книги / Промышленное применение лазеров

в то время как предел текучести <у0,2 практически остается без изме­ нения. Однако с помощью дополнительного отпуска для снятия на­ пряжений и а в, и стод могут быть увеличены в 1,3 раза по сравнению со стандартной термообработкой.

Лазерное упрочнение приводит к повышению теплостойкости (термостойкости) материала, например инструментальной стали Р6М5 на 7(Н-80° С, что влияет на износостойкость режущих инстру­ ментов, изготовленных из этой стали. Насыщение матричного мате­ риала - алюминиевого сплава АЛ25 - железом, никелем, марганцем, медью приводит к увеличению его жаропрочности в 1,5^4,0 раза. Такое значительное улучшение жаропрочности представляет боль­ шой интерес для двигателестроения, где алюминиевые сплавы рабо­ тают в условиях высоких температур.

Лазерное облучение позволяет в широких пределах изменять на­ пряженно-деформированное состояние материала. Изменяя условия облучения, можно получать остаточные напряжения разной величины.

4.2.5. Л азерная сварка

Лазерная сварка уже зарекомендовала себя как надежная технология.

Лазерным излучением можно выполнять точечную и шовную сварку. Причем точечная сварка обычно проводится с помощью им­ пульсного излучения. Шовная сварка выполняется как импульсным, так и непрерывным излучением.

Точечной сваркой соединяют тонкие листовые материалы тол­ щиной 0,5-^-2,0 мм, проволоку диаметром КЬ-500 мкм, проволоку с подложкой, тонкие трубки, проволоку и тонкие листы с массивны­ ми элементами.

Размеры сварочной ванны (глубина, диаметр), определяющие прочность соединения, зависят от энергии, затраченной на нагрев, времени и интенсивности (плотности мощности) лазерного воздейст­ вия, а также от вида свариваемых материалов. Для материалов, хо­ рошо проводящих теплоту, эти параметры будут больше (например,

для меди), для материалов с низкой теплопроводностью (например, для никеля и молибдена) - меньше.

Для точечной сварки импульсным излучением в зависимости от вида свариваемых материалов используется диапазон плотности мощности излучения д=105+106 Вт/см2 и диапазон длительностей импульсов т=2+10 мс. При этом диаметр сварных точек составляет 0,1+1,2 мм при глубине проплавления материала 0,03+1,3 мм.

Качество сварного соединения зависит от типа свариваемых мате­ риалов. Лазерное излучение позволяет получать новые, ранее не выпол­ нимые сварные соединения. Оценивая качество соединения по десяти­ балльной системе, где 10 баллов характеризуют наилучшее качество, соответствующее соединению одноименных металлов, эффективность сварки можно представить следующим образом (табл. 4.7).

Таблица 4.7

Сравнительная оценка качества соединения различных металлов при точечной лазерной сварке

Прочность соединения зависит от величины зазора между сва­ риваемыми элементами. Для повышения качества соединения зазоры

встыке не должны превышать 0,15h (h - толщина листа), а при свар­ ке внахлест 0,25h.

Производительность точечной сварки определяется частотой следования импульсов v. Учитывая, что с повышением v в сущест­ вующем оборудовании значительно снижается энергия импульса, достижимый уровень частот составляет - 150 Гц. Поэтому предель­ ная производительность точечной сварки около 150 сварных точек

всекунду.

Выбор режимов точечной сварки, как правило, осуществляется на основе экспериментальных данных. Обычно это рекомендуемые энергия импульса Е и длительность т, предлагаемые для конкретных условий обработки.

Наибольшее распространение точечная сварка импульсным излу­ чением получила в электронике и приборостроении. Обычно она ис­ пользуется для обеспечения механического и электрического соедине­ ния тонких проводников между собой или присоединения их к печат­ ной плате. Толщина тонкопленочных элементов невелика (0,3-^1 мкм), проволочные же проводники имеют диаметр от 30 до 80 мкм.

При лазерном соединении проводников исключается очистка концов от изолирующего покрытия (полиуретан, фторопласт, поли­ винил и т.п.), так как лазерное излучение быстро удаляет изоляцию в месте воздействия в процессе сварки.

Необычные возможности дает лазерная точечная сварка для ремонта дефектных вакуумных электронно-лучевых трубок. При этом лазерный луч направляется через стеклянный баллон внутрь трубки в поврежденное место, и, таким образом, без разгерметизации прибора проводится сварка внутренних элементов.

В приборостроении лазерная точечная сварка часто применяет­ ся для фиксации одной детали относительно другой, так как из-за малых размеров деталей традиционные методы соединения с помо­ щью штифтов, шпонок, посадок с большим натягом непригодны.

При шовной сварке импульсным лазерным излучением ско­ рость сварки определяется из зависимости

V = D K nv,

где D - диаметр ванны расплава; Кп- коэффициент перекрытия Кп = s/D, здесь s - шаг обработки.

Для обеспечения высокой герметичности соединения коэффи­ циент перекрытия Кпдолжен быть не более 0,5.

При средней мощности импульса (100^-200 Вт) и частоте им­ пульсов до 50 Гц, обеспечивая глубину проплавления до 0,3 мм, можно вести шовную сварку со скоростью V до 1,5 м/мин.

Шовная сварка непрерывным излучением стала возможна бла­ годаря появлению мощных С02-лазеров. При мощности до 1,5 кВт основным механизмом передачи теплоты в глубь материала является теплопроводность, поэтому глубина распространения тепловой энер­ гии ограничивается этим механизмом и толщина сварного шва в зависимости от времени воздействия излучения находится в преде­ лах от 1до 2 мм.

При использовании более мощного излучения (несколько кило­ ватт и выше) на поверхность обрабатываемого материала энергия по­ дается быстрее, чем ее можно отвести механизмом теплопроводности. Поэтому в материале прошивается отверстие, через которое энергия излучения быстрее передается в глубь материала. При этом реализует­ ся режим «кинжального» проплавления, который обеспечивает боль­ шую глубину сварки. Если при теплопроводном режиме сварки отно­ шение глубины к ширине шва равно примерно 1-К2, то при кинжаль­ ном проплавлении это отношение может достигать 10 и более.

Размеры шва, в частности глубина проплавления h, главным об­ разом определяются мощностью излучения. Если при малых уровнях мощности Р она меняется незначительно, то при Р > 1 кВт наблюдает­ ся резкое увеличение глубины проплавления с ростом мощности излу­ чения (рис. 4.10). Эта зависимость описывается выражением h=aP°J, где А: - коэффициент, зависящий от условий обработки.

h, мм

Рис. 4.10. Зависимость глубины проплавления при сварке от мощности излучения:

1 - теплопроводный режим; 2 - режим «кинжального проплавления»

При мощности излучения Р = 80 кВт толщина сварного шва в коррозионно-стойкой стали может достигать 50 мм при скорости V= 2,7 м/мин.

Максимальная глубина проплавления достигается при распо­ ложении фокальной плоскости фокусирующей оптики на некотором расстоянии -AF от обрабатываемой поверхности в глубь материала. Особенно выдерживается эта закономерность при кинжальном про­ плавлении, что связано со спецификой прошивания глубоких отвер­ стий лазерным излучением.

На глубину проплавления оказывает влияние среда, в которой проводится сварка. Ее влияние особенно ощутимо при повышенных уровнях мощности излучения, вызывающих образование над обраба­ тываемой поверхностью плотного облака плазмы, которое частично поглощает падающее излучение. Для снижения влияния этого эф­ фекта применяется газовая защита (гелий, аргон), уменьшающая ио­ низацию продуктов выброса. Так, при сварке коррозионно-стойкой стали излучением мощностью Р = 20 кВт в струе гелия со скоростью V= 2,5 м/мин достигается глубина проплавления 12,6 мм при ширине шва 1,6 мм. Обработка на воздухе при тех же режимах снижает тол­ щину шва более чем в 4 раза при увеличении ширины шва до 12 мм.

Качество шовной сварки непрерывным излучением по сравнению с традиционными видами сварки очень высоко. Улучшение механиче­ ской прочности сварных соединений связано с получением более мел­ кодисперсной структуры переплавленного металла и металлургической очисткой, дегазацией расплава при лазерном воздействии.

При выборе режимов шовной сварки непрерывным излучением можно пользоваться экспериментальными зависимостями типа

h = Р • Р'12• V~a,

где р и а - постоянные, зависящие от характеристик лазерного излу­ чения, фокусирующей системы, свойств материала, h - глубина про­ плавления.

При сварке коррозионно-стойкой стали

h = 6,8 • Р]/2• Г"0,65

при сварке углеродистой стали

h=3,43-P1/2-F~0'55

Шовная лазерная сварка находит все более широкое распро­ странение в промышленности. Шовная сварка импульсным излуче­ нием применяется в основном для герметизации изделий небольших размеров в тех случаях, когда теплоотвод должен быть строго огра­ ничен. Например, использование лазерной сварки при герметизации корпусов кварцевых резонаторов (в том числе для наручных элек­ тронных часов) повышает выход годных изделий на 34 % по сравне­ нию с традиционным процессом пайки.

Использование непрерывного излучения для шовной сварки повышает производительность процесса. Излучение сравнительно невысокой мощности (до 1 кВт) используется для герметизации кор­ пусов реле с термочувствительными элементами, соединения режу­ щих пластин из закаленной инструментальной стали с полотнами металлорежущих пил, сварки штампованных панелей кузова легко­ вого автомобиля и др.

Сварка в режиме кинжального проплавления используется при изготовлении шестерен коробки передач автомобиля, карданного вала. Применение лазерной сварки при изготовлении карданного вала в 2-КЗ раза повышает производительность по сравнению с дуговой сваркой и существенно снижает деформацию вилки кар­ дана, что исключает необходимость его дополнительной механиче­ ской обработки.

Лазерная сварка непрерывным излучением успешно применя­ ется для соединения неметаллических материалов - стекла, полиме­ ров, кварца и т.п. Так СС^-лазер мощностью 100 Вт используется для сварки стеклянных и кварцевых труб диаметром до 200 мм и толщи­ ной до 6 мм. С очень высокой скоростью (50 м/мин и выше) осуще­ ствляется сварка полимерных пленок, труб, пластин при мощности излучения СС>2-лазера всего 0,5 кВт.

В большинстве систем лазерной сварки осуществляется непре­ рывный контроль мощности лазерного излучения для уверенности

втом, что мощность находится в нужных пределах. При выборе ре­ жима сварки оптимальная выходная мощность лазера определяется экспериментальным путем. В процессе сварки часть пучка может отводиться, например, при помощи прозрачной пластинки, вводимой

впучок под углом к его оси. При этом основная часть пучка прохо­ дит через пластинку и попадает на образец, а небольшая доля энер­ гии отражается от пластинки и направляется на предварительно от­ калиброванный фотоприемник, который позволяет таким образом контролировать выходную мощность лазера. Если значение выход­ ной мощности лазера отклоняется от заданной величины, то выход­ ной сигнал приемника можно через петлю обратной связи направить на питающее устройство и восстановить нужный режим работы.

Лазеры мощностью несколько киловатт позволяют получать глубокие и узкие сварные швы, похожие на швы, получаемые мето­ дом электронно-лучевой сварки. Лазерный пучок может распростра­ няться в атмосфере. Процесс лазерной обработки может быть упро­ щен за счет применения пневматических или магнитных захватов, которые невозможно использовать при электронно-лучевой сварке.

Кроме того, для доставки лазерного пучка к желаемому месту можно использовать отклоняющее зеркало, что позволяет осуществлять сварку в местах, недоступных другим методам сварки.

Прочность полученных указанным способом сварных соедине­ ний может быть очень высока и достигать прочности свариваемого металла. В качестве примера в табл. 4.8 приведены значения прочно­ сти на разрыв для сварных соединений высокотемпературных спла­ вов на основе никеля и железа.

Доказано, что лазер позволяет получать истинно сплавные со­ единения, в которых происходит плавление и перемешивание мате­ риалов, находящихся по разные стороны контакта. Продемонстриро­ вана техническая возможность применения процесса лазерной свар­ ки для взаимного соединения микроэлектронных компонентов.

Таблица 4.8

Предел прочности на разрыв высокотемпературных сплавов, подвергшихся лазерной сварке

Лазерные установки для точечной сварки уже давно преврати­ лись в многоцелевые устройства, обеспечивающие сварку небольших деталей. Они особенно удобны в тех случаях, когда желателен нагрев лишь небольшой области (например, для сварки компонентов, рас­

положенных вблизи от мест спая металла со стеклом, или для при­ соединения вводов к полупроводниковым схемам, очень чувстви­ тельным к тепловым воздействиям). В этих случаях метод точечной лазерной сварки вполне может конкурировать с широко распростра­ ненными методами (например, сваркой сопротивлением).

Для выполнения точечной сварки могут быть использованы оди­ ночные импульсы лазеров на рубине или неодимовом стекле. Точеч­ ная сварка никелевого контакта с клеммой из никелевого сплава на основании транзисторов вошла в повседневную практику промыш­ ленного производства. Указанный процесс позволяет получить соеди­ нение с хорошими металлургическими свойствами при небольших размерах зоны, подвергающейся воздействию теплового потока.

До сих пор многие точечные соединения выполняются с помо­ щью сварочных аппаратов сопротивления. Считается, что такой ме­ тод относительно недорог. В то же время проведенный зарубежными исследователями анализ показывает, что при большом числе сварных соединений стоимость единичной операции сварки, выполняемой при помощи автоматической системы лазерной точечной сварки, может оказаться меньше стоимости выполняемой вручную операции сварки сопротивлением. Капитальные затраты на автоматическую систему лазерной сварки, безусловно, пока выше затрат на аппарату­ ру сварки сопротивлением с той же производительностью. Однако это компенсируется более высокой стоимостью труда, затрачиваемо­ го на обслуживание аппаратуры сварки сопротивлением. Проведен­ ный анализ основывался на трехлетием сроке амортизации аппарату­ ры при уровне производительности 107 сварных соединений в год. Учитывалась заработная плата операторов, накладные расходы и стоимость потребляемых материалов. Из результатов анализа сле­ дует, что стоимость операции лазерной сварки в указанных условиях составляет 45 центов, а стоимость сварки сопротивлением - 63 цента. Кроме того, лазерная сварка обеспечивает лучшее качество соедине­ ния, а также исключает тепловое повреждение и искажение свари­ ваемых деталей. Из этого следует, что в ряде случаев лазерная тех­

ника уже в настоящее время может конкурировать с существующими методами даже в экономическом отношении.

Примеры, иллюстрирующие возможности лазерной сварки

Одним из важнейших применений сварки, которая осуществля­ ется с помощью лазера на АИГ с неодимом, работающего в режиме повторяющихся импульсов, является точечная сварка изолированных медных проводов с выводными клеммами.

Рассмотрим два примера, в которых точечная лазерная сварка достигла уровня широкого промышленного применения. Это облег­ чит понимание различных аспектов практического применения лазе­ ров. В обоих случаях лазеры используются для преодоления трудно­ стей, которые возникают при применении обычных методов. В пер­ вом случае речь идет о сварке никелевого вывода с контактом на основе никелевого сплава в транзисторе, выполняемой с помощью рубинового лазера. Применение лазерной сварки позволяет избежать растрескивания находящегося вблизи соединения металла со стек­ лом. При обычной контактной сварке сопротивлением выделяющее­ ся тепло в данном случае часто вызывает растрескивание стекла, а полученный сварной контакт не выдерживает вибрационных испы­ таний. Проведенный анализ показал, что лазерная сварка обеспечи­ вает хорошее перемешивание материалов свариваемых деталей и гарантирует высокую механическую прочность сварки. Растрески­ вание стекла исключается благодаря малому размеру зоны, подвер­ гающейся тепловому воздействию. Полученное сварное соединение отличается высокой надежностью по отношению к вибрациям. Свар­ ка осуществляется при помощи рубинового лазера с энергией 7,5 Дж в импульсе длительностью 3 мс. Установка позволяет сваривать до шести транзисторов в 1 мин.

Второй пример касается сварки проволоки из драгоценного сплава Paliney 7 с пружинкой из фосфористой бронзы. Такое соеди­ нение трудно получить методом обычной сварки сопротивлением изза большого различия электрических сопротивлений свариваемых деталей. Электрические свойства соединяемых деталей несущест­