера 42
2.4.
Взаимодействие лазера с материалами 44
2.4.1.
Поглощение лазерной энергии поверхностью материалов 44
2.4.2.
Поглощение лазерной энергии в лазерно-индуцированной
плазме 45
2.5.
Процесс сварки и образование дефектов 55
2.5.1.
Баланс давлений на стенки парогазового канала 55
2.5.2.
Формирование дефектов в местах неполного проплавления
при лазерной сварке СО2 56
2.5.3.
Дефектообразование при CO2-лазерной сварке с полным
проплавлением в один проход 59
2.6.
Промышленное применение СО2-лазерной сварки 63
2.6.1.
Автомобильная промышленность 63
2.6.2.
Авиационная промышленность 64
2.6.3.
Судостроение 64
2.6.4.
Металлургия 66
2.6.5.
Другие применения 66
2.7.
Дальнейшие перспективы 68
2.8.
Благодарность 68
2.9.
Литература 68
Глава 3. Лазерная сварка Nd:YAG-лазером 71
3.1.
Введение 71
3.2.
Основы лазерной сварки в режиме образования канала
проплавления 73
3.2.1.
Основные геометрические характеристики канала: наклон
стенок и глубина 73
3.2.2.
Образование брызг 78
3.2.3.
Стабилизация открытого канала с помощью боковой газовой
струи 81
3.2.4.
Поведение плазменного факела 83
3.2.5.
Сварка в условиях вакуума 86
3.3.
Примеры поведения канала проплавления и сварочной ванны при
различных скоростных режимах сварки 87
3.3.1.
Скорость сварки ниже 5 м/мин: режим Розенталь (Rosenthal) 88
3.3.2.
Скорость сварки 6—8 м/мин: режим одиночной волны 88
3.3.3.
Скорость сварки 9—11 м/мин: режим удлиненного канала
проплавления 90
3.3.4.
Скорость сварки 12—19 м/мин: предвыпуклый режим 90
3.3.5.
Скорость сварки свыше 20 м/мин: режим горба 91
3.3.6.
Анализ порогов перехода между различными режимами 92
3.4.
Выводы и дальнейшие перспективы 94
3.5.
Литература 96
3.6
Дополнение: список символов 99
Глава 4. Разработки в области сварки дисковым лазером 100
4.1.
Введение: основные принципы работы дисковых лазеров 100
4.2.
Технологические тенденции и разработки 105
4.3.
Применения 106
4.3.1.
Лазерная технология как часть развивающейся технологии
электромобилей 106
4.3.2.
Лазерная сварка листового металла 109
4.3.3.
Порошковая лазерная наплавка 114
4.3.4.
Сканирующая лазерная сварка 116
4.3.5.
Применение лазеров в производстве силовых передач 123
4.3.6.
Гибридная лазерная сварка с высокой мощностью лазера 127
4.4.
Перспективы развития 131
4.5.
Литература 131
Глава 5. Технология лазерной сварки в импульсном и непрерывном режиме
работы лазера 133
5.1.
Введение 133
5.2.
Основы лазерной сварки 135
5.2.1.
Транспортные явления в металле 136
5.2.2.
Явления переноса в лазерно-индуцированной плазме 138
5.2.3.
Лазерно-индуцированное давление отдачи и образование
канала 138
5.2.4.
Взаимодействие лазерного излучения с плазмой
и многократное отражение лазерного луча в канале
проплавления 141
5.2.5.
Теплопередача излучением в лазерно-индуцированной плазме 144
5.2.6.
Отслеживание свободных поверхностей 145
5.2.7.
Динамика потока расплава и сварочной ванны 145
5.2.8.
Разрушение канала проплавления и формирование
пористости 148
5.3.
Новые разработки в области лазерной сварки 150
5.3.1.
Гибридная лазерно-дуговая сварка 150
5.3.2.
Многолучевая лазерная сварка 154
5.3.3.
Импульсный контроль в лазерной сварке для предотвращения
пористости 157
5.3.4.
Лазерная сварка с помощью электромагнитной силы 159
5.4.
Будущие тенденции 162
5.5.
Литература 164
Глава 6. Лазерная сварка в режиме проводимости 170
6.1.
Введение: сравнение лазерной сварки в режиме образования
канала и в режиме проводимости 170
6.2.
Переход между двумя режимами 173
6.3.
Лазерная сварка в режиме проводимости 179
6.4.
Применение лазерной сварки в режиме проводимости 184
6.5.
Литература 189
Глава 7. Разработки в технологии лазерной микросварки 195
7.1.
Введение 195
7.2.
Выбор источника лазерного излучения для микросварки 197
7.2.1.
Качество пучка 198
7.2.2.
Устройство лазера 199
7.2.3.
Доставка пучка 207
7.2.4.
Профили пучка 212
7.2.5.
Сравнение Nd:YAG-лазера и волоконного лазера 215
7.3.
Процесс лазерной микросварки 215
7.3.1.
Режимы сварки 215
7.3.2.
Сварные швы 220
7.3.3.
Материалы 221
7.3.4.
Микросварка разнородных материалов 226
7.3.5.
Плакирование и покрытие 229
7.4.
Дефекты и оценка микросварных соединений 230
7.4.1.
Дефекты сварки 230
7.4.2.
Оценка сварных швов 235
7.5.
Применение лазерной микросварки 238
7.5.1.
Примеры использования лазерной микросварки 238
7.6.
Выводы и будущие тенденции 245
7.7.
Литература 246
Часть II. Лазерные технологии сварки различных материалов 249
Глава 8. Лазерная сварка сплавов легких металлов: алюминиевые
и титановые сплавы 249
8.1.
Введение в лазерную сварку алюминиевых сплавов 249
8.2.
Методы лазерной сварки для алюминиевых сплавов 252
8.3.
Микроструктура, дефекты, механические свойства
и коррозионные свойства алюминиевых сплавов 262
8.3.1.
Микроструктура 262
8.3.2.
Дефекты 264
8.3.3.
Механические свойства 265
8.3.4.
Коррозия 266
5.3.3.
Импульсный контроль в лазерной сварке для предотвращения
пористости 157
5.3.4.
Лазерная сварка с помощью электромагнитной силы 159
5.4.
Будущие тенденции 162
5.5.
Литература 164
Глава 6. Лазерная сварка в режиме проводимости 170
6.1.
Введение: сравнение лазерной сварки в режиме образования
канала и в режиме проводимости 170
6.2.
Переход между двумя режимами 173
6.3.
Лазерная сварка в режиме проводимости 179
6.4.
Применение лазерной сварки в режиме проводимости 184
6.5.
Литература 189
Глава 7. Разработки в технологии лазерной микросварки 195
7.1.
Введение 195
7.2.
Выбор источника лазерного излучения для микросварки 197
7.2.1.
Качество пучка 198
7.2.2.
Устройство лазера 199
7.2.3.
Доставка пучка 207
7.2.4.
Профили пучка 212
7.2.5.
Сравнение Nd:YAG-лазера и волоконного лазера 215
7.3.
Процесс лазерной микросварки 215
7.3.1.
Режимы сварки 215
7.3.2.
Сварные швы 220
7.3.3.
Материалы 221
7.3.4.
Микросварка разнородных материалов 226
7.3.5.
Плакирование и покрытие 229
7.4.
Дефекты и оценка микросварных соединений 230
7.4.1.
Дефекты сварки 230
7.4.2.
Оценка сварных швов 235
7.5.
Применение лазерной микросварки 238
7.5.1.
Примеры использования лазерной микросварки 238
7.6.
Выводы и будущие тенденции 245
7.7.
Литература 246
Часть II. Лазерные технологии сварки различных материалов 249
Глава 8. Лазерная сварка сплавов легких металлов: алюминиевые
и титановые сплавы 249
8.1.
Введение в лазерную сварку алюминиевых сплавов 249
8.2.
Методы лазерной сварки для алюминиевых сплавов 252
8.3.
Микроструктура, дефекты, механические свойства
и коррозионные свойства алюминиевых сплавов 262
8.3.1.
Микроструктура 262
8.3.2.
Дефекты 264
8.3.3.
Механические свойства 265
8.3.4.
Коррозия 266
8.4.
Введение в лазерную сварку титановых сплавов 268
8.5.
Методы лазерной сварки титановых сплавов 270
8.6.
Микроструктура, дефекты, механические свойства
и коррозионное поведение сварных швов титана 276
8.6.1.
Микроструктура 276
8.6.2.
Дефекты 279
8.6.3.
Механические свойства 282
8.6.4.
Коррозия 286
8.7.
Литература 287
Глава 9. Лазерная сварка и пайка разнородных материалов 295
9.1.
Введение 295
9.2.
Особые проблемы соединения разнородных материалов 297
9.3.
Процессы лазерных соединений и их применения 299
9.3.1.
Общие соображения 299
9.3.2.
Лазерная пайка и лазерная сварка 300
9.3.3.
Комбинированные методы и методы для специальных целей,
использующие лазеры 303
9.3.4.
Потенциальные области применения 307
9.4.
Формирование и свойства разнородных соединений 309
9.4.1.
Формирование соединений и слой интерметаллической фазы 309
9.4.2.
Механические свойства и характеристики формообразования 313
9.5.
Дальнейшие перспективы 317
9.6.
Литература 318
Глава 10. Лазерная сварка пластмасс 322
10.1.
Введение 322
10.2.
История 323
10.3.
Теория сварки пластмасс 323
10.3.1.
Пластмассовые материалы и тепловые эффекты 323
10.3.2.
Получение сегмента соединения: диффузия путем рептации 325
10.4.
Влияние основных параметров сварки 327
10.5.
Моделирование сварки пластмасс 327
10.6.
Введение в процессы сварки пластмасс 329
10.6.1.
Методы, в которых тепло создается механическим
движением 330
10.6.2.
Методы, использующие механические источники тепловой
энергии 330
10.6.3.
Методы, непосредственно использующие электромагнетизм 331
10.7.
Сочетания полимеров, которые можно сваривать 331
10.8.
Лазерная сварка пластмасс: описание процесса 333
10.8.1.
Введение 333
10.8.2.
Оборудование и его варианты 334
10.8.3.
Лазеры, используемые для трансмиссионной сварки 335
10.8.4.
Оборудование манипуляционных систем 336
10.8.5.
Системы зажима 338
10.8.6.
Методы контроля и управления 339
10.9.
Параметры сварки 341
10.10.
Преимущества и недостатки трансмиссионной лазерной сварки 342
10.10.1.
Преимущества 342
10.10.2.
Недостатки 342
10.11.
Области применения 343
10.12.
Литература 343
Глава 11. Лазерная сварка стекла 345
11.1.
Введение 345
11.2.
Основные характеристики сварки стекла 346
11.3.
Сварка стекла лазерами в непрерывном режиме (CW) 348
11.3.1.
Основы лазерной сварки в непрерывном режиме 348
11.3.2.
Области применения сварки стекла CO2-лазером 352
11.4.
Сварка стекла ультракороткими лазерными импульсами (USPL-
лазеры) 360
11.4.1.
Основы сварки стекла USPL 360
11.4.2.
Сварка стеклянных пластин внахлест 367
11.5.
Заключение и перспективы развития 373
11.6.
Литература 375
Глава 12. Механизмы образования дефектов в лазерной сварке и методы
их устранения 378
12.1.
Введение 378
12.2.
Терминология, характеристики, причины и превентивные меры
в отношении дефектов, возникающих при лазерной сварке 379
12.2.1.
Геометрические или видимые дефекты 379
12.2.2.
Внутренние или невидимые дефекты 388
12.2.3.
Дефекты качества или свойств 396
12.3.
Механизм формирования пористости и превентивные меры ее
устранения 399
12.3.1.
Рентгеновское просвечивание: оборудование для
наблюдения образования пузырьков и пористости в режиме
пропускания 399
12.3.2.
Механизм формирования пористости и превентивные меры
ее устранения при точечной сварке лазером 399
12.3.3.
Механизм формирования пористости и превентивные меры
ее устранения во время лазерной сварки валиковым швом
в непрерывном режиме 403
12.3.4.
Механизм формирования пористости и превентивные
меры ее устранения во время лазерной сварки материалов
с повышенной чувствительностью к пористости 408
12.4.
Механизмы образования горячего растрескивания
и превентивные меры его устранения: усадочное растрескивание
и ликвационные трещины 413
12.5.
Литература 419
Глава 13. Остаточные напряжения и деформации при лазерной сварке 424
13.1.
Введение 424
13.2.
Причины остаточных напряжений и деформаций 426
13.2.1.
Несоответствия и врожденные деформации 426
13.2.2.
Внутренние напряжения и деформации тонкой пластины 429
13.2.3.
Внутренние напряжения и внутренние силы в тонкой
пластине 429
13.3.
Механизм образования продольной и поперечной усадки
в сварных соединениях 430
13.3.1.
Внутренние напряжения в модели из трех брусков,
подвергшихся тепловому циклу 430
13.3.2.
Деформации при сварке в продольном и поперечном
направлениях 433
13.4.
Факторы, влияющие на возникающие при сварке деформации
и остаточные напряжения 435
13.4.1.
Поперечная усадка и угловая деформация 436
13.4.2.
Продольная усадка 438
13.4.3.
Коробление, вызванное сваркой 440
13.5.
Деформации и остаточные напряжения, создаваемые процессом
сварки 442
13.5.1.
Появляющаяся при сварке деформация и ее контроль 442
13.5.2.
Остаточные напряжения 444
13.5.3.
Прогнозы на основе моделирования 446
13.5.4.
Лазерное формирование объемных деталей 447
13.5.5.
Проблемы, которые предстоит решить 448
13.6.
Список литературы 449
Часть III. Разработка новых лазерных технологий 451
Глава 14. Применение робототехники в лазерной сварке 451
14.1.
Введение: ключевые проблемы роботизированной лазерной
сварки 451
14.2.
Топология соединений 454
14.3.
Системы координат и переходы между ними 455
14.4.
Калибровка инструмента 457
14.4.1.
Калибровка лазерного инструмента 459
14.4.2.
Комбинированная калибровка 462
14.5.
Обучение отслеживанию шва 465
14.6.
Управление, основанное на траектории 466
14.7.
Выводы 471
14.8.
Литература 473
Глава 15. Разработка методов сканирования лучом (дистанционно)
и интеллектуальная обработка луча 475
15.1.
Введение 475
15.2.
Перемещение пучка над рабочей заготовкой 477
15.3.
Формирование пучка 481
15.4.
Тенденции развития 484
15.5.
Литература 486
Глава 16. Развитие технологии тандемной двухлучевой лазерной сварки 487
16.1.
Введение 487
16.2.
Численные методы исследования текучести расплавленного
металла при двухлучевом облучении 488
16.3.
Методика двухлучевой лазерной технологии 490
16.4.
Применение двойного лазерного пучка 492
16.4.1.
Сварка 492
16.4.2.
Сварка разнородных материалов 501
16.4.3.
Модификация поверхности 505
16.4.4.
Резка 508
16.5.
Заключение 512
16.6.
Литература 512
Глава 17. Развитие технологии многопроходной лазерной сварки
с присадочной проволокой 514
17.1.
Введение 514
17.2.
Принцип многопроходной сварки с присадочной проволокой 515
17.3.
Развитие технологии 517
17.3.1.
Сварочные системы 517
17.3.2.
Параметры сварки 519
17.3.3.
Примеры использования 522
17.4.
Тенденции будущего: дальнейшее повышение эффективности
сварки 527
17.4.1.
Сравнение традиционной сварки и сварки
со вспомогательной газовой струей 528
17.4.2.
Сварка I-стыкового соединения пластин толщиной 40 мм без
присадочной проволоки 530
17.4.3.
Сварка I-стыкового соединения пластин толщиной 50 мм
с присадочной проволокой 532
17.5.
Литература 532
Глава 18. Развитие гибридных и комбинированных технологий лазерной
сварки 534
18.1.
Введение 534
18.2.
Лазерная и дуговая гибридная сварка 537
18.2.1.
Принципы и современный уровень развития 537
18.2.2.
Физическая модель образования корня шва 541
18.2.3.
Современное техническое оборудование 544
18.2.4.
Сварка толстослойных пластин из высокопрочной стали 545
18.2.5.
Области применения 550
18.3.
Сочетание лазерной сварки и лазерной резки 550
18.3.1.
Многофункциональная обработка 550
18.3.2.
Лазерная комбинированная головка 552
18.3.3.
Значение использования лазера 554
18.3.4.
Варианты конструкций и их применение 555
18.3.5.
Прогнозы будущего развития 557
18.4.
Литература 561
Глава 19. Развитие гибридной технологии лазерно-дуговой сварки 564
19.1.
Введение 564
19.2.
Развитие технологии 565
19.3.
Примеры использования 570
19.4.
Вопросы качества 573
19.5.
Тенденции будущего 577
19.6.
Источники дополнительной информации и рекомендации 580
19.6.1.
Полезные ссылки 580
19.7.
Литература 581
Глава 20. Разработки в области создания моделей лазерной и гибридной
лазерной сварки и численного моделирования 583
20.1.
Введение: роль моделирования в лазерной сварке 583
20.2.
Ключевые вопросы моделирования процессов лазерной сварки 586
20.2.1.
Взаимодействие лазерного излучения с веществом 586
20.2.2.
Модель лазерного источника тепла 590
20.2.3.
Модель многократного отражения в канале проплавления 593
20.2.4.
Модель рассеяния в канале проплавления 597
20.2.5.
Динамика сварочной ванны при лазерной сварке 600
20.2.6.
Взаимодействие лазера и дуги 604
20.2.7.
Моделирование процесса дуговой сварки 606
20.2.8.
Динамика сварочной ванны при гибридной лазерной сварке 608
20.3.
Способы улучшения техники лазерной сварки и качества
элементов, соединенных лазерной сваркой 608
20.4.
Тенденции будущего 612
20.5.
Литература 613
Часть IV. Примеры промышленного применения лазерной сварки 616
Глава 21. Применения лазерной сварки в автомобильной промышленности 616
21.1.
Введение 616
21.2.
Производственные цели и задачи 617
21.2.1.
Цели 617
21.2.2.
Задачи 617
21.2.3.
Экономическая эффективность 618
21.3.
Применение лазера в кузовном цехе 619
21.3.1.
Лазерная сварка стали 620
21.3.2.
Лазерная сварка алюминия 624
21.4.
Проблемы качества 627
21.4.1.
Прочность 627
21.4.2.
Подготовка к работе 628
21.5.
Тенденции будущего 631
21.5.1.
Создание кузова автомобиля 632
21.5.2.
Мониторинг и контроль лазерного процесса 633
21.5.3.
Моделирование лазерных процессов 635
21.5.4.
Экологическая безопасность 636
21.6.
Литература 637
Глава 22. Применение лазерной сварки в железнодорожном машиностроении 638
22.1.
Введение: роль лазерной сварки в железнодорожном
машиностроении 638
22.2.
Технология лазерной сварки железнодорожных составов
из нержавеющей стали 639
22.2.1.
Влияние параметров лазерной сварки 641
22.2.2.
Особенности соединений при лазерной сварке
железнодорожных составов из нержавеющей стали 646
22.3.
Модель теплового источника для нахлесточной лазерной сварки
железнодорожных составов из нержавеющей стали 649
22.3.1.
Выбор шага сетки при моделироваании 649
22.3.2.
Граничные условия 650
22.3.3.
Выбор модели теплового источника 651
22.3.4.
Формы швов при различных параметрах сварки 652
22.4.
Контроль качества лазерной сварки транспортных средств
из нержавеющей стали 654
22.4.1.
Требования к качеству 655
22.4.2.
Ультразвуковая диагностика 656
22.5.
Тенденции будущего 656
22.6.
Литература и рекомендации 657
22.7.
Литература 659
Глава 23. Применение лазерной сварки в судостроительной промышленности 660
23.1.
Введение 660
23.2.
Апробация лазерной сварки в судостроении 661
23.2.1.
Самозакалка 663
23.2.2.
Эффекты смещения кромок сварного соединения 664
23.2.3.
Образование дефектов при затвердевании 664
23.2.4.
Механические свойства 665
23.2.5.
Общие рекомендации 668
23.3.
Промышленные примеры 669
23.3.1.
Meyer Werft, Германия 669
23.3.3.
Blohm + Voss, Германия 673
23.3.4.
STX Finland Cruise Oy, Турку, Финляндия 673
23.3.5.
Odense Steel Shipyard, Дания 674
23.4.
Тенденции будущего 675
23.5.
Выводы 675
23.6.
Литература 676
Предметный указатель 678
ЗАО «Региональный центр лазерных технологий» 697
ПРЕДИСЛОВИЕ
Более 50 лет прошло с тех пор, как при излучении импульсного рубинового лазера впервые был получен лазерный луч. С тех пор появилось много лазеров, в том числе разработанных специально для использования в индустрии — мощные СО2-лазеры, YAG-лазеры с волоконной доставкой излучения и коротковолновые эксимерные лазеры. В последнее время значительное внимание уделяется развитию высокоэффективных полупроводниковых лазеров, высококачественных дисковых лазеров и мощных, высоко яркостных и малогабаритных волоконных лазеров. Кроме того, с появлением новых приложений для лазерных инструментов стали разрабатываться твердотельные лазеры, излучающие на второй или третьей гармонике, так называемые зеленые или ультрафиолетовые лазеры, и ультракоротко импульсные лазеры, получившие название — фемтосекундные (фс) или наносекундные (нс). Соответственно, в настоящее время разработано множество различных технологических методов на основе лазерной обработки материалов, включая процессы удаления материала (резка и сверление), процессы соединения (сварка, высокотемпературная и низко температурная пайка), процессы обработки поверхности (упрочнение в результате
фазового превращения, плакирование и отжиг). Особенностью современных
индустриальных лазеров стала разработка периферической аппаратуры, кото-
рая становится неотъемлемой частью лазерного инструмента — это оправки, за-
жимные приспособления, системы мониторинга и фокусирующая оптика, они
позволяют включить лазеры в автоматические линии сварки, резки и бурения
с целью улучшения этих процессов. Таким образом, мы видим, что лазерная об-
работка по-прежнему остается важной технологией двадцать первого века.
Среди технологий, предназначенных для обработки материалов лазером,
особо выделяется лазерная сварка, включившая в себя последние достижения
в разработке лазерных устройств. Для ее правильного применения и использо-
вания требуется ясное понимание физических механизмов и явлений, сопрово-
ждающих лазерную сварку. Поэтому в книге рассмотрены разнообразные ла-
зерные или гибридные процессы сварки, сварка различных видов материалов,
книга включает в себя также описание металлургических, химических и меха-
нических аспектов сварки и обращена к студентам, инженерам, ученым и пре-
подавателям, занимающихся или интересующихся лазерной сваркой. Книга
разделена на четыре части: базовые основы технологии лазерной сварки, лазер-
ная сварка различных материалов, развитие технологии лазерной сварки и при-
менения лазерной сварки, охватывающие практически все вопросы лазерной
сварки.
Автор хотел бы выразить свою признательность за сотрудничество и вклад
всех авторов. Кроме того, автор хотел бы поблагодарить Ms Rachel Cox, Ms Anneka
ПредHess, Ms Laura Pugh и Ms Sarah Lynch из издательства Woodhead Publishing
Limited за их поддержку, помощь и тяжелую работу. Автор очень надеется на то,
что его книга станет важной и полезной для всех, кто интересуется лазерной
сваркой — от новичков до экспертов или специалистов — и то, что использова-
ние технологий лазерной сварки будет расширяться во всем мире.
С. Катаяма
Предисловие редактора перевода
Хорошие обзоры последних достижений лазерной сварки представлены в тру-
дах различных конференций и в ряде книг. Однако тем, кто лишь начина-
ет применять лазерную или тандемную лазерную сварку или рассматривает
возможность использовать на своем предприятии гибридную лазерную свар-
ку, зачастую довольно трудно составить цельное представление об основных
принципах и особенностях применения лазерных методов в сварке. Эта книга
позволяет преодолеть подобные трудности, давая основные принципы и приво-
дя практические значения рабочих параметров лазерной сварки.
Перед вами справочник по лазерной сварке, составленный под руковод-
ством Сейдзи Катаямы, генерального директора Исследовательского инсти-
тута соединений и сварки Университета Осаки (Япония) JWRI. Его работы
в свое время произвели революцию в лазерной сварке алюминия и в создании
металло-пластиковых соединений.
Существует немало превосходных учебников по сварке, эта книга — не учеб-
ник. Здесь подробно рассмотрены лишь те характеристики лазеров, которые
существенны для использования в сварке: диапазон длин волн излучения,
режимы генерации, форма импульса, параметр качества пучка, поляризация
излучения. Главы этой книги можно комбинировать различным образом для
использования в работе. Можно начинать с раздела II, посвященного конкрет-
ным технологиям, а затем для справки переходить к главам раздела I, где даны
базовые принципы физических процессов сварки и раскрыты причины появле-
ния дефектов, дано обоснование выбора лазера именно с такой длиной волны.
В разделе III можно почерпнуть информацию о методах численного моделиро-
вания процесса лазерной сварки. Там же описана процедура калибровки инстру-
ментов в роботизированной сварке. Не пропустите раздел IV, где представлены
конкретные значения рабочих параметров и условий сварки в промышленных
применениях, здесь много информации для сравнения результатов численного
моделирования с полученными на практике. Каждую главу завершает прогноз
развития данного метода лазерной сварки.
В основе всех представленных прогнозов — стремительное появление
на рынке самых разных материалов. Это отражает происходящий в индустрии
сдвиг в сторону создания облегченных кузовных конструкций и, наоборот, на-
дежных толстостенных конструкций. Новые материалы дают толчок развитию
технологий соединения. И хотя некоторые из процессов лазерной сварки все
еще находятся в стадии эксперимента, уже ясно — лазер это очень гибкий ин-
струмент. Он легко встраивается в уже существующие технологические цепоч-
ки и соединяет материалы, которые еще недавно считались не свариваемыми.
Лазерная сварка готова опровергнуть это устоявшееся мнение.
В издательстве «Техносфера» уверены, что справочник по сварке будет по-
лезен как людям, имеющим опыт в лазерной сварке, так и новичкам. Ведь в ре-
дактировании перевода справочника нам помогали признанные отечественные
специалисты в области лазерной обработки материалов. Прежде всего, редак-
тор выражает благодарность Игнатову Александру Геннадьевичу (компания
«Лазер ИнформСервис», Санкт-Петербург) за критические замечания и за кон-
сультацию при переводе терминов по лазерной сварке. Слова признательности
за неиссякаемую доброжелательность и поддержку работы мы адресуем Горно-
му Сергею Георгиевичу (компания «Лазерный центр», Санкт-Петербург) и Ле-
бяжьеву Александру Николаевичу (компания «АТЕКО-ТМ», Москва).
Н. Л. Истомина Апрель 2015 г.
Часть I.
Основные принципы технологии лазерной сварки и ее развитие
ГЛАВА 1
Введение: Основы лазерной сваркиS. Katayama, JWRI1, Университет Осаки, Япония
DOI: 10,1533 / 9780857098771.1.3
Аннотация. В этой главе описываются характеристики лазерной сварки,
особенности основных видов лазеров, используемых для сварки, факторы,
влияющие на глубину проплавления, лазерные сварочные явления, включающие
поведение лазерноиндуцированной плазмы, парогазового канала и металлического
расплава в сварочной ванне во время лазерной сварки. Также рассматриваются
дефекты сварки и современные тенденции лазерной сварки2.
Ключевые слова: лазерная сварка, CO2-лазер, YAG-лазер, волоконный лазер,
диодный лазер, передача лазерного излучения по волокну, сварочные явления,
дефекты сварки, плазменный факел, глубокое проплавление, условия сварки.
1.1. Характеристики лазерной сварки
Сварка — наиболее универсальный и действенный способ соединения эле-
ментов при промышленном конструировании в самых разнообразных ин-
дустриальных областях. Лазер — тепловой источник с высокой плотностью
энергии. Поэтому лазерная сварка признана всеми как передовая технология
соединения материалов лазерным лучом высокой мощности и высокой плот-
ности энергии. Соответствие между распределением плотности мощности при
разных видах сварки (лазерной, электронно-лучевой, плазменной и дуговой).
Плотность мощности лазерного луча эквивалентна плотности мощности
электронного луча и значительно превышает плотность, возникающую у дуги
или плазмы. Соответственно, лазерный или электронный луч с высокой плот-
ностью мощности может создавать глубокий и узкий парогазовый канал и фор-
мировать глубокую и узкую область проплавления. Для устойчивого проведения
процесса сварки с глубоким проплавлением при электронно-лучевой сварке не-
обходимо использовать вакуумную камеру, предусмотрев в ней защиту от рент-
геновского излучения, причем для сварки стальных пластин требуется еще и их
предварительное размагничивание. Дуговая и плазменная сварка осущест-
вляться в вакууме не могут. Однако лазерная сварка может вестись в вакууме,
создавая прочный и глубокий сварной шов, способом, аналогичным тому, что
применяется, как описано в разд. 1.5, при электронно-лучевой сварке. В целом
скорость лазерной сварки выше, чем скорость дуговой или плазменной сварки.
Среди всех сварочных процессов лазерная сварка реализует самые разноо-
бразные соединения металлов или пластиков толщиной от очень тонких листов,
примерно 0,01 мм, до толстых пластин, около 50 мм, в среде защитного газа, та-
кого как гелий (He), аргон (Ar) или иногда азот (N2) в воздушной среде. Данный
способ приобрел большую популярность как перспективная высококачествен-
ная технология соединения, обеспечивающая высокую точность, высокую про-
изводительность, высокую скорость, гибкость и низкое искажение [1—4]. Ее так-
же можно использовать для роботизации, снижения использования ручного
труда, полной автоматизации и систематизации на производственных линиях.
Поэтому с развитием новых лазерных инструментов и разработкой новых про-
цессов соединений растет и ряд практических способов использования лазерной
сварки. Для того, чтобы при проектировании соединения с помощью сварки сде-
лать правильный выбор лазерного инструмента, важно знать не только характер
излучения лазера (PW — Pulse Welding, лазерная сварка импульсным излучением;
CW — Continuous Welding, лазерная сварка непрерывным излучением), его пара-
метры и возможности лазерных инструментов. Важно также знать и факторы,
влияющие на глубину проплавления, условия возникновения дефектов, меха-
низмы поведения материалов при сварке, величину свариваемости материалов
и механические свойства сварных соединений. Для получения более подробной
информации об этом воспользуйтесь ссылками в конце этой главы [1—4].
1.2. Лазеры для сварки
Основные виды и характеристики лазеров, используемых для сварки, приве-
дены в табл. 1.1. А на рис. 1.2 схематически представлены типичные лазерные
системы: на основе CO2- и Nd:YAG-лазеров. Газовые CO2-лазеры, излучающие
на длине волны 10,6 мкм, обладают лучом высокого качества и легко достигают
высокой мощности (максимальная мощность лазера — 50 кВт; лазеры с уровнем
мощности 1—15 кВт используют, в основном, при сварке сталей, автомобиль-
ных деталей, самолетов, судов и т. д.). При лазерной сварке в среде защитного
газа CO2 следует принимать во внимание следующие проблемы:
излучение от высокомощных лазеров должно передаваться в рабочую
зону с помощью зеркал, а не оптического волокна;
• плазма Ar, которая уменьшает глубину проплавления, может быть легко
сформирована в защитный газ Ar.
Твердотельный Nd:YAG-лазер с длиной волны 1,06 мкм может работать
в импульсном или непрерывном режиме, а его излучение может доставляться
в рабочую зону по оптическому волокну. Импульсные лазеры используются при
сварке мелких деталей, таких как корпусы аккумуляторов, электрические ком-
поненты, стеклянные рамки и т. д. Непрерывные лазеры мощностью 2—7 кВт
используются для лазерной сварки точно подогнанных заготовок, алюминие-
вых автомобилей, стальных листов с цинковым покрытием, труб и контейнеров
из нержавеющей стали и т. д. Недостаток подобных Nd:YAG-лазеров с ламповой
накачки — низкий электрический КПД (отношение выходной мощности лазера
к потребляемой инструментом электроэнергии) менее 4%. Поэтому разработки
новых высокомощных CO2- и YAG-лазеров пока затормозились. Вместо них по-
лучили развитие твердотельные YAG-лазеры с диодной накачкой мощностью
до 6—10 кВт. Однако в последнее время большие обещания достижения высо-
ких показателей мощности, эффективности и качества пучка демонстрируют
дисковые и волоконные лазеры, гораздо более высокие, нежели YAG-лазеры
с ламповой или диодной накачкой.
Подача лазерного излучения к рабочей зоне осуществляется через волок-
но. Этот способ отличается хорошей гибкостью, применяется при использо-
вании Nd:YAG-лазеров с ламповой или диодной накачкой, диодных лазеров,
Yb:дисковых и Yb:волоконных лазеров.
В последние десятилетия основные разработки высокомощных лазеров, об-
ладающих высоким качеством пучка, сфокусированы на создании лазерных
Подача лазерного излучения к рабочей зоне осуществляется через волок-
но. Этот способ отличается хорошей гибкостью, применяется при использо-
вании Nd:YAG-лазеров с ламповой или диодной накачкой, диодных лазеров,
Yb:дисковых и Yb:волоконных лазеров.
В последние десятилетия основные разработки высокомощных лазеров, об-
ладающих высоким качеством пучка, сфокусированы на создании лазерных
энергии для дистанционной сварки (см. рис. 1.3). Дистанционная лазерная
сварка роботом со сканером — наиболее перспективная технология соедине-
ния, она отличается высокими показателями скорости и производительности.
Будущее использование этих лазеров связывают с развитием технологий сварки
электрических компонентов, автомобилей, поездов, мостов, трубопроводов, су-
дов, самолетов и т. д.
1.3. Эффекты, возникающие при лазерной сварке
Существуют различные виды лазерных сварных соединений, они показаны
на рис. 1.4. Стыковые соединения и соединения внахлест обычно сваривают при
помощи импульсных или непрерывных лазеров. Типичные явления, возника-
ющие при непрерывной и импульсной лазерной сварке, схематично изображе-
ны на рис. 1.5. В зависимости от сочетания плотности мощности и длительно-
сти воздействия лазерного излучения на материал морфология точечного или
валикового сварного шва формируется по типу теплопроводности или парога-
зового канала. Когда лазерное излучение падает на металлическую пластину,
оно взаимодействует со свободными электронами в металле, и те поглощают
его. Абсорбция лазерной энергии приводит к повышению энергии свободных
электронов, находящихся внутри зоны взаимодействия. И они одновременно
с поглощением, сталкиваясь с другими движущимися электронами, узлами
кристаллической решетки, ее дефектами, неоднородностями и разными при-
месями, передают им энергию. В результате при соударениях лазерная энер-
гия переходит в тепловую энергию колебаний решетки, и температура поверх-
ности пластины возрастает. С ростом температуры твердого тела поглощение
лазерного излучения слегка увеличивается, но при достижении температуры
плавления абсорбция начинает возрастать и значительно увеличивается, когда
температура в облучаемой лазером области достигает точки кипения. С этого
момента почти вся лазерная энергия тратится на испарение, а потери на тепло-
проводность становятся несущественными. Остаточное давление от испарений
приводит к образованию каверны или парогазового канала. Коэффициент свя-
зи (поглощение) лазерной энергии с металлом схематически показан на рис. 1.6.
Он увеличивается в зависимости от температуры и состояния поверхности.
Поскольку лазерное поглощение в случае формирования парогазового канала
из-за многократных отражений излучения внутри канала чрезвычайно увели-
чивается, то парогазовый канал при сварке с глубоким проплавлением рассма-
тривается как эффективный процесс соединения.
С началом образования парогазового канала над поверхностью появляется
яркий светящийся факел выбрасываемых испаряющихся атомов металлов и ча-
стиц конденсированного пара. Разбрызгивание капель расплава иногда проис-
ходит из-за попадания сильной струи испарений в парогазовый канал.
Сечения лазерных сварных швов алюминиевого сплава, полученные с по-
мощью лазерной CO2-сварки при мощности 5 кВт в среде защитного газа He, N2
или Ar, представляет рис. 1.7. Глубина проплавления при двух скоростях сварки
уменьшается в следующем порядке: He, N2, Ar. Примеры снимков, выполнен-
ных высокоскоростной видеосъемкой во время лазерной CO2-сварки при выше-
описанных условиях, показаны на рис. 1.8. Ar плазма и N плазма наблюдаются
в соответствующих газах, хотя признаков He плазмы во время сварки не видно.
Вполне понятно, что уменьшение глубины проплавления при работе с СО2-
Коэффициент лазером, особенно в газах Ar и N2, связано с их тенденцией к формированию
плазмы и стремлением к стабилизации ее объема в пространстве. Чтобы полу-
чить глубокое проплавление при сварке высокомощными СО2-лазерами, требу-
ется использовать газовую смесь с концентрацией He более 50%. Формирование
плазменного факела и/или плазмы и их воздействие на глубину проплавления
представлены на рис. 1.9. Ar плазма или N плазма легко формируются в слу-
чае СО2-лазерной сварки, в то время как при сварке YAG-, дисковым и воло-
конным лазером лазерно-индуцированный факел создается только из парога-
зового канала. С точки зрения механизма поглощения взаимодействие между
излучением СО2-лазера и газовой плазмой происходит за счет обратнотормоз-
ных электронов, образующихся в поле ионов и нейтральных атомов и влияния
плазмы. В случае использования СО2-лазера действие механизма обратного
тормозного поглощения примерно в 100 раз выше, чем у YAG-, дискового или
волоконного лазера. Температура плазменного факела во время сварки с дли-
ной волны лазера около 1 мм оценивается около 3000—6000 К в зависимости
от величины плотности мощности примерно в 1—1000 кВт/мм2. Возникновение
данных эффектов относят к рефракции, появляющейся из-за разницы между
оптическими плотностями факела и окружающей среды, а также к рэлеевскому
рассеянию — из-за образования ультрадисперсных частиц. При высоком плаз-
менном факеле и, как следствие, существовании низкого показателя преломле-
ния глубина проплавления значительно уменьшается. И механизм формирова-
ния глубины проплавления меняется от типа образования парогазового канала
к типу теплопроводности (в фокальном пятне) за счет отражения луча и сме-
щения вниз фокального пятна. При отсутствии высокого факела или области
низкого показателя преломления (а именно: толщины области взаимодействия
плазменного факела с лазерным лучом) достигается глубокое проплавление.
Поведение расплава в сварочной ванне и у поверхности наблюдают с помо-
щью построения изображений методом рентгеновской литографии и высоко-
скоростных видеокамер. Соответственно понятно, что глубина проплавления
сварного шва определяется, главным образом, глубиной парогазового канала
и частично нисходящим потоком расплава вокруг его основания, как показано
на рис. 1.10. На поток расплавленного метала у поверхности влияют поверхност-
ное натяжение расплава и сдвиг потока за счет сильной плазменной струи, вы-
брасываемой из парогазового канала, в результате чего около поверхности про-
исходит формирование типичной формы широкого или узкого сварного шва.
1.4. Глубина проплавления и дефекты сварки
Для соединения мелких деталей применяют точечную сварку импульсным ла-
зером. Сварные швы с глубоким проплавлением формируются при увеличении
длительности импульса вблизи фокального пятна, образуемого с помощью
системы фокусирующих линз. Тем не менее, максимальная глубина прочной
точечной сварки обычно менее 1,5 мм или 3 мм в контролируемых условиях.
Потому что в этих условиях легко образуется пористость, особенно в мелких
сварных швах при очень кратком времени облучения и в глубоких швах, вы-
полненных с помощью лазерного импульса с прямоугольной формой фронта.
Отсюда становится ясно, что, изменяя форму импульса на медленно возраста-
ющую и падающую во времени мощность, можно достичь снижения разбрыз-
гивания и уменьшения пористости. Соответствующие результаты и примеры
будут рассмотрены далее в гл. 12. Сварные швы с глубоким проплавлением эф-
фективно формируются при сварке непрерывными лазерами с высокой мощно-
стью. Глубина проплавления сварных швов, получаемых при сварке материалов
из нержавеющей стали с помощью волоконного лазера с пучками различных
диаметров и мощностью 6 кВт и 10 кВт в среде защитного газа Ar, представлена
на рис. 1.11. Во время сварки волоконным лазером высокой мощности глубокое
проникновение может быть достигнуто даже с защитным газом Ar, хотя в этом
случае глубина проплавления уменьшается за счет обратного тормозного по-
глощения, возникающего из-за образования газовой Ar плазмы, как и в случае
применения СО2-лазерной сварки [3]. Глубина проплавления уменьшается так-
же и с увеличением скорости сварки. Но на высоких скоростях она становит-
ся больше, если используется мощный узкий пучок. Становится понятно, что
на низких скоростях доминирующим параметром становится мощность лазера.
При скорости менее 3 м/мин (50 мм/с) глубина проплавления получается боль-
ше при 10 кВт, чем при лазере с мощностью 6 кВт. При низких скоростях сварки
легко формируется пористость, в то время как при высоких скоростях пори-
стость предотвращается. Но вспученность или разбрызгивание (в зависимости
от меньшего или большего диаметра луча, соответственно) приводит к недоста-
точному наполнению. При определенных условиях легко образуются дефекты
сварки, такие как пористость, трещины, вспученности, недостаточное напол-
нение и т. д. Эти явления и способы их предотвращения будут описаны в гл. 12.
1.5. Эволюция лазерной сварки
В низком и высоком вакууме могут быть получены прочные швы с чрезвы-
чайно большой глубиной проплавления, как показано на рис. 1.12. Глубина
проникновения лазерных сварных швов, полученных при низких скоростях
в вакууме (даже при низком вакууме), сопоставима с глубиной швов, получен-
ных электронно-лучевой сваркой [5]. Лазерная сварка может также использо-
ваться при присоединении одного или различных видов пластиков, разнород-
ных металлов, таких как чугун и сталь, сталей и алюминиевых сплавов, или
металлов и пластмасс [6]. Недавно было показано, что прочные соединения
внахлест можно производить при соединении сталей и легких металлов, таких
как алюминиевые или магниевые сплавы, или между металлами, такими как
сталь, нержавеющая сталь, алюминиевые сплавы и титановые сплавы, и инже-
нерными пластиками, такими как PA (PolyAmide, полиамид), PET (PolyEthylene
Terephthalate, полиэтилентерефталат) и PC (PolyCarbonate, поликарбонат) [6].
Рис. 1.13 [7] показывает лазерное соединение внахлест нержавеющей стали
типа 304 и пластиковых листов PET до и после испытания на сдвиг при рас-
тяжении. В расплавленной пластмассе в области соединения наблюдается об-
разование мелких пузырьков, также показано удлинение основного пластика
PET. На рис. 1.14 [7] представлен снимок поперечного сечения SEM и TEM
рядом с областью соединения при большем увеличении и рентгенограммы
что такие оксидные пленки всегда образуются в качестве промежуточного слоя
между пластиком и металлом в любых комбинациях. Изображения SEM и TEM
ясно показывают образование плотного стыка и то, что лазерное соединение
частично осуществляется за счет химического или физического соединения
расплавленного пластика с тонкой оксидной пленкой, покрывающей основ-
ной металл. Эти результаты подтверждают возможность достижения прочного
соединения между металлом и пластиком. Лазерное соединение внахлест без
промежуточного слоя металлических и пластиковых листов происходит следу-
ющим образом: лазер направляют через прозрачный пластиковый лист или не-
посредственно прямо на металлическую пластину, а затем пластину нагревают,
чтобы расплавить пластмассу в месте соединения. Тогда появятся пузырьки. Не-
которое их количество выталкивает расплавленный пластик в поверхностный
слой металла. Плотный стык металла и пластмассы выполняется с помощью
механизмов химического, физического (силы Ван-дер-Ваальса) и механическо-
го (эффект якоря) соединения. Также было успешно получено лазерное соеди-
нение металлической пластины с листом GFRP (Glass Fiber Reinforced Plastics;
пластики, армированные стекловолокном) или CFRP (Carbon Fibre Reinforced
Plastics, углепластик, или иначе — пластики, армированные карбоновым волок-
ном) [8].
Для получения прочных высококачественных сварных швов требуется кон-
троль процесса. Его можно осуществить с помощью on-line зондирования или
адаптивного управления системой во время процесса лазерной сварки [3, 4].
Важными индикаторами для контроля являются отраженное лазерного из-
лучения и тепловое излучение, исходящее от лазера и сварочной ванны [9, 10].
Непосредственное наблюдение за ходом лазерной сварки также важно с точки
зрения понимания механизмов формирования дефектов. В последнее время
большие успехи были достигнуты в этом виде исследований, и разработанные
системы контроля затем нашли свое место в практических приложениях.
1.6. Справочная литература
[1]. Katayama S. (2012), Laser welding, Ferrum (Bulletin of the Iron and Steel Institute of
Japan), 17(1) 18—29 (in Japanese).
[2]. Katayama S. (2012), Laser welding of aluminum alloys, Keikinzoku (Journal of Japan Institute
of Light Metals), 62(2) 75—83 (in Japanese).
[3]. Katayama S. (2005), New development in laser welding, in New Developments in Advanced
Welding, ed. by N. Ahmed. Cambridge: Woodhead Publishing pp. 158—197.
[4]. Katayama S. (2010), Understanding and improving process control in pulsed and continuous
wave laser welding, in Advances in laser materials processing — Technology, research
and applications, eds. by J. Lawrence, J. Pou, D. K. Y. Low. Cambridge: Woodhead Publishing,
pp. 181—210.
[5]. Katayama S., Abe Y., Mizutani M. and Kawahito Y. (2011), Development of deep penetration
welding technology with high brightness laser under vacuum, Physics Procedia, 12(1)
75—80.
[6]. Katayama S. (2010), Laser welding of dissimilar materials, The Review of Laser Engineering,
38(8) 594—602 (in Japanese).
[7]. Katayama S. and Kawahito Y. (2008), Laser direct joining of metal and plastic, Scripta
Materialia, 59(12) 1247—1250.
[8]. Katayama S., Jung K-W and Kawahito Y. (2010), High power laser cutting of CFRP, and
laser direct joining of CFRP to metal, Proc. of 29th ICALEO 2010, 103 333—338.
[9]. Katayama S., Kawaguchi S., Mizutani M., Kawahito Y. and Tarui T. (2008), Welding phenomena
and in-process monitoring in high power YAG laser welding of aluminum alloy,
J. of Light Metal Welding & Construction, 46(10) 480—490 (in Japanese).
[10]. Kawahito Y. and Katayama S. (2006), In-process monitoring and adaptive control for prevention of through-holes in full-penetration lap welds of aluminum alloy sheets, Journal of
Laser Applications, 18(2) 93—100.
ГЛАВА 2
РАЗВИТИЕ СО2-ЛАЗЕРНОЙ СВАРКИ
S. Tsukamoto, Национальный институт материаловедения, Япония
DOI: 10,1533 / 9780857098771.1.17
Аннотация. В этой главе описывается лазерная сварка двуокисью углерода (СО2-
лазерная сварка). В первом разделе приведены некоторые типы CO2-лазеров
и отличительные особенности СО2-лазерной сварки. Также описан процесс
лазерной сварки, включая взаимодействие лазерного луча с материалами
и газами, формирование парогазового канала, механизм формирования и способы
предотвращения дефектов сварки. Даны примеры практического использования
СО2-лазерной сварки.
Ключевые слова: СО2-лазерная сварка, резонатор, взаимодействие, процесс сварки,
применение.
2.1. Введение
C. K. Н. Патель, сотрудник Bell Laboratories, в 1964 году изобрел CO2-лазер.
Он добился превосходных результатов, создав конструкцию СО2-лазера мощ-
ностью до 1 мВт. Позднее усилиями многих других разработчиков и конструк-
торов мощность и эффективность этого лазера были значительно повышены
за счет добавления к активной лазерной среде азота и гелия. В 1966 году ком-
пания Coherent выпустила на рынок первый коммерческий CO2-лазер мощно-
стью 100 Вт. С тех пор работы по усовершенствованию CO2-лазеров шли не-
прерывно, и в конце двадцатого века высокомощные лазеры (до 50 кВт) заняли
прочные позиции в процессах обработки материалов. Длина волны излучения
CO2-лазера составляет 10,6 мм, она примерно в 10 раз больше длины волны из-
лучения твердотельных лазеров. Следует знать, что длина волны лазерного из-
лучения определяет характеристики лазерной сварки и лазерных модулей, от ее
величины зависит характер взаимодействия луча с материалами, защитным га-
зом и плазмой. В данной главе описаны принцип работы и типы СО2-лазеров,
характеристики луча при СО2-лазерной сварке, взаимодействие СО2-лазера
с материалами, процесс СО2-лазерной сварки и практическое применение СО2-
2.2. Принцип работы и типы лазеров
В качестве рабочей среды для СО2-лазеров используется смесь диоксида угле-
рода, азота и гелия. Чтобы получить лазерный луч с длиной волны 10,6 мм, не-
обходимо ионизировать молекулы газа. Для этого смесь газов возбуждают элек-
трическим разрядом постоянного тока (a — Direct Current, постоянный ток) или
переменного тока (AC — Alternating Current, переменный ток) высокой частоты
(RF — Radio Frequency, радиочастоты).
Применяют разные системы классификации СО2-лазеров, например, по спо-
собу отвода тепла и по используемым направлению и скорости прокачки газа.
Так как существуют две принципиальные схемы прокачки газа, то СО2-лазеры
делят на те, в которых используется поперечная прокачка, когда газовый поток
проходит поперек оси резонатора (Cross Flow Lasers), и лазеры с продольной про-
качкой, когда газовый поток проходит вдоль оси резонатора, то есть — поток ак-
сиальный (Fast Axial Flow). Для поддержания эффективной работы CO2-лазеров
необходимо выдерживать оптимальную температуру активной среды, не допу-
ская повышения его температуры. В лазерах первого типа, с медленной прокач-
кой, газ при разряде течет медленно и охлаждается, в основном, через стенки
лазерного резонатора (диффузионное охлаждение). Таким образом, на выходе
получают стабильный лазерный луч высокого качества. Тем не менее, выходная
мощность лазера такой конструкции, как правило, невелика, и для получения
в нем излучения высокой мощности потребуется создать очень длинный резо-
натор. В контуре циркуляции газа имеются теплообменники, проходя сквозь
них, нагретый газ охлаждается. В представленной на рис. 2.1 конструкции газо-
вый поток проходит вдоль оси резонатора, в таком лазере можно достичь высо-
кой мощности излучения — до 20 кВт и одновременно на выходе получить луч
высокого качества. В лазерах с поперечной прокачкой (рис. 2.2) лазерный луч
проходит перпендикулярно направлению поля между электродами газоразряд-
ной камеры. В лазерах такого типа можно достичь еще большей мощности излу-
чения, хотя качество луча будет уступать качеству, получаемому в лазерах с вы-
сокой скоростью потока. В лазерах с быстрой прокачкой газа охлаждение идет
за счет замены нагретых объемов газа (конвективное охлаждение). Но из-за ис-
пользования компрессора в качестве насоса для создания циркуляции объем-
ный расход газа в такой конструкции увеличивается. Существуют промышлен-
ные лазеры мощностью до 50 кВт. Слэб-лазеры (slab lasers) классифицируются
как лазеры с медленным потоком. Их называют щелевыми, так как активная
среда возбуждается в узком пространстве между двумя широкими водоохлажширокие электроды обеспечивают высокую мощность и высокое качество ла-
зерного луча. Существуют мощные лазеры до 8 кВт с качеством луча М2 = 1,05.
Лазеры с относительно низкой мощностью до 6 кВт имеют устойчивые ре-
зонаторы, их выходное зеркало частично пропускает ИК-излучение до 10,6 мм.
С другой стороны, высокомощные лазеры построены по схеме с неустойчивым
резонатором (рис. 2.4), чтобы избежать искажений и повреждений поверхности
зеркал. Неустойчивый резонатор состоит из вогнутых и выпуклых зеркал и от-
клоняющего, или иначе, поворотного зеркала. В поворотном зеркале, располо-
женном перед выпуклым зеркалом, выполнено отверстие для многократного
прохождения внутри резонатора центральной части пучка. Таким образом,поворотное зеркало отражает на выход лишь внешнюю кольцевую зону пучка,
поэтому выходное излучение имеет кольцеобразное сечение. В качестве мате-
риала выходных окон, как правило, используют селенид цинка (ZnSe). Чтобы
избежать теплового искажения и повреждения окна из ZnSe, в конструкции
СО2-лазеров мощностью более 10 кВт используют аэродинамическое окно
(рис. 2.5): быстрый поток сухого воздуха изолирует лазерный газ в резонаторе
от атмосферного воздуха.
2.3. Характеристики пучков СО 43 2-лазера
Длина волны излучения СО2-лазера составляет 10,6 мм, что в десять раз боль-
ше длины волны излучения твердотельных лазеров. Эффективность электро-
оптического преобразования луча 8—15%, это выше эффективности Nd:YAG-
лазеров стержневого типа, но ниже эффективности диодных, волоконных
и дисковых лазеров. Основные преимущества СО2-лазерных систем по сравне-
нию с другими лазерными системами:
• легкий переход к большим мощностям;
• высокое качество луча;
• относительно низкая стоимость;
• относительная стабильность сварки.
Основные недостатки:
• непрозрачность для излучения СО2-лазера материалов, имеющих про-
зрачность в видимом диапазоне спектра (поэтому для изготовления
оптических компонент для СО2-лазера необходимы специфические до-
рогостоящие материалы);
• нельзя использовать оптические волокна для доставки излучения к ра-
бочей зоне обработки материала;
• высокая отражательная способность металлов мешает их обработке из-
лучением СО2-лазера;
• высокий уровень поглощения лазерной энергии в лазерно-индуци-
рованной плазме.
Развитие лазерных устройств с высокой выходной мощностью началось
с создания СО2-лазеров, поскольку наращивать их выходную мощность оказа-
лось не такой сложной инженерной задачей. А в конце ХХ века уже появились
50 кВт-ные промышленные лазеры. Кроме того, оказалось, что при высоких
мощностях можно получать лазерный луч высокого качества. Рис. 2.6 иллю-
стрирует соотношения между значением параметром пучка BPP (которое по-
лучается как произведение угла расходимости луча и радиуса луча и определяет
качество луча) и мощностью луча для разных типов лазеров. Чем ниже значение
BPP, тем выше качество луча. Глядя на рисунок, читатель поймет, что в диапазоне низких выходных мощностей (менее 10 Вт), если сравнить Nd:YAG-лазеры
стержневого типа с ламповой и диодной накачкой с СО2-лазерами, параметр
BPP у первых ниже в десять раз, чем у СО2-лазера.
Это можно объяснить, используя соотношение (2.1) для определения ми-
нимального диаметра лазерного пучка, образуемого им в фокальной плоскости
оптической системы, формирующей пучок. Дело в том, что в сечении лазерный
луч, выходящий из резонатора, имеет плотность мощности, подчиняющуюся
распределению Гаусса, потому такие лазерные пучки называют гауссовыми
пучками. Характер распределения плотности при распространении пучков
в пространстве не меняется, но изменяется их масштаб, который зависит от ди-
аметра сечения пучка. Диаметр гауссова пучка d [мм] пропорционален длине
волны излучения d [мм], что можно выразить следующим уравнением:
d = 4λf /πD , (2.1)
где ƒ (мм) — фокусное расстояние и D (мм) — диаметр пучка на линзе, преоб-
разующей гауссовый пучок.
Лазерная сварка обычно выполняется при помощи лазера многокиловатт-
ного класса мощности. В этом диапазоне высокой мощности в Nd:YAG-лазерах
стержневого типа с ростом выходной мощности параметр BPP значительно воз-
растает из-за появления тепловых искажений в цилиндрическом теле твердо-
тельной рабочей среды лазера. С другой стороны, CO2-лазеры могут поддержи-
вать высокое качество луча даже при высоком диапазоне мощности.
У дисковых и волоконных лазеров значения параметра BPP почти одинако-
вы. Не надо забывать и то преимущество СО2-лазера, что системы на его осно-
ве имеют относительно низкую стоимость в расчете на единицу мощности.
стабильна по сравнению с дисковой и волоконно-лазерной сваркой. Большин-
ство недостатков лазерной сварки в среде CO2 обусловлены большой длиной вол-
ны (10,6 мм) его излучения. Прозрачные в видимом диапазоне спектра стекло
и кварц оказываются непрозрачными для лазерного излучения с длиной волны
10,6 мм. Оказывается, что такие оптические системы транспортировки излуче-
ния в рабочую зону сварки, как кварцевые волокна, в этом случае использовать
нельзя. И лазерный луч должен быть доставлен в рабочую станцию при помощи
зеркальных отражателей. Поэтому необходимость точной юстировки луча для
практических целей ограничивает гибкость такой лазерной сварки. И это — са-
мый большой недостаток CO2-лазерной сварки. Кроме того, для изготовления
оптических компонентов (защитные стекла и линзы) должны быть использова-
ны специальные дорогостоящие материалы, такие как селенид цинка (ZnSe).
2.4. Взаимодействие лазера с материалами
2.4.1. Поглощение лазерной энергии поверхностью материалов
Когда лазерный пучок попадает на материал, часть его энергии отражается
от поверхности материала. Количество отраженного излучения зависит от вида
материалов, состояния и температуры его поверхности и длины волны лазерно-
го излучения. Соответственно от этих величин зависит и поглощение лазерного
излучения.
В табл. 2.1 приведены значения поглощения некоторых материалов при ком-
натной температуре в трех диапазонах длин волн, соответствующих излучению:
СО2-лазера (10,6 мм), Nd:YAG-лазера (1,06 мм) и лазера, работающего на корот-
ких длинах волн (300—600 нм) (Modest, 2001). В целом заметна тенденция к сни-
жению поглощения материалами излучения с уменьшением его длины волны.
Только небольшое количество энергии СО2-лазера поглощается на поверхности
металла. И наоборот, лучи CO2-лазера значительно поглощаются большин-
ством керамических поверхностей. Обычно с ростом температуры поверхности
поглощение излучения увеличивается. Во время лазерной сварки образование
ванны расплавленного металла усиливает поглощение энергии падающего ла-
зерного излучения. В режиме лазерной сварки с образованием парогазового
канала, многократное отражение лазерного луча от стенок узкого и глубокого
канала значительно усиливает эффективность передачи энергии материалу
за счет многократного поглощения. Таким образом, коэффициент поглощения
не так уж сильно влияет на геометрию сварного шва при условии, что парогазо-
вый канал все же формируется.
2.4.2. Поглощение лазерной энергии в лазерно-индуцированной
плазме
Поглощение падающей на поверхность лазерной энергии обратным
тормозным излучением.
Во время CO2-лазерной сварки лазерный пучок высокой мощности, попадая
на поверхность материала, вызывает его интенсивное испарение. Далее лазер-
ный пучок взаимодействует с испаряющимся материалом и лазерным факелом
или лазерной плазмой, которая образуется непосредственно над парогазовым
каналом и внутри него. Падающая лазерная энергия I0 частично поглощается
в плазме обратным тормозным излучением, и это ослабляет падающую лазер-
ную энергию. Поэтому сквозь объем плазмы длиной x (м), обладающей коэффи-
циентом поглощения α(m–1), пройдет часть лазерной энергии I (Вт):
I=I 0 exp(— αх ) . (2.2)
Для энергии горячей плазмы (характеризуется тем, что энергия электро-
нов во много раз выше энергии падающих фотонов (hω / π<< k Te ), коэффициент
поглощения излучения α(m–1) определяется соотношением (дается по Hughes,
1975; Allmen and Blatter, 1995):
уравнение (2.3)
где ω — угловая частота; ne и ni — плотность электронов и ионов (м–3), соответ-
ственно, Z — показатель заряда иона, е — заряд электрона (Кл), k — постоянная
Больцмана (Дж/К), Te — температура электронов (K), h — постоянная Планка
(Дж·с), с — скорость света (м/с), ε0 — диэлектрическая постоянная (Кл/(В·м)),
и me — масса электрона [кг]. Из уравнения (2.3) можно видеть, что коэффициент
поглощения α прямо пропорционален квадрату длины волны λ. Таким образом,
затухание лазерной энергии проявляется в большей степени при CO2-лазерной
сварке (λ = 10,6 мкм), чем при сварке твердотельным лазером (λ = 1,06 мкм),
и, соответственно, влияет на геометрию сварного шва. Если предположить, что
плазма находится в локальном термодинамическом равновесии (LTE — Local
Thermodynamic Equilibrium), и принять Z = 1, то коэффициент поглощения α для луча СО2-лазера определяется по формуле:
уравнение (2.4)
Уравнение (2.4) показывает, что более высокий коэффициент поглощения
получается для более высокой степени ионизации (более высокая плотность
электронов ne) при снижении температуры электронов Te. Тенденция к иониза-
ции определяется потенциалом ионизации. Атомы легче ионизируется с уменьшением потенциала ионизации элемента. В табл. 2.2 приведены значения по-
тенциалов ионизации некоторых химических элементов. Из инертных газов
самый высокий потенциал ионизации имеет гелий, он не ионизируется даже
при сварке CO2-лазером высокой мощности. Именно по этой причине гелий
иногда используют в качестве защитного газа при сварке высокомощным CO2-
инструментом. Применение гелия способствует предотвращению ослабления
падающего лазерного излучения абсорбцией в плазме. Потенциал ионизации
металлов приблизительно равен половине величины потенциала ионизации
аргона; металлы ионизируются легче, чем инертные газы. На рис. 2.7 показано
изменение состава плазмы Ar-50 об.% Fe при различных температурах. Железо
начинает ионизироваться раньше, чем аргон, то есть при более низкой темпера-
туре. И в связи с низким потенциалом ионизации уже на уровне температуры
около 10000 К плотность ионов железа достигает своего максимального значе-
ния. А концентрация ионов аргона достигает своего максимального пика лишь
в момент, когда температура достигнет более высокого значения около 17000 К.
На рис. 2.8 представлена зависимость коэффициента поглощения излуче-
ния аргоновой плазмой от температуры. Наибольшего значения коэффициент
поглощения достигает приблизительно при 17000 K, так как плотность ионов
и электронов аргона при этой температуре максимальна. При СО2-лазерной
сварке малой мощности из-за низкой температуры плазмы происходит ио-
низация только металлов, но не защитного газа. Защитный газ ионизируется
лишь при лазерной сварке высокой мощности. На рис. 2.9, а показана лазерно-
индуцированная плазма, образовавшаяся в результате 5 кВт СО2-лазерной свар-
ки с коаксиальным экранированием Ar. Монохроматические изображения не-
которых линий спектра, таких как атом аргона (Ar I: 696,5 нм), ион аргона (Ar II:
480,7 нм) и атом железа (Fe I: 381,5 нм), представлены на рис. 2.9, б—г (Tsukamoto
et al., 1999). Ион аргона отчетливо наблюдается в центре объема плазмы, где идет
непосредственное взаимодействие лазерного пучка с плазмой (рис. 2.9, в), он
окружен атомами аргона (рис. 2.9, б). Таким образом, при CO2-лазерной сварке
с высокой мощностью газ в плазме, как правило, формируется в пространствен-
ной области, расположенной над заготовкой. С другой стороны, металлическая
плазма образуется в основном внутри парогазового канала и непосредственно
над ним (см. рис. 2.9, г).
Образование плазмы существенно влияет на процесс формирования геоме-
трии сварного шва. Рис. 2.10 демонстрирует глубину проплавления, получае-
мую с использованием различных защитных газов при 5,4 кВт СО2-лазерной
сварке. Глубина проплавления всегда меньше в среде защитного газа аргона.
Это вызвано ослаблением падающего лазерного излучения в плазме аргона, в то
время как гелий не ионизируется в процессе сварки благодаря обладанию вы-
соким потенциалом ионизации. На рис. 2.11 видна глубина проплавления при
20 кВт-ной СО2-лазерной сварке с гелием в качестве защитного газа (глубина
меняется в зависимости от скорости сварки). Со снижением скорости сварки
глубина проплавления увеличивается, но при скорости ниже 50 см/мин этот
эффект достигает насыщения. Такая зависимость отсутствует при сварке ма-
териалов твердотельным лазером. Рост глубины проникновения при лазерной
сварке в среде CO2 приписывают ослаблению лазерной энергии металлической
плазмой, образующейся внутри парогазового канала.
Диагностика плазмы
Из формулы (2.4) видно, что коэффициент поглощения в плазме зависит от элек-
тронной плотности ne и температуры электронов Te. ne определяется температу-
рой Te с учетом LTE. Поэтому было проведено много научно-исследовательских
работ, направленных на измерение Te во время CO2-лазерной сварки методами
спектроскопии (Rockstroh and Mazumder, 1987; Mazumder et al., 1987; Sokolowski
et al., 1988, 1989; Poueyo et al., 1992; Miyamoto and Maruo, 1992; Verwaerde and
Fabbro, 1995; Tsukamoto et al., 1996). Интенсивность термически возбужденной
спектральной линии εnm определяется по формуле:
уравнение (2.5)
где Anm — вероятность перехода линии (с–1) Эйнштейна, n0 — плотность атома
или иона (м–3), gn — статистический вес n, Z(T) — функция распределения, En —
уровень энергии (Дж). Из уравнения (2.5) Te может быть определено путем из-
мерения абсолютного значения спектральной интенсивности εnm с учетом LTE.
Это называется методом абсолютной спектральной интенсивности. Te также
может быть определена как отношение спектральных интенсивностей εnm одно-
го химического элемента в различных спектральных линиях. Это называется
«метод относительной интенсивности». В этом случае учитывать LTE не обяза-
тельно. Из уравнения (2.5)
уравнения (2.6 и 2.7)
где K является константой. Если мы измерим спектральные интенсивности
некоего химического элемента, расположенные в различных спектральных
участках ln(εmnλ/Anmgn) в зависимости от энергии En, то можем вычислить Te
из разницы температур электронов. Это называется «метод Больцмана» и часто
используется для определения температуры электронов в плазме. Рис. 2.12 по-
казывает температурный профиль плазмы, сформированной в процессе СО2-
лазерной сварки мощностью 5 кВт с аргоном в качестве защитного газа, выте-
кающим из коаксиального сопла со скоростью 30 л/мин (Tsukamoto et al., 1999).
Точка фокуса находится на поверхности образца. Пиковая температура около
22000 K соответствует центру плазменного объема; это область обогащена иона-
ми аргона (рис. 2.9, в), что получилось из-за непосредственного взаимодействия
лазерного пучка с плазмой. Значение этой температуры приближено к пиковой
температуре аргона, соответствующей условиям дуговой сварки в среде инерт-
ного газа. Если мы знаем распределение температуры электронов по объему
плазмы (см. рис. 2.12), то можем вычислить плотность электронов в любой части
плазмы с учетом LTE и коэффициента поглощения, используя формулу (2.4).
В результате мы сумеем оценить степень поглощения плазмой излучения при
различных режимах сварки. На рис. 2.13—2.15 показана степень поглощения,
соответствующая различным условиям сварки (Tsukamoto et al., 1999). С увели-
чением мощности лазера степень поглощения излучения плазмой постепенно
возрастает (см. рис. 2.13). Расход защитного газа не оказывает сильного влия-
ния на поглощательную способность плазмы. Если скорость потока возраста-
ет с 20 до 60 л/мин, то температура, при которой наблюдается максимальная
плотность ионов и электронов в плазме, немного снижается с 22000 до 20000 К
(см. рис. 2.14, а).
В этом температурном диапазоне величина коэффициента поглощения
уменьшается вместе со снижением температуры (см. рис. 2.8). Но и размер
объема плазмы также уменьшается с возрастанием скорости подачи потока за-
щитного газа (см. рис. 2.14, б). В результате коэффициент поглощения имеет
приблизительно постоянное значение в широком диапазоне скоростей потока.
Степень поглощения наиболее существенно зависит от состояния фокусировки
луча. Расстояние дефокусировки fd не сильно влияет на максимальный уровень
температуры, как показано на рис. 2.15, а. С другой стороны, способность к по-
глощению, значительно увеличивается с перемещением фокусной точки вверх
от поверхности материала к области выше обрабатываемого образца, как по-
казано на рис. 2.15, б. Это вызвано расширением плазмы и дефокусировкой fd.
Размер объема плазмы возрастает с увеличением плотности мощности излу-
чения вблизи области формирования плазмы. Эффективным способом борь-
бы с ослаблением падающего лазерного излучения плазмой является создание
потока инертного газа, обладающего высоким потенциалом ионизации. Гелий
или смесь гелия с аргоном обычно используется в качестве защитного газа при
CO2-лазерной сварке с высокой мощностью. Среди параметров режима сварки
состояние фокусировки луча является наиболее значимым. Для предотвраще-
ния поглощения плазмы плотность мощности чуть выше поверхности образца
должна быть уменьшена путем выбора отрицательного расстояния дефокуси-
ровки.
Мониторинг плазмы
Плазма генерируется и поддерживается испарением материалов и поглощени-
ем энергии лазерного излучения обратным тормозным излучением. Таким об-
разом, излучение плазмы дает много информации о процессе сварки и иногда
используется для контроля условий сварки, процесса сварки и образовании
дефектов. На рис. 2.16, а, б представлен типичный пример операционного кон-
троля глубины проникновения с помощью подачи импульса в плазму (Mori and
Miyamoto, 1997).
СО2-лазерная сварка с частичным и полным проплавлением проводилась
на мягких сталях толщиной 1,6 и 4 мм. Излучение плазмы регистрировалось
двумя фотодиодами, расположенными под разными углами: 75° и 5° (рис. 2.16, а).
Фотодиод, расположенный под углом 5°, предназначен для регистрации из-
лучения только вблизи поверхности плазмы (А на рис. 2.16, а). В то же время
фотодиод, находящийся под углом 75°, регистрирует излучение плазмы паро-
газового канала и приповерхностной плазмы (A + B на рис. 2.16, а). Импульсы
возникают в плазме с частотой 2—4 кГц в зависимости от скорости сварки, и на
рис. 2.16, б показаны среднеквадратичные значения интенсивности плазменных
импульсов, регистрируемых в указанном частотном диапазоне. Заштрихован-
ная область на графике соответствует условиям возникновения полного про-
плавления. Ясно, что сварку с полным или частичным проплавлением можно
различить между собой по сигналу с фотодиода, расположенного под углом 75°.
Среднеквадратичное значение интенсивности импульса плазмы значительно
выше при полном проплавлении, чем при частичном проплавлении.
2.5. Процесс сварки и образование дефектов
2.5.1. Баланс давлений на стенки парогазового канала
В режиме лазерной сварки с образованием парогазового канала из-за испаре-
ния материалов образуется узкий и глубокий канал. Лазерная энергия может
передаваться в материал через парогазовый канал, это создает условия для
узкого и глубокого проплавления. Тем не менее, парогазовый канал в основном
неустойчив, если его длина превышает его окружность (l > 2πr, где l — глуби-
на канала, r — радиус канала). Парогазовый канал, как правило, закрывается
в некоторых интервалах вдоль линии проплавления. Это явление называется
неустойчивостью Рэлея (Rayleigh, 1945; Chandrasekhar, 1961). Когда канал за-
крывается из-за нестабильности, лазерный луч начинает взаимодействовать
с расплавленным металлом, закрывшим часть канала, и вновь открывает канал
под высоким давлением отдачи, как показано на рис. 2.17. Таким образом, па-
рогазовый канал колеблется в радиальном направлении, пока оно существует
и поддерживается во время лазерной сварки с глубоким проплавлением, это
иногда вызывает дефекты сварки. Статически парогазовый канал поддержива-
ется за счет баланса давлений, действующих на стенки канала.
Pabl + δPg = Pσ + Ph (2.8)
где Pabl — давление отдачи (Н/м2), δPg — избыточное давление пара (δPg = Pv – P0 ,
Pv — давление паров, P0 — атмосферное давление) (Н/м2), Pσ — давление поверхностного натяжения (Pσ = σ/r, σ — поверхностное натяжение (Н/м), r — радиус
парогазового канала (м)) (Н/м2) и Ph — гидростатическое давление (Н/м2).
Давление на левую боковую стенку открывает канал, а на правую — закры-
вают его. Во время сварки эти давления на стенки канала уравновешиваются.
При CO2-лазерной сварке пары металла частично ионизируются и образуют
плазму внутри канала. В этом случае температура образовавшейся плазмы
выше, чем при сварке твердотельным лазером из-за высокого коэффициента по-
глощения излучения СО2-лазера. Плазма высокой температуры, образующаяся
внутри канала, может увеличить δPg и при СО2-лазерной сварке радиус канала
может расти. Возможно, это является одной из причин, поддерживающих ста-
бильность процесса СО2-лазерной сварки.
2.5.2. Формирование дефектов в местах неполного
проплавления при лазерной сварке СО2
Стабильность парогазового канала оказывает существенное влияние на форми-
рование дефектов. Специалистам, использующим лазерную сварку, известно,
что при обработке толстостенных изделий одной из главных проблем являет-
ся образование пористости. Пористость, как правило, формируется при свар-
ке с неполным проплавлением, как видно на продольном сечении (рис. 2.18).
На рис. 2.19 изображен рентгенографический снимок парогазового канала в ме-
сте неполного проплавления стали C-Si-Mn при лазерной сварке СО2. Изобра-
жение микрорентгенографии образца получено при помощи высокоскоростной
видеокамеры. Образование пузырьков отчетливо наблюдается у основания па-
рогазового канала (Matsunawa et al., 1997; Matsunawa, 2001; Katayama et al., 1997;
Tsukamoto et al., 2001, 2002). Пузырьки, образующиеся у основания парогазового
канала, соединяются друг с другом, и большинство из них после затвердевания
превращается в поры. На рис. 2.20 показан процесс формирования пузырьков
у основания парогазового канала. Во время сварки у основания образуется су-
жение (рис. 2.20, в), а затем наплавляемый металл закрывает канал (рис. 2.20, г).
Закрытие парогазового канала обычно предотвращают лазерным облучени-
ем наплавляемого сверху металла, как было описано выше. Однако если паро-
газовый канал нестабилен и степень взаимодействия между лазерным пучком
и расплавленным металлом канала увеличивается, то наблюдается большое по-
требление лазерной энергии, и это снижает вклад мощности лазерного излуче-
ния в область у корня до значений, меньших некоторого критической величи-
ны. В результате парогазовый канал закрывается у корня согласно механизму,
описанному как нестабильность Рэлея. Описание процесса указывает на то, что
для предотвращения пористости необходимо следить за стабилизацией парога
зового канала. В качестве защитного газа для предотвращения формирования
пористости при сварке нержавеющей стали с высоким содержанием Cr обычно
используется азот (Ishide et al., 1992), потому что растворимость азота увеличи-
вается с ростом концентрации Cr. Пузырьки газа в процессе сварки не образу-
ются, так как азот растворяется в ванне расплавленного металла.
Тем не менее, при слишком высокой мощности СО2-лазерной сварки ис-
пользовать азот в качестве защитного газа невозможно. Причина кроется
в значительном ослаблении лазерной энергии из-за большого количества об-
разующейся плазмы. Также использовать азот в качестве защитного газа не эф-
фективно при лазерной сварке углеродистых сталей, причиной является низкая
растворимость в них азота.
Другой способ предотвращения пористости — это стабилизация парога-
зового канала с помощью модуляции мощности лазера (Tsukamoto et al., 2002).
Формирование пористости эффективно предотвращается путем оптимизации
модуляции. На рис. 2.21 показано процентное соотношение формирования по-
ристости Pr (отношение (%) суммарной пористости и места сварки металла) при
лазерной сварке CO2 в среде стали С-Si-Mn в зависимости от модуляции мощ-
ности лазера. Мощность излучения импульсного лазера модулируется на пике
прямоугольного импульса и базовой мощности 20 и 12 кВт соответственно.
В данных условиях формирование пористости полностью прекращается при
частоте модуляции мощности лазера 16 Гц. Эта частота модуляция совпадает
с собственной частотой колебаний ванны расплавленного металла. Стабилиза-
ция парогазового канала была подтверждена радиографической съемкой, про-
веденной после подбора условий оптимальной модуляции. За счет оптимиза-
ции формы сигнала удается усилить эффект предотвращения формирования
пористости, это достигается путем оптимизации формы сигнала и модуляции
(рис. 2.22, а, б).
2.5.3. Дефектообразование при CO2-лазерной сварке с полным
проплавлением в один проход
При лазерной сварке с полным проплавлением в один проход образование по-
ристости, вызванной нестабильностью парогазового канала, менее вероятно,
но пористость возникает с помощью другого механизма. Типичный пример
показан на рис. 2.23, где лазерная сварка с полным проплавлением осущест-
влялась на стали C-Si-Mn без обратного экранирования (Tsukamoto et al., 2003).
На рис. 2.24, а показано рентгеновское изображения в проходящем свете при
CO2-лазерной сварке с полным проплавлением стали C-Si-Mn толщиной 15 мм
без обратного экранирования. Пузырьки образуются в расплавленном металле
за парогазовым каналом. Это вызвано пересыщенным азотом в ванне расплав-
ленного металла.
Во время лазерной сварки с полным проплавлением чрезмерная лазерная
энергия, которая проникает сквозь стальную пластину, образует воздушную
плазму на задней поверхности, как показано на рис. 2.24, б. Плазма содержит
много атомарного азота, который гораздо легче растворяется в расплавленной
стали, чем двухатомный азот (Dong et al., 2004). Концентрация азота в распла-
ве возрастает вблизи дна, и если она превышает растворимость двухатомного
азота, то в расплавленном металле образуются пузырьки. Эффективный способ
предотвращения появления такого типа пористости — это обратное экраниро-
вание инертного газа. Тем не менее, формируется усадочная трещина. И этот
процесс сопровождается локальным расширением секции поперечного сварно-
го шва, очень чувствительного к появлению усадочной трещины, как показано
на рис. 2.25, а (Tsukamoto et al., 2003). Образование такого поперечного сечения
сварного шва вызвано возмущением парогазового канала. Во время сварки
инертный газ поступает в канал от задней поверхности и расширяется в нем,
как показано на рентгеновском изображении в проходящем свете (рис. 2.25, б).
В свою очередь возникает локальное расширение канала, что ведет к образова-
нию усадочной трещины. Небольшое денитрирование такими элементами, как
алюминий, проявляет эффективность в борьбе с появлениями пористости без
формирования усадочной трещины (Tsukamoto et al., 2004). Достаточно 0,8 ве-
сового процента алюминия, чтобы предотвратить пористость в процессе сварки с полным проплавлением углеродистых сталей толщиной 15 мм (рис. 2.26).
В таком случае обратное экранирование инертным газом уже не является не-
обходимым условием, ведь тогда усадочная трещина в металле сварного шва
не образуется. Добавление никеля и углерода является также эффективной по-
мощью в предотвращении пористости (Tsukamoto et al., 2006). С увеличением
концентрации углерода или никеля в основном металле режим затвердевания
меняется с полностью ферритного на ферритно-аустенитный или аустенитно-
ферритный. Более высокая растворимость азота в аустенитной фазе предотвра-
щает образование пористости в сталях с высоким содержанием углерода или
никеля.
В последнее время были разработаны лазеры высокой мощности — воло-
конные и дисковые лазеры. Эти лазеры — очень привлекательные инструменты
для сварки пластин крупного сечения. Тем не менее остаются нерешенными
некоторые проблемы (Rominger, 2011). При использовании волоконных и дис-
ковых лазеров в сварке высока вероятность образования брызг, проплавления
на всю толщину и недостаточного заполнения. В некоторых случаях соблюдение
оптимальных условий сварки сильно ограниченно в сравнении с СО2-лазерной
сваркой. Механизмы различных процессов лазерной сварки с помощью CO2
и другими инструментами еще не очень хорошо изучены. Плазма парогазового
канала, достигающая высокой температуры и образующаяся при СО2-лазерной
сварке, может быть одним из факторов, способствующих стабилизации парога-
зового канала за счет увеличения Pg (см. уравнение (2.8)).
2.6. Промышленное применение СО 63 2-лазерной сварки
CO2-лазеры класса высокой мощности, которые способны осуществлять свар-
ку в режиме образования парогазового канала, были разработаны в середине
1970-х. С тех пор СО2-лазерная сварка стала использоваться в различных отрас-
лях промышленности. В этом разделе приведены некоторые примеры ее про-
мышленного применения.
2.6.1. Автомобильная промышленность
С конца 1970-х и 1980-х годов в автомобильной промышленности началось при-
менение CO2-лазерной сварки. Различные части силовых агрегатов, включая
элементы коробки передач, ступицы и валы, были сварены СО2-лазером (Petring,
2004). Высокая производительность, низкий приток тепла и низкий уровень
искажений стали основными преимуществами лазерной сварки по сравнению
с другими процессами. И до сих пор СО2-лазеры используются для этих задач.
Лазерная сварка широко внедрена в производство таких частей кузова автомо-
биля, как двери, передние и боковые панели, боковые балки и арки колес.
Как показано на рис. 2.27, плоские металлические листы, отличающиеся
толщиной, прочностью и разностью покрытий, соединяют лазерной сваркой
перед формовкой и обрезкой. Композиция из вариации листовых металлов по-
зволяет снизить вес автомобиля и уменьшить количество используемых компо-
нентов. Как следствие, общая стоимость производства снижается, и повышается
безопасность эксплуатации автомобиля за счет улучшения управления энерги-
ей удара при аварии. Эта техника получила индустриальное распространение
с середины 1980-х годов. Большинство сварочных линий для линейной сварки
оснащены СО2-лазерами мощностью 5—10 кВт. С другой стороны, Nd:YAG-, волоконные или дисковые лазеры используются главным образом для нелиней-
ной сварки. Применение лазерной сварки в кузовных цехах началось в середине
1980-х. Тогда некоторые автомобильные компании установили у себя 5 кВт-ные
CO2-лазеры, чтобы сваривать элементы кузова, готовые к покраске, например,
для присоединения крыши к боковым рамам. Тем не менее, в конце 1990-х годов
уровень использования СО2-лазеров снизился. Это было связано с установкой
на конвейерных линиях промышленных роботов с Nd:YAG-лазерами, которые
были приспособлены для проведения трехмерной лазерной сварки. Использо-
вание дистанционной лазерной сварки началась с 2000-х годов для производ-
ства компонентов кузова автомобиля. Лазерный модуль, снабженный высоко-
скоростными сканирующими зеркалами, формирует лазерное пятно, которое
быстро перемещается по обрабатываемой поверхности, покрывая требуемую
широкую область, и быстро сваривает отдельные участки. В таких модулях уста-
новлены лазеры с высоким качеством луча и большим фокусным расстоянием,
обычно большим одного метра. Слэб(Slab)-CO2-лазеры были впервые исполь-
зованы для получения лазерных пучков высокого качества. Их основные пре-
имущества — уменьшение тактового времени и высокая производительность.
Благодаря прогрессу в разработке и создании мощных дисковых и волоконных
лазеров с высоким качеством пучка появилась новая система дистанционной
сварки как части роботизированной сварки. Использование волоконных и дис-
ковых лазеров делает дистанционную сварку более гибкой и быстрой, благодаря
этому ее использование расширяется.
2.6.2. Авиационная промышленность
Airbus начал применять СО2-лазеры для сварки стрингера и обшивки фюзеляжа
на панелях самолетов в начале 2000-х (Schumacher et al., 2002; Vollertsen et al.,
2004).
Это было достигнуто благодаря развитию лазерных сварочных моду-
лей, а также благодаря созданию сплава Al-Mg-Si-Cu. Вместо обычной клеп-
ки стрингеры соединяют с обшивкой путем одновременной лазерной сварки
с обеих сторон, как показано на рис. 2.28. Чтобы избежать образования горячих
трещин, используется сварочная проволока Al-12% Si. Снижение веса, высокая
производительность, улучшение коррозионной стойкости и хорошие экономи-
ческие характеристики являются основными преимуществами замены тради-
ционного процесса клепки лазерной сваркой.
2.6.3. Судостроение
Первым применением лазерной сварки в судостроении стало производство
трехслойных панелей на верфи Meyer Werft в середине 1990-х (Roland et al.,
2004). Тогда производилась сварка плоских панелей до 10 мм в толщину к балкам с помощью СО2-лазера мощностью 12 кВт (рис. 2.29). С применением новой
технологии были достигнуты высокие показатели: снижение веса при высокой
прочности, повышение твердости и уменьшение уровня искажений. В Европе
в середине 1990-х годов был разработан ряд национальных проектов с исполь-
зованием основных принципов лазерной сварки в среде CO2. Это форсировало
применение лазерной сварки в области судостроения. Сварка длинных прямых
стыковых швов и угловая сварка толстых стальных пластин были внедрены
в компаниях Odense Steel Shipyard (Sellerup, 1999), Fincantiaeri (Manzon, 1998)
и Blohm & Boss (Kahl, 1998) в конце 1990-х годов. Используемая ими линия со-
стоит из платформы, оснащенной мощными СО2-лазерами от 12 до 18 кВт. Ли-
ния включает в себя системы контроля и управления с обратной связью, под-
готовку краев и систему обработки и/или систему подачи проволоки. Наиболее
привлекательным преимуществом установки лазера высокой мощности явля-
ется уменьшение искажений, это значительно снижает общие трудозатраты
на дополнительные операции правки.
Улучшение механической точности позволило автоматизировать производ-
ственную линию и достичь высокого уровня производительности. В компании
Meyer Werft были установлены четыре лазер/GMA гибридных сварочных уста-
новки с конца 1990-х до начала 2000-х годов (Roland et al., 2004). И в настоящее
время доля гибридных сварных швов на большом круизном судне близится
к 50% от общей длины всех швов. Благодаря гибкости систем подачи волокна
на некоторых судостроительных предприятиях были установлены волоконные
и дисковые лазеры. Тем не менее, от СО2-лазеров предпочитают не отказывать-
ся, так как они обеспечивают стабильность сварочного процесса. Эти лазеры
также установлены на новых линиях.
2.6.4. Металлургия
С начала 1980-х годов в металлургии стали использовать 5—10 кВт СО2-лазеры
для сварки листов горячего или холодного проката на линиях непрерывной
сварки. Замена стыковой сварки на лазерную сварку привела к тому, что каче-
ство сопряжения листов было значительно улучшено. В начале 2000-х годов для
сварки горячих стальных стержней толщиной 30 мм на непрерывной линии чи-
стовой прокатки были применены два 45 кВт-ных CO2-лазера (Minamida, 2002).
В начале 1980-х годов для повышения производительности СО2-лазеры стали
использовать для изготовления сварных труб малого диаметра из нержавеющей
стали. И до сих пор в этой области применяются CO2-лазеры. В середине 1990-х
годов для изготовления труб со средним диаметром и толстостенных труб была
применена сварка СО2-лазером мощностью 25 кВт в сочетании с высокочастот-
ной индукционной катушкой подогрева (Hayashi et al., 1996;. Ono et al., 2001).
2.6.5. Другие применения
Высокомощные CO2-лазеры оказались востребованными при изготовлении из-
делий по заказам некоторых химических заводов, например. заводов по пере-
работке нефти. На рис. 2.30 показано широкое ограждение из толстых листов
нержавеющей стали, изготовленных с помощью СО2-лазера.
Тавровые профили также могут быть изготовлены при помощи СО2-лазеров
(рис. 2.30, б), где 25 мм стрингер приварен к балке. Компоненты плазменного
реактора, используемого для производства таких сложных полупроводниковых
материалов, как углеродные нанотрубки, изготавливаются также методом ла-
зерной сварки в среде CO2, потому что СО2-лазерная сварка обеспечивает низ-
кий уровень искажений. По этой же причине сварка с помощью СО2-лазеров
является одной из технологических операций при производстве коньковой
спортивной обуви.
2.7. Дальнейшие перспективы
Лазерная сварка СО2 применялась в различных отраслях промышленности с се-
редины 1970-х годов. В начале 1990-х годов были разработаны Nd:YAG-лазеры
мультикиловаттного класса. Их большое преимущество заключается в системе
подачи лазерного излучения в рабочую зону по оптоволокну, хотя, заметим, ка-
чество пучка YAG-лазеров стержневого уступает качеству пучка CO2-лазеров.
Поэтому применение YAG-лазерной сварки ограничено в основном областью
сварки тонких пластин. В середине 2000-х годов были разработаны дисковые
и волоконные лазеры высокой мощности. Поскольку качество луча этих ла-
зеров очень высокое, их стали использовать не только для сварки тонких пла-
стин, но и при сварке тяжелых крупных профилей. По причине бурного разви-
тия и внедрения этих лазеров заметно снижается использование СО2-лазерной
сварки в индустрии. Тем не менее, остается ряд задач, по-прежнему недоступ-
ных для волоконной и дисковой лазерной сварки из-за сопровождающих их
проблем полного оплавления, разбрызгивания и наличия узкого диапазона
оптимальных условий для проведения процесса сварки. Пока эти проблемы
не будут решены, CO2-лазерная сварка по-прежнему будет востребована, а CO2-
лазеры — пользоваться спросом.
2.8. Благодарность
Автор выражает благодарность г-ну М. Дамену, Институт Фраунгофера лазер-
ных технологий, за его полезную информацию о процессе сварки в среде CO2
и ее практических применениях.
2.9. Литература
Allmen [1]. M. von and Blatter A. (1995), Laser Beam Interaction with Materials, 2nd edn. Berlin:
Springer.
[2]. Chandrasekhar S. (1961), Hydrodynamic and Hydromagnetic Stability. (1961), Oxford: Clarendon
Press.
[3]. Davis J. (2001), Slab lasers, in LIA Handbook of Laser Materials Processing, edited by
Ready J. F. and Farson D. F., Orlando, FL: Laser Institute of America.
[4]. Dong W., Kokawa Y., Tsukamoto S., Sato Y. S. and Ogawa M. (2004), Mechanism governing
nitrogen absorption by steel weld metal during laser welding, Metall. Mater. Trans. B,
35B, 331—338.
[5]. Hayashi T., Inaba Y., Matuhito Y., Yamada T. and Kudo T. (1996), Development of high
power welding process for pipe, Proc. ICALEO 1996, D, 132—140.
[6]. Hughes T. P. (1975), Plasma and laser light. The Institute of Physics, Bristol: Adam Hilger,
39—54.
[7]. Ishide T., Nagura Y., Matsumoto O., Nagashima T., Kidera T. and Yokoyama A. (1992),
High power YAG laser welded sleeving technology for steam generator tubes in nuclear
power plants, Proc. LAMP 1992, 957—962.
[8]. Kahl A. (1998), Compact shipyard, Proc. Intel. Conf. IIWʼ98, DVS195, 60—63.
[9]. Katayama S. (2009), Laser welding for manufacturing innovation, J. Japan Welding Society,
78, 682—692 (in Japanese).
[10]. Katayama S., Seto N., Kim J. D. and Matsunawa A. (1997), Formation mechanism and
reduction method of porosity in laser welding of stainless steel, Proc. ICALEOʼ97, G-83—
92.
[11]. Manzon L. (1998), Welding in shipbuilding industry, Welding Review International, May,
6—8.
[12]. Matsunawa A. (2001), Problem and solutions in deep penetration laser welding, Sci. Technol.
& Weld Joining, 6, 351—354.
[13]. Matsunawa A., Kim J. D. and Katayama S. (1997), Porosity formation in laser welding,
Proc. ICALEOʼ97, G-73—82.
[14]. Mazumder J., Rockstroh T. J. and Krier H. (1987), Spectroscopic studies of plasma during
cw laser gas heating in fl owing argon, J. Appl. Phys., 62, 4712—4718.
[15]. Minamida K. (2002), High power laser applications in Nippon Steel Corporation, Proc.
SPIE, 4831, 402—410.
[16]. Miyamoto I. and Maruo H. (1992), Spacial and temporal characteristics of laser-induced
plasma in CO2 laser welding, Proc. LAMPʼ92, 311—316.
[17]. Modest M. F. (2001), Refl ectivity and absorptivity of opaque surface, in LIA Handbook of
Laser Materials Processing, edited by Ready J. F. and Farson D. F., Orlando, FL: Laser Institute
of America, 182.
[18]. Mori K. and Miyamoto I. (1997), In-process monitoring of laser welding by the analysis of
ripples in the plasma emission, J. Laser Application, 9, 155—159.
[19]. Ono M., Shinozaki T., Shinbo Y., Sekine Y., Iwasaki K. and Takahashi M. (2001), Development
of high power pipe welding process, Quarterly J. Japan Welding Society, 19, 233—
240.
[20]. Petring D. (2004), Laser applications in European automotive manufacturing: Historical
review and recent trends, J. Japan Welding Society, 73, 7—14.
[21]. Poueyo A., Deshors D., Fabbro R., de Frutos A. M. and Orza J. M. (1992), Study of laser
induced plasma in welding conditions with continuous high power CO2 laser, Proc.
LAMPʼ92, 323—328.
[22]. Rayleigh J. W. S. (1945), The Theory of Sound, Vol. 2. New York: Dover Publications.
[23]. Rockstroh T. J. and Mazumder J. (1987), Spectroscopic studies of plasma during cw laser
materials interaction, J. Appl. Phys., 61, 917—923.
[24]. Roland F., Manzon L., Kujala P., Brede M. and Weitzenbock J. (2004), Advanced joining
techniques in European shipbuilding, J. Ship Production, 20, 200—210.
[25]. Rominger V. (2011), High-performance laser welding — a comparison of CO2 lasers and
high brilliance solid-state lasers, Laser Tech. J., 8, 32—35.
[26]. Schumacher J., Zerner I., Neye G. and Thormann K. (2002), Laser beam welding of aircraft
fuselage panels, Proc. ICALEO 2002.
[27]. Sellerup M. (1999), Laser welded ship are afl oat, Industrial Laser Solution, April, 20—22.
[28]. Sokolowski W., Herziger G. and Beyer E. (1988), Spectral plasma diagnostics in welding
with CO2 lasers, Proc. SPIEʼ88, 1020, 96—102.
70 Глава 2. Развитие СО2-лазерной сварки
Sokolowski W., Herziger G. and Beyer E. (1989), Spectroscopic s [29]. tudy of laser induced plasma
in the welding process of steel and aluminium, Proc. SPIEʼ89, 1132, 288—295.
[30]. Tsukamoto S., Hiraoka K., Asai Y., Irie H. and Yoshino M. (1996), Characteristics of stably
induced laser plasma, Proc. ICALEOʼ96, 81, B76—B85.
[31]. Tsukamoto S., Asai Y., Tanaka H. and Shida T. (1999), High-speed measurement of plasma
temperature in CO2 laser welding, Proc. ICALEO ʼ99, 87, D73—D82.
[32]. Tsukamoto S., Kawaguchi I., Arakane G. and Honda H. (2001), Suppression of porosity
using pulse modulation of laser power in 20 kW CO2 laser welding, Proc. ICALEO 2001,
C1702.
[33]. Tsukamoto S., Kawaguchi I., Arakane G. and Honda H. (2002), Keyhole behaviour in high
power laser welding, Proc. SPIE, 1st Intl. Symp. on High Power Laser Macroprocessing, 4831,
251—256.
[34]. Tsukamoto S., Arakane G., Kawaguchi I. and Honda H. (2003), Keyhole behaviour in high
power laser welding of thick steel plates, Proc. ICALEO 2003, A176—A183.
[35]. Tsukamoto S., Arakane G., Honda H. and Kuroda S. (2004), Formation mechanism and
prevention of weld defects in full penetration laser welding of thick steel plates, Proc. ICALEO
2004, 104—110.
[36]. Tsukamoto S., Arakane G., Kojima K., Otani T. and Ohkita S. (2006), Eff ect of alloying
elements on porosity formation in laser welding of heavy section steel plates, Proc.ICALEO
2006, 26—33.
[37]. Verwaerde A. and Fabbro R. (1995), Experimental study of continuous CO2 laser welding at
subatmospheric pressure, J. Appl. Phys., 78, 2981—2984.
[38]. Vollertsen F., Schumacher J., Schneider K. and Seefi eld T. (2004), Innovative welding
strategies for the manufacture of large aircraft, Proc. IIW Intl. Conf. 2004.
Более 50 лет прошло с тех пор, как при излучении импульсного рубинового лазера впервые был получен лазерный луч. С тех пор появилось много лазеров, в том числе разработанных специально для использования в индустрии — мощные СО2-лазеры, YAG-лазеры с волоконной доставкой излучения и коротковолновые эксимерные лазеры. В последнее время значительное внимание уделяется развитию высокоэффективных полупроводниковых лазеров, высококачественных дисковых лазеров и мощных, высоко яркостных и малогабаритных волоконных лазеров. Кроме того, с появлением новых приложений для лазерных инструментов стали разрабатываться твердотельные лазеры, излучающие на второй или третьей гармонике, так называемые зеленые или ультрафиолетовые лазеры, и ультракоротко импульсные лазеры, получившие название — фемтосекундные (фс) или наносекундные (нс). Соответственно, в настоящее время разработано множество различных технологических методов на основе лазерной обработки материалов, включая процессы удаления материала (резка и сверление), процессы соединения (сварка, высокотемпературная и низко температурная пайка), процессы обработки поверхности (упрочнение в результате
фазового превращения, плакирование и отжиг). Особенностью современных
индустриальных лазеров стала разработка периферической аппаратуры, кото-
рая становится неотъемлемой частью лазерного инструмента — это оправки, за-
жимные приспособления, системы мониторинга и фокусирующая оптика, они
позволяют включить лазеры в автоматические линии сварки, резки и бурения
с целью улучшения этих процессов. Таким образом, мы видим, что лазерная об-
работка по-прежнему остается важной технологией двадцать первого века.
Среди технологий, предназначенных для обработки материалов лазером,
особо выделяется лазерная сварка, включившая в себя последние достижения
в разработке лазерных устройств. Для ее правильного применения и использо-
вания требуется ясное понимание физических механизмов и явлений, сопрово-
ждающих лазерную сварку. Поэтому в книге рассмотрены разнообразные ла-
зерные или гибридные процессы сварки, сварка различных видов материалов,
книга включает в себя также описание металлургических, химических и меха-
нических аспектов сварки и обращена к студентам, инженерам, ученым и пре-
подавателям, занимающихся или интересующихся лазерной сваркой. Книга
разделена на четыре части: базовые основы технологии лазерной сварки, лазер-
ная сварка различных материалов, развитие технологии лазерной сварки и при-
менения лазерной сварки, охватывающие практически все вопросы лазерной
сварки.
Автор хотел бы выразить свою признательность за сотрудничество и вклад
всех авторов. Кроме того, автор хотел бы поблагодарить Ms Rachel Cox, Ms Anneka
ПредHess, Ms Laura Pugh и Ms Sarah Lynch из издательства Woodhead Publishing
Limited за их поддержку, помощь и тяжелую работу. Автор очень надеется на то,
что его книга станет важной и полезной для всех, кто интересуется лазерной
сваркой — от новичков до экспертов или специалистов — и то, что использова-
ние технологий лазерной сварки будет расширяться во всем мире.
С. Катаяма
Предисловие редактора перевода
Хорошие обзоры последних достижений лазерной сварки представлены в тру-
дах различных конференций и в ряде книг. Однако тем, кто лишь начина-
ет применять лазерную или тандемную лазерную сварку или рассматривает
возможность использовать на своем предприятии гибридную лазерную свар-
ку, зачастую довольно трудно составить цельное представление об основных
принципах и особенностях применения лазерных методов в сварке. Эта книга
позволяет преодолеть подобные трудности, давая основные принципы и приво-
дя практические значения рабочих параметров лазерной сварки.
Перед вами справочник по лазерной сварке, составленный под руковод-
ством Сейдзи Катаямы, генерального директора Исследовательского инсти-
тута соединений и сварки Университета Осаки (Япония) JWRI. Его работы
в свое время произвели революцию в лазерной сварке алюминия и в создании
металло-пластиковых соединений.
Существует немало превосходных учебников по сварке, эта книга — не учеб-
ник. Здесь подробно рассмотрены лишь те характеристики лазеров, которые
существенны для использования в сварке: диапазон длин волн излучения,
режимы генерации, форма импульса, параметр качества пучка, поляризация
излучения. Главы этой книги можно комбинировать различным образом для
использования в работе. Можно начинать с раздела II, посвященного конкрет-
ным технологиям, а затем для справки переходить к главам раздела I, где даны
базовые принципы физических процессов сварки и раскрыты причины появле-
ния дефектов, дано обоснование выбора лазера именно с такой длиной волны.
В разделе III можно почерпнуть информацию о методах численного моделиро-
вания процесса лазерной сварки. Там же описана процедура калибровки инстру-
ментов в роботизированной сварке. Не пропустите раздел IV, где представлены
конкретные значения рабочих параметров и условий сварки в промышленных
применениях, здесь много информации для сравнения результатов численного
моделирования с полученными на практике. Каждую главу завершает прогноз
развития данного метода лазерной сварки.
В основе всех представленных прогнозов — стремительное появление
на рынке самых разных материалов. Это отражает происходящий в индустрии
сдвиг в сторону создания облегченных кузовных конструкций и, наоборот, на-
дежных толстостенных конструкций. Новые материалы дают толчок развитию
технологий соединения. И хотя некоторые из процессов лазерной сварки все
еще находятся в стадии эксперимента, уже ясно — лазер это очень гибкий ин-
струмент. Он легко встраивается в уже существующие технологические цепоч-
ки и соединяет материалы, которые еще недавно считались не свариваемыми.
Лазерная сварка готова опровергнуть это устоявшееся мнение.
В издательстве «Техносфера» уверены, что справочник по сварке будет по-
лезен как людям, имеющим опыт в лазерной сварке, так и новичкам. Ведь в ре-
дактировании перевода справочника нам помогали признанные отечественные
специалисты в области лазерной обработки материалов. Прежде всего, редак-
тор выражает благодарность Игнатову Александру Геннадьевичу (компания
«Лазер ИнформСервис», Санкт-Петербург) за критические замечания и за кон-
сультацию при переводе терминов по лазерной сварке. Слова признательности
за неиссякаемую доброжелательность и поддержку работы мы адресуем Горно-
му Сергею Георгиевичу (компания «Лазерный центр», Санкт-Петербург) и Ле-
бяжьеву Александру Николаевичу (компания «АТЕКО-ТМ», Москва).
Н. Л. Истомина Апрель 2015 г.
Часть I.
Основные принципы технологии лазерной сварки и ее развитие
ГЛАВА 1
Введение: Основы лазерной сваркиS. Katayama, JWRI1, Университет Осаки, Япония
DOI: 10,1533 / 9780857098771.1.3
Аннотация. В этой главе описываются характеристики лазерной сварки,
особенности основных видов лазеров, используемых для сварки, факторы,
влияющие на глубину проплавления, лазерные сварочные явления, включающие
поведение лазерноиндуцированной плазмы, парогазового канала и металлического
расплава в сварочной ванне во время лазерной сварки. Также рассматриваются
дефекты сварки и современные тенденции лазерной сварки2.
Ключевые слова: лазерная сварка, CO2-лазер, YAG-лазер, волоконный лазер,
диодный лазер, передача лазерного излучения по волокну, сварочные явления,
дефекты сварки, плазменный факел, глубокое проплавление, условия сварки.
1.1. Характеристики лазерной сварки
Сварка — наиболее универсальный и действенный способ соединения эле-
ментов при промышленном конструировании в самых разнообразных ин-
дустриальных областях. Лазер — тепловой источник с высокой плотностью
энергии. Поэтому лазерная сварка признана всеми как передовая технология
соединения материалов лазерным лучом высокой мощности и высокой плот-
ности энергии. Соответствие между распределением плотности мощности при
разных видах сварки (лазерной, электронно-лучевой, плазменной и дуговой).
Плотность мощности лазерного луча эквивалентна плотности мощности
электронного луча и значительно превышает плотность, возникающую у дуги
или плазмы. Соответственно, лазерный или электронный луч с высокой плот-
ностью мощности может создавать глубокий и узкий парогазовый канал и фор-
мировать глубокую и узкую область проплавления. Для устойчивого проведения
процесса сварки с глубоким проплавлением при электронно-лучевой сварке не-
обходимо использовать вакуумную камеру, предусмотрев в ней защиту от рент-
геновского излучения, причем для сварки стальных пластин требуется еще и их
предварительное размагничивание. Дуговая и плазменная сварка осущест-
вляться в вакууме не могут. Однако лазерная сварка может вестись в вакууме,
создавая прочный и глубокий сварной шов, способом, аналогичным тому, что
применяется, как описано в разд. 1.5, при электронно-лучевой сварке. В целом
скорость лазерной сварки выше, чем скорость дуговой или плазменной сварки.
Среди всех сварочных процессов лазерная сварка реализует самые разноо-
бразные соединения металлов или пластиков толщиной от очень тонких листов,
примерно 0,01 мм, до толстых пластин, около 50 мм, в среде защитного газа, та-
кого как гелий (He), аргон (Ar) или иногда азот (N2) в воздушной среде. Данный
способ приобрел большую популярность как перспективная высококачествен-
ная технология соединения, обеспечивающая высокую точность, высокую про-
изводительность, высокую скорость, гибкость и низкое искажение [1—4]. Ее так-
же можно использовать для роботизации, снижения использования ручного
труда, полной автоматизации и систематизации на производственных линиях.
Поэтому с развитием новых лазерных инструментов и разработкой новых про-
цессов соединений растет и ряд практических способов использования лазерной
сварки. Для того, чтобы при проектировании соединения с помощью сварки сде-
лать правильный выбор лазерного инструмента, важно знать не только характер
излучения лазера (PW — Pulse Welding, лазерная сварка импульсным излучением;
CW — Continuous Welding, лазерная сварка непрерывным излучением), его пара-
метры и возможности лазерных инструментов. Важно также знать и факторы,
влияющие на глубину проплавления, условия возникновения дефектов, меха-
низмы поведения материалов при сварке, величину свариваемости материалов
и механические свойства сварных соединений. Для получения более подробной
информации об этом воспользуйтесь ссылками в конце этой главы [1—4].
1.2. Лазеры для сварки
Основные виды и характеристики лазеров, используемых для сварки, приве-
дены в табл. 1.1. А на рис. 1.2 схематически представлены типичные лазерные
системы: на основе CO2- и Nd:YAG-лазеров. Газовые CO2-лазеры, излучающие
на длине волны 10,6 мкм, обладают лучом высокого качества и легко достигают
высокой мощности (максимальная мощность лазера — 50 кВт; лазеры с уровнем
мощности 1—15 кВт используют, в основном, при сварке сталей, автомобиль-
ных деталей, самолетов, судов и т. д.). При лазерной сварке в среде защитного
газа CO2 следует принимать во внимание следующие проблемы:
излучение от высокомощных лазеров должно передаваться в рабочую
зону с помощью зеркал, а не оптического волокна;
• плазма Ar, которая уменьшает глубину проплавления, может быть легко
сформирована в защитный газ Ar.
Твердотельный Nd:YAG-лазер с длиной волны 1,06 мкм может работать
в импульсном или непрерывном режиме, а его излучение может доставляться
в рабочую зону по оптическому волокну. Импульсные лазеры используются при
сварке мелких деталей, таких как корпусы аккумуляторов, электрические ком-
поненты, стеклянные рамки и т. д. Непрерывные лазеры мощностью 2—7 кВт
используются для лазерной сварки точно подогнанных заготовок, алюминие-
вых автомобилей, стальных листов с цинковым покрытием, труб и контейнеров
из нержавеющей стали и т. д. Недостаток подобных Nd:YAG-лазеров с ламповой
накачки — низкий электрический КПД (отношение выходной мощности лазера
к потребляемой инструментом электроэнергии) менее 4%. Поэтому разработки
новых высокомощных CO2- и YAG-лазеров пока затормозились. Вместо них по-
лучили развитие твердотельные YAG-лазеры с диодной накачкой мощностью
до 6—10 кВт. Однако в последнее время большие обещания достижения высо-
ких показателей мощности, эффективности и качества пучка демонстрируют
дисковые и волоконные лазеры, гораздо более высокие, нежели YAG-лазеры
с ламповой или диодной накачкой.
Подача лазерного излучения к рабочей зоне осуществляется через волок-
но. Этот способ отличается хорошей гибкостью, применяется при использо-
вании Nd:YAG-лазеров с ламповой или диодной накачкой, диодных лазеров,
Yb:дисковых и Yb:волоконных лазеров.
В последние десятилетия основные разработки высокомощных лазеров, об-
ладающих высоким качеством пучка, сфокусированы на создании лазерных
Подача лазерного излучения к рабочей зоне осуществляется через волок-
но. Этот способ отличается хорошей гибкостью, применяется при использо-
вании Nd:YAG-лазеров с ламповой или диодной накачкой, диодных лазеров,
Yb:дисковых и Yb:волоконных лазеров.
В последние десятилетия основные разработки высокомощных лазеров, об-
ладающих высоким качеством пучка, сфокусированы на создании лазерных
энергии для дистанционной сварки (см. рис. 1.3). Дистанционная лазерная
сварка роботом со сканером — наиболее перспективная технология соедине-
ния, она отличается высокими показателями скорости и производительности.
Будущее использование этих лазеров связывают с развитием технологий сварки
электрических компонентов, автомобилей, поездов, мостов, трубопроводов, су-
дов, самолетов и т. д.
1.3. Эффекты, возникающие при лазерной сварке
Существуют различные виды лазерных сварных соединений, они показаны
на рис. 1.4. Стыковые соединения и соединения внахлест обычно сваривают при
помощи импульсных или непрерывных лазеров. Типичные явления, возника-
ющие при непрерывной и импульсной лазерной сварке, схематично изображе-
ны на рис. 1.5. В зависимости от сочетания плотности мощности и длительно-
сти воздействия лазерного излучения на материал морфология точечного или
валикового сварного шва формируется по типу теплопроводности или парога-
зового канала. Когда лазерное излучение падает на металлическую пластину,
оно взаимодействует со свободными электронами в металле, и те поглощают
его. Абсорбция лазерной энергии приводит к повышению энергии свободных
электронов, находящихся внутри зоны взаимодействия. И они одновременно
с поглощением, сталкиваясь с другими движущимися электронами, узлами
кристаллической решетки, ее дефектами, неоднородностями и разными при-
месями, передают им энергию. В результате при соударениях лазерная энер-
гия переходит в тепловую энергию колебаний решетки, и температура поверх-
ности пластины возрастает. С ростом температуры твердого тела поглощение
лазерного излучения слегка увеличивается, но при достижении температуры
плавления абсорбция начинает возрастать и значительно увеличивается, когда
температура в облучаемой лазером области достигает точки кипения. С этого
момента почти вся лазерная энергия тратится на испарение, а потери на тепло-
проводность становятся несущественными. Остаточное давление от испарений
приводит к образованию каверны или парогазового канала. Коэффициент свя-
зи (поглощение) лазерной энергии с металлом схематически показан на рис. 1.6.
Он увеличивается в зависимости от температуры и состояния поверхности.
Поскольку лазерное поглощение в случае формирования парогазового канала
из-за многократных отражений излучения внутри канала чрезвычайно увели-
чивается, то парогазовый канал при сварке с глубоким проплавлением рассма-
тривается как эффективный процесс соединения.
С началом образования парогазового канала над поверхностью появляется
яркий светящийся факел выбрасываемых испаряющихся атомов металлов и ча-
стиц конденсированного пара. Разбрызгивание капель расплава иногда проис-
ходит из-за попадания сильной струи испарений в парогазовый канал.
Сечения лазерных сварных швов алюминиевого сплава, полученные с по-
мощью лазерной CO2-сварки при мощности 5 кВт в среде защитного газа He, N2
или Ar, представляет рис. 1.7. Глубина проплавления при двух скоростях сварки
уменьшается в следующем порядке: He, N2, Ar. Примеры снимков, выполнен-
ных высокоскоростной видеосъемкой во время лазерной CO2-сварки при выше-
описанных условиях, показаны на рис. 1.8. Ar плазма и N плазма наблюдаются
в соответствующих газах, хотя признаков He плазмы во время сварки не видно.
Вполне понятно, что уменьшение глубины проплавления при работе с СО2-
Коэффициент лазером, особенно в газах Ar и N2, связано с их тенденцией к формированию
плазмы и стремлением к стабилизации ее объема в пространстве. Чтобы полу-
чить глубокое проплавление при сварке высокомощными СО2-лазерами, требу-
ется использовать газовую смесь с концентрацией He более 50%. Формирование
плазменного факела и/или плазмы и их воздействие на глубину проплавления
представлены на рис. 1.9. Ar плазма или N плазма легко формируются в слу-
чае СО2-лазерной сварки, в то время как при сварке YAG-, дисковым и воло-
конным лазером лазерно-индуцированный факел создается только из парога-
зового канала. С точки зрения механизма поглощения взаимодействие между
излучением СО2-лазера и газовой плазмой происходит за счет обратнотормоз-
ных электронов, образующихся в поле ионов и нейтральных атомов и влияния
плазмы. В случае использования СО2-лазера действие механизма обратного
тормозного поглощения примерно в 100 раз выше, чем у YAG-, дискового или
волоконного лазера. Температура плазменного факела во время сварки с дли-
ной волны лазера около 1 мм оценивается около 3000—6000 К в зависимости
от величины плотности мощности примерно в 1—1000 кВт/мм2. Возникновение
данных эффектов относят к рефракции, появляющейся из-за разницы между
оптическими плотностями факела и окружающей среды, а также к рэлеевскому
рассеянию — из-за образования ультрадисперсных частиц. При высоком плаз-
менном факеле и, как следствие, существовании низкого показателя преломле-
ния глубина проплавления значительно уменьшается. И механизм формирова-
ния глубины проплавления меняется от типа образования парогазового канала
к типу теплопроводности (в фокальном пятне) за счет отражения луча и сме-
щения вниз фокального пятна. При отсутствии высокого факела или области
низкого показателя преломления (а именно: толщины области взаимодействия
плазменного факела с лазерным лучом) достигается глубокое проплавление.
Поведение расплава в сварочной ванне и у поверхности наблюдают с помо-
щью построения изображений методом рентгеновской литографии и высоко-
скоростных видеокамер. Соответственно понятно, что глубина проплавления
сварного шва определяется, главным образом, глубиной парогазового канала
и частично нисходящим потоком расплава вокруг его основания, как показано
на рис. 1.10. На поток расплавленного метала у поверхности влияют поверхност-
ное натяжение расплава и сдвиг потока за счет сильной плазменной струи, вы-
брасываемой из парогазового канала, в результате чего около поверхности про-
исходит формирование типичной формы широкого или узкого сварного шва.
1.4. Глубина проплавления и дефекты сварки
Для соединения мелких деталей применяют точечную сварку импульсным ла-
зером. Сварные швы с глубоким проплавлением формируются при увеличении
длительности импульса вблизи фокального пятна, образуемого с помощью
системы фокусирующих линз. Тем не менее, максимальная глубина прочной
точечной сварки обычно менее 1,5 мм или 3 мм в контролируемых условиях.
Потому что в этих условиях легко образуется пористость, особенно в мелких
сварных швах при очень кратком времени облучения и в глубоких швах, вы-
полненных с помощью лазерного импульса с прямоугольной формой фронта.
Отсюда становится ясно, что, изменяя форму импульса на медленно возраста-
ющую и падающую во времени мощность, можно достичь снижения разбрыз-
гивания и уменьшения пористости. Соответствующие результаты и примеры
будут рассмотрены далее в гл. 12. Сварные швы с глубоким проплавлением эф-
фективно формируются при сварке непрерывными лазерами с высокой мощно-
стью. Глубина проплавления сварных швов, получаемых при сварке материалов
из нержавеющей стали с помощью волоконного лазера с пучками различных
диаметров и мощностью 6 кВт и 10 кВт в среде защитного газа Ar, представлена
на рис. 1.11. Во время сварки волоконным лазером высокой мощности глубокое
проникновение может быть достигнуто даже с защитным газом Ar, хотя в этом
случае глубина проплавления уменьшается за счет обратного тормозного по-
глощения, возникающего из-за образования газовой Ar плазмы, как и в случае
применения СО2-лазерной сварки [3]. Глубина проплавления уменьшается так-
же и с увеличением скорости сварки. Но на высоких скоростях она становит-
ся больше, если используется мощный узкий пучок. Становится понятно, что
на низких скоростях доминирующим параметром становится мощность лазера.
При скорости менее 3 м/мин (50 мм/с) глубина проплавления получается боль-
ше при 10 кВт, чем при лазере с мощностью 6 кВт. При низких скоростях сварки
легко формируется пористость, в то время как при высоких скоростях пори-
стость предотвращается. Но вспученность или разбрызгивание (в зависимости
от меньшего или большего диаметра луча, соответственно) приводит к недоста-
точному наполнению. При определенных условиях легко образуются дефекты
сварки, такие как пористость, трещины, вспученности, недостаточное напол-
нение и т. д. Эти явления и способы их предотвращения будут описаны в гл. 12.
1.5. Эволюция лазерной сварки
В низком и высоком вакууме могут быть получены прочные швы с чрезвы-
чайно большой глубиной проплавления, как показано на рис. 1.12. Глубина
проникновения лазерных сварных швов, полученных при низких скоростях
в вакууме (даже при низком вакууме), сопоставима с глубиной швов, получен-
ных электронно-лучевой сваркой [5]. Лазерная сварка может также использо-
ваться при присоединении одного или различных видов пластиков, разнород-
ных металлов, таких как чугун и сталь, сталей и алюминиевых сплавов, или
металлов и пластмасс [6]. Недавно было показано, что прочные соединения
внахлест можно производить при соединении сталей и легких металлов, таких
как алюминиевые или магниевые сплавы, или между металлами, такими как
сталь, нержавеющая сталь, алюминиевые сплавы и титановые сплавы, и инже-
нерными пластиками, такими как PA (PolyAmide, полиамид), PET (PolyEthylene
Terephthalate, полиэтилентерефталат) и PC (PolyCarbonate, поликарбонат) [6].
Рис. 1.13 [7] показывает лазерное соединение внахлест нержавеющей стали
типа 304 и пластиковых листов PET до и после испытания на сдвиг при рас-
тяжении. В расплавленной пластмассе в области соединения наблюдается об-
разование мелких пузырьков, также показано удлинение основного пластика
PET. На рис. 1.14 [7] представлен снимок поперечного сечения SEM и TEM
рядом с областью соединения при большем увеличении и рентгенограммы
что такие оксидные пленки всегда образуются в качестве промежуточного слоя
между пластиком и металлом в любых комбинациях. Изображения SEM и TEM
ясно показывают образование плотного стыка и то, что лазерное соединение
частично осуществляется за счет химического или физического соединения
расплавленного пластика с тонкой оксидной пленкой, покрывающей основ-
ной металл. Эти результаты подтверждают возможность достижения прочного
соединения между металлом и пластиком. Лазерное соединение внахлест без
промежуточного слоя металлических и пластиковых листов происходит следу-
ющим образом: лазер направляют через прозрачный пластиковый лист или не-
посредственно прямо на металлическую пластину, а затем пластину нагревают,
чтобы расплавить пластмассу в месте соединения. Тогда появятся пузырьки. Не-
которое их количество выталкивает расплавленный пластик в поверхностный
слой металла. Плотный стык металла и пластмассы выполняется с помощью
механизмов химического, физического (силы Ван-дер-Ваальса) и механическо-
го (эффект якоря) соединения. Также было успешно получено лазерное соеди-
нение металлической пластины с листом GFRP (Glass Fiber Reinforced Plastics;
пластики, армированные стекловолокном) или CFRP (Carbon Fibre Reinforced
Plastics, углепластик, или иначе — пластики, армированные карбоновым волок-
ном) [8].
Для получения прочных высококачественных сварных швов требуется кон-
троль процесса. Его можно осуществить с помощью on-line зондирования или
адаптивного управления системой во время процесса лазерной сварки [3, 4].
Важными индикаторами для контроля являются отраженное лазерного из-
лучения и тепловое излучение, исходящее от лазера и сварочной ванны [9, 10].
Непосредственное наблюдение за ходом лазерной сварки также важно с точки
зрения понимания механизмов формирования дефектов. В последнее время
большие успехи были достигнуты в этом виде исследований, и разработанные
системы контроля затем нашли свое место в практических приложениях.
1.6. Справочная литература
[1]. Katayama S. (2012), Laser welding, Ferrum (Bulletin of the Iron and Steel Institute of
Japan), 17(1) 18—29 (in Japanese).
[2]. Katayama S. (2012), Laser welding of aluminum alloys, Keikinzoku (Journal of Japan Institute
of Light Metals), 62(2) 75—83 (in Japanese).
[3]. Katayama S. (2005), New development in laser welding, in New Developments in Advanced
Welding, ed. by N. Ahmed. Cambridge: Woodhead Publishing pp. 158—197.
[4]. Katayama S. (2010), Understanding and improving process control in pulsed and continuous
wave laser welding, in Advances in laser materials processing — Technology, research
and applications, eds. by J. Lawrence, J. Pou, D. K. Y. Low. Cambridge: Woodhead Publishing,
pp. 181—210.
[5]. Katayama S., Abe Y., Mizutani M. and Kawahito Y. (2011), Development of deep penetration
welding technology with high brightness laser under vacuum, Physics Procedia, 12(1)
75—80.
[6]. Katayama S. (2010), Laser welding of dissimilar materials, The Review of Laser Engineering,
38(8) 594—602 (in Japanese).
[7]. Katayama S. and Kawahito Y. (2008), Laser direct joining of metal and plastic, Scripta
Materialia, 59(12) 1247—1250.
[8]. Katayama S., Jung K-W and Kawahito Y. (2010), High power laser cutting of CFRP, and
laser direct joining of CFRP to metal, Proc. of 29th ICALEO 2010, 103 333—338.
[9]. Katayama S., Kawaguchi S., Mizutani M., Kawahito Y. and Tarui T. (2008), Welding phenomena
and in-process monitoring in high power YAG laser welding of aluminum alloy,
J. of Light Metal Welding & Construction, 46(10) 480—490 (in Japanese).
[10]. Kawahito Y. and Katayama S. (2006), In-process monitoring and adaptive control for prevention of through-holes in full-penetration lap welds of aluminum alloy sheets, Journal of
Laser Applications, 18(2) 93—100.
ГЛАВА 2
РАЗВИТИЕ СО2-ЛАЗЕРНОЙ СВАРКИ
S. Tsukamoto, Национальный институт материаловедения, Япония
DOI: 10,1533 / 9780857098771.1.17
Аннотация. В этой главе описывается лазерная сварка двуокисью углерода (СО2-
лазерная сварка). В первом разделе приведены некоторые типы CO2-лазеров
и отличительные особенности СО2-лазерной сварки. Также описан процесс
лазерной сварки, включая взаимодействие лазерного луча с материалами
и газами, формирование парогазового канала, механизм формирования и способы
предотвращения дефектов сварки. Даны примеры практического использования
СО2-лазерной сварки.
Ключевые слова: СО2-лазерная сварка, резонатор, взаимодействие, процесс сварки,
применение.
2.1. Введение
C. K. Н. Патель, сотрудник Bell Laboratories, в 1964 году изобрел CO2-лазер.
Он добился превосходных результатов, создав конструкцию СО2-лазера мощ-
ностью до 1 мВт. Позднее усилиями многих других разработчиков и конструк-
торов мощность и эффективность этого лазера были значительно повышены
за счет добавления к активной лазерной среде азота и гелия. В 1966 году ком-
пания Coherent выпустила на рынок первый коммерческий CO2-лазер мощно-
стью 100 Вт. С тех пор работы по усовершенствованию CO2-лазеров шли не-
прерывно, и в конце двадцатого века высокомощные лазеры (до 50 кВт) заняли
прочные позиции в процессах обработки материалов. Длина волны излучения
CO2-лазера составляет 10,6 мм, она примерно в 10 раз больше длины волны из-
лучения твердотельных лазеров. Следует знать, что длина волны лазерного из-
лучения определяет характеристики лазерной сварки и лазерных модулей, от ее
величины зависит характер взаимодействия луча с материалами, защитным га-
зом и плазмой. В данной главе описаны принцип работы и типы СО2-лазеров,
характеристики луча при СО2-лазерной сварке, взаимодействие СО2-лазера
с материалами, процесс СО2-лазерной сварки и практическое применение СО2-
2.2. Принцип работы и типы лазеров
В качестве рабочей среды для СО2-лазеров используется смесь диоксида угле-
рода, азота и гелия. Чтобы получить лазерный луч с длиной волны 10,6 мм, не-
обходимо ионизировать молекулы газа. Для этого смесь газов возбуждают элек-
трическим разрядом постоянного тока (a — Direct Current, постоянный ток) или
переменного тока (AC — Alternating Current, переменный ток) высокой частоты
(RF — Radio Frequency, радиочастоты).
Применяют разные системы классификации СО2-лазеров, например, по спо-
собу отвода тепла и по используемым направлению и скорости прокачки газа.
Так как существуют две принципиальные схемы прокачки газа, то СО2-лазеры
делят на те, в которых используется поперечная прокачка, когда газовый поток
проходит поперек оси резонатора (Cross Flow Lasers), и лазеры с продольной про-
качкой, когда газовый поток проходит вдоль оси резонатора, то есть — поток ак-
сиальный (Fast Axial Flow). Для поддержания эффективной работы CO2-лазеров
необходимо выдерживать оптимальную температуру активной среды, не допу-
ская повышения его температуры. В лазерах первого типа, с медленной прокач-
кой, газ при разряде течет медленно и охлаждается, в основном, через стенки
лазерного резонатора (диффузионное охлаждение). Таким образом, на выходе
получают стабильный лазерный луч высокого качества. Тем не менее, выходная
мощность лазера такой конструкции, как правило, невелика, и для получения
в нем излучения высокой мощности потребуется создать очень длинный резо-
натор. В контуре циркуляции газа имеются теплообменники, проходя сквозь
них, нагретый газ охлаждается. В представленной на рис. 2.1 конструкции газо-
вый поток проходит вдоль оси резонатора, в таком лазере можно достичь высо-
кой мощности излучения — до 20 кВт и одновременно на выходе получить луч
высокого качества. В лазерах с поперечной прокачкой (рис. 2.2) лазерный луч
проходит перпендикулярно направлению поля между электродами газоразряд-
ной камеры. В лазерах такого типа можно достичь еще большей мощности излу-
чения, хотя качество луча будет уступать качеству, получаемому в лазерах с вы-
сокой скоростью потока. В лазерах с быстрой прокачкой газа охлаждение идет
за счет замены нагретых объемов газа (конвективное охлаждение). Но из-за ис-
пользования компрессора в качестве насоса для создания циркуляции объем-
ный расход газа в такой конструкции увеличивается. Существуют промышлен-
ные лазеры мощностью до 50 кВт. Слэб-лазеры (slab lasers) классифицируются
как лазеры с медленным потоком. Их называют щелевыми, так как активная
среда возбуждается в узком пространстве между двумя широкими водоохлажширокие электроды обеспечивают высокую мощность и высокое качество ла-
зерного луча. Существуют мощные лазеры до 8 кВт с качеством луча М2 = 1,05.
Лазеры с относительно низкой мощностью до 6 кВт имеют устойчивые ре-
зонаторы, их выходное зеркало частично пропускает ИК-излучение до 10,6 мм.
С другой стороны, высокомощные лазеры построены по схеме с неустойчивым
резонатором (рис. 2.4), чтобы избежать искажений и повреждений поверхности
зеркал. Неустойчивый резонатор состоит из вогнутых и выпуклых зеркал и от-
клоняющего, или иначе, поворотного зеркала. В поворотном зеркале, располо-
женном перед выпуклым зеркалом, выполнено отверстие для многократного
прохождения внутри резонатора центральной части пучка. Таким образом,поворотное зеркало отражает на выход лишь внешнюю кольцевую зону пучка,
поэтому выходное излучение имеет кольцеобразное сечение. В качестве мате-
риала выходных окон, как правило, используют селенид цинка (ZnSe). Чтобы
избежать теплового искажения и повреждения окна из ZnSe, в конструкции
СО2-лазеров мощностью более 10 кВт используют аэродинамическое окно
(рис. 2.5): быстрый поток сухого воздуха изолирует лазерный газ в резонаторе
от атмосферного воздуха.
2.3. Характеристики пучков СО 43 2-лазера
Длина волны излучения СО2-лазера составляет 10,6 мм, что в десять раз боль-
ше длины волны излучения твердотельных лазеров. Эффективность электро-
оптического преобразования луча 8—15%, это выше эффективности Nd:YAG-
лазеров стержневого типа, но ниже эффективности диодных, волоконных
и дисковых лазеров. Основные преимущества СО2-лазерных систем по сравне-
нию с другими лазерными системами:
• легкий переход к большим мощностям;
• высокое качество луча;
• относительно низкая стоимость;
• относительная стабильность сварки.
Основные недостатки:
• непрозрачность для излучения СО2-лазера материалов, имеющих про-
зрачность в видимом диапазоне спектра (поэтому для изготовления
оптических компонент для СО2-лазера необходимы специфические до-
рогостоящие материалы);
• нельзя использовать оптические волокна для доставки излучения к ра-
бочей зоне обработки материала;
• высокая отражательная способность металлов мешает их обработке из-
лучением СО2-лазера;
• высокий уровень поглощения лазерной энергии в лазерно-индуци-
рованной плазме.
Развитие лазерных устройств с высокой выходной мощностью началось
с создания СО2-лазеров, поскольку наращивать их выходную мощность оказа-
лось не такой сложной инженерной задачей. А в конце ХХ века уже появились
50 кВт-ные промышленные лазеры. Кроме того, оказалось, что при высоких
мощностях можно получать лазерный луч высокого качества. Рис. 2.6 иллю-
стрирует соотношения между значением параметром пучка BPP (которое по-
лучается как произведение угла расходимости луча и радиуса луча и определяет
качество луча) и мощностью луча для разных типов лазеров. Чем ниже значение
BPP, тем выше качество луча. Глядя на рисунок, читатель поймет, что в диапазоне низких выходных мощностей (менее 10 Вт), если сравнить Nd:YAG-лазеры
стержневого типа с ламповой и диодной накачкой с СО2-лазерами, параметр
BPP у первых ниже в десять раз, чем у СО2-лазера.
Это можно объяснить, используя соотношение (2.1) для определения ми-
нимального диаметра лазерного пучка, образуемого им в фокальной плоскости
оптической системы, формирующей пучок. Дело в том, что в сечении лазерный
луч, выходящий из резонатора, имеет плотность мощности, подчиняющуюся
распределению Гаусса, потому такие лазерные пучки называют гауссовыми
пучками. Характер распределения плотности при распространении пучков
в пространстве не меняется, но изменяется их масштаб, который зависит от ди-
аметра сечения пучка. Диаметр гауссова пучка d [мм] пропорционален длине
волны излучения d [мм], что можно выразить следующим уравнением:
d = 4λf /πD , (2.1)
где ƒ (мм) — фокусное расстояние и D (мм) — диаметр пучка на линзе, преоб-
разующей гауссовый пучок.
Лазерная сварка обычно выполняется при помощи лазера многокиловатт-
ного класса мощности. В этом диапазоне высокой мощности в Nd:YAG-лазерах
стержневого типа с ростом выходной мощности параметр BPP значительно воз-
растает из-за появления тепловых искажений в цилиндрическом теле твердо-
тельной рабочей среды лазера. С другой стороны, CO2-лазеры могут поддержи-
вать высокое качество луча даже при высоком диапазоне мощности.
У дисковых и волоконных лазеров значения параметра BPP почти одинако-
вы. Не надо забывать и то преимущество СО2-лазера, что системы на его осно-
ве имеют относительно низкую стоимость в расчете на единицу мощности.
стабильна по сравнению с дисковой и волоконно-лазерной сваркой. Большин-
ство недостатков лазерной сварки в среде CO2 обусловлены большой длиной вол-
ны (10,6 мм) его излучения. Прозрачные в видимом диапазоне спектра стекло
и кварц оказываются непрозрачными для лазерного излучения с длиной волны
10,6 мм. Оказывается, что такие оптические системы транспортировки излуче-
ния в рабочую зону сварки, как кварцевые волокна, в этом случае использовать
нельзя. И лазерный луч должен быть доставлен в рабочую станцию при помощи
зеркальных отражателей. Поэтому необходимость точной юстировки луча для
практических целей ограничивает гибкость такой лазерной сварки. И это — са-
мый большой недостаток CO2-лазерной сварки. Кроме того, для изготовления
оптических компонентов (защитные стекла и линзы) должны быть использова-
ны специальные дорогостоящие материалы, такие как селенид цинка (ZnSe).
2.4. Взаимодействие лазера с материалами
2.4.1. Поглощение лазерной энергии поверхностью материалов
Когда лазерный пучок попадает на материал, часть его энергии отражается
от поверхности материала. Количество отраженного излучения зависит от вида
материалов, состояния и температуры его поверхности и длины волны лазерно-
го излучения. Соответственно от этих величин зависит и поглощение лазерного
излучения.
В табл. 2.1 приведены значения поглощения некоторых материалов при ком-
натной температуре в трех диапазонах длин волн, соответствующих излучению:
СО2-лазера (10,6 мм), Nd:YAG-лазера (1,06 мм) и лазера, работающего на корот-
ких длинах волн (300—600 нм) (Modest, 2001). В целом заметна тенденция к сни-
жению поглощения материалами излучения с уменьшением его длины волны.
Только небольшое количество энергии СО2-лазера поглощается на поверхности
металла. И наоборот, лучи CO2-лазера значительно поглощаются большин-
ством керамических поверхностей. Обычно с ростом температуры поверхности
поглощение излучения увеличивается. Во время лазерной сварки образование
ванны расплавленного металла усиливает поглощение энергии падающего ла-
зерного излучения. В режиме лазерной сварки с образованием парогазового
канала, многократное отражение лазерного луча от стенок узкого и глубокого
канала значительно усиливает эффективность передачи энергии материалу
за счет многократного поглощения. Таким образом, коэффициент поглощения
не так уж сильно влияет на геометрию сварного шва при условии, что парогазо-
вый канал все же формируется.
2.4.2. Поглощение лазерной энергии в лазерно-индуцированной
плазме
Поглощение падающей на поверхность лазерной энергии обратным
тормозным излучением.
Во время CO2-лазерной сварки лазерный пучок высокой мощности, попадая
на поверхность материала, вызывает его интенсивное испарение. Далее лазер-
ный пучок взаимодействует с испаряющимся материалом и лазерным факелом
или лазерной плазмой, которая образуется непосредственно над парогазовым
каналом и внутри него. Падающая лазерная энергия I0 частично поглощается
в плазме обратным тормозным излучением, и это ослабляет падающую лазер-
ную энергию. Поэтому сквозь объем плазмы длиной x (м), обладающей коэффи-
циентом поглощения α(m–1), пройдет часть лазерной энергии I (Вт):
I=I 0 exp(— αх ) . (2.2)
Для энергии горячей плазмы (характеризуется тем, что энергия электро-
нов во много раз выше энергии падающих фотонов (hω / π<< k Te ), коэффициент
поглощения излучения α(m–1) определяется соотношением (дается по Hughes,
1975; Allmen and Blatter, 1995):
уравнение (2.3)
где ω — угловая частота; ne и ni — плотность электронов и ионов (м–3), соответ-
ственно, Z — показатель заряда иона, е — заряд электрона (Кл), k — постоянная
Больцмана (Дж/К), Te — температура электронов (K), h — постоянная Планка
(Дж·с), с — скорость света (м/с), ε0 — диэлектрическая постоянная (Кл/(В·м)),
и me — масса электрона [кг]. Из уравнения (2.3) можно видеть, что коэффициент
поглощения α прямо пропорционален квадрату длины волны λ. Таким образом,
затухание лазерной энергии проявляется в большей степени при CO2-лазерной
сварке (λ = 10,6 мкм), чем при сварке твердотельным лазером (λ = 1,06 мкм),
и, соответственно, влияет на геометрию сварного шва. Если предположить, что
плазма находится в локальном термодинамическом равновесии (LTE — Local
Thermodynamic Equilibrium), и принять Z = 1, то коэффициент поглощения α для луча СО2-лазера определяется по формуле:
уравнение (2.4)
Уравнение (2.4) показывает, что более высокий коэффициент поглощения
получается для более высокой степени ионизации (более высокая плотность
электронов ne) при снижении температуры электронов Te. Тенденция к иониза-
ции определяется потенциалом ионизации. Атомы легче ионизируется с уменьшением потенциала ионизации элемента. В табл. 2.2 приведены значения по-
тенциалов ионизации некоторых химических элементов. Из инертных газов
самый высокий потенциал ионизации имеет гелий, он не ионизируется даже
при сварке CO2-лазером высокой мощности. Именно по этой причине гелий
иногда используют в качестве защитного газа при сварке высокомощным CO2-
инструментом. Применение гелия способствует предотвращению ослабления
падающего лазерного излучения абсорбцией в плазме. Потенциал ионизации
металлов приблизительно равен половине величины потенциала ионизации
аргона; металлы ионизируются легче, чем инертные газы. На рис. 2.7 показано
изменение состава плазмы Ar-50 об.% Fe при различных температурах. Железо
начинает ионизироваться раньше, чем аргон, то есть при более низкой темпера-
туре. И в связи с низким потенциалом ионизации уже на уровне температуры
около 10000 К плотность ионов железа достигает своего максимального значе-
ния. А концентрация ионов аргона достигает своего максимального пика лишь
в момент, когда температура достигнет более высокого значения около 17000 К.
На рис. 2.8 представлена зависимость коэффициента поглощения излуче-
ния аргоновой плазмой от температуры. Наибольшего значения коэффициент
поглощения достигает приблизительно при 17000 K, так как плотность ионов
и электронов аргона при этой температуре максимальна. При СО2-лазерной
сварке малой мощности из-за низкой температуры плазмы происходит ио-
низация только металлов, но не защитного газа. Защитный газ ионизируется
лишь при лазерной сварке высокой мощности. На рис. 2.9, а показана лазерно-
индуцированная плазма, образовавшаяся в результате 5 кВт СО2-лазерной свар-
ки с коаксиальным экранированием Ar. Монохроматические изображения не-
которых линий спектра, таких как атом аргона (Ar I: 696,5 нм), ион аргона (Ar II:
480,7 нм) и атом железа (Fe I: 381,5 нм), представлены на рис. 2.9, б—г (Tsukamoto
et al., 1999). Ион аргона отчетливо наблюдается в центре объема плазмы, где идет
непосредственное взаимодействие лазерного пучка с плазмой (рис. 2.9, в), он
окружен атомами аргона (рис. 2.9, б). Таким образом, при CO2-лазерной сварке
с высокой мощностью газ в плазме, как правило, формируется в пространствен-
ной области, расположенной над заготовкой. С другой стороны, металлическая
плазма образуется в основном внутри парогазового канала и непосредственно
над ним (см. рис. 2.9, г).
Образование плазмы существенно влияет на процесс формирования геоме-
трии сварного шва. Рис. 2.10 демонстрирует глубину проплавления, получае-
мую с использованием различных защитных газов при 5,4 кВт СО2-лазерной
сварке. Глубина проплавления всегда меньше в среде защитного газа аргона.
Это вызвано ослаблением падающего лазерного излучения в плазме аргона, в то
время как гелий не ионизируется в процессе сварки благодаря обладанию вы-
соким потенциалом ионизации. На рис. 2.11 видна глубина проплавления при
20 кВт-ной СО2-лазерной сварке с гелием в качестве защитного газа (глубина
меняется в зависимости от скорости сварки). Со снижением скорости сварки
глубина проплавления увеличивается, но при скорости ниже 50 см/мин этот
эффект достигает насыщения. Такая зависимость отсутствует при сварке ма-
териалов твердотельным лазером. Рост глубины проникновения при лазерной
сварке в среде CO2 приписывают ослаблению лазерной энергии металлической
плазмой, образующейся внутри парогазового канала.
Диагностика плазмы
Из формулы (2.4) видно, что коэффициент поглощения в плазме зависит от элек-
тронной плотности ne и температуры электронов Te. ne определяется температу-
рой Te с учетом LTE. Поэтому было проведено много научно-исследовательских
работ, направленных на измерение Te во время CO2-лазерной сварки методами
спектроскопии (Rockstroh and Mazumder, 1987; Mazumder et al., 1987; Sokolowski
et al., 1988, 1989; Poueyo et al., 1992; Miyamoto and Maruo, 1992; Verwaerde and
Fabbro, 1995; Tsukamoto et al., 1996). Интенсивность термически возбужденной
спектральной линии εnm определяется по формуле:
уравнение (2.5)
где Anm — вероятность перехода линии (с–1) Эйнштейна, n0 — плотность атома
или иона (м–3), gn — статистический вес n, Z(T) — функция распределения, En —
уровень энергии (Дж). Из уравнения (2.5) Te может быть определено путем из-
мерения абсолютного значения спектральной интенсивности εnm с учетом LTE.
Это называется методом абсолютной спектральной интенсивности. Te также
может быть определена как отношение спектральных интенсивностей εnm одно-
го химического элемента в различных спектральных линиях. Это называется
«метод относительной интенсивности». В этом случае учитывать LTE не обяза-
тельно. Из уравнения (2.5)
уравнения (2.6 и 2.7)
где K является константой. Если мы измерим спектральные интенсивности
некоего химического элемента, расположенные в различных спектральных
участках ln(εmnλ/Anmgn) в зависимости от энергии En, то можем вычислить Te
из разницы температур электронов. Это называется «метод Больцмана» и часто
используется для определения температуры электронов в плазме. Рис. 2.12 по-
казывает температурный профиль плазмы, сформированной в процессе СО2-
лазерной сварки мощностью 5 кВт с аргоном в качестве защитного газа, выте-
кающим из коаксиального сопла со скоростью 30 л/мин (Tsukamoto et al., 1999).
Точка фокуса находится на поверхности образца. Пиковая температура около
22000 K соответствует центру плазменного объема; это область обогащена иона-
ми аргона (рис. 2.9, в), что получилось из-за непосредственного взаимодействия
лазерного пучка с плазмой. Значение этой температуры приближено к пиковой
температуре аргона, соответствующей условиям дуговой сварки в среде инерт-
ного газа. Если мы знаем распределение температуры электронов по объему
плазмы (см. рис. 2.12), то можем вычислить плотность электронов в любой части
плазмы с учетом LTE и коэффициента поглощения, используя формулу (2.4).
В результате мы сумеем оценить степень поглощения плазмой излучения при
различных режимах сварки. На рис. 2.13—2.15 показана степень поглощения,
соответствующая различным условиям сварки (Tsukamoto et al., 1999). С увели-
чением мощности лазера степень поглощения излучения плазмой постепенно
возрастает (см. рис. 2.13). Расход защитного газа не оказывает сильного влия-
ния на поглощательную способность плазмы. Если скорость потока возраста-
ет с 20 до 60 л/мин, то температура, при которой наблюдается максимальная
плотность ионов и электронов в плазме, немного снижается с 22000 до 20000 К
(см. рис. 2.14, а).
В этом температурном диапазоне величина коэффициента поглощения
уменьшается вместе со снижением температуры (см. рис. 2.8). Но и размер
объема плазмы также уменьшается с возрастанием скорости подачи потока за-
щитного газа (см. рис. 2.14, б). В результате коэффициент поглощения имеет
приблизительно постоянное значение в широком диапазоне скоростей потока.
Степень поглощения наиболее существенно зависит от состояния фокусировки
луча. Расстояние дефокусировки fd не сильно влияет на максимальный уровень
температуры, как показано на рис. 2.15, а. С другой стороны, способность к по-
глощению, значительно увеличивается с перемещением фокусной точки вверх
от поверхности материала к области выше обрабатываемого образца, как по-
казано на рис. 2.15, б. Это вызвано расширением плазмы и дефокусировкой fd.
Размер объема плазмы возрастает с увеличением плотности мощности излу-
чения вблизи области формирования плазмы. Эффективным способом борь-
бы с ослаблением падающего лазерного излучения плазмой является создание
потока инертного газа, обладающего высоким потенциалом ионизации. Гелий
или смесь гелия с аргоном обычно используется в качестве защитного газа при
CO2-лазерной сварке с высокой мощностью. Среди параметров режима сварки
состояние фокусировки луча является наиболее значимым. Для предотвраще-
ния поглощения плазмы плотность мощности чуть выше поверхности образца
должна быть уменьшена путем выбора отрицательного расстояния дефокуси-
ровки.
Мониторинг плазмы
Плазма генерируется и поддерживается испарением материалов и поглощени-
ем энергии лазерного излучения обратным тормозным излучением. Таким об-
разом, излучение плазмы дает много информации о процессе сварки и иногда
используется для контроля условий сварки, процесса сварки и образовании
дефектов. На рис. 2.16, а, б представлен типичный пример операционного кон-
троля глубины проникновения с помощью подачи импульса в плазму (Mori and
Miyamoto, 1997).
СО2-лазерная сварка с частичным и полным проплавлением проводилась
на мягких сталях толщиной 1,6 и 4 мм. Излучение плазмы регистрировалось
двумя фотодиодами, расположенными под разными углами: 75° и 5° (рис. 2.16, а).
Фотодиод, расположенный под углом 5°, предназначен для регистрации из-
лучения только вблизи поверхности плазмы (А на рис. 2.16, а). В то же время
фотодиод, находящийся под углом 75°, регистрирует излучение плазмы паро-
газового канала и приповерхностной плазмы (A + B на рис. 2.16, а). Импульсы
возникают в плазме с частотой 2—4 кГц в зависимости от скорости сварки, и на
рис. 2.16, б показаны среднеквадратичные значения интенсивности плазменных
импульсов, регистрируемых в указанном частотном диапазоне. Заштрихован-
ная область на графике соответствует условиям возникновения полного про-
плавления. Ясно, что сварку с полным или частичным проплавлением можно
различить между собой по сигналу с фотодиода, расположенного под углом 75°.
Среднеквадратичное значение интенсивности импульса плазмы значительно
выше при полном проплавлении, чем при частичном проплавлении.
2.5. Процесс сварки и образование дефектов
2.5.1. Баланс давлений на стенки парогазового канала
В режиме лазерной сварки с образованием парогазового канала из-за испаре-
ния материалов образуется узкий и глубокий канал. Лазерная энергия может
передаваться в материал через парогазовый канал, это создает условия для
узкого и глубокого проплавления. Тем не менее, парогазовый канал в основном
неустойчив, если его длина превышает его окружность (l > 2πr, где l — глуби-
на канала, r — радиус канала). Парогазовый канал, как правило, закрывается
в некоторых интервалах вдоль линии проплавления. Это явление называется
неустойчивостью Рэлея (Rayleigh, 1945; Chandrasekhar, 1961). Когда канал за-
крывается из-за нестабильности, лазерный луч начинает взаимодействовать
с расплавленным металлом, закрывшим часть канала, и вновь открывает канал
под высоким давлением отдачи, как показано на рис. 2.17. Таким образом, па-
рогазовый канал колеблется в радиальном направлении, пока оно существует
и поддерживается во время лазерной сварки с глубоким проплавлением, это
иногда вызывает дефекты сварки. Статически парогазовый канал поддержива-
ется за счет баланса давлений, действующих на стенки канала.
Pabl + δPg = Pσ + Ph (2.8)
где Pabl — давление отдачи (Н/м2), δPg — избыточное давление пара (δPg = Pv – P0 ,
Pv — давление паров, P0 — атмосферное давление) (Н/м2), Pσ — давление поверхностного натяжения (Pσ = σ/r, σ — поверхностное натяжение (Н/м), r — радиус
парогазового канала (м)) (Н/м2) и Ph — гидростатическое давление (Н/м2).
Давление на левую боковую стенку открывает канал, а на правую — закры-
вают его. Во время сварки эти давления на стенки канала уравновешиваются.
При CO2-лазерной сварке пары металла частично ионизируются и образуют
плазму внутри канала. В этом случае температура образовавшейся плазмы
выше, чем при сварке твердотельным лазером из-за высокого коэффициента по-
глощения излучения СО2-лазера. Плазма высокой температуры, образующаяся
внутри канала, может увеличить δPg и при СО2-лазерной сварке радиус канала
может расти. Возможно, это является одной из причин, поддерживающих ста-
бильность процесса СО2-лазерной сварки.
2.5.2. Формирование дефектов в местах неполного
проплавления при лазерной сварке СО2
Стабильность парогазового канала оказывает существенное влияние на форми-
рование дефектов. Специалистам, использующим лазерную сварку, известно,
что при обработке толстостенных изделий одной из главных проблем являет-
ся образование пористости. Пористость, как правило, формируется при свар-
ке с неполным проплавлением, как видно на продольном сечении (рис. 2.18).
На рис. 2.19 изображен рентгенографический снимок парогазового канала в ме-
сте неполного проплавления стали C-Si-Mn при лазерной сварке СО2. Изобра-
жение микрорентгенографии образца получено при помощи высокоскоростной
видеокамеры. Образование пузырьков отчетливо наблюдается у основания па-
рогазового канала (Matsunawa et al., 1997; Matsunawa, 2001; Katayama et al., 1997;
Tsukamoto et al., 2001, 2002). Пузырьки, образующиеся у основания парогазового
канала, соединяются друг с другом, и большинство из них после затвердевания
превращается в поры. На рис. 2.20 показан процесс формирования пузырьков
у основания парогазового канала. Во время сварки у основания образуется су-
жение (рис. 2.20, в), а затем наплавляемый металл закрывает канал (рис. 2.20, г).
Закрытие парогазового канала обычно предотвращают лазерным облучени-
ем наплавляемого сверху металла, как было описано выше. Однако если паро-
газовый канал нестабилен и степень взаимодействия между лазерным пучком
и расплавленным металлом канала увеличивается, то наблюдается большое по-
требление лазерной энергии, и это снижает вклад мощности лазерного излуче-
ния в область у корня до значений, меньших некоторого критической величи-
ны. В результате парогазовый канал закрывается у корня согласно механизму,
описанному как нестабильность Рэлея. Описание процесса указывает на то, что
для предотвращения пористости необходимо следить за стабилизацией парога
зового канала. В качестве защитного газа для предотвращения формирования
пористости при сварке нержавеющей стали с высоким содержанием Cr обычно
используется азот (Ishide et al., 1992), потому что растворимость азота увеличи-
вается с ростом концентрации Cr. Пузырьки газа в процессе сварки не образу-
ются, так как азот растворяется в ванне расплавленного металла.
Тем не менее, при слишком высокой мощности СО2-лазерной сварки ис-
пользовать азот в качестве защитного газа невозможно. Причина кроется
в значительном ослаблении лазерной энергии из-за большого количества об-
разующейся плазмы. Также использовать азот в качестве защитного газа не эф-
фективно при лазерной сварке углеродистых сталей, причиной является низкая
растворимость в них азота.
Другой способ предотвращения пористости — это стабилизация парога-
зового канала с помощью модуляции мощности лазера (Tsukamoto et al., 2002).
Формирование пористости эффективно предотвращается путем оптимизации
модуляции. На рис. 2.21 показано процентное соотношение формирования по-
ристости Pr (отношение (%) суммарной пористости и места сварки металла) при
лазерной сварке CO2 в среде стали С-Si-Mn в зависимости от модуляции мощ-
ности лазера. Мощность излучения импульсного лазера модулируется на пике
прямоугольного импульса и базовой мощности 20 и 12 кВт соответственно.
В данных условиях формирование пористости полностью прекращается при
частоте модуляции мощности лазера 16 Гц. Эта частота модуляция совпадает
с собственной частотой колебаний ванны расплавленного металла. Стабилиза-
ция парогазового канала была подтверждена радиографической съемкой, про-
веденной после подбора условий оптимальной модуляции. За счет оптимиза-
ции формы сигнала удается усилить эффект предотвращения формирования
пористости, это достигается путем оптимизации формы сигнала и модуляции
(рис. 2.22, а, б).
2.5.3. Дефектообразование при CO2-лазерной сварке с полным
проплавлением в один проход
При лазерной сварке с полным проплавлением в один проход образование по-
ристости, вызванной нестабильностью парогазового канала, менее вероятно,
но пористость возникает с помощью другого механизма. Типичный пример
показан на рис. 2.23, где лазерная сварка с полным проплавлением осущест-
влялась на стали C-Si-Mn без обратного экранирования (Tsukamoto et al., 2003).
На рис. 2.24, а показано рентгеновское изображения в проходящем свете при
CO2-лазерной сварке с полным проплавлением стали C-Si-Mn толщиной 15 мм
без обратного экранирования. Пузырьки образуются в расплавленном металле
за парогазовым каналом. Это вызвано пересыщенным азотом в ванне расплав-
ленного металла.
Во время лазерной сварки с полным проплавлением чрезмерная лазерная
энергия, которая проникает сквозь стальную пластину, образует воздушную
плазму на задней поверхности, как показано на рис. 2.24, б. Плазма содержит
много атомарного азота, который гораздо легче растворяется в расплавленной
стали, чем двухатомный азот (Dong et al., 2004). Концентрация азота в распла-
ве возрастает вблизи дна, и если она превышает растворимость двухатомного
азота, то в расплавленном металле образуются пузырьки. Эффективный способ
предотвращения появления такого типа пористости — это обратное экраниро-
вание инертного газа. Тем не менее, формируется усадочная трещина. И этот
процесс сопровождается локальным расширением секции поперечного сварно-
го шва, очень чувствительного к появлению усадочной трещины, как показано
на рис. 2.25, а (Tsukamoto et al., 2003). Образование такого поперечного сечения
сварного шва вызвано возмущением парогазового канала. Во время сварки
инертный газ поступает в канал от задней поверхности и расширяется в нем,
как показано на рентгеновском изображении в проходящем свете (рис. 2.25, б).
В свою очередь возникает локальное расширение канала, что ведет к образова-
нию усадочной трещины. Небольшое денитрирование такими элементами, как
алюминий, проявляет эффективность в борьбе с появлениями пористости без
формирования усадочной трещины (Tsukamoto et al., 2004). Достаточно 0,8 ве-
сового процента алюминия, чтобы предотвратить пористость в процессе сварки с полным проплавлением углеродистых сталей толщиной 15 мм (рис. 2.26).
В таком случае обратное экранирование инертным газом уже не является не-
обходимым условием, ведь тогда усадочная трещина в металле сварного шва
не образуется. Добавление никеля и углерода является также эффективной по-
мощью в предотвращении пористости (Tsukamoto et al., 2006). С увеличением
концентрации углерода или никеля в основном металле режим затвердевания
меняется с полностью ферритного на ферритно-аустенитный или аустенитно-
ферритный. Более высокая растворимость азота в аустенитной фазе предотвра-
щает образование пористости в сталях с высоким содержанием углерода или
никеля.
В последнее время были разработаны лазеры высокой мощности — воло-
конные и дисковые лазеры. Эти лазеры — очень привлекательные инструменты
для сварки пластин крупного сечения. Тем не менее остаются нерешенными
некоторые проблемы (Rominger, 2011). При использовании волоконных и дис-
ковых лазеров в сварке высока вероятность образования брызг, проплавления
на всю толщину и недостаточного заполнения. В некоторых случаях соблюдение
оптимальных условий сварки сильно ограниченно в сравнении с СО2-лазерной
сваркой. Механизмы различных процессов лазерной сварки с помощью CO2
и другими инструментами еще не очень хорошо изучены. Плазма парогазового
канала, достигающая высокой температуры и образующаяся при СО2-лазерной
сварке, может быть одним из факторов, способствующих стабилизации парога-
зового канала за счет увеличения Pg (см. уравнение (2.8)).
2.6. Промышленное применение СО 63 2-лазерной сварки
CO2-лазеры класса высокой мощности, которые способны осуществлять свар-
ку в режиме образования парогазового канала, были разработаны в середине
1970-х. С тех пор СО2-лазерная сварка стала использоваться в различных отрас-
лях промышленности. В этом разделе приведены некоторые примеры ее про-
мышленного применения.
2.6.1. Автомобильная промышленность
С конца 1970-х и 1980-х годов в автомобильной промышленности началось при-
менение CO2-лазерной сварки. Различные части силовых агрегатов, включая
элементы коробки передач, ступицы и валы, были сварены СО2-лазером (Petring,
2004). Высокая производительность, низкий приток тепла и низкий уровень
искажений стали основными преимуществами лазерной сварки по сравнению
с другими процессами. И до сих пор СО2-лазеры используются для этих задач.
Лазерная сварка широко внедрена в производство таких частей кузова автомо-
биля, как двери, передние и боковые панели, боковые балки и арки колес.
Как показано на рис. 2.27, плоские металлические листы, отличающиеся
толщиной, прочностью и разностью покрытий, соединяют лазерной сваркой
перед формовкой и обрезкой. Композиция из вариации листовых металлов по-
зволяет снизить вес автомобиля и уменьшить количество используемых компо-
нентов. Как следствие, общая стоимость производства снижается, и повышается
безопасность эксплуатации автомобиля за счет улучшения управления энерги-
ей удара при аварии. Эта техника получила индустриальное распространение
с середины 1980-х годов. Большинство сварочных линий для линейной сварки
оснащены СО2-лазерами мощностью 5—10 кВт. С другой стороны, Nd:YAG-, волоконные или дисковые лазеры используются главным образом для нелиней-
ной сварки. Применение лазерной сварки в кузовных цехах началось в середине
1980-х. Тогда некоторые автомобильные компании установили у себя 5 кВт-ные
CO2-лазеры, чтобы сваривать элементы кузова, готовые к покраске, например,
для присоединения крыши к боковым рамам. Тем не менее, в конце 1990-х годов
уровень использования СО2-лазеров снизился. Это было связано с установкой
на конвейерных линиях промышленных роботов с Nd:YAG-лазерами, которые
были приспособлены для проведения трехмерной лазерной сварки. Использо-
вание дистанционной лазерной сварки началась с 2000-х годов для производ-
ства компонентов кузова автомобиля. Лазерный модуль, снабженный высоко-
скоростными сканирующими зеркалами, формирует лазерное пятно, которое
быстро перемещается по обрабатываемой поверхности, покрывая требуемую
широкую область, и быстро сваривает отдельные участки. В таких модулях уста-
новлены лазеры с высоким качеством луча и большим фокусным расстоянием,
обычно большим одного метра. Слэб(Slab)-CO2-лазеры были впервые исполь-
зованы для получения лазерных пучков высокого качества. Их основные пре-
имущества — уменьшение тактового времени и высокая производительность.
Благодаря прогрессу в разработке и создании мощных дисковых и волоконных
лазеров с высоким качеством пучка появилась новая система дистанционной
сварки как части роботизированной сварки. Использование волоконных и дис-
ковых лазеров делает дистанционную сварку более гибкой и быстрой, благодаря
этому ее использование расширяется.
2.6.2. Авиационная промышленность
Airbus начал применять СО2-лазеры для сварки стрингера и обшивки фюзеляжа
на панелях самолетов в начале 2000-х (Schumacher et al., 2002; Vollertsen et al.,
2004).
Это было достигнуто благодаря развитию лазерных сварочных моду-
лей, а также благодаря созданию сплава Al-Mg-Si-Cu. Вместо обычной клеп-
ки стрингеры соединяют с обшивкой путем одновременной лазерной сварки
с обеих сторон, как показано на рис. 2.28. Чтобы избежать образования горячих
трещин, используется сварочная проволока Al-12% Si. Снижение веса, высокая
производительность, улучшение коррозионной стойкости и хорошие экономи-
ческие характеристики являются основными преимуществами замены тради-
ционного процесса клепки лазерной сваркой.
2.6.3. Судостроение
Первым применением лазерной сварки в судостроении стало производство
трехслойных панелей на верфи Meyer Werft в середине 1990-х (Roland et al.,
2004). Тогда производилась сварка плоских панелей до 10 мм в толщину к балкам с помощью СО2-лазера мощностью 12 кВт (рис. 2.29). С применением новой
технологии были достигнуты высокие показатели: снижение веса при высокой
прочности, повышение твердости и уменьшение уровня искажений. В Европе
в середине 1990-х годов был разработан ряд национальных проектов с исполь-
зованием основных принципов лазерной сварки в среде CO2. Это форсировало
применение лазерной сварки в области судостроения. Сварка длинных прямых
стыковых швов и угловая сварка толстых стальных пластин были внедрены
в компаниях Odense Steel Shipyard (Sellerup, 1999), Fincantiaeri (Manzon, 1998)
и Blohm & Boss (Kahl, 1998) в конце 1990-х годов. Используемая ими линия со-
стоит из платформы, оснащенной мощными СО2-лазерами от 12 до 18 кВт. Ли-
ния включает в себя системы контроля и управления с обратной связью, под-
готовку краев и систему обработки и/или систему подачи проволоки. Наиболее
привлекательным преимуществом установки лазера высокой мощности явля-
ется уменьшение искажений, это значительно снижает общие трудозатраты
на дополнительные операции правки.
Улучшение механической точности позволило автоматизировать производ-
ственную линию и достичь высокого уровня производительности. В компании
Meyer Werft были установлены четыре лазер/GMA гибридных сварочных уста-
новки с конца 1990-х до начала 2000-х годов (Roland et al., 2004). И в настоящее
время доля гибридных сварных швов на большом круизном судне близится
к 50% от общей длины всех швов. Благодаря гибкости систем подачи волокна
на некоторых судостроительных предприятиях были установлены волоконные
и дисковые лазеры. Тем не менее, от СО2-лазеров предпочитают не отказывать-
ся, так как они обеспечивают стабильность сварочного процесса. Эти лазеры
также установлены на новых линиях.
2.6.4. Металлургия
С начала 1980-х годов в металлургии стали использовать 5—10 кВт СО2-лазеры
для сварки листов горячего или холодного проката на линиях непрерывной
сварки. Замена стыковой сварки на лазерную сварку привела к тому, что каче-
ство сопряжения листов было значительно улучшено. В начале 2000-х годов для
сварки горячих стальных стержней толщиной 30 мм на непрерывной линии чи-
стовой прокатки были применены два 45 кВт-ных CO2-лазера (Minamida, 2002).
В начале 1980-х годов для повышения производительности СО2-лазеры стали
использовать для изготовления сварных труб малого диаметра из нержавеющей
стали. И до сих пор в этой области применяются CO2-лазеры. В середине 1990-х
годов для изготовления труб со средним диаметром и толстостенных труб была
применена сварка СО2-лазером мощностью 25 кВт в сочетании с высокочастот-
ной индукционной катушкой подогрева (Hayashi et al., 1996;. Ono et al., 2001).
2.6.5. Другие применения
Высокомощные CO2-лазеры оказались востребованными при изготовлении из-
делий по заказам некоторых химических заводов, например. заводов по пере-
работке нефти. На рис. 2.30 показано широкое ограждение из толстых листов
нержавеющей стали, изготовленных с помощью СО2-лазера.
Тавровые профили также могут быть изготовлены при помощи СО2-лазеров
(рис. 2.30, б), где 25 мм стрингер приварен к балке. Компоненты плазменного
реактора, используемого для производства таких сложных полупроводниковых
материалов, как углеродные нанотрубки, изготавливаются также методом ла-
зерной сварки в среде CO2, потому что СО2-лазерная сварка обеспечивает низ-
кий уровень искажений. По этой же причине сварка с помощью СО2-лазеров
является одной из технологических операций при производстве коньковой
спортивной обуви.
2.7. Дальнейшие перспективы
Лазерная сварка СО2 применялась в различных отраслях промышленности с се-
редины 1970-х годов. В начале 1990-х годов были разработаны Nd:YAG-лазеры
мультикиловаттного класса. Их большое преимущество заключается в системе
подачи лазерного излучения в рабочую зону по оптоволокну, хотя, заметим, ка-
чество пучка YAG-лазеров стержневого уступает качеству пучка CO2-лазеров.
Поэтому применение YAG-лазерной сварки ограничено в основном областью
сварки тонких пластин. В середине 2000-х годов были разработаны дисковые
и волоконные лазеры высокой мощности. Поскольку качество луча этих ла-
зеров очень высокое, их стали использовать не только для сварки тонких пла-
стин, но и при сварке тяжелых крупных профилей. По причине бурного разви-
тия и внедрения этих лазеров заметно снижается использование СО2-лазерной
сварки в индустрии. Тем не менее, остается ряд задач, по-прежнему недоступ-
ных для волоконной и дисковой лазерной сварки из-за сопровождающих их
проблем полного оплавления, разбрызгивания и наличия узкого диапазона
оптимальных условий для проведения процесса сварки. Пока эти проблемы
не будут решены, CO2-лазерная сварка по-прежнему будет востребована, а CO2-
лазеры — пользоваться спросом.
2.8. Благодарность
Автор выражает благодарность г-ну М. Дамену, Институт Фраунгофера лазер-
ных технологий, за его полезную информацию о процессе сварки в среде CO2
и ее практических применениях.
2.9. Литература
Allmen [1]. M. von and Blatter A. (1995), Laser Beam Interaction with Materials, 2nd edn. Berlin:
Springer.
[2]. Chandrasekhar S. (1961), Hydrodynamic and Hydromagnetic Stability. (1961), Oxford: Clarendon
Press.
[3]. Davis J. (2001), Slab lasers, in LIA Handbook of Laser Materials Processing, edited by
Ready J. F. and Farson D. F., Orlando, FL: Laser Institute of America.
[4]. Dong W., Kokawa Y., Tsukamoto S., Sato Y. S. and Ogawa M. (2004), Mechanism governing
nitrogen absorption by steel weld metal during laser welding, Metall. Mater. Trans. B,
35B, 331—338.
[5]. Hayashi T., Inaba Y., Matuhito Y., Yamada T. and Kudo T. (1996), Development of high
power welding process for pipe, Proc. ICALEO 1996, D, 132—140.
[6]. Hughes T. P. (1975), Plasma and laser light. The Institute of Physics, Bristol: Adam Hilger,
39—54.
[7]. Ishide T., Nagura Y., Matsumoto O., Nagashima T., Kidera T. and Yokoyama A. (1992),
High power YAG laser welded sleeving technology for steam generator tubes in nuclear
power plants, Proc. LAMP 1992, 957—962.
[8]. Kahl A. (1998), Compact shipyard, Proc. Intel. Conf. IIWʼ98, DVS195, 60—63.
[9]. Katayama S. (2009), Laser welding for manufacturing innovation, J. Japan Welding Society,
78, 682—692 (in Japanese).
[10]. Katayama S., Seto N., Kim J. D. and Matsunawa A. (1997), Formation mechanism and
reduction method of porosity in laser welding of stainless steel, Proc. ICALEOʼ97, G-83—
92.
[11]. Manzon L. (1998), Welding in shipbuilding industry, Welding Review International, May,
6—8.
[12]. Matsunawa A. (2001), Problem and solutions in deep penetration laser welding, Sci. Technol.
& Weld Joining, 6, 351—354.
[13]. Matsunawa A., Kim J. D. and Katayama S. (1997), Porosity formation in laser welding,
Proc. ICALEOʼ97, G-73—82.
[14]. Mazumder J., Rockstroh T. J. and Krier H. (1987), Spectroscopic studies of plasma during
cw laser gas heating in fl owing argon, J. Appl. Phys., 62, 4712—4718.
[15]. Minamida K. (2002), High power laser applications in Nippon Steel Corporation, Proc.
SPIE, 4831, 402—410.
[16]. Miyamoto I. and Maruo H. (1992), Spacial and temporal characteristics of laser-induced
plasma in CO2 laser welding, Proc. LAMPʼ92, 311—316.
[17]. Modest M. F. (2001), Refl ectivity and absorptivity of opaque surface, in LIA Handbook of
Laser Materials Processing, edited by Ready J. F. and Farson D. F., Orlando, FL: Laser Institute
of America, 182.
[18]. Mori K. and Miyamoto I. (1997), In-process monitoring of laser welding by the analysis of
ripples in the plasma emission, J. Laser Application, 9, 155—159.
[19]. Ono M., Shinozaki T., Shinbo Y., Sekine Y., Iwasaki K. and Takahashi M. (2001), Development
of high power pipe welding process, Quarterly J. Japan Welding Society, 19, 233—
240.
[20]. Petring D. (2004), Laser applications in European automotive manufacturing: Historical
review and recent trends, J. Japan Welding Society, 73, 7—14.
[21]. Poueyo A., Deshors D., Fabbro R., de Frutos A. M. and Orza J. M. (1992), Study of laser
induced plasma in welding conditions with continuous high power CO2 laser, Proc.
LAMPʼ92, 323—328.
[22]. Rayleigh J. W. S. (1945), The Theory of Sound, Vol. 2. New York: Dover Publications.
[23]. Rockstroh T. J. and Mazumder J. (1987), Spectroscopic studies of plasma during cw laser
materials interaction, J. Appl. Phys., 61, 917—923.
[24]. Roland F., Manzon L., Kujala P., Brede M. and Weitzenbock J. (2004), Advanced joining
techniques in European shipbuilding, J. Ship Production, 20, 200—210.
[25]. Rominger V. (2011), High-performance laser welding — a comparison of CO2 lasers and
high brilliance solid-state lasers, Laser Tech. J., 8, 32—35.
[26]. Schumacher J., Zerner I., Neye G. and Thormann K. (2002), Laser beam welding of aircraft
fuselage panels, Proc. ICALEO 2002.
[27]. Sellerup M. (1999), Laser welded ship are afl oat, Industrial Laser Solution, April, 20—22.
[28]. Sokolowski W., Herziger G. and Beyer E. (1988), Spectral plasma diagnostics in welding
with CO2 lasers, Proc. SPIEʼ88, 1020, 96—102.
70 Глава 2. Развитие СО2-лазерной сварки
Sokolowski W., Herziger G. and Beyer E. (1989), Spectroscopic s [29]. tudy of laser induced plasma
in the welding process of steel and aluminium, Proc. SPIEʼ89, 1132, 288—295.
[30]. Tsukamoto S., Hiraoka K., Asai Y., Irie H. and Yoshino M. (1996), Characteristics of stably
induced laser plasma, Proc. ICALEOʼ96, 81, B76—B85.
[31]. Tsukamoto S., Asai Y., Tanaka H. and Shida T. (1999), High-speed measurement of plasma
temperature in CO2 laser welding, Proc. ICALEO ʼ99, 87, D73—D82.
[32]. Tsukamoto S., Kawaguchi I., Arakane G. and Honda H. (2001), Suppression of porosity
using pulse modulation of laser power in 20 kW CO2 laser welding, Proc. ICALEO 2001,
C1702.
[33]. Tsukamoto S., Kawaguchi I., Arakane G. and Honda H. (2002), Keyhole behaviour in high
power laser welding, Proc. SPIE, 1st Intl. Symp. on High Power Laser Macroprocessing, 4831,
251—256.
[34]. Tsukamoto S., Arakane G., Kawaguchi I. and Honda H. (2003), Keyhole behaviour in high
power laser welding of thick steel plates, Proc. ICALEO 2003, A176—A183.
[35]. Tsukamoto S., Arakane G., Honda H. and Kuroda S. (2004), Formation mechanism and
prevention of weld defects in full penetration laser welding of thick steel plates, Proc. ICALEO
2004, 104—110.
[36]. Tsukamoto S., Arakane G., Kojima K., Otani T. and Ohkita S. (2006), Eff ect of alloying
elements on porosity formation in laser welding of heavy section steel plates, Proc.ICALEO
2006, 26—33.
[37]. Verwaerde A. and Fabbro R. (1995), Experimental study of continuous CO2 laser welding at
subatmospheric pressure, J. Appl. Phys., 78, 2981—2984.
[38]. Vollertsen F., Schumacher J., Schneider K. and Seefi eld T. (2004), Innovative welding
strategies for the manufacture of large aircraft, Proc. IIW Intl. Conf. 2004.