Автор: Григорьянц А.Г.   Шиганов И.Н.  

Теги: электротехника   квантовая радиотехника   машиностроение   металлургия   обработка металлов   лазеры   электросварка  

Год: 1988

Похожие

Основы лазерной обработки материалов

Технологические лазеры. Том 1. Расчет, проектирование и эксплуатация

Сварка и свариваемые материалы. Справочник в 3-х томах. Том II. Технология и оборудование

Теория сварочных процессов

Текст 
                    

А.Г ГРИГОРЬЯНЦ, И.Н ШИГАНОВ
ЛАЗЕРНАЯ
СВАРКА
МЕТАЛЛОВ

'5 коп' «Высшая
школа»
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ
ЛАЗЕРОВ
ИНЖЕНЕРНЫЕ ОСНОВЫ
СОЗДАНИЯ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ
ЛАЗЕРОВ
МЕТОДЫ
ПОВЕРХНОСТНОЙ
ЛАЗЕРНОЙ ОБРАБОТКИ
ЛАЗЕРНАЯ ОБРАБОТКА
НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ
МАТЕРИАЛОВ
ЛАЗЕРНАЯ
СВАРКА
МЕТАЛЛОВ
ОСНОВЫ ЛАЗЕРНОГО
7ЕРМОУПРОЧНЕНИЯ
СПЛАВОВ
ЛАЗЕРНАЯ!
РЕЗКА
МЕТАЛЛОВ

Под редакцией
д-ра техн наук, проф
А Г ГРИГОРЬЯНЦА
КНИГА

АСГРИГОРЬЯНЦ, и.н.
ЛАЗЕРНАЯ
СВАРКА
МЕТАЛЛОВ
Допущено
Министерством высшего и среднего
специального образования СССР
в качестве учебного пособия
для студентов
технических вузов
Ква «Высшая школа» 1988

ББК 32.86-5
УДК 621375.826
А г. Григорьянц, И. Н. Шиганов
,.мты- Д-Р техн. наук, лроф Б. Н Бадьянов
Ре“е"-. Lctiitvt электронного машиностроения), кафедра
(Московским ннсину .nn.ftATnn и авиационных двигателей»
Й«	...» в.п
Лазерная техника и технология. В 7 кн. Кн. 5
1 Лазерная сварка металлов: Учеб, пособие для ву
зов/А. Г. Григорьянц, И Н. Шиганов; Под ред
А. Г. Григорьянца. — М.: Высш, шк., 1988 — 207 с
ил.
В книге изложены основные вопросы технологии лазерной сварки
Рассмотрены особенности формирования сварных соединений непре
рывным н импульсным излучением, основные параметры сварки и их
связь с параметрами проплавления и качеством сварных соединении
Представлены материалы по технологии лазерной сварки сталей,
алюминиевых, титановых и магниевых сплавов. Даны конкретные при-
сры применения лазерной сварки в машиностроении.
Для студентов технических вузов, может быть использовано
практическими работниками
Л .2704060000(4300000000)-345
^001(01)—88	170—88
ЬБК 32.86’5
6Ф4
(Cj Издательство «Высшая школа»,

ВВЕДЕНИЕ
Лазер открывает возможность развития технологиче-
ских процессов обработки материалов в ряде областей
машино- и приборостроения.
Высокие плотности мощности лазерного излучения,
существенно превосходящие другие источники энергии,
позволяют не только значительно увеличить производи-
тельность обработки, но и получить качественно новые
результаты, недоступные традиционным методам обра-
ботки.
Одним из применений лазера в машиностроении яв-
ляется соединение элементов сваркой.
Самое широкое применение в промышленности нахо-
дит электродуговая сварка, выполняемая различными
автоматами и вручную. Для защиты расплавленного ме-
талла от воздействия газов (кислорода, водорода, азота
и др ), оказывающих вредное влияние на механические
свойства сварных соединений, используется сварка под
флюсом, в среде защитных газов (аргона, гелия, угле-
кислого газа и др )- Распространена также контактная
сварка, осуществляемая с использованием джоулевой
теплоты. Находят применение диффузионная сварка
и сварка трением, выполняемые пластическим деформи-
рованием ювенильных поверхностей, а также ультразву
ковая сварка, сварка взрывом и др Большую перспек-
5

тнву обеспе
сырки
МВТУ «»*
рТ о 1звитне электронно-лучевой СВаркН1
-	» куумных камерах.
еМ° иые исследования процесса лазерной
-аМеНТа0В “полненные в ИЭС им. Е. О. Патона.
е3Н Э Ба'мана и в других организациях,
’	’’. тановнть характерные особенности процесса,
возвели. н )L очетанне высокой производительности
ебес ечнваюшне ^ества сварных соединений.
н повышенного^^ пособии обобщены современные
В аНН°ния о пазерной сварке металлов и сплавов
ПР£1СТ ^"сопоставления с традиционными способами
на основ озво1ЯеТ установить области эффективного
использования лазерного излучения при изготовлении
сварных соединений и конструкции.

Глава
ОСОБЕННОСТИ
ПРОЦЕССА
ЛАЗЕРНОЙ
СВАРКИ
§ 1.1. ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ
Одним из наиболее широко распространенных техно-
логических процессов в производстве является сварка.
Сварка предназначена для получения неразъемных сое-
динений и осуществляется локальным приложением раз-
личных видов энергии: электрической, механической, хи-
мической и др.
Лазерное излучение обеспечивает высокую концентра-
цию энергии, существенно превосходящую другие источ-
ники энергии, используемые для сварки. На рис. 1.1
приведены значения плотности мощности лазерного излу-
чения, получаемого в оптических квантовых генераторах,
часто называемых просто лазерами. Плотность мощности
представляет собой отношение мощности источника к ег
площади и характеризует концентрацию источника на-
грева Из сопоставления лазерного источника нагрева
с другими сварочными источниками следует, что лазерный
луч на несколько порядков превосходит по концентрации
остальные источники теплоты, используемые для сварки.
Достаточно высокую концентрацию ни к
обеспечивает электронный луч, используемый в настоя-
щее время для сварки ответственных конструкций.
Электронно-лучевая сварка осущесв яется в вакуумных
камерах, что является в настоящее время необходимым
условием устойчивого проведения процесса.
Лазерная сварка в отличие от электронно-лучевой
не требует вакуумных камер. Процесс лазерной сварки
осуществляется в атмосфере воздуха либо в среде защит-
ных нейтральных газов (Аг, Не), в среде углекислого

Рис. 11. Концентрация энергии
различных тепловых источников
(плотности мощности):
ГП — газовое пламя; ДП — дуго-
вая плазма, ЭЛ — электронный
луч; ИР — искровой разряд: СД —
сварочная дуга, ЛИ — лазерное
излучение
следует добавить простоту
газа (СО2) и др. Поэтому
создается возможность ис-
пользования лазерной свар-
ки для соединения элемен-
тов конструкций любых га-
баритов.
Особенностью лазерного
излучения является возмож-
ность легкой его транспор-
тировки. С помощью зер-
кальных оптических систем
лазерный луч можно на-
правлять в труднодоступные
места, подавать на значи-
тельные расстояния без по-
терь энергии, одновременно
или последовательно исполь-
зовать на нескольких рабо-
чих участках. Эти характер-
ные особенности лазерного
излучения создают возмож-
ность легкого и оперативно-
го управления процессом
лазерной сварки. К этому
управления энергетическими
характеристиками лазерного излучения.
В отличие от электронного луча, дуги и плазмы на
лазерный луч не влияют магнитные поля свариваемых
деталей и технологической оснастки, что позволяет полу-
чать устойчивое качественное формирование сварного
шва по всей длине.
Для сварки металлов используются твердотельные
и газовые лазеры. Различают технологические лазеры
импульсно-периодического и непрерывного действия.
Из твердотельных лазеров для сварки
применяют лазеры на рубине (в качестве твердого ак-
тивного элемента в нем использованы стержни из крис-
талла искусственного рубина). Эти лазеры генерируют
обычно импульсно-периодическое излучение на длине
волны А, = 0,69 мкм с длительностью импульсов
— Ю“3...10~9 с, энергией в импульсе 117и ~ 10 2...Ю Д*’
максимальной частотой повторения импульсов F и —
10 Гц.
Более высокими значениями мощности отличаются
твердотельные лазеры с активным элементом в ви>ае

стержней из стекла с примесью неодима. Они генерируют
импульсно-периодическое излучение на длине волны А =
— i.Ub мкм. Частота следования импульсов
в широких пределах от 0,05-103 _ _
способны генерировать большую "энергию в
десятки
отлича-
। изменяется
до 50 -103 Гц. Эти лазеры
джоулей в импульсе при длительности импульса 100 мкс
и при низких частотах повторения
Большими технологическими возможностями отлича-
ются твердотельные лазеры с активным элементом из
иттрии-алюминиевого граната с добавкой неодима. Эти
лазеры могут генерировать излучение не только в им-
пульсно-периодическом, но и в непрерывном режиме на
длине волны излучения А = 1,06 мкм.
Следует отметить, что средняя мощность излучения
твердотельных лазеров достигает в настоящее время
сотен ватт. Ограничения по уровню мощности связаны
с малыми линейными размерами искусственно выращи-
ваемых кристаллов и их низкой теплопроводностью, что
затрудняет их охлаждение в лазерных установках. В твер-
дотельных лазерах КПД преобразования электрической
энергии в энергию излучения имеет значение порядка 1...
2%. Однако в настоящее время широко проводятся
исследования вновь созданных активных элементов для
твердотельных лазеров, которые могут обеспечить наряду
с высокой мощностью излучения высокие значения КПД,
достигающие 10% и более.
Большую перспективу для лазерной сварки представ-
ляют газовые лазеры, в которых в качестве
активной среды используется диоксид улерода СОг.
Эти лазеры способны развивать в настоящее время сред-
нюю мощность от нескольких сотен ватт до десятков
киловатт в непрерывном и импульсно-периодическом ре-
жимах генерации излучения с длиной волны А =
= 10,6 мкм. В этих лазерах достигается достаточно
высокий КПД преобразования электрической энергии
в энергию излучения (10...20 % и более).
Лазерное излучение является когерентным, монохро-
матичным, обеспечивающим малую расходимость и, сле-
довательно, имеет возможность высокой степени фокуси-
ровки для достижения больших значений концентрации
энергии излучения. Благодаря этому на поверхности
материала, обрабатываемого сфокусированным лазерным
излучением, происходит локальный нагрев. При этом
обеспечиваются высокие скорости нагрева и охлаждения,
существенно превосходящие эти параметры при тради-

иконных методах теплового воздействия, малый объем
расплавленного металла, весьма незначительные размеры
околошовной зоны термического влияния. Эти особен-
ности теплового воздействия предопределяют специфику
физико-химических и металлургических процессов в ме-
таллах при лазерной сварке и характерные свойства
полученных сварных соединений.
§ 1.2. ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ
ПОКАЗАТЕЛИ ЛАЗЕРНОЙ СВАРКИ
Распространение теплоты при лазерной сварке под-
чиняется законам теплопроводности. Для возможности
анализа тепловых процессов на основе теории теплопро-
водности в первую очередь необходимо соответствующим
образом задать тепловой источник в месте воздействия
лазерного излучения. Это можно выполнить с учетом
специфических особенностей взаимодействия лазерного
излучения с металлами при сварке.
Лазерное излучение, направленное на поверхность
материала, частично отражается от поверхности, а час-
тично поглощается материалом. Вследствие поглощения
излучения в обрабатываемом материале начинает дейст-
вовать интенсивный источник теплоты.
По энерговкладу в единицу объема обрабатываемого
материала лазерная сварка занимает промежуточное
положение между поверхностной термообработкой и рез-
кой. Характер и интенсивность воздействия в первую
очередь зависят от плотности мощности лазерного Излу-
чения £ (Вт/м2) в зоне обработки, определяемой отно-
шением мощности лазерного излучения Р (Bti к nnZ,
ли пятна r/hnvvrunnoaiiur.rn _______ '	' л 1мЦ)ща-
-1 лазерного
нроисходит активный
не наблю-
материала.
термообра-
J небоЛь-
ди пятна, сфокусированного на поверхности
излучения.	г "
При уровнях £ ~ 108...109 Вт/м2 п
локальный разогрев материала, при 7o?oVom
дается заметного испарения или разрушения
Такие источники нагрева используются для
ботки, наплавки, легирования и сварки металла*
шой толщины 0.5..1,0 мм.	08
Следует ввести в рассмотрение понятие г
плотности мощности £*, определяющее услои ,0р0говой
металла без разрушения Характерный уров И8 Нг*грева
вышением которого начинается активное и**	’ С пРе*
разрушение, для большинства металлов сос-г аСПарение и
являет ю»
ю

10" Вт/м2 в зависимости
от теплоты испарения, теп-
лопроводности и длитель-
ности нагрева. При значи-
тельном превышении плот-
ности мощности Е над поро-
говой плотностью мощности
£* основная доля энергии
лазерного излучения расхо-
дуется на интенсивное испа
рение материала и увели-
чение внутренней энергии
разлетающихся паров, ка-
пель и твердых частиц, а
энергия, затрачиваемая на
плавление металла, относи-
тельно мала. Соответственно
жидкая фаза в зоне обра-
ботки практически отсутст-
вует, и сварка в столь жест-
ком режиме оказывается не-
возможной.
Снижение плотности
мощности до Е^Ю9...
1О10 Вт/м2 приводит к уве-
личению доли жидкой фазы
в зоне обработки; происходит
называемое «кинжальным».
Рис J 2 Схема энергозатрат в
установившемся режиме про
плавления металла сфокусиро
ванным лазерным пучком:
/ — сфокусированный луч лазера.
2 — основной металл; 3 — кратер
(парогазовая каверна), 7 — жид
кий металл, 5 — переплавленный
металл (сварной шов), 6 — плаз-
менный факел
интенсивное проплавление,
В центре проплавления
образуется парогазовая фаза При перемещении лазер-
ного луча расплавленный металл под действием давления
паров и вследствие разности сил поверхностного натя-
жения в центральной и хвостовой частях сварочной
ванны оттесняется в хвостовую часть ванны. При крис-
таллизации расплавленного металла образуется шов
Распределение энергии лазерного излучения при свар-
ке в общем случае установившегося режима пропдав-
ления можно представить в виде схематизированного
изображения на рис. 1.2 (но данным О. А. Величко
и др ). Энергетический баланс, определяющий связь меж
ду источником энергии и различными видами энергоза
трат, описывается следующей системой уравнеин
Q, — (Q*z + Q""* + <Л*>рт) =
Qtt = Qi+<W	<|2>
Qi+	<13)
II

□ и О - энергия сфокусированного лазерного луча
В не Обработки; - энергия. поглощенная в объеме
ма менно парового факела внутри и над поверхностью
кпатеоа (высокотемпературная плазма возникает вслед-
ствие ионизации парогазовой среды концентрированным
потоком энергии лазерного излучения); — энергия,
рассеиваемая в окружающую среду излучением из плаз-
менного факела; QJ'—часть энергии факела погло-
щаемая стенками канала в результате конвективного
и учистого теплообмена; Qorpi энергия лазерного из-
лучения, отраженная от плоской поверхности основного
металла' и от дна кратера; Qpa3ps — полная энергия
продуктов разрушения, уносимая реактивной парогазо-
вой струей; Q' — энергия лазерного луча, поглощенная
в процессе фотонно-электронных соударений на стенках
канала; QB — полное теплосодержание жидкого металла
в сварочной ванне; Q
водностью в глубь основного и переплавленного металла
В соответствии с рассмотренными составляющими
энергобаланса эффективность передачи энергии лазерно-
го излучения обрабатываемому материалу определяется
суммой потерь в факеле, на отражение, испарение
и капельный выброс металла из зоны обработки и харак-
теризуется эффективным коэффициентом поглощения
ДэФ. Приближенное значение этого коэффициента может
быть получено из уравнений (1 1) и (lJ) в следующем
тп — энергия, отводимая теплопро-
Дэф
Qa '	U
Эффективность процесса сваоки п
вать значением эффективного КПП ИНЯТ0 характеризо-
отношение энергии или мощности Г,н’ пРедставляюШим
при сварке, к энергии или мощное°ГЛОЩенной металлом
риваемым деталям. Таким образом’ подвоДимой к сва-
го коэффициента поглощения лаа₽П°НЯТИЯ эффективно-
сварке и эффективного КПД проиргРЯОГ0 излучения при
по физической сущности. В дальней СВаРки совпадают
зоваться эффективный КПД «	будет исполь-
ющеи формулой:	' определяемый следу-
Цн = q/pt
где q — эффективная мощность
ки, т. е. мощность теплового ।
12
1 пРоцесса п
источника парной свар-
еиствУющеГ0

в металле при лазерной сварке; Р — мощность лазерного
излучения	'
Значения эффективного КПД т)„ обычно определяют
экспериментально способом калориметрирования в соот-
ветствии с известными рекомендациями. В этих экспери-
ментах осуществляют лазерную сварку образцов неболь-
ших размеров (ЮОХЮО мм). Сразу после сварки образ-
цы погружают в калориметр и определяют их теплосодер-
жание, т. е. количество теплоты, поглощенное образцами
в процессе сварки. Таким образом, определяют эффектив-
ную мощность q процесса лазерной сварки. Зная мощ-
ность лазерного излучения Р и эффективную мощность q,
по формуле (1.5) определяют значение т|н
Значения эффективного КПД цн зависят от парамет-
ров режима и условий лазерной сварки Следует отме-
тить заметное влияние скорости сварки на величину
Пн (рис. 1.3). Эта особенность связана с влиянием раз-
меров и формы парогазового канала на поглощение
лазерного излучения. Сопоставление различных состоя-
ний поверхностей образцов перед сваркой показывает их
незначительное влияние на величину эффективного КПД,
а при поверхностной термообработке указанные измене-
ния в состоянии поверхности значительно влияют на
поглощение лазерного излучения. По-видимому, это свя-
зано с тем, что при сварке кромки нагреваются до
температур плавления и выше, тогда как при поверхност-
ной термообработке температура нагрева, как правило,
Рис. 1.3. Зависимость эффективного КПД от скорости сварки и
физико-химического состояния поверхности образцов из низко
углеродистой стали СтЗ толщиной 6— 3,5*	ПРН ян
ном уровне мощности лазерного излучения Р —
фокусном расстоянии F = 210-IU м.
А - механически обработанная поверхность; ° - Лн Т™"
ним поставки; □ - чистый металл (химическое травление)
13

LllH
ниже Известно, что коэффициент поглощения лазерНого
излучения значительно возрастает при повышении тем.
ператур, и поэтому исходное состояние поверхность
перед сваркой практически не сказывает я на значе-
НИЯХ Т}я-
Можно рекомендовать к практическому применению
высокопроизводительные режимы лазерной сварки с
большими скоростями порядка усв = 25...30 мм/с, зна-
чительно превосходящими скорость дуговой сварки При
этом обеспечивается максимальная энергетическая эф-
фективность процесса лазерной сварки.
Следует отметить, что оптимальные значения т] =
= 0,6...0,7 при лазерной сварке сталей не уступают
соответствующим показателям при дуговой сварке, т. е
энергетическая эффективность лазерной сварки не усту-
пает процессу дуговой сварки.
Таким образом, в конкретных случаях лазерной
сварки необходимо фиксировать измерительными прибо-
рами мощность излучения Р, подводимую к свариваемым
деталям Эффективную тепловую мощность q следует
вычислить по формуле (1.5), использовав в первом при-
ближеини для деталей среднее значение т)я = 0,65. При
«,а „ ч^ние ц. можно уточнить калоримет-
конкретного режима сварки
при сварке энергииИ»П°'1Ь30ВаНИЯ ввеленной в металл
ф. который представХ^сЯ™ теРмическям КПД
теплоты, необходимой для пп„ отиошение количества
введенной в изделие или 5°™аВЛеНИя, ко всей теплоте,
_ с	1 	0 6>
где ог.рдм — условное теплосппо
а и иц времени основное ^/Кание проплавленного
лазерной сварки;	м^ла; v - скорость
сварного шва; $„ - удельноеГХ. "°ПеРечного сечения
расплавленного металла,	Tfknn—_______—
плавления.	’ Ча,°Щее
По физическому смыслу Теои
цесса сварки определяет долю “неп. - 'Ш п, про-
на расплавление металла, и хал/ ерГии,	л р .
обусловленных теплопереносом^а тТерйзУет рачиваемои
вом жидкого металла. Исходя	Фазе Му потерь’
зировать характер изменения	“<>Жно "р^нГ
рости сварки. Если источник те1т^Исии°<:ти ”рогно
14	йеРемещается
w — площадь*^^13** v ~~ скорость
теплосодержание
скрытую теплоту
цесса сварки определяет Долю"^^^ КПД П/ про-

о 4	8	/2 fs 70 24 28 52 36 40 49 48 52
1Гамы!с
Рис 1 4. Изменение термического КПД лазерной сварки титанового
сплава ВТ-28 толщиной 6 = 2-103 м от скорости сварки н мощно-
сти лазерного излучения в различных условиях,
фокусирующая линза
_____________ : : i — KCI. фокусное расстояние Г = 215-10”э
вая / — мощность излучения Р — 5-103 Вт = const; кривая II
проплавления, кривая
группа
м; кри-
глубнна
'[	= б = const. Ш — теоретическая зависимость
А — р = (2.2 2.4)-101 Вт. группа Б—Р= 2.7 2.9) -10* Вт
2.7 2.9)-19* Вт
с малой скоростью, то значительная часть энергии
успевает вследствие теплопроводности распределиться по
объему металла (в том числе и в направлении движения
источника), вызывая значительный подогрев металла в
твердой фазе, окружающей расплавленную зону. Эффек-
тивность проплавления при этом невысока, ри У®®'™
чении скорости сварки потери, обусловленные теплопро-
ВОДНОСТЬЮ, снижаются.
Подобная закономерность. Установленная £ фнзиче
соображений, подтвердилась э«спеР»“е“т^Ь"“”
при скорости сварки 6.8 мм/с термине
...ла ч. процесса лазерной сварки ^стины^
п 94 п 96 ( коивая / на рис. 1.4), а пр у
24'..25 мм/с значение iji возросло до устойчивого
„г изменяется кривая // (рис. 1 4)
Гб 'и в этих случаях на оптимальных
‘ весьма высокие значения тр-
что указанные значения термиче-
’ сдельному теоретическому уров-
0 4М. "вычисленному для случая проплав-
15
СКИХ
данными. Так
скин КПД гр
вил ।
Ус. до
уровня 0,40.
Приблизительно также
и кривые на рис. L
участках достигаются
= 0,4...0,45.
Следует отметить
ского КПД близки к п
НЮ (	) сред = 1

ггс 8, мм/с
Рис. 1.5 Зависимость термического КПД процесса лазерной сварки
низкоуглеродистои стали СтЗ толщиной 6 = 3,5-10 м от скорости
сварки и физико химического состояния поверхности образца при
постоянном уровне мощности лазерного излучения:
рявб-101 Вт (обозначения см на рис I 3)
Для расчета тепловых
процессов следует правильно
задать источник теплоты, со-
ответствующий рассматри
ваемому случаю сварки. Как
уже отмечалось в.§’ 1.1, лазер-
ный луч, используемый для
сварки, отличается высоком
степенью концентрации энер-
гии на малом участке поверх
ности. Это дает основание
считать, чти в большинстве
случаев лазерной сварки ис
точпик нагрева действует в
очень малом объеме, который
для удобства аналитического
конечно малым объемом.
Рис. 1.6. Расчетная схема ли
нейлого источника теплоты
расчета представляется бес-
ления тонкой пластины линейным
жущимся источником теплоты
Таким образом, независимо от
свапкиСпИ п СУШеСТВУ ол °^ласть оптимальных режимов
сварки в диапазоне 20 „40 мм/с обеспечивающих ппео-
кии уровень эффективности /Л’ ооеспечипа|оших высо-
с высокой ктив,|ости расплавления в сочетании
значения термического кпп достигаемые при этом
значительна превосходят з !Д "а УрОвне ’l' = °'35 °'40
ционных способах дуговой г«еНИЯ' полУчен||ые при тради-
правило, 0,18 .0,22 кварки, не превышающие, как
мощным быстродви-
абсолютного уровня
i 1.3. ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ
теплоты в материале при сварке
теплопроводности. В общем
~ _дьной точки твер
нелинейным «диф
аналитииап. ’',"‘и,,рои°лности в частных
1М РеП1ение которого затруД*
^висимости теплофИ'
. -JI'M* AH4nl,47V П
Упрощенному линейному
,М| н аналитической фор*
11,1 -нты теплопро
Распространение
описывается по законам
случае изменение температуры произ7ол
дого тела во времени 011рг- жзвол
ференциальным уравнением
производных, г
нит ел ыю. При введен и
,Т<’в/|.опР°водности
зических свойств матепи^п °9ИП "е3а
.......- у₽ав-н11е СХХ7 ;в«п«рат?;ы
виду, решаемому для 1>яда Г1 к Vnnr..... ДИЧ’ 1'4
ме. При этом принимается, ” Иналитичсской йюо-
водности 1,, объемной теши! Ко 'Ффициеп .,ССкои • Р
поверхности «у являются псу(МК0Сти и т/ теилоПр0
зависят от температуры. 10н»"ыМи велцгц^^и Т ’ис
16
Для однопроходной лазерной сварки встык с полным
проплавлением элементов малой и средней толщины
{до 6... 10 мм) обеспечивается так называемое «кин
жальное» проплавление, практически равномерное по
толщине. В этом наиболее распространенном случае
лазерной сварки можно считать, что действует сосредото-
ченный источник теплоты с равномерным распределением
..г. Это так называемый линейный источник
мты (рис. 1.6), сосредоточенный в бесконечно ма-
объеме равномерно по толщине (по линии О — О').
При лазерной сварке с полным проплавлением от-
дельным импульсом источник теплоты представляется
в виде мгновенного линейного.
При им пул ьсно-периодическом лазерном воздействии
процесс нагрева тела при сварке описывается непрерывно
действующим источником теплоты, который представ-
ляется в виде серии действующих друг за другом мгно-
венных источников теплоты.
При лазерной сварке непрерывным излучением имеет
место непрерывно действующий линейный источник При
лазерной сварке перемещающимся относительно деталей
вводится подвижный линейный источник,
ныс выше условия анализа положены в
тепловых процессов при сварке, разрабо-
11. II Рыкалиным. Полученные аналитические
инженерных расчетов и могут быть
для определения температурных
по толщине. Это так называемый линейный источник
теплоты ।
лом
лучом в расчет
Рассмотренные
основу теории
танной L
решения удобны для
успению использованы
полей при лазерной сварке"
I

IД » j П
и/ !
WiA i

• гиаоке Сфокусированным излучением
При лазерной сварк	непрерЬ1ВНого воздействия
в виде отдельного импульс	времени температурное
в течение ^Хедставлено в виде процесса распрост-
поле может быть предст ого линейного источника с
Раиения теплоты МГИ_.„„ „ тлииой пластине с п»»
энергией Q, выделившейся в тонкой пластине с равно-
мерным распределением по толщине в начальный момент
времени / = 0 в точке О (рис. 1.6):
=	(1.7)
где г2 = х2 4- у2 — квадрат расстояния от источника
теплоты О до точки тела А с координатами х, у\ К — коэф-
фициент теплопроводности; 6 — толщина пластины,
а =	— коэффициент температуропроводности (су —
объемная теплоемкость); Ь =—коэффициент тем
пературоотдачи, учитывающий поверхностную теплоотда
чу в окружающую среду (<Хг — коэффициент полной
поверхностной теплоотдачи).
меии^Р?1/И« т!СТеН хаРактеР изменения мощности во вре
( ) в течение длительности импульса тн (оис 1 7 а)
= (Р“ 1Л Sl- ”
делить эффективную мощности пД П" НеТрудно 0ПРе’
ки <? в любой момент времени й "рОцесса лазерной свар-
f 1-5 V R HPDRnu Ппибп.»,,,_ в соответствии с формулой
— 0.65, и умножая текС’.'ии» °ЖН° пРИНЯть Для сталей
— const, получим закон ю ЭНачения Р на значение
сти q во времени, соответг™ИеИИЯ.эФФективной мош-
ующий закону изменения
а)
(1.5). В первом приближении
п-
Пи
ности q
о
Рис 1.7. Изменение
А 1
мощности п,
60 времени ЛЗЗеР,и^о кзЛуЧе11ия
а— импульсное воздействие г
Ме"рерывное нзл^
излучение
18

мощности излучения. Тогда количество теплоты Q, введен-
ное в пластину, следует _ вычислять в виде: 0 =
= 5 <?(0<М (рис. 17, а) или Q = 9/д (рис. । 7 б)
Неподвижный линейный источник теплоты, непрерыв-
но действующий длительное время, можно представить
в виде действующих друг за другом мгновенных источ-
ников теплоты. Распределение температуры в этом случае
определяется интегрированием температурных полей от
отдельных мгновенных источников.
Вывод соответствующего уравнения осуществляется
следующим образом. Первоначально вводим предполо-
жение, что мгновенный линейный источник с эффектив-
ной тепловой мощностью q действовал в течение беско-
нечно малого отрезка времени d/. Тогда приращение
температуры в любой точке пластины в произвольный
момент времени t можно определить в соответствии
с уравнением (1.7) в следующем виде (теплоотдача
с поверхности не учитывается):
О
dr =
qdt
4л1тб/
(1.8)

При непрерывном действии источника в течение вре-
мени t температура в произвольной точке А (х, у) опре-
делится интегрированием выражения (1.8):
Т ( qdt ~	fl 9)
7 ~ Jo
Для случая непрерывного действия источника с по-
стоянной эффективной мощностью q — const интегриро
вание выражения (1.9) проводится заменой и —	-
4лХ,д
(110)
где Е, - интегральная показат,ель^3Лмош-
- /’изменяется по какому-либо
айне следует проводить в числен-
значение </(/) в (19). Это относится
воздействию и к любому
а “""ульсни-uepnu^	переменным во време-
Другому случаю лазерной свары н
нн значением эффективной мощности q
19
В тех случаях, когда эффективная тепловая мош-
ность в течение времени <
закону q (/), интегрирова'
ном виде, подставив l
к импульсно-периодическому
нн значением эффективной мощности q

Бочее сложным путем выводятся уравнения для опи
сания тепловых процессов от движущихся непрерывно
действующих источников. Используется принцип надо
ження т е действие непрерывного источника заменяется
совокупным воздействием действующих друг за другом
в разных участках тела (по траектории движения источ-
ника) мгновенных источников теплоты. В общем случае
для произвольного времени действия источника решение
сводится к определениому интегралу, вычисляемому в
численном виде. При длительном непрерывном действии
движущегося источника теплоты достигается так назы
ваемое квазистацнонарное состояние. Это предельное
состояние характеризуется тем, что температура точек
в подвижной системе координат, связанной с источником
теплоты, перестает изменяться во времени Уравнения
предельного состояния выводятся в предположении неог-
раниченно длительного действия источника постоянной
мощности, т. е. при t -+ оо. Для такого предельного сос-
тояния удается получить в результате интегрирования
аналитическое выражение. Уравнение квазистационарно-
Топ плт. । «г. » и	процесса распространения
м=тГеГ0Г0 источника постоянной эффективной
мощности q, движущегося г
оси Ох в бесконечной пластине ( СКОРОСТЬЮ
дующий вид:	'
V по
см. рис. 1.6), имеет сле-
левого порядка
_ J сварки.
осуществлять процесс с больщг
нагретая область имеет малую
ния лазерного луча. В этом
няется в
шву. Это ,	____ _ u
расчетных схем Источник теплотыеКОТорому
расчетной схеме, носит название до^^Уем
щегося.	j
Уравнение предельного состояние
ранения теплоты мощного быстрод0^ро^сса
20	'“;'ЧСГ0^
Г(г. х) =	, I-------—
2*ме	1+!££.), (in)
где Ко —функция Бесселя i.rn
от мнимого аргумента; и — Скпп род>а нулевого порядка
Лазерная сварка выполняв? С„варки-
ванным источником энергии, поЗВп„ высококонцентриро-
осчшествлять nnn..^ .	как правило,
rnfinl, V4KV^	ШНПи^СТЯМ"- При этом
•< представляет
основном r ио 1 слУчае тРпКТорнн перемеще-
основном в направлении Плота расппостпа-
условие приводит к „1 ’ ПеРПенпии Р Р
Упрощению
Очного *емь1й в такой
^Родвижу-
Распрост-
линей-

кого источника в бесконечной пластине имеет
вид:
следующий
я

(1.12)
где t - время, отсчитываемое от момента, когда источник
пересекает плоскость, проведенную перпендикулярно оси
движения источника через рассматриваемую точку А
на расстоянии у от осн движения	Л
Представленные выше уравнения позволяют провести
не только качественный анализ температурных полей
но и дать количественную оценку особенностям терми-
ческих циклов, скоростей охлаждения, максимальных
температур и других тепловых параметров при лазерной
сварке.
Наглядным изображением температурных полей является
построение изотерм или изотермических линий, которые
по определению являются геометрическим местом точек
тела, имеющих одинаковую температуру Для этого сле-
дует задать то или иное значение температуры Т =
= const и по соответствующим уравнениям определить
значения координат х, у, удовлетворяющих этому зна-
чению температуры. На рис. 1.8 представлены темпера-
турные поля в виде характерных изотерм для наиболее
общего случая сварки встык пластин из низкоуглеродис-
той или низколегированной стали с полным проплавле-
нием, рассчитанных по уравнению (1.11). Полученные
Данные позволяют произвести оценку влияния режима
сварки на поле температур.
С увеличением скорости сварки и при постоянном
значении эффективной мощности q = const области,
нагретые выше определенной температуры, уменьшаются
по площади. При этом изотермы уменьшаются одновре-
менно по ширине и длине и сгущаются впереди источника
нагрева (рис. 1.8, а).
С возрастанием эффективной мощности
теплоты q при постоянной скорости сварки с» —
изотермы увеличиваются по длине и ширине р
Увеличение происходит более интенсивно, че Р
мощности (рис 18 6). При одновременном возрастании
эффективной мощности q и скорости ^а£к“0^(ПРр0Нс.
стоянном значении погонной энергии ?	ширина
ходит существенное увеличение длины и р. ,
прн этом возрастает незначительно (рис
21



1500в	и
я-16 -ft !? -ю -8 -6 ч -г о г ч см
Рис 1.9 Влияние теплофизических свойств металла на характер
температурного поля линейного источника в пластине толщиной
I см q = 4200 Дж/с, V = 0,2 см/с
поля при сварке
Большое влияние на температурные
оказывают теплофизические свойства материала, в пер
вую очередь теплопроводность К и теплоемкость су Это
можно увидеть, сопоставляя температурные поля при
сварке на одинаковом режиме материалов с различными
теплофизическими свойствами, таких, как низкоуглеро
листая и хромоникелевая аустенитная
ний, медь (рис
теплофизическими свойствами, таких, как низкоуглеро
____У	______ стали, алюми-
v rtv i 9) Увеличение теплопроводности
приводит к значительному уменьшению длины ^30]ге(?м^1
[Ю ее ширины (рис. ьу,
приблизительно соответ"®уесТкоСрЛ0сти'01<Не-
мощности q и CK0P0Cnst с нвел((
1И	•>' nD04„x равных
S-. ~" •»
зон, нагретых
и несущественному сокращени
б), т. е. ।
менного уменьшения i-----	__
стоянкой погонной энергии сварки
чением теплоемкости м.
Условиях протяженность изотерм
ширине уменьшается.	«омрпы
При сварке алюминия и меди р ^иьше чем в ста-
До высокой температуры, значительн	в области
(РИС. 1.9. а- г) При этом изотерм( g
высоких температур близки к окру вь1СОкой теплопро-
7* Это связано в первую очередь	температурных
°Дностью алюминия и меди 11ри Р ____ принимались
полрм -...... .......... пне 1.У. °
23
. 1.9, а — г). При этом
высоких температур близки к	вь1Сокой теплопро-
- температурных
Лях (рис.
в°дностью алюминия и i
Полей, представленных на рис
следующие свойства металлов-

Металл
Ttp, °C К, Дж/(смХ
X с  град)
су, дж/(см X
X град)
Q. см’/с
Низкоуглеродн-
стая сталь... ЬОО
Хромоникелевая
аустенитная
сталь...	600
Алюминий...	300
Медь...	400
0,38
0,25
27
4.0
4.8
4,7
2.7
4,2
0.08
0,053
1.0
0,95
Рис. 1.10. Определение ши-
рины зоны 21, нагревавшейся
выше температуры ту
В ряде случаев для анализа
структурных превращений в зо-
не термического влияния при
сварке необходимо определить
размеры зоны 2/, нагревавшей
ся выше заданной температуры
Ti (рис. 1.10). Наиболее просто
выводится формула для расчета
ширины зоны термического
влияния в случае мощного
быстродвижущегося линейного
источника с использованием
уравнения (1.12) при отсут
ствии теплоотдачи (Ь = 0);
21 == ?У2/(ле)
vcyfiTt
(1.13)
Тепловое воздействие г~
характеризуется термическим
процесса сварки на мятрпияп
, — •^гтг’п^скими r материал
циклом называется изменение Циклами- Термическим
Т°Ч.К.е^а: Термическиево времени
чиняются Общей закономерности _КЛЫ ПР« сварке под-
температура повышается, достигает t Начальн°й стадии
чения, а затем снижается При*ак«мального зна-
удаленных от оси движения источник 7 точках. более
тура повышается медленнее, позжё™^™0™. темпера
и при этом значение максиё,?^'^3^-
аксимальной тем.
смещенны ника теплоты,
Во вРемени
кого значения,
пературы ниже.
Установившееся температурное -
тем, что термические циклы точек
равном расстоянии от оси — *** ®
являются одинаковыми,
(рис. 1.11).
24

тимический цикл при сварке характеризуется следу-
ми Параметрами: скоростью нагрева, максимальной
гом ературой, скоростью охлаждения, временем пребыва-
ия материала выше заданной температуры. В зависи-
мости от режима сварки, теплофизических свойств
материала и других условий сварки параметры терми-
ческого цикла могут значительно различаться. Их опре-
деление является важной задачей. Экспериментальное
определение термических циклов при лазерной сварке
связано с большими трудностями ввиду высоких скорос-
тей нагрева и охлаждения. Поэтому представляет боль-
шой интерес возможность расчетного определения пара-
метров термических циклов при лазерной сварке.
Максимальная температура нагрева рассчитывается
из условия равенства нулю первой производной темпера-
^Ры по времени или по расстоянию: dT/dt = & дТ/дх =
Время / и расстояние х связаны между собой через
а^Рость сварки. Из этого условия можно получить
Д.1яЛХХ/Ь1раЖеНИе максимальной температуры
оыстродвижущегося линейного источника
_ 0.484(7
2
<Р«С I |Т9?МИЧе«ИХ
ЦЛЬТат°в з"°п1ЧИЛИ
расчетных результатов, получен-
с экспериментальными данными
Циклов при лазерной сварке
включая И Расчетов в широком диапа-
область высоких температур
скорости нагрева или
<>су621/о \ ‘ 2а J 1	U • 1 4)
Де у __р
0ЧНика теплотыНИе данной точки от оси движения ис-
ных по 50П0Ставлении
Фт°еР07ле (114),
W । ^Рмических 1
зонеЛ^Тат°в экспериментУА°ВЛеТВОрИТеЛЬНое совпадение
дог-И ПЯГиРТП° ° ----------------------------------
0Х ’^ниТнеобГ” мгновенной
qfj-	М° вычислить первую производную
25

Рис 1.12. Распределение мак-
симальных температур в попе-
речном сечении пластины тол-
щиной б = 3,5 мм при лазерной
сварке ннзкоуглеродистой стали
на различных режимах;
/ — режим д = 2420Дж/с; и =
- 13.3 мм/с; 2 — q — 2760 Дж/с.
v — 20 мм/с; Дм — кривые, полу
ценные в результате обработки за
писей термических циклов, Б( j —
теоретические кривые, построенные
по формуле (1-14) по оси темпера
ТУР Тда1Х-10~*, С
температуры по вре
4> = dT/dt. При наличии ан/
литических выражений тем
пературного поля для соот-
ветствующих случаев сварки
[формулы (1.7),	(1.10)
(1.11), (1.12)] скорость
охлаждения определяется
несложно. Для этого следует
вычислить значения темпера-
тур в заданной точке в тре-
буемые моменты времени по
соответствующим формулам,
а затем численным диффе-
ренцированием найти первую
производную, т. е. скорость
охлаждения.
В частном случае для то-
чек оси шва при сварке плас-
тин встык с полным проплав-
лением скорость охлаждения
можно определять по следу-
ющей формуле, полученной
Для случая мощного быстро
Движущегося
источника:
л иней ного
г3
Знак минус означает,
ние материала.
Расчетные значения
ные 1
с экспериментальными
для температур Т
2л*,с? (Q/v^r.	и.,о;
Рассматривается охлажде
по формуле (1 15), удовлетвопит>НДеНИЯ’ вычислен
-................ Результатами	пХ0 Г --
900...ЮОО "с г?" л?зеРной
температурах скорости охлаждени ₽
либо экспериментально, либо
ными расчетами с учетом зависимости т MVJ,ee слож-
своиств материала от температуры „ „ ПлоФизичесХ
сварочного источника теплоты.
Термические циклы при лазерной
существенно различаются. Лазерный ” Дуг°в°й св
более высокую концентрацию энергии ЛУЧ обеспечиЭРКе
вательно, при сопоставимых значений Дуга QBaeT
мощности q полное проплавление одной4
26	" Т°Я Же тадЙ
скоростей пуп*---
-°Р^ьно согласуются
?Л?у^татами пп“ Д сварке
и более высоких
теоо^иХ" опРвДелять
«орфически более
—Физических
Распределенности
И	-

Рис. 1.13. Термические циклы при лазерной и аргонодуго-
вой сварке:
/ — аргонодуговая сварка; 2 — лазерная сварка
при лазер-
тол щи ной
мощности
но качест-
щины материала при сварке встык может оыть выпол-
нено лазерным лучом на значительно более высокой ско-
рости, чем при дуговой сварке. При этом как ширина
шва, так и ширина зоны термического влияния при
лазерной сварке меньше, чем при дуговой
На рис. 1.13 показаны термические циклы
ной и аргонодуговой сварке встык пластин
6 = 3,3 мм. Значения эффективной тепловой
в обоих случаях сварки примерно одинаковые,
венное формирование шва с полным проплавлением при
аргонодуговой сварке обеспечивается на скорости и =
= 11,7 мм/с, тогда как скорость лазерной сварки в этом
случае значительно выше и составляет v = 29,2 мм/с.
Термические циклы представлены для участков около-
шовной зоны, которые нагревались при лазерной и ду-
говой сварке до приблизительно одинаковых максималь-
ных температур. Скорости нагрева и охлаждения при
лазерной сварке выше, чем при дуговой. В соответствии
с этим время пребывания металла выше заданной тем-
пературы при лазерной сварке значительно меньше, чем
при дуговой Это означает, что структура шва и около-
шовной зоны, а также механические свойства сварных
соединений будут различаться
Представленные выше аналитические выражения для
расчета температур являются наглядными и простыми
27

iV
t
пля описания тепловых процессов в соответствуют
мучаях лазерной сварки. Эти расчетные зависимости
были получены аналитическим решением линейного ДИф.
(Ьеоенциального уравнения теплопроводности, в котором
теплофизические свойства материала были приняты по-
стоянными. На самом деле теплофизические свойства
существенно зависят от температуры, в особенности
в области высоких температур. Вследствие этого исполь-
зование полученных выражений (1.7), (1.10), (111) и
(1.12) ограничивается расчетами температур ниже (0,6
0,7) Тпя. При более высоких температурах результаты
расчетов не обеспечивают удовлетворительного совпаде-
ния с экспериментом.
Более точные результаты расчетов, в том числе и в
высокотемпературной области, получают, учитывая теп-
лофизические свойства материала в условиях быстрого
изменения температур при лазерном нагреве. Для этого
следует решить нелинейное дифференциальное уравнение
теплопроводности. Точное аналитическое решение такого
уравнения отсутствует. Используются различные прибли
женные решения, среди которых наиболее перспективны
численные методы. Они получили широкое развитие в
последние годы в связи с возросшими возможностями
современных вычислительных средств
Из численных методов
нелинейной трпплппл дов расчета Для решения задач
конечных Разностей. ПрТчисХном0 Прнменяют меТ0Д
переменными теплофизическим ?	- Расчете наряду с
можно учитывать скрытую тепло °ТВЗМИ матеРиала
при расплавлении и кристаллиз°ТУ ^азового перехода
деленности источника нагрева ПЭЦИИ’ ХаРактер распре-
с участков поверхностей сварив^11^10 теплоотдачу
условия существенно повышают то^** Элементов. Эти
зволяют теоретически анализировать0^ расчет°в и по-
достоверности тепловые процессу в ° высокой степенью
температур, включая условия плавлениИ=Р°КОМ Диапазоне
ции при сварке.	««я и кристаллиза-

§ 1.4. ДЕФОРМАЦИИ
И НАПРЯЖЕНИЯ
При равномерном нагреве материала
свободное расширение без возникновенияР°ИСх°Дит ег
Если осуществляется неравномерный нагревНаПря>КениГ0
нагретые участки препятствуют cboOoahomv т0
У P£lCUjlin Не'
28	РеНцю

ла и в теле возникают температурные собственные
Напряжения, действующие при отсутствии приложенных
к нему внешних сил. Температурные напряжения, воз-
никающие и действующие в процессе тепловой обработ-
ки, носят название временных, т. е. временные напряже-
ния существуют в процессе лазерной сварки на стадиях
нагрева, выравнивания температур и охлаждения.
Если в процессе нагрева и охлаждения в материале
происходят фазовые или структурные превращения, свя-
занные с увеличением или уменьшением объема, то это
также приводит к возникновению деформаций и напря-
жений в дополнение к температурным.
Температурные напряжения и напряжения от фазо-
вых или структурных превращений вызывают упругие
и пластические деформации. Неравномерные пластиче-
ские деформации в теле после его полного охлаждения
являются причиной действия собственных напряжений,
называемых остаточными.
Собственные напряжения, как временные, так и оста-
точные, независимо от характера распределения в теле
всегда уравновешены. В зависимости от объема взаим-
ного уравновешивания напряжения подраздели
напряжения первого рода, уравновешенные вi мр
мах; напряжения второго рода, уравновеше?	ретьег0
емах одного или нескольких зерен; напря еримЬ1Х
рода, уравновешенные в микрообъемах,
с размером кристаллической реш  „ и конструкций
Форма и размеры сварных	„ первого рода,
изменяются под действием на р ьего рода имеют
тогда как напряжения ВТО()ОГ° условий возникно-
определяющее значение для а
или трехосные
размеров к—г
длинных узких полос возникающие напряжения являются
вения разрушения в процессе и после сварки.
Собственные напряжения в зависимости от направле-
ния действия подразделяются на одноосные, или линей-
ные, действующие лишь по одному направлению в теле;
Двухосные, или плоскостные, действующие по направле-
ниям в плоскости; трехосные, или объемные, действу
ющие по всем направлениям в пространстве.
При сварке могут возникать одноосные, двухосные
при сва| напряжения в зависимости от формы и
свариваемых деталей. При лазерной сварке
-полос возникающие напряжения являются
олноосными'. При'лазерной сварке встык пластин толщи-
одни „	ПЙУХЛГМЛР ИЯППЯЖРНМЛР слстпя-
нои
ние
о б 8 мм в°зникает Двухосное напряженное состоя-
а наконец, при лазерной сварке больших толщин
29

вникает трехосное напряженное состояние, представля.
^ наиболее сложный случаи для расчетного и экспе-
Стального определения. Компоненты напряжений
^соответствующих деформаций при сварке определяются
различными расчетными и экспериментальными мето-
ДаМКомпоненты напряжений обозначаются в соответст-
вии с расположением осей координат. В общепринятой
схеме расположения координатных осей продольная
ось Ох совпадает с направлением сварки. Соответственно
этому напряжения, действующие по направлению сварки,
называют продольными и их обозначают При ана-
лизе напряженного состояния, возникающего при лазер-
ной сварке элементов небольших толщин ( до 4 мм),
основное значение придается именно продольным напря
жением ох. Они превосходят по величине остальные
компоненты напряжений и их определение имеет решаю
шее значение для практики.
В процессе лазерной сварки на стадии нагрева в про-
дольном направлении происходят пластические деформа-
ции укорочения, а на стадии охлаждения — пластические
деформации удлинения. Пластические деформации на
ческих деформаций на cSh о,, б°ЛЬШе ПЛаС™'
остаточные пластические дефоом^ аждения’ и в идоге
мадиями укорочения, вызывают^ являются деФ°Р'
свариваемого элемента в детой Укорочение всего
МьХ.» IUM .
Рис ! 14 Распределение продольных дефори
поперечном шву направлении при сваркеР J*0*4
сплава ВТ28:	"«act».
/ — аргонодуговая сварка; 2 — лазерная сварка
ЛС I 3 — лазерная сварка на режиме ЛС-П
30

< v	ни я продольных
остаточных деформации на характерном примере одно-
проходной лазерной сварки встык пластин с полным
проплавлением. Эти результаты представлены в сопостав-
лении с традиционным процессом дуговой сварки.
На рис. 1.14 показано распределение продольных де-
формаций ех, замеренных на базе Бх, в поперечном
направлении при дуговой и лазерной сварке встык тон-
колистовых пластин из титанового сплава ВТ28 толщи-
ной 6 = 2 мм.
Режим аргонодуговой сварки (АРДС) соответствует
применяемым на практике и обеспечивает полное про-
плавление пластин при качественном формировании шва.
Режим лазерной сварки (ЛС-I) осуществляется с эффек-
тивной мощностью источника, приблизительно равной
значению мощности при АРДС —900 Вт). Режим
лазерной сварки ЛС-II обеспечивает при полном про-
плавлении максимальную производительность процесса
и осуществляется на большой скорости с большим зна-
чением эффективной мощности (табл. 1. 1). Но скорость
сварки при этом увеличена в большей степени ( — в 4 ра-
за), чем эффективная мощность (— в 2 раза). Поэтому
режим ЛС-II характеризуется меньшим значением погон-
ной энергии, представляющей отношение эффективной
мощности к скорости сварки. Режим ЛС-II энергетически
более выгоден, так как характеризуется малым значени-
ем погонной энергии, т. е. малым удельным тепловложе-
нием на единицу длины шва. Параметры режимов сварки
приведены в табл. 1.1.
Распределение продольных остаточных деформации
ех в поперечном сечении сварных пластин во всех слу-
чаях сварки является неравномерным ( рис. I. 14). Мак-
симальные значения продольных деформаций имеют
место в сварном шве.
Уровень максимальных деформации при аргонодуго-
вой и лазерной сварке существенно отличается. Макси-
Способ
сварки
Скорость
сварки, мм/с
Эффективная
мощность. Вт
Погонная
энергия.
Дж/ы
АРДС
ЛС-1
5.7
10,8
860
900
1890
1.51- 10s
0,83’ 10*
0,43- 10s
31

малъные значения деформаций еж в шве при АРпг
вая I на рис 1.14) в 2.5..3 раза больше, чем пг>
ной сварке на режиме ЛС-1 (кривая 2). п f ,1азеР
к более интенсивному режиму лазерной сварки
наблюдается последующее снижение остаточной
дольных деформаций вх (кривая 3 на рис. 114)
Наряду с продольными деформациями н
в общем случае также происходят поперечные с-
шга укорочения, т. е. укорочение сварного хте.мента
поперечном к шву направлении. Обычно их характе
ют абсолютными значениями деформаций Остато
поперечную деформацию укорочения принято
поперечной усадкой сварного соединения Лш.
* 1.15 показано распределение г1М
№н замеренной на базе Б, в продольном
•кики. т. е. по длине сварного i
»>S“bl’"±<S,X’b„"пр"АРДС »'₽’
определении поперечной усадки по длине
ачм, 1-15). Наибольшее значение
меет в средней части образца Рас-
На рис
усадки Л.».
— — - ъ* tV 1
*
нового сплава ВТ8 (6=2
V Л
шва (кривая 1 г.
поперечная усадка
на рис.
(кря.
ПеРехоДе
про*
при сварке
деформа-
J в
характеризу-
_чную
называть
поперечной
1 направ-
шва при аргонодуговой
— "L2X пластин из тита-

пределение поперечной усадки по д-i и не шва при лазер-
ной сварке отличается большей равномерностью а ее
величина оказывается существенно меньше, чем при
АРДС (кривые 2,3 на рис. 1.15).
Сопоставление остаточных поперечных деформаций
при одинаковых значениях эффективной мощности про-
цессов АРДС и ЛС показывает, что поперечная усадка
при ЛС (кривая 2 на рис. 1.15) почти в 3 раза меньше
чем при АРДС (кривая 1 на рис. 1.15).
При последующем увеличении скорости лазерной
сварки и соответствующем уменьшении погонной энер-
гии (режим ЛС-П, табл. 1.1) происходит дальнейшее
снижение уровня поперечной усадки по сравнению с
АРДС в 4.5 раз (кривые 3 и 1 на рис. 1.15).
Таким образом, продольные и поперечные остаточные
деформации при лазерной сварке в 3...5 раз меньше
остаточных деформаций при дуговой сварке. Это связано
с высокой степенью концентрации энергии лазерного из-
лучения. малым объемом расплавленного металла, незна-
чительными размерами зоны разогрева и, как следствие,
малыми остаточными деформациями.
Для всех сварных соединений, выполненных различ-
ными способами сварки плавлением или разогревом до
высоких температур, общим характерным признаком
является наличие остаточных напряжений. Остаточные
продольные пластические деформации приводят к возник-
новению остаточных продольных напряжении ох.
В различных типах сварных соединений могут возни-
кать и другие компоненты остаточных напряжений. Но
в большинстве случаев продольные остаточные напряже-
ния значительно превосходят по абсолютной величине
остальные компоненты напряжений и при сварке тонко-
листовых конструкций ТОЛЩИНОЙ до 4...6 мм являются
На оис 1 16 представлено распределение продольных
остаточных напряжений в поперечном шву направ-
лении при дуговой к лазерной сварке встык тонколнего-
прп	титанового сплава ВТ28 толщиной 6 =
вых пластин из титано	„ nr п vwmmm «
— 9 мм Режимы сварки (АРДС и ЛС-1) }казаны в
ТЭбу ’актер распределения а„, в поперечном шву на-
и дтя АРДС и ЛС качественно подобен В шве
пРав"1е“^о8Н’оЙ зоне имеют место растягивающие напря-
и окО1° стигаюШие максимальных значений на оси шва.
ЖеНОсновном металле действуют сжимающие напряже
33
2-860	**
И для
достигающие максимальных значений на оси шва.

• W7, Па
1 octn 1
Рис I 16. Распределение продольных остаточных
напряжений aXOfT в поперечном шву направлении
прн дуговой (/) и лазерной (2) сварке
ния ах. Максимальные значения остаточных напряжений
т« на оси шва при АРДС и ЛС примерно одинаковы и
составляют (0,8...0,9) ао.г, где оо.г — условный предел те-
кучести материала.
Ширина зоны растягивающих напряжений при ЛС
значительно меньше, чем при АРДС. Это связано с мень-
шем шириной зоны пластических деформаций при ЛС
по сравнению с АРДС. Вследствие этого уровень мак-
нвже1ЬчРиХп?"лапЮпгИ^ напРяжений при Л С на 40 70 %
R‘ „”.р АРДС (кривые 1 и 2 на рис. 1.16).
при luZ?P°Be\b0CTaTO4Hblx сж,,мающих напряжений
СваРки "Р-вадит к потере устой
нимые Дефовмани Э’1емент°В’ вызывающей трудноустра-
«арке вследствие сварно" конструкции. При лазерной
тих напряжений пЛ '*Я >ровня остаточных сжимаю-
значительно уменкАеФ°РМЗЦИИ от П0ТеРи устойчивости
отсутствуют Это п^аЮТСЯ’ 3 В ряде слУчаев вообще
ными экспериментап ожение подтверждено многочислен
Значительна сн Данными-
констр\кцнн, выпплисНЖеНие остаточных деформации
вает высокую	лаз*рной сваркой, обеспечи-
Т^ет Рассматривать изготовления. Лазерную сварку
Реющую в ряд? с™ КЗК пРецизионную операцию, не
свяп1°ЧНЫх АеФормаиийЧаеВ ПОСЛеДУЮщего устранения
Р ых деталей	или механической обработки

МЕТОДЫ
ЛАЗЕРНОЙ
СВАРКИ И ИХ
ФИЗИЧЕСКИЕ
ОСОБЕННОСТИ
§ 2.1. КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТОДОВ
ЛАЗЕРНОЙ сварки
Лазерной сваркой называется технологический про-
цесс получения неразъемного соединения частей изделия
путем местного расплавления металлов по примыкающим
поверхностям. Источником нагрева (при расплавлении)
служит сконцентрированный поток излучения квантового
генератора. В результате плавления и кристаллизации
возникает прочное сцепление (сварной шов), основанное
на межатомном взаимодействии
Исходя из данного определения, лазерную сварку от-
носят к методам сварки плавлением. Этот метод входит
в группу концентрированных источников энергии, таких,
как сжатая дуга, плазма, электронный луч, отличающих-
ся высокой плотностью энергии.
Для эффективного использования любого технологи-
ческого процесса необходимо представлять его физиче-
скую сущность, энергетические и технологические воз-
можности [Особенностью лазерном сварки является ши-
покий диапазон варьирования режимов, обеспечивающих
не только возможность сварки различных материалов
толщиной от нескольких микрон до десятков миллимет-
но и осуществление принципиально различных ме-
ханизмов проплавления.^ Для ориентации в таком много-
образии
K,Ug"ce^существующие методы лазерной сварки можно
класснфнциРовать (Рис 2.1) по трем группам признаков
только возможность сварки различных материалов
но и осуществление принципиально различных ме-
! возможностей лазерной сварки необходима
классификация ее методо®__1 ________.	______
ссифиииРовать (рис. 2.1) по трем группам признаков

Энергетические признаки
------------	1 Г"
t--rf.JOsвт!смг\ 1Е=/д
10 вт/смг
E=1OS... Ю6Вт)сА
Глубокое
проплавление
Сварка
малых толщин
Непрерывное
излучение
" •  1 "
Непрерывное
излучение
Импульсное
излучение
[С присадкой
| материала
1 ' I —
I Без присадки I
I материала I
Точечная
- ; " ' । ; ", Ч
С присадкой
материала
Г защитой шва
от окисления
!Со сквозным
проплавлением
~ 1
। без сквозного
проплавления
без присадки
материала
Г"	.. —-
6 защитой шаа
от окисления
без защиты шва от
окисления
'о сквозным про-
Без сквозного про-
плавления
В различных пространст-
венных положениях
.	—•...... I	—
I Автоматическая
| сварка
Автоматическая
сварка
।  —
Ручная
_______сварка
1варка в различных прост
ранственных положениях
Технологические
признаки
Экономические признаки
Скорость
сварки
Экономия
материала
Локальность
сварки
Рис. 2.1. Классификация методов лазерной сварки

Энергетические признаки. Наиболее общими энергети-
ческими признаками, характеризующими метод сварки
являются плотность мощности Е, измеряемая в Вт/см2 и
длительность воздействия излучения т. Под длительно-
стью воздействия понимается продолжительность време-
ни экспозиции при непрерывном излучении и длитель-
ность импульса при импульсном излучении
Плотность мощности, необходимая и достаточная для
осуществления процессов сварки, лежит в диапазоне
Ю ...107 Вт/см2. Нижний предел ограничивается плот-
ностью мощности менее 1 СР Вт/см2, так как в данном
случае более эффективны и экономичны другие методы
сварки, например дуга или газовое пламя. Верхний пре-
дел ограничивают процессы интенсивного испарения, ко-
торые приводят к выбросу металла, в результате чего
возникают дефекты сварного шва.
Для осуществления того или иного процесса лазерной
сварки необходимо определенное сочетание плотности
мощности с длительностью воздействия излучения на ма-
териал. В общем, возможны три основные группы соче-
таний, охватывающие весь реальный диапазон технологи-
ческих режимов лазерной сварки.
Первая группа — плотность мощности Е =
— 105...106 Вт/см* и длительность воздействия т> 10“
Этот диапазон относится к методам сварки с использо-
ванием непрерывного излучения лазера с различными
длинами волн. Длительность воздействия в данном слу-
чае определяется отношением диаметра сфокусированно-
го луча к скорости сварки
т = d/v.
(2.1)
Варьирование сочетанием плотности потока с време-
нем воздействия дает возможность применять разнооб-
разные методы лазерной сварки в этой группе энерге-
тических признаков. В частности, возможна сварка как
малых, так и больших толщин практически всех кон
струкционных материалов, соединяемых сваркой плавле-
нием.	_
Вторая группа — плотность мощности Е =
___ 10б iо7 Вт/см2, длительность воздействия т<10~3.
В данном диапазоне используются импульсно периоди-
ческие режимы сварки. Сочетание высокой плотности
мощности с импульсностью многоразового воздействия
излучения дает возможность осуществлять сварку с по
37
L

вышенной эффективностью проплавления. Частота следо-
вания импульсов в этом случае составляет десятки и
сотни герц а их длительность существенно ниже времени,
определяемого по формуле (2.1). Однако суммарное
действие серии импульсов по времени должно быть до-
статочным для получения глубокого проплавления. На
подобных режимах возможна сварка целого ряда метал-
лов и сплавов различных толщин при меньших энерго-
затратах, чем при непрерывном излучении.
Третья г р у п п а — режимы с плотностью мощ-
ности £= 1О5...1Сг Вт/см2 и длительностью воздействия
IO"3 <т< 10"2. Подобные условия создаются отдельны-
ми импульсами с длительностью в указанном диапа-
зоне. Образование сварного соединения определяется
временем воздействия импульса, т. е. существует ограни-
ченная область расплавления, называемая точками. Со-
четание плотности мощности и времени воздействия в
указанных диапазонах дает возможность проплавлять
только малые толщины. Энерговложение в данном случае
регулируется таким образом, что температура поверх-
ности материала не достигает точки кипения и процесс
протекает только иа стадии плавления.
Технологические признаки. Эти признаки делятся на
две основные группы: сварка с глубоким проплавлением
и сварка малых толщин.
Под лазерной сваркой с глубоким про
плавлением понимается сварка материала толщи-
ной более 1,0 мм. Процесс может осуществляться как в
непрерывном, так ив импульсно-периодическом режиме
излучения лазера. При непрерывном излучении за счет
особого механизма проплавления можно получить узкие
глубокие швы при скорости процесса 30 40 мм/с Свяо-
ка по этому методу осуществляется мощными газовыми
лазерами с непрерывным режимом излучения Пойме
няется только шовная сварка по различным геометри-
ческим контурам.	«симетри
В большинстве случаев сварка с глубоким „„
лением осуществляется без присадочной проволокТол’
иако в отдельных случаях для легирования или
снижения требований при сборке используют свап^”
присадкой. Техника лазерной сварки с присапи  У С
сколько отличается от других методов сварки „л»Л'
нием. В первую очередь ее отличает необходим
точной подачи проволоки в зону плавления ширимой


Высокая плотность мощности источника создает необ-
ходимость значительного увеличения скорости подачи
проволоки, диаметр которой составляет ие более 1,5 мм
Обеспечение надежности подобных режимов связано с
определенными техническими трудностями. Практически
во всех случаях используется сварка с защитой шва от
окисления.
Защитные среды и средства защиты весьма разнооб-
разны и подробно будут рассмотрены в соответствую-
щих главах. От качества защиты во многом зависит
эффективность проплавления и свойства сварных соеди-
нений.
В зависимости от конструкции свариваемых деталей,
технологических требований и ряда других факторов
возможно осуществление сварки со сквозным проплавле-
нием и без сквозного проплавления. Сквозное про-
плавление находит более широкое применение при свар-
ке листовых нагруженных конструкций, а иесквозиое
проплавление часто используют для герметизации или
для соединения тонких деталей с массивными. При необ-
ходимости возможна двусторонняя сварка при несквоз-
ном проплавлении каждого прохода.
Аналогично целому ряду традиционных методов
сварки плавлением лазерная сварка может осущест-
вляться в различных пространственных положениях, т. е.
в нижнем положении, на вертикальной плоскости гори-
зонтальным лучом или в потолочном положении При
этом возможна сварка как с перемещением изделия, так
и с перемещением луча.
Сварка с глубоким проплавлением в импульсно-перио-
дическом режиме отличается более высокой энергети-
ческой эффективностью проплавления по сравнению с
непрерывной сваркой. Однако скорость сварки в этом
случае на порядок ниже. Все перечисленные техноло-
гические особенности непрерывной сварки свойственны
и импульсно периодической сварке.
Особенности технологии, связанные с высокой ско-
ростью процесса, прецизионностью и рядом других фак-
торов, обусловливают возможность лазерной сварки с
глубоким проплавлением только в автоматическом режи-
ме что необходимо учитывать при конструировании из-
делий применительно к этому методу.
Вторая группа технологических признаков объединяет
методы, используемые для сварки материалов
малых толщин, т. е толщин менее 1,0 мм. Прин-
39

иипиальным отличием этих методов является сварка на
ое имах обеспечивающих только плавление материала,
беГего интенсивного испарения. В этом случае приме-
няется как непрерывный, так и импульсный режим излу-
ЧеНПля непрерывного режима излучения используются
как газовые, так и твердотельные лазеры с мощностью
излучения в непрерывном режиме до 1,0 кВт.
Импульсный режим осуществляется в основном твер-
дотельными лазерами с энергией излучения от несколь-
ких единиц до десятков джоулей.
Материалы малых толщин можно сваривать как
непрерывными швами, так и отдельными точками. При
непрерывном излучении используют шовную сварку, а
при импульсном как шовиую, так и точечную. Шов в
данном случае формируется как перекрытие отдельно
действующих точек, а сплошность его зависит от степени
перекрытия.
При технологической необходимости для перекрытия
зазора, исправления дефектов, дополнительного легиро-
вания и других целей может быть использована сварка
с присадкой. Так же как и при сварке с глубоким про-
плавлением, присадка должна иметь диаметр менее
1,0 мм и точно подаваться в зону сварки.
В большинстве случаев сварку осуществляют без при-
садки, используя при необходимости отбортовку кромок.
Для получения высококачественных швов и точечных
соединении, особенно на активных материалах таких
как титан, ниобии, молибден и др., необходима защита
шва от окисления. В отличие от сварки с глубоким про-
плавлением или сварке малых толщин защита не ока
зывает существенного влияния на эффективность про-
плавления и ие является принципиально необходимым
условием проведения процесса сварки. Многие соелине
ния, особенно точечные, выполняются вообще без чя.иит
ной среды, что упрощает технологию и создает экономий
инертных газов.	мию
Сварку деталей одинаковой толщины выполняют
пульсио или в непрерывном режиме со сквозны ~ НМ
плавлением. При сварке внахлестку тонких дет П^°
массивными можно применять несквозное пропла^^1 С
массивной детали, т. е. тонкая деталь проплавля^^
насквозь, а массивная не проплавляется. Кроме вТСЯ
несквозное проплавление может использоваться Т^Г°’
скрепления двух массивных деталей при небольших на*
40


грузках в процессе эксплуатации или для обеспечения
герметичности.
В отличие от сварки с глубоким проплавлением при
сварке малых толщин можно использовать как автомати-
ческую, так н ручную сварку. В последнем случае вруч-
ную перемещается деталь, что бывает технологически
удобно при получении прецизионных соединений в труд-
недоступных местах.
Безынерционное™ луча, высокая концентрация энер-
гии и малое время воздействия позволяет осуществлять
сварку в различных пространственных положениях прак-
тически без изменения геометрии проплавления, что
существенно расширяет технологические возможности
этого метода.
Экономические признаки. Интенсификация производ-
ства в современных условиях требует учета целого ряда
экономических показателей при проектировании или
внедрений того или иного технологического процесса.
Лазерная сварка с точки зрения ее классификации
также имеет несколько наиболее существенных экономи-
ческих признаков, характеризующих эффективность рас-
сматриваемых методов.
Одним из таких признаков является скорость сварки.
В общем случае скорость любого процесса в первую
очередь определяет его производительность. Некоторые
методы лазерной сварки, такие, как сварка непрерывным
излучением, обладают исключительно высокими скоро-
стями. Применение таких скоростей позволяет в 10...
15 раз увеличить производительность по сравнению с
традиционными методами сварки плавлением. Повышен-
ная скорость сварки при непрерывном излучении эконо-
мически выгодна не только с точки зрения производи-
тельности, но она также обеспечивает экономию энерго-
затрат, так как в этом случае снижается погонная
энергия, т е. отношение мощности к скорости. В то же
время за счет увеличения скорости повышается в целом
ряде случаев надежность соединений, что приводит к
снижению брака изделий при их эксплуатации. Однако
следует учитывать, что высокая скорость процесса свой-
ственна не всем методам лазерной сваркн, например при
импульсном излучении этот фактор сравним с традицион-
ными методами.
Другим экономическим признаком является эконо-
мия материала. При массовом производстве деталей с
большой протяженностью шва и глубиной проплавления




41

с 20 мм эта экономия может быть существенной из-за
отсутствия необходимости разделки кромок и использо-
вания присадочной проволоки. Например, для дуговой
сваоки листа толщиной 20 мм необходима разделка
коомок и сварка за 12 проходов проволокой диаметром
5 6 мм Используя непрерывную лазерную сварку мощ-
ным излучением, такой провар можно получить за один
проход без разделки кромок. Рассмотренный признак,
так же как и предыдущий, в большей степени относится
к непрерывному излучению и сварке металлов больших
толщин.
Возможность концентрации луча в пятно диаметром
до 0,1 мм позволяет использовать такой экономический
признак, как локальность обработки. В этом случае
осуществляется экономное проектирование деталей с
учетом сварки в крайне узкой зоне, а также в труднодо-
ступных местах. Наиболее ярко это проявляется при
использовании лазерной сварки в электронной промыш-
ленности при изготовлении прецизионных деталей при
малой глубине проплавления. Лазерная сварка дает
возможность конструкторам проектировать крайне уп-
лотненные схемы, в результате чего снижаются габариты,
масса приборов и их деформация. Признак локальности
наиболее свойствен импульсному излучению лазеров при
наиболее свойствен импульсному излучению лазеров при
плотности мощности импульсом в диапазоне £= 1(г
10 Вт/см2 и длительности импульса 10~2>тн> 10“3 с
Проплавление в данном случае осуществляется точками
на небольшую глубину. Эта особенность лазерной сварки
широко используется в промышленности
\ По совокупности рассмотренных признаков лазерная
сварка разделяется на:	н
непрерывную с глубоким проплавлением-
импульсно периодическую с глубоким проплавлением-
непрерывную лазерную сварку малых толщин
импульсную лазерную сварку малых толщин '
Используя данную классификацию, можно разоабо-
тать технологический процесс для всех случаев где непй
ходимо применение лазерной сварки на существую.^
или вновь создаваемом лазерном технологическом пй
довании.	ооору-
Рассмотрение технологии лазерной сварки в
такой классификации дает возможность детализнол KSX
каждый метод, раскрыть его особенности, достоинствЗТЬ
недостатки, а также показать наиболее эффективные \И
ласти применения.	00‘

§ 2.2. ПРЕИМУЩЕСТВА
И ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССА
ЛАЗЕРНОЙ СВАРКИ
Все рассмотренные выше методы лазерной сварки
имеют ряд преимуществ перед традиционными методами
анализ которых позволяет найти наиболее эффективное
применение того или иного лазерного процесса
Из всего многообразия методов сварки плавлением
наиболее целесообразно лазерную сварку сравнивать со
следующими: дуговой неплавящимся электродом, плаз-
менной, электронно-лучевой и контактной, а также пай-
кой. Эти методы в наибольшей степени могут быть за-
менены лазерной сваркой без принципиального измене-
ния конструкции детали.
При сравнении следует учитывать основные признаки
и классификацию методов лазерной сварки по аналогии
с традиционными методами.
Наиболее ярко проявляются преимущества лазерной
сварки в сравнении с дуговой; основные из них
заключаются в следующем.
1. За счет высокой концентрации энергии и малого
пятна нагрева объем сварочной ванны при лазерной
сварке в несколько раз меньше. Этот фактор положитель-
но сказывается на целом ряде характеристик как свар-
ного шва, так изделия в целом. В первую очередь, сни-
жение в 2.. 5 раз ширины шва позволяет расширить
ассортимент деталей, где ограничены размеры на распо-
ложение шва как с точки зрения теплового воздействия,
так и компактности.
Помимо этого, снижение объема расплава и получе-
ния швов с большим отношением глубины проплавления
к ширине шва (примерно на порядок по отношению к
дуговой сварке) дает возможность уменьшить деформа-
ции деталей до 10 раз. Снижение же деформации в свою
очеоедь приводит к значительной экономии как металла
1за счет уменьшения размеров допусков), так и к повы-
шению производительности (за счет экономии времени на
правку после сварки). Кроме этого, появляется возмож-
ность экономно использовать станочное оборудование,
исключив механическую обработку после сварки.
Малый объем расплавленного металла и специфиче-
ская форма шва также улучшают в целом ряде случаев
условия кристаллизации, что повышает свойства сварных
швов.
у
43


9 Отсутствие электрода, близко расположенного к
ппЛпхности сварочной ванны, исключает попадание в
нее инородных материалов, что практически во всех слу-
чаях наблюдается при дуговой сварке.
3 Острая фокусировка луча и возможность передачи
его на значительные расстояния позволяют осущест-
влять сварку в труднодоступных местах, например в
углублениях гофрированных конструкции, внутренних
полостей и др
4 Жесткий термическим цикл с высокими скоростя-
ми нагрева и охлаждения дает возможность при лазер-
ной сварке, в сравнении с дуговой, существенно сокра-
тить зону термического влияния. Это позволяет снизить
эффект фазовых и структурных превращений в около-
шовной зоне, приводящих к разупрочнению, трещино-
образованию, снижению коррозионной стойкости и др
Сравнение лазерной сварки с электронн о-л у-
чевой показывает, что во многих случаях эти два
метода взаимозаменяемы, однако существует несколько
особенностей, которые выгодно отличают лазерную свар-
ку и дают ей определенные преимущества.
1. Для осуществления процесса лазерной сварки не
требуется обязательного наличия вакуумных камер или
камер с контролируемой атмосферой. Это существенно
расширяет технологические возможности лазерного луча,
так как снимаются ограничения на размеры сваривае-
мых деталей. Кроме этого, увеличивается производи-
тельность процесса за счет сокращения времени на от-
качку воздуха из камеры, упрощения установки стыка
под луч, переналадки и пр. Отсутствие вакуумных камер
при производстве крупногабаритных изделий снижает
также стоимость технологического оборудования
2. Существенные трудности встречаются при сварке
электронным лучом широко распространенных сталей
перлитного и мартенситного класса толщиной более
30 мм из-за отклонения электронного луча от стыка со
единяемых деталей. Основной причиной этого дефекта
является остаточная намагниченность ферромагнитных
сталей, которую они приобретают в процессе обпХ
изготовления детали, хранения нлИР трансП°ор?иа^^'
Сварка электронным лучом в магнитном поле ш,Т
к отклонению его от стыка. Использование для подобных
целен лазерного луча полностью исключает появп₽„
указанных дефектов, так как поток фотонов не взаим
действует с магнитным полем.	*имо-

Необходимо отметить некоторые преимущества лазеп-
ной точечной сварки перед э л е к т р о к о н т а к т иой
и конденсаторной сваркой
1.	Размер сварной точки при лазерной сварке суще-
ственно меньше, чем при контактной, что дает возмож-
ность соединять миниатюрные детали
2.	Отсутствует механическое давление при получении
сварной точки, что позволяет соединять хрупкие и легко-
деформируемые детали, а также осуществлять процесс
сварки навесу, значительно упрощая оснастку и техноло-
гию проведения сварки.
3.	Время получения одной точки при лазерной сварке
составляет 10 2...10“3 с, тогда как при контактной оно
равно 0,5...! с, т. е. производительность лазерного луча
в сотни раз выше.
4.	Возможность сварки в труднодоступных местах и
через прозрачные среды в замкнутых объемах, что сде-
лать контактной сваркой принципиально невозможно.
5.	Возможность сварки материалов с резко отли-
чающимися физическими свойствами и в первую очередь
электрическим сопротивлением.
Помимо этого следует отметить ряд преимуществ,
принципиально отличающих лазерную сварку от других
методов сварки плавлением.
Среди этих преимуществ основным является возмож-
ность использования лазерного луча, генерируемого из
одного источника, на нескольких рабочих местах за счет
его отклонения и расщепления.
На рис. 2.2 показан пример ис-
пользования непрерывно гене
рируемого луча на двух рабочих
местах. В то время как на одном
рабочем месте осуществляется
сборка, на другом - сваР^;
Когда сварка закончена, от
няющее зеркало переводит луч
на второе рабочее место, где
производится сварка, а на пер-
вом снимается готовая деталь
“устанавливается новая. Таким
образом, повышается коэффи-
пиент использования оборудо-
вания и производительность
ТРУКроме этого, эффективно
использование лазерной сварки
Рис. 2 2. Схема использова-
ния одного ла юра для свар
ни па двух рабочих местах.
/ — лазер; 2—рабочие места
.? — фокусирующая оптика, 4—
попорот нос отклоняющее зер
кало
45

для соединения	"соединений'ГТмпоз^:
разованию интерм	металлической основе. Тонкое
ционных матер' £в , в ширОком диапазоне поз-
ЕГХролировать время контакта жидких фаз в про-
“^едуе^’^итывэтГтакже " социалЬНЬ,е "РеимУще’
стяя связанные с лазерной технологией вообще: повы-
шение эффективности и культуры производства; умень-
шение трудовых’затрат. особенно ручного труда; пре
стижность новой профессии; то обстоятельство, что
экологические последствия внедрения лазерной техноло-
гни не нарушают условий охраны окружающей среды
Применение лазерной технологии не приводит к увеличе-
нию производственного травматизма и профзаболеваний.
Наряду с рассмотренными преимуществами лазерная
сварка имеет некоторые особенности, затрудняющие ее
универсальное применение наряду с существующими тра-
диционными методами.
1.	Прежде всего это высокая стоимость лазерного
оборудования и оснастки. Лазер — это сложный физиче-
ский прибор и независимо от уровня развития техноло-
гии изготовления цена его будет значительно превышать
стоимость, например, дуговых источников нагрева. Поми-
мо лазера обязательными элементами установки является
оптическая система отклонения и фокусировки, приборы
контроля параметров режима и различные манипуля-
торы.
Оптические системы отклонения и фокусировки пред-
ставляют собой набор металлических зеркал и спе-
циальных линз, часто изготовленных из дефицитных
дорогостоящих материалов. Стоимость подобных систем
достаточно высока. Важной проблемой является обеспе-
чение надежности оптических систем, их стойкости и
?палТ0СП0С°^Н0СТИ* В частности, предъявляются особые
гпап°0аНИЯ К помещениям, где осуществляется лазерная
рка, по запыленности, влажности, вибрации и пр.
чаются^!? КОНтроля лазерного излучения также отли-
ние ня рядом особенностей, оказывающих влия-
н на спрпиЖиИТеЛЬН° ВЫСОКУЮ стоимость этих приборов
и на специфические условия их эксплуатации
точное"^ лазерноя сварки отличает высокая
не скоростей отТодо 5П₽меМ/ШеНИЯ ® широком Диапазо-
различные положения 5СтаМ^С И пеРекантовки деталей в
. Стоимость рассмотренного комп-

лекса оборудования по сравнению с оборудованием для
традиционных методов сварки значительно выше.
2.	Лазерную сварку отличает невысокая энергетиче-
ская эффективность, так как КПД лазерных установок
в редких случаях превышает 10%.
3.	К особенностям лазерной сварки, затрудняющим
ее внедрение, относится сложность устройств лазерной
техники, требующая высокой технической культуры об-
служивающего персонала.
4.	Наконец, необходимо отметить, что существует
целый ряд альтернативных традиционных методов свар-
ки, способных в значительной степени удовлетворить
техническим требованиям, которые предъявляются к про
цессу лазерной сварки. Эти альтернативные технологии
в настоящее время часто экономически эффективней
лазерной, но главная их конкурентноспособность — это
отработанность и внедренность.
Эти особенности ограничивают применение лазерной
сварки такими специальными случаями, когда исполь-
зование традиционных методов сопряжено с определен-
ными трудностями. Вопрос о применении лазерной свар-
ки должен решаться в результате всестороннего технико-
экономического анализа, рассматривающего альтерна-
тивные технологии в динамике их развития наряду с
развитием лазерной технологии, а также долгосрочные
прогнозы и тенденции развития отраслей машинострое-
ния и народного хозяйства в целом.
§ 2.3.	ФИЗИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ
ОБРАЗОВАНИЯ СВАРНОГО
СОЕДИНЕНИЯ
ПРИ СВАРКЕ МАТЕРИАЛОВ
МАЛЫХ ТОЛЩИН
Образование сварного соединения сопровождается
целым рядом физических явлений, оказывающих влияние
как на механизм проплавления, так и на качество свар-
ного шва в целом. Изучение этих явлений позволяет
управлять процессом сварки, обоснованно выбирать
режимы и прогнозировать получаемые свойства.
Сварка малых толщин (6^ 1 мм), как уже указы-
валось, выполняется преимущественно в импульсном ре-
жиме, поэтому целесообразно рассмотреть физические
особенности воздействия лазерных импульсов на метал-
лические материалы, приводящие к формированию свар-
ных точек.
47

v„bCHOi'i лазерном сварки основан на теп-
Проиесс ими	непрозрачные среды Согласно
ловом действии авлениям процесс взаимодействия
существующим Щ веществом условно может быть
лазерного излучг	стадий: поглощеНне света и пере-
разделен на нес • колебаниям решетки твердого
дача энергии • ла без разрушения, плавление,
ТХшение материала путем испарения и выброса рас-
разрушение м J	окончания воздействия Рас-
тим указанные стадии в последовательности, приво-
дящей к формированию сварного соединения.
Попадая на поверхность свариваемых материалов,
лазерное излучение частично поглощается поверхностью,
з частично отражается. Использование лазерной энергии
для сварки основано на поглощении излучения веще-
ством. Проникновение излучения в материал описывается
экспоненциальным законом Бугера—Ламберта
/(х) = /о(1	(2-2)
где /(х) — интенсивность лазерного излучения, проникаю-
щего в материал на глубину х; /0— интенсивность
падающего лазерного излучения на поверхность мате-
риала; R — коэффициент отражения; а — коэффициент
поглощения.
В металлах кванты света поглощаются в основном
электронами проводимости, которые рассеивают погло-
щенную энергию на тепловых колебаниях решетки за
время	।
гия быстро переходит в колебания решетки,
теплоту.
Коэффициент поглощения для металлов а = 10 ' см-1,
аким образом, поглощенная энергия выделяется в слое
толщиной около 10 5 см и лазерное излучение можно
।  lit t °	источник тепловой энергии, располо-
женный на поверхности детали.
нается	пеРехода энергии света в теплоту начи-
теле nnu матеРиа<ла. Перенос теплоты в твердом
Для металлов наибов™6™ За СЧеТ теплопРоводности-
"Роводность Размол существенна электронная тепло-
ляется глубинпй Р ПрогРетой области сначала опреде-
нием ВХнИ0, аПс₽т°егИКГВеНИЯ “ В сРеду’ а С ТвЧе’
ТеППо"вРыш ДН°СТНЫЙ ме^н«змТ ТеПЛ0Пр0В0ДН0СТИ- Т- е
Даться и3мен1Т„еГераТуРы матеРиала может сопровож-
18 изменением его оптических и теплофизических
время 10 "...10 10 с. Благодаря этому поглощенная энер-
гия быстро переходит в колебания оешеткн. т. е в

свойств, тепловым расширением, а также фазовыми пе-
реходами в твердом состоянии и плавлением. В ряде
случаев при нагревании активизируются диффузионные
процессы в твердом теле и некоторые химические реак-
ции на его поверхности и в приповерхностных слоях.
Процессы плавления при нагреве лазерным излучением
рассмотрены в гл. 1.
Для гауссова распределения мощности излучения в
фокусе распределение температуры в материале, полу-
чаемое в результате теплопроводности, описывается
зависимостью
7(r,zJ) =
2р0	( d/exp [-(4a)~l(z7/4-r2/(f0-|-/))|
с?(4ла)3/г Jo	-ft (f„ + z)
где /0 = (4аЛ)-'— постоянная времени; Ро — полная
мощность поглощенного излучения; г — координата на-
правления теплопередачи в глубь материала; г — коор-
дината, перпендикулярная г; / — время процесса; с —
удельная теплоемкость; а — коэффициент температуро-
проводности; у — плотность материала.
Коэффициент отражения R играет важную роль в
рассматриваемых процессах, так как показывает, какая
часть падающей энергии отражается и не участвует в
нагреве поверхности. У металлов коэффициент отраже-
ния существенно зависит от длины волны, резко воз-
растая в дальней инфракрасной области. Коэффициенты
отражения некоторых металлов в зависимости от длины
волны представлены в табл. 2.1
Как видно из таблицы, коэффициент отражения доста-
Таблица 2.1
Длина волны излучения, мкм
Металл
0,69
1,06	10.6
Коэффициент отражения
AI
С г
С и
Ni
Ag
Сталь
Zr
Ti
0,87
0,56
0,82
0,68
0,95
0,58
0,93
0,58
0.91
0,75
0,97
0,63
0,97
0,93
0,98
0,95
0,99
0,93 0,95
0,917
0,906
49

Рис. 2.3. Изменение отража-
тельной способности алюми-
ния и железа в зависимости
от температуры для различ-
ных длин волн:
/ — железо (Л — 1.06 мкм); 2 —
алюминий (А = 1,06 мкм), 3 —
железо (А = 10,6 мкм); 4 —
алюминий {Л — 10,6 мкм)
Для сварки металлов
точно высок, т. е. в начальный
момент времени лазерное излу-
чение преимущественно отра-
жается от поверхности. Однако
с увеличением температуры по-
верхности значение коэффици-
ента отражения падает (рис.
2.3), поглощательная способ-
ность увеличивается, растет
температура поверхности, еще
более снижая коэффициент
отражения. Подобная положи-
тельная обратная связь дает
возможность нагревать поверх-
ность металлов до температур
плавления и испарения даже
при высоком исходном значении
коэффициента отражения на
длине волны 10,6 мкм.
малых толщин особое значение
имеет стадия плавления материала.
Плавление твердого тела и переход его в жидкое
состояние представляют собой нарушение дальних связей
в решетке, которая теряет устойчивость при увеличении
межатомных расстояний, вызванных тепловым расшире-
нием. Обычно плавление твердого тела происходит при
такой температуре ТпЛу когда амплитуда тепловых коле-
баний атомов относительно положения равновесия дости-
гает величины примерно 0,2...0,3 межатомного расстоя-
ния. Поскольку изменение плотности вещества при плав
лении, как правило, мало и мала сжимаемость жидкости,
температура плавления слабо зависит от внешнего давле-
ния, а энергия фазового перехода в расчете на один атом
невелика по сравнению с энергией испарения. По поряд-
ку величины энергия фазового перехода равна тепловой
энергии колебаний атомов при температуре Тпл.
При плавлении большинства металлов их электоо
проводность скачком уменьшается в 2...3 раза, что влеч
за собой скачок теплопроводности и отражательной с СТ
собности. Таким образом, как только температуояСП°
верхности металла достигнет точки плавления, вози П°’
новый режим его нагревания, характеризующийся ИКает
нением оптических и теплофизических свойств со ИЗМе’
дополнительной затратой теплоты на плавление РСДЬ1 и
Используя одномерную модель нагрева полубес
50

ного тела тепловым источником с постоянной во времени
плотностью мощности потока, получили соотношение для
расчета критической плотности потока, требуемой для
достижения на поверхности металла температуры плав-
ления Тпл:
с __ 0,885 ТплКт
£| = -(От)'Д •	<2'4>
где а — коэффициент температуропроводности; т — дли-
тельность импульса; к — коэффициент теплопроводности.
Из выражения (2.4) следует, что критическая плот-
ность потока возрастает с увеличением температуры
плавления материала, его теплопроводности, объемной
теплоемкости и уменьшается с ростом продолжительно-
сти импульса излучения.
Численные оценки Е\ для ряда материалов с различны-
ми теплофизическими свойствами приведены на табл 2 2
Процесс плавления материала под действием лазерного
излучения зависит от распространения теплового потока
в этом материале. Величина теплового потока в свою оче-
редь зависит от теплопроводности материала к. Однако
тепловой поток определяется не только теплопровод-
ностью, поскольку изменение температуры зависит также
от удельной теплоемкости материала с. Скорость нагрева
обратно пропорциональна удельной теплоемкости, рассчи-
танной на единицу объема материала, которая равна
Таблица 2.2
Металл	Вт/ (смХ X град)	a, CM2/c	°C	T.c
С и	3,89	1,12	1083	r? X> 1 1 О о
Сталь	0,51	0,15	1535	ro ao с О О
Ni	0,67	0,18	1453	О оо 1 1 О О
Ti	0,15	0,06	1800	го да с 1 1 о о
W	1,69	0.65	3380	°|°| > оо с*
Mo	1.41	0,55	2600	О СО с 1 1 ° —
Cr	0,7	0,22	1830	о оо О О
Al	2,09	0,87	660	О О 1 1 Q2
Е,.
Вт/см2
1.1. I04
3.5- 10z
3.5. 103
1.8- I05
6,5- 103
2.0. 10s
3- 10э
1 • 105
2- I04
6.2- I05
1.3- 10«
4.4- I05
7.7- 103
2.7. 10s
4,2- 10л
1,3- 10s
51

су, где у — плотность материала. Следовательно
ным фактором, определяющим критическое значение Н°В"
лового потока, является коэффициент температуропо Те°'
ности а, вычисляемый по формуле	ровод-
(2.5)
Величина а входит в решение всех задач нестационар-
ного распространения теплоты и определяет, с какой ско-
ростью происходит в материале передача тепловой энер-
гии Высокая температуропроводность обычно обеспечи-
вает большую глубину проникновения фронта плавления
в отсутствие теплового удара или растрескивания матери-
ала. Значения коэффициента температуропроводности
различных металлов и сплавов приведены в табл. 2.3.
Обычно температуропроводность сплавов ниже, чем
температуропроводность чистого металла, который являет-
ся основным компонентом сплава. Особенно низкую тем-
пературопроводность имеют нержавеющие стали и некото-
рые никелевые сплавы. Низкие значения коэффициента
температуропроводности ограничивают глубину проникно-
Таблица 2.3
Материал
Коэффициент
температуро-
проводности
а, см2/с
Серебро
Технически чистый
алюминий
Алюминиевый
сплав 2024
Электролитическая
медь
Фосфористая
бронза
Технически чистое
железо
Нержавеющая
сталь
Углеродистая сталь
Технически чистый
никель
Монель
Инконель
0,850
0,706
1J4
0.213
0,202
0,056
0,220
0,055
0,039
Толщина металла, см
0,01	0,02	0,05	0.1
Тепловая постоянная,			
0,015	0,059	0,368	1.47
0,029	0,118	0,74	2,94
0,035	0,142	0,89	3,54
0,022	0,088	0,55	2,19
0,117	0,470	2,93	11.74
ОД 24	0,495	3,09	12.38
0,446	1 786	11,16	44,64
0,210	0,840	5,25	21,01
0,114	0,454	2,84	11.36
0,455	1,818	11.36 16,03	45,46
0,641	2,564		64,1
52

вения теплоты и могут сузить сферу применения лазерной
сварки.
Глубина распространения температуры плавления
приближенно определяется следующим соотношением:
й = (4ат)'/<	(2.6)
На основании этого выражения тепловую постоянную
времени для пластины толщиной Л вычисляют по выра-
жению
т = /г/ (4а).
Тепловая постоянная характеризует время, необхо-
димое для того, чтобы температура нижней поверхности
пластины достигла температуры того же порядка, что и
верхняя в результате нагрева коротким импульсом. Вели-
чина тепловой постоянной удобна для оценки времени
распространения теплового потока.
Для обеспечения эффективного плавления выбранно-
го металла длительность лазерного импульса должна при-
мерно соответствовать тепловой постоянной времени этого
металла определенной толщины. В табл. 2.3 приведены
тепловые постоянные времени ряда металлов толщиной от
0,1 до 1,0 мм. Тепловые постоянные времени тонких образ-
цов (0,1...0,2 мм) не превышают (либо сравнимы) дли-
тельности импульсов лазеров, работающих в режиме
свободной генерации (длительность импульса несколько
миллисекунд).
В более толстых образцах (— 1,0 мм) металлов с низкой
температуропроводностью тепловые постоянные времени
оказываются настолько большими, что тепловой поток не
успевает проникнуть в толщу образца; для металлов с
высокой температуропроводностью тепловые постоянные
времени составляют несколько миллисекунд, и за время
импульса лазера в режиме свободной генерации тепловой
поток успевает распространиться через пластины из та-
ких металлов (например, серебро, алюминий, медь).
В еще более толстых образцах (более 1,0 мм) значения
тепловых постоянных времени становятся большими и на-
много превышают достижимые длительности лазерных
импульсов; лазерная сварка таких металлов импульсным
излучением становится затруднительной.
С момента достижения на поверхности материала
температуры плавления ГПл часть тепловой энергии рассе-
53

ищется на испарение. Плотность потока, при которой
температура поверхности достигает точки испарения, мож-
но подсчитать по формуле
0,885 ГкХт
(ат)1^
(2.7)
где у; __ температура кипения материала.
Если плотность потока мала, то скорость тепловой
волны существенно превосходит скорость волны испарения.
При увеличении плотности потока скорость испарения рас-
тет и при некотором значении Е3 сравнивается со ско-
ростью нагрева. Это равенство используется для оценки
значения Е3, поскольку скорость движения тепловой волны
на поверхности тела ил~(а/т)1/2, а скорость испарения
ив-Е3/у£нсп. где Un — удельная теплота испарения.
Приравняв ив и vh, получим
Ез yUn(at'),/2.	(2.8)
Численные оценки критической плотности потока Ез для
ряда металлов представлены в табл. 2.4. Критическая
плотность потока £3 тем выше, чем больше удельная теп-
лота испарения вещества и коэффициент температуропро-
водности и меньше длительность импульса.
Рассмотренные процессы испарения приводят к разру-
шению материала, т. е. к образованию углублений или
кратеров. Это связано с выносом значительной части объ-
ема жидкой фазы реактивным давлением отдачи паровой
струи и преждевременной кристаллизацией расплава.
Таблица 2.4

Преимущества лазерного источника нагрева при сварке
металлов малых толщин с теплопроводностным механиз-
мом связаны с тем, что при сквозном проплавлении исклю-
чается провисание шва и, как следствие, прожоги и под-
резы за счет отсутствия механического воздействия на
расплавленную ванну. В первую очередь это связано с
практическим отсутствием давления на поверхность пото-
ка фотонов лазерного луча, тогда как, например, электри-
ческая дуга обладает существенным давлением, на не-
сколько порядков превышающим лазерное.
Помимо этого, при выборе режимов, обеспечивающих
минимальное испарение, можно полностью исключить
импульс отдачи паров, который приводит к резкому проги-
бу поверхности.
Энергетическим условием, обеспечивающим лазерную
сварку с минимальным испарением, является тепловой
поток с плотностью Есв, величина которого ограничивается
неравенством
(2.9)
При этом условии механизм образования сварного
соединения может быть представлен следующим образом
Попадая на поверхность материала, лазерное излучение
с плотностью потока Есв частично поглощается, а частично
отражается. Поглощенная часть энергии формирует за
счет теплопроводности на поверхности область расплава,
которая с течением времени увеличивается. Фронт плавле-
ния перемещается в глубь металла до тех пор, пока коли-
чество теплоты, подводимой в единицу времени из ванны
расплава к границе раздела расплав — твердое тело, не
Рис. 2.4. Формирование сварного соединения при сварке
металлов малых толщин.
а — начальная фаза нагрева; 6—образование расплавленной ван
ни; в — закристаллизовавшийся металл (заштрихован); г—гео
метркя ванны (заштрихована) при сквозном проплавлении
55

свавняется с количеством теплоты, отводимой в единицу
Темени в твердую фазу и затрачиваемой на фазовый
певеход После прекращения действия излучения метариал
остывает до температуры кристаллизации. Геометрия
сварного шва в поперечном сечении повторяет конечную
границу фронта плавления (рис. 2.4).
При сварке со сквозным проплавлением объем расплав-
ленного металла удерживается от провисания силами
поверхностного натяжения, т. е. должно выполняться
соотношение
е. должно выполняться
mg = ndo,
(2.10)
где т _ масса расплавленного металла; g — ускорение
свободного падения; d — диаметр расплавленной ванны,
а _ коэффициент поверхностного натяжения металла
Нарушение соотношения (2.10) приводит к появлению
прожогов, подрезов и провисаний шва. Однако в отдель-
ных случаях на практике используются режимы, при кото-
рых развиваются процессы испарения с поверхности.
Плотность потока £св при этом должна находиться в диа-
пазоне
^2 £св < £3,
(2 11)
при этом металл не доводится до интенсивного испарения,
приводящего к выплеску расплава
Режимы, лежащие в области условия (2.11) приводят
к появлению импульса отдачи паров. За счет импульса
расплавленная поверхность ванны прогибается уменьшая
тем самым толщину жидкой прослойки к СЯ’ Умень1^ая
вующим излучением и твердым металлом^ис “ТаГ
В результате теплота, необходимая для Z» ₽ С> '
распространяться на большую глубину плавления. может
ет коническую форму. Если при этом п ванна пРиобрета-
жение расплавленного металла еш ОвеРхностн°е натя-
выплеску, то после окончания действиаПреПЯТСТВует ег0
стывший металл заполняет образока Я излУчения неза-
(рис. 2.5, а). Прогиб сварочной ванны Я?*иеся углубления
увеличения проплавления в сравнении ЗД,ает Условия для
испарения. Подобные режимы применяС Механизмом без
венно при сварке без сквозного пр0^ТСЯ пРеимущест-
опасность прожога исключается. р лавления, когда
56

Рис. 2.5. Стадии развития процессов проплавления при
испарении материала:
а — незначительное испарение; б — интенсивное испарение
При плотностях потока Есв, существенно превышающих
значение Е3, т. е. когда справедливо неравенство
Есв > Е3,
(2.12)
на поверхности развиваются процессы интенсивного испа-
рения с образованием узкой глубокой лунки и выброса
части расплавленного металла (рис. 2 5, б). Направленная
передача теплоты происходит в более глубокие слои метал-
ла, чем в предыдущем случае, увеличивая тем самым
проплавление в еще большей степени.
После окончания действия излучения лунка заполняет-
ся металлом, расплавленным в перифериинои зоне свето-
вого пятна, где плотность мощности была недостаточна
для интенсивного испарения. Характерным для данного
механизма плавления является наличие существенного
провисания проплавленной зоны, поэтому подобные
режимы исключительно редко используются в практике
сварки малых толщин
§ 2.4.	ФИЗИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ
ОБРАЗОВАНИЯ СВАРНОГО
СОЕДИНЕНИЯ ПРИ СВАРКЕ
С ГЛУБОКИМ ПРОПЛАВЛЕНИЕМ
Сварка материалов толщиной более 1,0 мм лучом лазе-
ра принципиально отличается по физическим процессам
и механизму проплавления от сварки малых толщин
57

Исследования, проведенные отечественными и зарубежны-
мн учеными показывают, что процессы, происходящие
пои сварке с глубоким проплавлением концентрированны-
ми потоками энергии, такими, как лазерный и электронный
луч. близки по своей физической сущности, поскольку гео-
метрические и энергетические параметры их в технологи-
ческом диапазоне сравнимы друг с другом. Поэтому целый
ряд физических явлений, характерных для электронно-
лучевой сварки, может быть использован для описания
процессов, происходящих в сварочной ванне при воздейст-
вии лазерного излучения Несомненно, при этом следует
учитывать особенности лазерного излучения в отличие
от электронного луча и, в первую очередь, осуществление
процесса вне вакуума, что принципиально меняет некото-
рые положения механизма глубокого проплавления.
Отличительной особенностью сварки мощными концен-
трированными источниками энергии (лазерным и элект-
ронным лучом) является получение так называемого
«кинжального» проплавления, характеризующегося зна-
чительной глубиной при малой ширине шва.
Следует отметить, что до появления концентрирован-
ных источников энергии получить подобные формы про-
плавления было принципиально невозможно
Подобный эффект, естественно, привлек внимание
исследователей, а его изучение стало центральной пробле-
мой в процессах воздействия концентрированными источ-
никами энергии на материал
Изучение феномена «кинжального»
началось в 1959 г.,
проплавления
. .	когда оно было зафиксиповано ппи
обработке материалов мощным	ф ксировано при
нее уже в 70 х голах / ппа „ злектРонным лучом. Позл-
ее, уже в /их годах, с появлением мощных газовых лазе-
ров тот же эффект был обнаружен и пои обпЛ
ала лазерным излучением. Присталый обработке матери-
вопросу породило большое число точек6 внимание к этому
происходящие в зоне обработки. ОлН3реНИЯ на явления’
20—25 лет сформировались основные пЗК° 33 прошедшие
позволяют описать процессы сварк °Л0ЖенИЯ’ К0Т0Рь1е
проплавлением.	и и с «кинжальным»
Физические процессы при непрерывном
чении. Лазерное излучение с определи * л?зеРН0М излу-
плотностью, попадая на поверхность мат Н°И кРитической
его со скоростью, существенно превыщРНала’и нагРевает
отвода теплоты за счет теплопроводносЗК)щеа скорость
обратного излучения. Начинается локальн^ Конвек1*ии и
на поверхности формируется лунка, котопЛе Нспарение, и
р я при достаточ-
58

ной мощности источника развивается в глубь материала
и приводит к образованию канала, заполненного парами
материала. Давление паров материала не дает полости
закрыться под действием гидростатических сил окружаю-
щего жидкого металла и сил поверхностного натяжения.
При соответствующей скорости относительного переме-
щения луча и обрабатываемого участка канал приобре-
тает динамическую устойчивость и распространяется
в глубь материала. На передней стенке канала происходит
плавление материала, а затем — затвердевание. Наличие
канала дает возможность лазерному излучению проникать
в материал на некоторую глубину. При этом образуется
узкий шов с большим отношением глубины к ширине.
Физические процессы, сопровождающие формирование
сварного соединения, будем рассматривать в рамках
представленной модели для непрерывного и импульсно-
периодического излучения мощных газовых лазеров. При
этом необходимо рассмотреть энергетические условия
процесса, кинетику формирования канала, взаимодействие
излучения с парами и плазмой, гидродинамические про-
цессы в сварочной ванне.
Физические особенности формирования сварного сое-
динения при использовании непрерывного лазерного излу-
чения заключаются в следующем.
Энергетическим условием начала «кинжального» про-
плавления, так же как и при сварке малых толщин, явля-
ется превышение значения £с над £3. Однако учитывая
непрерывность воздействия и большие мощности излуче-
ния, это превышение должно быть таково, чтобы процесс
испарения носил взрывной характер.
За основу оценки критической мощности £3 перехода
к «кинжальному» проплавлению можно брать характерное
время энергонакопления т, приводящее к взрывному вски-
панию некоторого объема металла.
В общем случае т зависит от £2 и физических свойств
материала. Определить время энергонакопления сложно,
поскольку это требует рассмотрения динамики всего
процесса с учетом испарения Приближенно это время
можно определить с помощью простейшей теплофизи-
ческой оценки по формуле
т = А'2/ (4а),	(2.13)
где х — характерный размер зоны, охваченной вскипа
нием.
59

опя ,оНЫ вскипания также затруд.
Определение Р^^рают равным диаметру сфоку.
нительно. поэтому его	й ег0 доле.
сированного луча или:	Рскладывается из времени
Время энеРгонаКаягрева материала до температуры
т. требуемого для наг^бходиМого для развития взрыв-
кипения, и «РемеН;’"^ говоря, в первом приближении
НОГО вскипания. Иначе
т = т(Ес, X, С, £пл> ^исп, Л),	(2.14)
где д _ поглощательная способность вещества.
Время энергонакопления для различных металлов в за-
висимости от их теплофизических свойств может быть от
единиц до сотен микросекунд.
Так как для большинства металлов Lnn <С L»cn, а
т2> Т|, с использованием теории подобия можно получить
формулу для оценки критического значения плотности
потока начала «кинжального» проплавления
£э=Л ’уЬплд/о/т.
(2.15)
а фор а справедлива для поверхностного источни-
ка! naeVnna также !с юностью в пределах одного поряд-
ка Значения поппЫИ рез-'льтат и Аля объемного источни-
ка. Значения пороговых плотностей потока пассчитанных
теоретически и получении*	потока, рассчитанных
в табл 2.5.	ЫХ экспеРиментально, приведены
Таблица 2.5
60

Анализ табл. 2.5 показывает, что типичные значения
Ез составляют около 1О5...1Об Вт/см2.
Таким образом, переход от условий нагрева, в которых
конфигурация зоны плавления материала описывается
изотермой плавления, к условиям, когда возникает взрыв-
ное вскипание вещества и зона проплавления становится
кинжальной, зависит от свойств материала и скорости
нагрева (концентрации энергии в источнике).
Процесс вскипания представляет собой фазовый пере-
ход жидкость — газ н сопровождается расширением ве-
щества от начальной плотности 1...10 г/см3 до значений
10“3...10“5 г/см3 (газ).
Помимо поверхностного испарения при лазерном воз-
действии с плотностью потока Ес > Ез происходят процес-
сы объемного парообразования. Механизм объемного
парообразования существенно отличается от поверхност-
ного испарения. Процесс этот связан с тем, что реальные
металлы содержат определенное количество дефектов в ви-
де газовых и усадочных раковин, пор, скоплений, примесей,
неметаллических включений, растворенных газов. Указан-
ные и возможные другие дефекты материала, влияющие
друг на друга, обычно называют искусственными или гото-
выми центрами парообразования, на которых возникают
пузырьки пара в объеме расплавленного металла.
Толщина слоя расплава, в котором могут протекать
процессы объемного парообразования, изменяется в завй^
симости от плотности потока от сотен до единиц микромет-
ра. Толщина слоя расплава существенна для динамики
данного процесса, поскольку она является верхним преде-
лом при росте закритического пузырька. Критический
размер пузырька, который находится в термодинамиче-
ском и механическом равновесии, может быть рассчитан
из условий устойчивости
рп(г) = Рв4-2о/г,
(2.16)
где Рп — давление в пузырьке; Р* — внешнее давление;
о — коэффициент поверхностного натяжения; г крити-
ческий радиус пузырька.
Минимальный критический радиус пузырька для рас-
плавов металлов составляет ~10-2 мкм, т. е. соизмерим с
толщиной слоя поглощения лазерного излучения метал-
лами.
Расчеты показывают, что скорость всплывания пузырь-
ка оказывается малой и за время в несколько миллисекунд
61

где Г
2); с — скорость звука, см/с.
он практически не перемещается в расплаве. Однако За
это время, равное времени энергонакопления, существенно
увеличивается радиус пузырька, достигая размеров тол-
тины слоя расплава. Выходя на поверхность, пузырьки
могут выбрасывать жидкость, расположенную над ними
и жидкость, заполняющую промежутки между ними, в
виде частиц примерно того же радиуса, что и пузырьки
Рассмотренный процесс носит взрывной характер и может
существенно влиять на вынос массы расплава.
Интенсивное поверхностное испарение и объемное
парообразование, т. е. вскипание, приводят к возникно
вению в материале волны сжатия, распространяющейся
от зоны нагрева. Максимальное давление волны сжатия
можно оценить по формуле
Р max = ТЕ/С,	(2.17)
— коэффициент Грюнайзена (для металлов Г^1.
Например, для алюминия максимальное давление
волны сжатия составляет Ртак^Ц,0 МПа.
олну сжатия формирует импульс отдачи кипящих
Под° дейстПви₽Вм\НтНпЬ'Й °Т повеРхн°сти в глубь материала
шение обпазпл импУльса может начаться переме-
отдачи определяли эХХнта^ьно ц ЛИЧИ"У ИМПуЛЬСЗ
емый сфокусированным пучком ля ” Импульс- передава'
в виде сферы из исследуемого мяГ Простому маятниКу
на нити в вакуумной камеое и матеРиала, подвешенной
ры с помощью калиброваннпДМерЯЛСЯ через окно каме-
удельного передаваемого и микроскопа. Изменение
интенсивности лазерного изл\/цУЛЬСа В зависимости от
риалов показано на рис. 2 6 уИЯ различных мате-
ляется как отношение переданярЛеЛЬНЬ1в импульс опреде-
он оказывается значительно Мого ИмпУльса к энергии,
может быть передан маятнику ?ЬЩе ИмпУльса, который
ния фотонов Следовательно дп? счет эФфекта отраже-
ществует оптимальная интенсивмпа>КЛ'Ого материала су-
ния. при которой передаваемый импТЬ ЛазеРного излуче-
ницу энергии излучения максималеГrC В Р^чете на ед и-
меньше оптимальной, то часть энеоги Если интенсивность
тате теплопроводности Если же энеп теР”ется в резуль-
ше оптимального значения, то Ча ргвя оказывается вы-
И 5^ f 1	энергии
температуры испарившегося матери”3?1^ и повышение
передаваемый импульс оказывается „в’.® ₽езУльтате чего
62

Рис. 2 6 Удельный импульс, пе
редаваемый различным материа
лом, в зависимости от плотности
потока:
/ — бериллий, 2— алюминий; 3 —
вольфрам
Рис. 2 7. Зависимость проги-
ба жидкой поверхности от
давления:
/ — зона малых деформаций;
2 — зона больших деформации
Совместное действие процессов вскипания металла
и импульса отдачи паров формирует на поверхности лунку
за счет выброса части материала и деформирования жид-
кой фазы, которая прогибается в направлении действия
импульса отдачи.
Экспериментально установлено, что деформация жид-
кой ванны в реальных условиях носит скачкообразный
характер (рис 2.7). На первой стадии, когда углубление
значительно меньше радиуса расплава, поверхностное
натяжение растет и препятствует действию импульса отда
чи паров; в результате зависимость углубления отравле-
ния незначительная. При достижении критической плот
ности потока диаметр ванны изменяется скачкоо разно и
.........ла становится соизмеримой с величиной углуб-
_________С этого момента снижается действие коэффициента
поверхностного натяжения и прогиб резко возрастает
При дальнейшем углублении канала радиус кривизны его
не меняется Начиная с этого момента, в материале ф р
мируется канал, заполненный парами металла.
Одновременно с началом образования канала над по-
верхностью материала появляется светящийся фак .
состоящий из продуктов испарения и вы роса, а так
частиц конденсированного пара. При определенных уело
виях этот факел может снижать интенсивность излучения,
сфокусированного на поверхности образца, из-за погло
щения и дефокусировки излучения
его величин
ления.
63

О обшем случае поглощение лазерного излучения факе
? обусловлено фотоэлектрическим поглощением ВОз
Хденными атомами, процессами тормозного поглощения
электронами в поле ионов и нейтральных атомов, на час
тиках конденсата и каплях жидкой фазы, а также плазмой,
возникающей в результате оптического пробоя в газовой
СРеДля металлов при плотности мощности 10s Вт/см
коэффициент поглощения пара оказывается небольшим
и существенной экранировки лазерного излучения нс
наблюдается. Наличие капель конденсата и выброшенной
жидкой фазы в паре может увеличивать поглощение излу-
чения и создавать эффект экранировки. Однако в наиболь
шей степени экранирующее действие проявляется при
развитии в парах вещества оптического пробоя.
Поскольку излучение лазера представляет собой элект
ромагнитное поле с высокой напряженностью, в нем может
происходить пробой газов. Оптический пробой газов пред-
ставляет собой нестационарный процесс, при котором
происходит лавинообразное увеличение количества сво-
бодных электронов и ионов в составе газа, что ведет к
увеличению поглощения газом лазерного излучения
Плотность мощности, необходимая для пробоя в воздухе
гг>	/ав2е оИ состав-пяет для ’ излучения
СО2-лазера 10 Вт/см . Несмотря на то что плотности
мощности, используемые для сварки гопазло мрныпр и не
превышают 107 Вт/см2 пои взаим^ Р Д меньше и нс
лом, наблюдается оптический пробой VI™ ЛУЧ3 С МСТЗЛЯ
с температурой в десятки тысяч roanven Зникает плазМ
га пробоя при сварке мпжрт al_.P ду ов* Снижение поро-
- связано с наличием па
атмосферы и отражающей
Интенсивности света
азера вблизи поверх-
Ч^зуется плазменное
СИМОСТИ ОТ ПЛОТНОСТИ МОЩНОСТИ ИЗЛУ IT UUU К- В зави-
моменты времени это плазменное обп НИЯ в П0следуюшие
га пробоя при сварке может быть с«яЛ ^Ниженне поро’
ров металла, защитной газовой г зано С наличием па'
мишени, приводящей к увеличению
После пробоя газа излучением
ности материала за время мс
облако или факел с температурой о'кТ’о^пллJ
СИМОСТИ ОТ ПЛОТНОСТИ МОЩНОСТИ ИЗЛУ
моменты времени это плазменное обо НИ* в п<
ниматься над поверхностью. Этот разование может под*
жаться до тех пор. пока не будет д^есс будет продол-
между мощностью, подводимой в плазмТИГНуТо Равенство
ния лазерного излучения, и мощностью^3* СЧет поглоще-
мы за счет теплопередачи путем теплоппо^461*0” из плаз-
чения из плазмы (рис 2.8). Процесс Водн°сти и излу-
плазменного облака по лазерному лучу НаРаспР°странения
светового горения	ЗЬ1аается волной
64

Рис. 2.8. Схема распрост-
ранения ионизированного
облака газа:
/ — лазерное излучение; 2-
защитный газ; 3 — ионизи
рованный газ, 4 — пары
металла; 5 — металл
Рис. 2.9. Расчетная
зависимость про-
зрачности плазмы
от мощности:
/ — в среде возду-
ха; 2 — в среде ар-
гона
Плазменное облако, или факел, препятствует прохож-
дению лазерного излучения на поверхность материала
(экранирует его). Степень экранировки зависит от толщи-
ны плазменного облака I и коэффициента поглощения
плазмой лазерного излучения по оси луча. Прозрачность
облака можно оценить коэффициентом прозрачности щ
т. е. отношением мощности излучения, прошедшего через
факел, к мощности лазера, по зависимости
q = exp (— /а),
(2-18)
где а — коэффициент поглощения плазм Ппозоачность
лучения; I — толщина плазменного обла Р излуче-
разряда зависит от мощности сфокусирразряд
„ рода газа, в среде
На рис. 2.9 показано,	У	использование
прозрачность факела падает. Кроме того	так.
различных газовых сред, ^пример в^У в Рчастн’ости>
же изменяет Рассма7”ваве““екий потенциал ионизации
?вХхГсоздаеЮт менеьШую толщину разряда и имеют
(воздух), создают	* гпрпы имеющие потенциал
большую прозрачность, чем сред , г,апрми влияют
J h r	r чняиительнои степени влияю!
ионизации ниже (аргон), d знач
65
3—860

на указанные процессы
другие свойства газов.
Следствием экранирОв
является расфокусироВК;
излучения и снижение эффек.
тивности проплавления луча
На рис. 2.10 представлена
зависимости уширения пятна
фокусировки от мощности
луча и рода газа. С увели
чением мощности уширение
повышается. Осуществление
процесса в аргоне, по сравне-
нию с воздухом, дает значи-
тельно большее уширение
луча.
Рис. 2.10. Зависимость уширения
пятна фокусировки от мощности
луча:
/ _ в среде аргона; 2 — в среде
воздуха
Как следствие рассмотренных явлений, наличие
плазменного факела существенно влияет на эффективность
проплавления. При пониженных давлениях, когда порог
пробоя достаточно высок, плазменного факела не образу
ется и эффективность проплавления существенно выше
чем при атмосферном давлении. В условиях атмосферного
давления на проплавление оказывает влияние состав
среды, в которой происходит сварка, и ее физические
свойства. Экспериментально установлено, что при одина
ковых энергетических условиях сварка в аргоне на возду
глубины'проплавления361 соответ^вующее возрастание
х-у--  t“"“Z
Таким образом, образований АЛЯ лазеРнои. сваРк
прогиб жидкой ванны и появлр повеРхностной лунки
являются начальным моментом^ пл именного факел
В дальнейшем эти процессы п Ф°РМИР°вания канала
с продвижением лунки в глубьериодически повторяются
Факт существования каналаМа2ериала-
исследователями с использование ИКСиР°вался многими
В экспериментах использовалисьМ различвых методик
как лазерный, так и электронный ? Качестве источника
методик состоит в проплавлении как4 ^уть большинства
одновременной съемкой сечения п°Го’либо материала с
образцов использовались как моделРОПЛава. В качестве
и составные образцы. Имеются свеДен*Ые Материалы, так
ла путем просвечивания рентгеновским*.0 Фиксации кана-
лических образцов в процессе сварКи '3лУчением метал-
66

Рис. 2 11. Схема физического моделирования динамиче-
ских процессов в сварочной ванне:
— проплавление комбинированного образца металл — про-
проплавление прозрачного материала
металл; 3 — прозрачный материал;
кинокамера; б — сварной шов
u
зрачный материал, б — i
/ — лазерный луч; 2
4 — светофильтр; 5 —
качестве модельных могут быть использованы мате-
, отвечающие определенным требованиям, таким
; достаточная вязкость; достаточная
невысокая температура
высокий коэффициент поглощения
ребованиям в наибольшей степени
стали и кварцевые стек-
используется органическое стекло,
п лтодц МП
В качестве
риалы,
как: прозрачность; досташчпал	-	 т neDaTVDa
термостойкость; относительно невысо	—
плавления; достаточно
излучения. Подобным т
отвечают стеклокристаллические
ла, в отдельных случаях	 непосредственно
Указанные материалы могут быть нел°ясраАтакже в
использованы для физического мод Iсхема иссле-
комбинации с металлами.л ПриН „""Хения показана на
дования динамики канала проп	собойскреп-
рис. 2.11. Исследуемый образец представляет собой скр^
ленные по плоскости пластины	металла и рас-
материала. Луч направляется иа Р деУрЖ11Вает металл
плавляет ее. Прозрачная ила У Р
з**

Рис. 2.12. Макроструктура глубокого про
плавления при лазерной сварке
от вытекания и дает возможность наблюдать процессы,
происходящие в металле. Для оценки динамики поведения
Рис. 2.13 Схема продольного
сечения сварочной ванны
/ — лазерный луч. 2 — плазмен
ный факел, 3 — парогазовый канал.
4 — хвостовая часть сварочной
ванны. 5 — закристаллизовавший
ся металл; 6 — свариваемый ма
териал
канала съемку осуществляют скоростной кинокамерой
через специальные фильтры.
Во всех случаях наблюдается примерно одна и та же
картина формирования сварного соединения показанная
на поперечном сечении (рис. 2.12) и схематично изобра-
женная в продольном направлении (рис 2 13)
В материале при воздей-
ствии излучения с плот-
ностью мощности больше
критической образуется сва-
рочная^ ванна с характерной
Формой, которая очерчена
Фазовой границей твердого
расплавленного металла
частн ванны рас-
вая п^еНа Иацболее устойчи-
Сопоста^111 Яркого свечения
составных^е кин°съемкИ
н°вское °бразцови рентге
сплощНЫх иросвечи вание
зывает, Ч10Материа‘п°в пока
ставляет г ^область пред
кратер За ° ой канал иДи
металла у^Л1,е,1,,Ь1й парам»1
^Ублеиие канала
Ь8

происходит постоянно со скоростью 100...200 мм/с до ка-
кой-то характерной величины, определяемой уровнем под-
водимой энергии. Визуально процесс может быть сравним
с продвижением гипотетического твердого тела, которое
подобно снаряду проникает в глубь расплавленного ме-
талла. Светимость различных участков канала различна.
На передней, по направлению движения, стенке светимость
выше, чем на задней, что говорит о преимущественном
выделении энергии на передней стенке. Поскольку диаметр
луча значительно меньше среднего диаметра канала, на
заднюю стенку могут попадать только лучи, отраженные
от передней стенки. Как правило, передняя стенка
наклонена под углом к действию луча, а нижняя часть
ее имеет искривленную форму, находящуюся вне прямого
попадания излучения, т. е. нагрев в этой области осуще-
ствляется отраженным излучением от задней стенки. В ре-
зультате прямого воздействия сфокусированного излу-
чения, а также переотражения и теплового воздействия па-
ров передняя стенка канала приобретает такую устойчи-
вую форму, при которой на каждый ее элемент приходится
энергия, достаточная для плавления любого из них в нап-
равлении сварки. На передней стенке существует слой рас-
плавленного металла, который испытывает постоянные
«возмущения». В частности, наблюдается характерное ее
искривление в виде ступеньки, которая периодически пере-
мещается по высоте канала. Удаление материала с перед-
ней стенки осуществляется послойно при перемещении
ступеньки сверху вниз.
Задняя стенка имеет неустойчивую форму, и количество
расплавленного металла на ней значительно больше, чем
на передней. Поверхность фронта кристаллизации на
задней стенке характеризуется наличием выступа (см
рис. 2.13) твердой фазы, который делит ванну на две раз-
личные части: нижнюю, сильно заглубленную и узкую
в поперечном сечении, и верхнюю — более широкую и
вытянутую вдоль шва Наличие этого второго участка
связывают с процессами теплопроводности.
Визуальные наблюдения за сварочной ванной пока-
зывают, что она постоянно находится в движении, приво-
дящем к изменению формы канала. Последовательность
колебаний канала показана на рис. 2.14. В течение всего
цикла канал увеличивается до максимального размера
После достижения на задней стенке критического размера
жидкой фазы начинается сужение канала. В этот момент
возможны перекрытия канала жидким металлом и разде-
69

VC1
от ют
Рис 214 Последовательность изменения формы канала проплав
И11С'	ления при лазерной сварке
ление его на несколько полостей. При этом доступ энергии
к нижним полостям прекращается и они заполняются
жидким металлом, который затем кристаллизуется^ Вслед-
ствие перемещения источника луч формирует новый канал.
По результатам исследований установлено, что канал
может менять свою форму с частотой до 80 Гц.
Изменение формы канала сопровождается переносом
металла с передней стенки на заднюю. Характер переноса
и его направление наблюдались при проплавлении образ-
цов с маркирующими материалами в виде штифтов или
порошков, переплавляемых одновременно с основным
металлом. Метки устанавливают в различных точках по
высоте проплава,^поэтому можно проследить течение ме-
талла в сварочной ванне. Процесс переноса также можно
наблюдать при скоростной киносъемке процесса проплав-
ления»
Обобщенные представления о переносе метяппя можно
сформулировать следующим образом. Перенос оасплав-
ленного металла из головной чяеты о перенос расплав
дит преимущественно по боковым стеЛ^™^10 проиСХ°'
зонтальном направлении (см. вис 9и? канала в ГОРИ‘
восходящие потоки движения по мр 2 ‘ Наблюдаются
По передней стенке металл движетУглУбления канала,
дно канала выталкивается на задню** СверхУ вниз и через
небольшое количество металла ВылЮ СтенкУ» кроме этого,
ность по передней стенке. В хвостов3В«ЛИВается на поверх-
ряющимися потоками поднимается в И 3°Не металл завих-
на поверхность сварочной ванны и в п РХ’ Часть выносится
движения перемещается в перифеОц?ультате волнового
кристаллизуется	р инУю область, где
При съемке проплавления над повеп
при лазерной сварке фиксировалось ^ИостьК) материала
факел, размер и плотность свечения кетящееся облако-
ТоР°го периода-
^авлива^ся 7а Поверх-

чески изменяется с частотами порядка сотен герц. При
значительных скоростях перемещения образца (рС8~
мм/с) факел имеет наклон в сторону, противополож-
ную движению, на углы от 20 до 60°.
Приведенные экспериментальные данные по наблюде-
нию за сварочной ванной дают возможность рассмотреть
процессы, сопровождающие формирование сварного
соединения, и на их основе обоснованно подходить к раз-
работке технологии сварки.
Процесс лазерной сварки представляет собой сложное
явление, определяемое взаимодействием целого ряда
факторов динамики массо- и теплообмена между паровой,
жидкой и твердой фазами в сварочной ванне, оптическими
и плазменными явлениями в паровом канале и в газовой
среде над ним. При описании процессов, происходящих
при лазерной сварке, точное (аналитическое или численное
на ЭВМ) решение уравнений (оптики, газодинамики и
гидродинамики), описывающих этот сложный процесс,
оказывается невозможным. Поэтому строят упрощенные
математические модели и результаты расчета сравнивают
с экспериментом.
Рассмотрим некоторые физические явления, наиболее
важные для понимания сущности процесса формирования
соединения при лазерной сварке.
Одним из основных условий получения сварного соеди-
нения требуемого качества является сохранение формы
(устойчивость) канала в промежуток времени, обеспечи-
вающий максимальное проплавление. Очевидно, что чем
дольше будет существовать открытый канал, тем больше
будет глубина проплавления. Устойчивость канала опре-
деляется балансом основных сил, действующих на поверх-
ность боковых стенок:
Fi = F2 + F3t
(2.19)
где F\ — сила давления пара в канале; F2 * сила гидро-
статического и атмосферного давления, действующая на
Расплавленный металл; F3 — сила поверхностного натяже-
ния на стенках канала.
При этом считается, что сила статического давления
пара в канале должна противодействовать гидростати-
ческим силам расплавленного металла и силам поверх
постного натяжения, пытающимся «захлопнуть» канал
В случае повышенного давления в канале (когда
Fi > F2 4- F3), металл будет вытесняться на поверхность
71

*ч--
крашение его дальнейшего углубления.
где F.
г _ сила статического давления пара.
1	о
и соединения не образуется. Если же Fi < F2 + F3, может
;ро “Х npeM«pe»e«"»'	“анала "
квашение его дальнейшего углубления.
Р Сила F, возникает в результате испарения металла в
канапе и создания определенного уровня давления, воз-
ействуюшего на боковые стенки, покрытые слоем рас-
плавленного материала. Это сила определяется как
F, = FP + Fc,	(2.20)
__сила реакции паров с боковых стенок канала,
I
В отличие от электронно-лучевой сварки, где сила
статического давления пара Fc формируется в ус
вакуума над поверхностью детали, при лазерной сварке
эта сила формируется при атмосферном давлении. В связи
с этим величина ее в обоих этих случаях различна.
Сила F2 обусловлена наличием жидкого металла на
стенках канала, который стремится опуститься на дно и
перекрыть канал. Гидростатическое давление является
функцией плотности жидкого металла и высоты его столба
над рассматриваемым уровнем. Возникающая при этом
сила может быть определена по формуле
F?= \gH~d2,	(2.21)
п тн сть жидкого металла*, g — ускорение сво-
водного падения; Н - глубина канала; d2 - диаметр ка-
rid«id.	г
Наличие силы поверхностного натяжения F связано
с тем. что жидкие вещества обладают уапа.,.„
свойством сокращать свою поверхность, благодаоя чему
расплавленные металлы стремятся пп.Лл 1идаРя че 1
скую форму и уменьшить Кельну Рс *°^ести сФеРиче’
поверхности. Это и есть поверхностное натяжение Т*™ т
этого жидкость стремится сжаться в ка ЯЖение счет
крыть его, оказывая то же действие что
чить достаточно точные экспериментальна
поверхностных и капиллярных явлениях Ые д
ботать соответствующую теорию трупН0В Канале
Известно, что поверхностное натяж
теплофизических свойств свариваемы 6НИе завнсит от
(табл. 2 7) и уменьшается при повышен Материалов
Силу поверхностного натяжения ожн*” ТемпеРатУры.
оценить по формуле	приближенно
т. е. пере-
снла F2. Полу-
 данные о
-.2 и разра-
(2.22)
72

Таблица 2.7
Металл	Плотность, г/см3		Теплота перехода, кДж/ (г • атом)		Поверхностное натяжение
	Ут в	Уж	плавление	испарение	* Ю 2, Н/м2
Алюминий	2,7	2,4	9,8	225	505
Медь	8,9	8,3	11,1	467	1066
Железо	7,8	6,9	11,5	380	1409
При элементарном сдвиге источника в процессе сварки,
когда луч частично перемещается на холодный металл,
уже недостаточно энергии для поддержания в канале
температуры, требуемой для создания давления, уравно-
вешивающего силы F2 и F3. В этом случае равновесие
нарушается и жидкий металл заливает канал, формируя
сварной шов.
Помимо указанных существует сила, способствующая
углублению канала, от величины которой в определенной
степени зависит глубина проплавления. Это вертикальная
составляющая силы реакции паров FpB, вылетающих из
канала. Образование этой силы связано с кинетикой дви-
жения паров, удаляющихся с поверхности расплавленного
металла и истекающих из канала с достаточно большой
скоростью В отличие от силы Fp (2.20), действующей
нормально к поверхности боковых стенок канала и удер-
живающей расплавленный металл на них, сила Грв дейст-
вует преимущественно на дно канала. Оттесняя расплав
ленный металл со дна канала, сила FpB способ ует уве
личению глубины проплавления. Подсчитать значение
этой силы можно по формуле
FpB = mv,
(2.23)
где т — масса испаряющегося металла, t ск р
Вь1лета паров из канала.	и нзлучения,
Сила реакции паров зависит от эн Р . 'еских
химического состава материала и его т Ф
свойств
Действие этой силы можно оценить эксперИЛные весы
Для этой цели могут быть использованы^р перемещения,
«ли же консольные устройства с датч	(Р паров По
Существуют методики замера сил“ р 2 16 представ-
°тклонениям маятника (рис. 2.15). На р
9 V

? 15 Сявш «ек.я« виереяю сжлы реакции арои
'	„ «ы. . - с иои-жвамеи излиика I -
*.	i - ЯП™ «асгим. 4 - к
жиа зависимость силы реакции паров и глубины проплав-
ния при воздействии электронным лучом с различной
мощностью на материалы различного химического соста-
ва Из графиков видно, что глубина проплавления про-
порционально зависит от силы реакции паров. Причем с
введением в состав материа-
10 № 30 W 50 80].мА
ла легкоиспаряющихся эле-
ментов сила реакции паров
также возрастает. Увеличе-
нию ее способствует также и
возрастание энергии элек-
тронного луча. При воздей-
ствии лазерного луча реак-
ция несколько меньше, чем
при воздействии электронно-
го луча, так как над поверх-
ностью образца существует
атмосферное давление, за-
медляющее скорость истече-
ния газа. Например, для алю-
ми»И€ВО1° сплава при рав-
жергетических условиях
проплавлеиия Л* глубиной
лазерным лучом 7Р°"ИЫМ И
тронно-луче*^ <ПРИ элек-
бина проплат, > 8арке ГЛУ
->ем при е"”я больше,
лирной). Миогие
Рис 2,16 Зависимость силы ре-
зкими паров (—,———) и глу-
бины проплавления (---------)
от тока луча при электронно
лучевой сварке
/ — алюминий, 2 — алюминиевый
сплав АМг А, 3 — магний
сост а вл яет
, в част-
известное

параметры, характерные ш хэе кт роемое
^арки. в полной мере могут быть справедливы . 2*^
хрво*-
Как уже отмечалось, экспериментально показано «по
-давление металла происходит на передней стенке каэал^
после чего жидкий металл перемещается в хвосте о
часть ванны где исталлизуется. Процесс пере-эса
оказывает существенное влияние на формирование геомет-
рии шва, его специфические дефекты и физнтчо-механв-
деекяе свойства.
Рассмотрим основные пути перемещения металла и си-
лы, вызывающие это движение. Существует несколько
моделей этого процесса.
На основании анализа киносъемки и данных о равно-
мерном распределении материала штифта, вставленного
вблизи поверхности шва, полагают, что движение распла-
ва по стенкам канала возможно только при некотором ис-
кривлении поверхности, когда давление отдачи при испаре-
нии, воспринимаемое искривленной поверхностью (см. рис
2.13), достаточно для перемещения ватнообразного высту-
па вдаль передней стенки канала вниз к его дну. При по-
явлении выступа поверхность канала, обращенная к лучу,
образует угол. Это приводит к концентрации мощности
пучка на этой поверхности, интенсификации ее плавления
и испарения, к увеличению реакции отдачи паров и уси-
лению сноса жидкого металла выступа в хвостовую часть
ванны. Основной силой, воздействующей на металл и
обеспечивающей перенос, в этом случае считается сила
реакции паров. Под действием этой силы жидкий металл
перемещается как сверху вниз, так и горизонтально во-
круг канала. Перенесенный металл огатяет слои с более
низкой температурой на передней стенке, после чего про-
цессы плавления и переноса повторяются. Установлено,
что скорость переноса существенно превышает скорость
сварки и достигает 1...2 м/с при скорости сварки ....
° • 10 3 м /с.
Волновой характер искривления поверхности сказыва
ется и на дискретности переноса. Частота переноса
г° металла прямо пропорциональна скорости ва н, т. е
—толщина жидкой пленки.	тал.
Характерные значения частот переноса жидког
а в зависимости от скорости сварки находятся
3°не Ю...50 Гц.
Одновременно с силами реакции паров	ен вли
(224)

силы возникающие вследствие раз.
ют термокапилл Р	ней и задНей стенках канала
"’’"изГестн ) чтосила поверхностного натяжения зависит
Известно чти	и чем выше темпераТура1 Тем
меньше^силаР поверхностного натяжения. Поэтому при
наличии в канале температурного градиента наряду с нор-
мальным Давлением на поверхности жидкости возникает
дополнительная, так называемая термокапиллярная сила,
направленная тангенциально к поверхности. Эта сила
определяется градиентом поверхностного натяжения
Pt = grado.	(2 25)
Знак плюс перед градиентом означает, что сила Ff
стремится привести поверхность жидкости в движение в
направлении от мест с меньшим к местам с большим по-
верхностным натяжением, т. е. жидкий металл должен
перемещаться от больших к меньшим температурам
Полагают, что за счет термокапиллярных сил перенос
жидкого металла осуществляется преимущественно по
боковым стенкам канала.
Сравнительные расчеты по двум рассмотренным моде-
лям показывают, что производительность переноса за счет
действия силы реакции паров почти на два порядка выше,
чем за счет термокапиллярного эффекта. Таким образом,
на перенос металла в наибольшей степени оказывает влия-
ние давление пара.
Группой исследователей во глЯйо о
И Н. Рык.™« Об«.р,ж., ,фф"
с’“”пь
При нагреве вещества постоянном
энергии, который больше некоторого кВремени потоком
чения, характер изменения темпепат?пТИЧеСК0Г0 зна’
существенно отличается от общеприня Ы ПовеРхности
поверхности материала не стремится КТОГО: температура
чению, а колеблется. Эта закономеон ПОстоянномУ зна-
возникновением автоколебаний темпео °СТЬ ^Условлена
пара в процессе нагрева.	РатУры и плотности
Механизм автоколебаний в общем
ется следующим образом. Лазерный лу^УЧЭе пРеДставля-
нируется пароплазменным факелом пОтЛри СВаРКе экра-
дящеи до поверхности материала, Зави^к Энергии. дохо-
этого факела. При определенной темпера^ °Т Плотности
материала плотность факела достигает зн?„ре ПовеРхности
ений’ при кото-
76	/	ЛИЖИ Т;

лазерное излучение начинает в нем заметно погло-
рь1Х я Снижение энергии, поступающей на поверхность
ериала, снизит количество испаренного вещества и
ответственно плотность плазмы Поступление лазерной
Сергии на поверхность вновь увеличится, возрастет коли-
чество испаренного вещества и плотность плазмы. Таким
образом, возникает автоколебательный процесс.
Критическое значение потока энергии, амплитуда, час-
тота колебаний зависят от параметров потока энергии,
теплофизических характеристик материала, газодинамиче-
ских характеристик пара и характеристик взаимодействия
потока энергии с паром. Частота автоколебаний при этом
составляет 102...104 Гц, а амплитуда колебаний темпера-
туры (1...5) 102 К-
Так как температурное поле в материале определяет
теплофизические процессы, происходящие в нем (плавле-
ние, испарение, гидродинамические явления в расплаве
и т. п.), то рассмотренная закономерность существования
незатухающих во времени собственных колебаний темпе-
ратурного поля и плотности пара позволяет рассматривать
физику этих процессов с качественно новой точки зрения
В частности, это приводит к выводу о существовании резо-
нансных режимов нагрева вещества.
Использование резонансных явлений дает возможность
разрабатывать эффективные методы сварки, такие, как
импульсно-периодическая, с дополнительной импульсной
подачей газа или с динамической фокусировкой лазерного
Анализ рассмотренных особенностей механизма фор-
мирования сварного соединения при лазерной сварке дает
°зможность объяснить некоторые специфические де-
Ф е к т ы швов, сопровождающие этот процесс, а также
зметить принципиальные пути их устранения.
аиболее распространенным дефектом является нали-
е пустот в шве значительных размеров, которые нельзя
пРг.естн к пористости. Такие дефекты связаны с наличием
пепрМЫЧек в канале, возникающих при неравномерности
нпптН°Са металла с передней стенки на заднюю ча
залиИ-Такие явления могут происходить из-за наличи
точнпИ стенке перегибов, являющихся следствием из
ное лаГ? Аавления пара у задней стенки канала.	е.
ния м Вление возникает в результате ннтенсивног° прлнРрй
стенки Териала ПРИ воздействии отраженного от п р'	п-
Рсдапр ПОтока лучистой энергии. Избыток матери’	ка.
ином участке задней стенки приводит к суж
77

„ я зтом месте вплоть до полного его перекрытия В ре.
" ЛГХжней части под перемычкой может остаться
X X и является причиной образования полостей,
^имущественно в корневой части шва.
XS распространенным дефектом шва является
пеоиоднческ» изменение глубины сварного шва по его
Хе выражающееся в появлении зубцов или пиков
проплавления. Периодические изменения глубины прсь
плавления связаны с колебаниями объема жидкого ме-
талла сварочной ванны в зоне кристаллизации. Образо.
сварке с глубоким проплавлением, так же как и элект-
ронно-лучевой сварке. Этот дефект не может быть устра-
цесс с длительностью импульсов в диапазоне
~ си частотой их следования в диа па-
мощности
условия формнро-
ванне пнкообразяого проплавления свойственно лазерной
сварке с глу
нея подбором параметров режима без существенного
снижения глубины проплавления или использования
специальных технологических приемов. Причина возник-
новения этих дефектов связана с динамикой колебания
размеров канала, вызванных физической сутью этого
процесса Этим же объясняется и волнистость поверх-
ности шва посте кристаллизации.
Физические процессы при импульсно-периодическом
излучении имеют следующие особенности. Под импульсно-
периодической лазерной сваркой, как уже отмечалось, по-
нимается прог--
от 1 * п д. к 1р с и част°той их следования в диапа-
^T^-^Lr“ Пря плотност“ мощности 10е.
вааия шва во мХл₽€ЖН,1Ы Со31а10т условия формнро-
нием, однако имеют н ряд Х^нн!"тРУРЫ8НЫЛ' ИЗЛуче’
влияние на технологию °«*>еиностеи. оказывающих
наличие парогазового канала - Вт/см-
оосле действия очередного им’пут^Г
плавление имеет тот же механиз’1-‘
непрерывном излучении.
процессов пплта.
рочнои ванне прн нмпульсно-пеоиоз ротека»Щих в сва-
крайне сложно, поэтому строгих матГ’еСКо’* воздействии,
процесса не существует. Одна ко Матическн.х моделей
оценок, проведением экспериментов качественных
теорией установлены некоторые Z Г*
отличают импульсно-перноднчеСКу1г?СОбенностн.
ной.	у сварку от ’
Энерговклад в данном случае ос\
сно, причем при средней мощности — "мпуть-
* кит мот-
рогазового канала котппмй являетсЯ
 котоРыи не схлопывается
> т- е. глубокое про-
реализацнн, что и при
м воздействии
теорией установлены некоторые сРавнением с
которые
непрерыв
“яеуся нмпуль-


е может достигать 100 кВт. При такой
Демя действия импульса (порядка 1...
Нагревается до температуры кипения.
-- прно что сила реакции паров, возникающая
УстаЙОптного импульса, перемещает расплавленный
« вреМЯ прпеаней стенки на заднюю. Таким образом,
^'имппьс канал перемещается на расстояние,
51 ^ толщине слоя металла, переносимого в канале
"веское перемещение металла в канале с частотой
Латвия импульсов принципиально отличает процесс от
.неравного.
Благодаря высокой частоте следования импульсов по-
& иность канала за время паузы не успевает остыть, и
го сказывается на температуре нагрева во время еле-
дуюлего импульса. На некотором расстоянии от поверх-
хти канала устанавливается стационарная температура
т = In---------------,	(2.26)
.	га 4-
- г средняя мощность лазерного излучения; h —
-- j г* — радиус луча; f — частота
Л I ^?ьная глубина проплавления будет увеличи-
может быть определена по
глубина проплавления;
лования импульсов.
^аться с ростом частоты и
формуле
— у~
где W — _г.
paiavc луча; d — сре
Второе слагаемое
раженвем Ml
ВДучеаием,
лающая <.
выше
< "
р । Ь
2яКТк П Гл + VWf
лазерного излучения;
- - i
о и1.1УчеквЯ’ Г*
энергия йМ ™ий	совпаду3 вНым
' ГТфор^ае Доения «^Лоплав-
U1H глубины Я сксростя^ Дого н3-^
т е npfl мал** -ио-пер^0'1'	х
спДобнослъ импулъснолс Рд7^	рой
чем непрерывног Д^ешеН»*- снО.пер«оЛ
Характерную «орос оппавлеине «	, моЖ«<>
Уклъные затраты на енно в°зра ^чеи»я
чеекям излучением cyui нмПульс из. У а
условия, что за н_ )	. Отсю
- вещества, равн
1	.=«K>ui»’ft ₽аЗЙТка*ала
rid в - м.1 — коэффициент, учн^ за1Нен скоросг«л °т
глотаемой энергии на перез.	диапазо
Расчет по этой формуле
до \,0 мм/с.
yZ ть нз
•4аляегся
и Слон
опре-
в среднем
пат учаем
(2.28)
До 1.0
V

Рис. 2.17. Сравнение удель-
При импульсно-периодиче
ской сварке, так же как и прн
непрерывной лазерной сварке
над поверхностью ванны суще-
ствует яркосветящийся факел
экранирующий излучение
Однако в отличие от непрерыв-
ного режима плазма за счет
воздействия энергии импульса-
ми периодически образуется и
релаксируется с частотой следо-
ных энергозатрат на проплав- вания ИМПуЛЬСОВ излучения
лсние нержавеющей стали устанОВленО, ЧТО Существуют
I	(Р- некоторые задержки времени
3=1 кВт). 2 — непрерывным Tj МСЖДу НЗЧЗЛ0М ИМПуЛЬСЭ И
СО,-лазер (Р=1 кВт). 3 - » развитием Эффективно ПОГЛО-
прерывный СО, лазер U = г	u т'т
«1.2 кВт). 4 - импульсно- щающеи плазмы, а также время
периодический СОмазер (Р = релаКСЭЦИИ ПЛЭЗМЫ Т2 ПОСЛС
окончания импульса Времен
ная структура излучения может быть описана соотноше-
нием длительности импульса ти и длительности паузы тп,
определяемых по формулам:
Ти = (СП~’_	(2 29)
где G —
(2.30)
уЧитЫв::агТзьавзло:тси8; ^частота импульса
менную структуру таким обпязп МОЖНО п°Добрать вре
ческий пробой не успеет по^	” 0ПТИ'
импульса, а если к тому же т ^ТЬю Развиться за время
развития оптического пробоя" > Т2, Т0 начальная стадия
ровать к моменту прихода следПееТ полностью релакси-
тически возможно полное исклю^0 импУлвса. Прак-
ного факела при условии, что т Чение влияния плазмен-
Экспериментально установлен^11, Т" > Тг-
способность импульсно-периодичес’ Что проплавляющая
ростях, определяемых по фоРмЛрОг?«3лучения на ско-
выше, чем непрерывного. * с (2.28), значительно
Это явление связывают как с б
импульсно-периодического излуч°Л,‘ш°и интенсивностью
репными физическими особенностям.,’ так и с рассмот
формирование сварного соединения ' СОпРовождаюи1ими
Существующие представления о th
стях формирования сварного соед^^ких особенно-
80	п'>и лазерной

ппоплавлением качественно описывают
nk.e с глубок™ пР°зПодинаМическИе процессы, происхо-
свахные г"ДР°' /Снне Однако знание их необходимо
<е в сварочной ®ан ' и выбора режимов сварки,
дЯ оазработки техн0Л приемов повышения проплав-
«1МЛ“ГГсwfc"	Углув-
Йя и улУ^ен™ области является одной из основных
енНе знаний в э	0ГИИ1 решение которой позволит
задач ^"расширить области применения этого пер
CSX Энологического процесса
880

Глава
ОСНОВЫ
ТЕХНОЛОГИИ
ЛАЗЕРНОЙ
СВАРКИ
§ 3.1. ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ
ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ЛАЗЕРНОЙ
СВАРКИ
прияп1й,по'иЛТ₽еиХНОЛОТ* ВХ0ДИТ целый комплекс меро
риалов котопып ?,111Ю Ф°РМЫ> размеров и свойств мате-
изделий с заданныКш?еЧН°М счете приводят к получению
разработке технологнческогГпоо1"4" тРебован,,ями ПР"
то технические, так Г° Процесса решаются как чис-
задачи. В данной главр V °^ганнзационно'Э1<ономические
ческие аспекты технологии^ Рассмотрены только техни
ходимо помнить, что RMfinn3epH0U сваРки, однако необ
предшествовать достаточен технологии должен
скин анализ, основанный ™убокий технико -экономиче-
н ) ?т применять в случар Т°М’ ЧТ0 лаз?рную сварку
ппГпр НСПОЛЬЗОВания традиш<ев°3мо>кности или затруд
НаХлёё	новыхЬ1ХзадаечТОД°В’ 3
::"х.х™	-
личных типов соединен<па°ГНЧеских прнРЬкН°Г0 ТИПа СОеД"
Одним из 0°сХ^'1\то„„. 4 ПРИеМ0В СВаРК" Ра3-
технологического пооиегг апов проекта
шего оборудования От пяв'1яется выбА°Ван"я •пюбог0
вания в значительной степ^ВИЛЬн°го в СоответствуЮ-
чаемого изделия, производит?' Зависит Л°ра обоРУД°'
мический эффект применения ?н°сть ппо*вчество п^У
82	Да»ного мР°авдса и эконо-

Рис. 3.1. Структурная схема ла-
зерной технологической уста-
новки:
I _ технологический лазер; 2
лазерное излучение; 3 — оптиче-
ская система. 4 - обрабатываемая
деталь. 5 — устройство для закреп-
ления и перемещения детали; 6 —
датчики параметров технологиче-
ского процесса; 7 — программное
устройство. 8 — датчики парамет-
ОборуД°вание д,пя лазерной обработки вообще и для
варки в частности включает в себя следующие основные
элементы: 1) технологический лазер; 2) систему откло-
нения и фокусировки луча, 3) систему наблюдения;
4) оснастку для крепления и перемещения детали;
5) средства контроля за параметрами процесса.
Все эти элементы входят в состав лазерной техноло-
гической установки (рис. 3.1).
Основным элементом оборудования является техно-
логический лазер, отличающийся надежностью и
простотой эксплуатации в жестких условиях производ-
ства, а также имеющий высокий ресурс работы и воспро-
изводимость параметров излучения. Устройство и прин-
ципы работы технологических лазеров подробно рассмот-
рены в учебном пособии В. С. Голубева и Ф. В. Лебе-
дева «Инженерные основы создания технологических ла-
зеров» (М., Высшая школа, 1987), а также в моногра-
фиях.
Выбор типа лазера для осуществления той или иной
сварочной операции должен осуществляться с учетом
следующих положений и ре-
комендаций:
1)	на основании чертежа
детали и технического зада-
ния на ее изготовление опре-
делить технологические опе-
рации, при выполнении кото-
рых потребуется лазер;
2)	установить требуемую
глубину проплавления и ши-
рину шва; учесть при этом
состав свариваемого мате-
риала;
3)	оценить масштабы
производства, его тип и тре-
буемую производительность,
4) определить возмож-
ности предприятия по затра-
там на приобретение и
эксплуатацию того или иного
типа лазера;
5) рассчитать экономиче-
скую эффективность от при-
менения лазерной сварки;
ров нзлу
4**
83

fii оценить возможности предприятия по площадям.
6) „ппичводства и подготовленности кадров
КУЛНяколенный практический опыт лазерной Сваркн
позволяет Дать некоторые общие рекомендации по под.
бору лазера для сварки металлов разных толщин. В част.
ности ДЛЯ сварки металлов малых толщин (до 1,5 мм)
целесообразно применение твердотельных лазеров, так
как они имеют меньшие потери мощности за счет отра.
жения излучения, просты в эксплуатации, надежны и
имеют небольшие габариты Недостатком этих лазеров
является ограниченная мощность (до 500 Вт).
Для больших толщин, где требуется сварка в режиме
глубокого проплавления, наиболее целесообразно при-
менение газовых, преимущественно СОг-лазеров. Подоб-
ные лазеры долговечны, надежны и обеспечивают доста-
точно высокий уровень выходной мощности.
Отклоняющие системы служат для измене-
ния направления луча от источника до детали. При про-
ектировании или выборе этих систем необходимо учиты-
вать следующие положения и требования.
1	Взаимное расположение детали и источника излу-
чения необходимо проектировать с таким расчетом, что-
бы расстояние между ними было минимально возмож-
ным. Также необходимо сводить к минимуму количество
отклоняющих элементов. При соблюдении этого условия
достигается снижение потерь излучения на отражение
и рассеивание.
2.	Для изменения направления излучения с длиной
волны, лежащей в видимой или ближней инфракрасной
--и -ектра, используют призмы полного внутреннего
отражения и интерференционные зеркала с многослойны-
ми диэлектрическими покрытиями. Такие систрмм ппиме-
нимы в основном для твеодотелкнк|У системы пРимС
лазеров с длиной волны 1,06РМкм и НР1 тех«ологическм
излучения	невысокой мощностью
3.	В системах с мощными газовыми „
нои волны излучения 10,6 мкм поим И лазеРами с дли'
преимущественно медные зеркал МеНЛЮт металлические,
СОг-лазеров мощностью до 200 Вт использовании
стеклянных зеркал с покрытиями ВОЗМожно применение
миния.	и из золота или алю-
4.	При выборе или конструипоп
систем необходимо учитывать возм ЭНИИ отклоняющих
вследствие поглощения излучения п Ностъ нагрева
больших мощностях излучения, особ ОТН0СИтельно не-
84	енн° в иепрерывном

ежиме работы лазера, это может привести к термиче-
ким деформациям оптических деталей, к изменению их
птическои силы и, следовательно, к изменению пара-
метров сфокусированного пучка, а также к увеличению
аберраций.
При увеличении мощности излучения оптические де-
тали могут быть повреждены. Поэтому плотность мощ-
ности излучения на их поверхностях не должна превы-
шать определенных значений, допускающих длительную
нормальную работу этих деталей. Например, оптические
стекла могут использоваться до плотности мощности из-
лучения 1(Г Вт/см2, медные зеркала (при соответствую-
щей массе) могут выдержать значительно большие плот-
ности мощности.
Ф о к у с и р у ю щ а я система служит для созда-
ния необходимой плотности мощности на поверхности
детали. Подробно конструкции фокусирующих систем бу-
дут рассмотрены в § 3.2.
Система наблюдения служит для наблюде-
ния, контроля и наведения излучения на обрабатываемую
точку.
Существуют две основные схемы систем наблюдения:
1. Система наблюдения соосна с фокусирующей систе-
мой.
2. Система наблюдения расположена под углом к фо-
кусирующей системе.
Соосная система выполняется путем соответствующей
установки отклоняющих зеркал и призм, полупрозрач-
ных зеркал или зеркал с отверстиями. Такая^ схема
применена в системе наблюдения СОК-2, которой осна-
щены установки серий КВАНТ. Для точного наведения
лУча на место сварки в оптических системах с совме-
щенными фокусирующими объективами и микроскопом
применяется сетка с перекрестием, обеспечивающим мак-
симальную точность наведения. Соосные системы наблю-
дения применяются преимущественно для лазеров с дли-
wnu	гноима r ближней инфракрасной обЛЗСТИ-
Изготовление соосной системы для излучения с дли-
ной волны 106 мкм. Т е. для СОг-лазеров, связано с
определенными трудностями. Например, соляные линзы
могут удовлетворительно фокусировать излучение, имея
существенные дефекты поверхности, неприемлемые для
визуальной системы.
Из несоосных систем наиболее рационально исполь-
зование оптического микроскопа, расположенного под уг-
85

Рис. 3.2. Схема перемещения луча
а — перемещение отклоняющего зеркала
отклоняющего зеркала, в — круговое
при неподвижной детали,
вдоль детали; б — колебания
вращение системы зеркал
лом к падающему излучению, или специальной телеви-
зионной установки
млЛтМИл° РассмотРенных Функций оптическая система
г;;;;;:,,"'“Г""--	'“««
детмибОГ“сточникаЛУн7герВеваТНОСИТеЛЬНОе пеРемещение
движения детали Однако я г осуществляется за счет
сварки и увеличенных сабарито?	СК°Р°СТеЙ
зовать систему перемещения 1 УДобнее исполь-
шить массу подвижных узлов и™ « позволяет умень-
ях перемещением, способствуя ° облегчает управление
обработки	ует повышению точности
Перемещение луча достигается я
дами (рис. 3.2, а. б, в).	я СлеДующими мето-
1.	Использование системы подвиг
щаемых по соответствующим коорди“Ь,х зеРкал,
2.	При небольших перемещения? ам
ние угла наклона зеркала по ОХ Испадьзуют
ской оси.	1Н01иению к
3.	Для обеспечения кругового Пепо
няют систему вращения зеркала Вмест?е1Цения
Если радиус окружности не превышает С ^ективом
зрения объектива, то круговую траекто0и1ДиУСа поля
фокального пятна можно получить путем ДвиЖения
объектива и его вращения относительно оси л СМец1ения
Разделение луча осуществляется бипризм^3
тепленным лучом можно одновременно обрабИ Ра<>
А
переме-
измене-
оптиче-
приме-

несколько участков поверхности детали. Применение си-
стемы зеркал позволя т разделять лучи большой мощ-
ности.
Отклонение зеркала с определенной частотой от оси
действия луча позволяет сканировать его по поверхности
детали, обеспечивая, например, сварку с колебаниями
луча, широко используемую в практике электронно-
лучевой сварки.
Оснастка для крепления и перемещения детали
состоит из различного рода манипуляторов и приспособ-
лений для закрепления и установки деталей в нужном
положении.
Технологические возможности установок в значитель-
ной степени зависят от типа и конструкции манипулято-
ров, которыми они оснащены.
Конструктивные решения манипуляторов весьма раз-
нообразны, однако существует два основных направления
в конструкциях:
1) создание универсальных электромеханических
систем с большим количеством степеней свободы, приме-
няемых для различных процессов лазерной обработки и
типов деталей;
2) создание специализированных упрощенных смен-
ных манипуляторов, применяемых лля	^типного
методов обработки, а также для обработки однотип
ВИДМанипуляторы первого типа эффе™ “^и
крупносерийном и	ДЛя конкретного вида дета-
устройства, ПРИСПОС^ максимальный эффект,
ли, позволяют по. упредъявляемые к манипулято-
Основные треб ’ можно сформулировать ме-
рам для лазерной свар
дующим образом^ должны обеспечивать плоское пере-
1	. Манипуля и ктор11И вращательные реверсив-
мещение по л всех плоскостях, угловые перемещения
ные движения ОрИЗОНТальной плоскостях, вертикаль-
в вертикально
ное ^^Тнизмы и приводы манипуляторов должны
2	- Ме*итаны на скоростные режимы до 200...300 м/ч
быть расе обеспечение как равномерности скорости пере-
Требуетс ^аК и дИСКретные перемещения из точки в
точку-
3	П/ кть позиционирования манипуляторов
87
’• г Л ^4
I	I

должна находиться в пределах от нескольких микрон
до 0 5 мм (в зависимости от габаритов детали и техноло-
гических требований). В отдельных случаях эти требо-
вания могут быть повышены в несколько раз.
4	Манипуляторы должны быть оснащены ЧПУ на
микроЭВМ и микропроцессорах.
5	При выборе и разработке манипуляторов необхо-
димо учитывать возможность перемещения самого луча,
что упрощает конструкцию, в основном, за счет исключе-
ния необходимости перемещать с большой скоростью
массивные детали.
6	. Специализированные манипуляторы должны пре-
дусматривать возможность многопозиционной обработки
Для сварки применяют в основном вращатели с раз-
личным позиционированием оси вращения и двухкоорди-
натные столы плоского перемещения.
Высокие требования к точности позиционирования
связаны с достижением необходимой точности взаимных
перемещений изделия и луча. В связи с крайне малым
диаметром луча требуется точность от нескольких микрон
до 0,1 мм, например при сварке встык. Если отклонение
превысит допустимую величину, луч сместится со свари-
ваемого стыка и сварное соединение не образуется.
Сборочно-установочные приспособления в технологи-
ческом процессе обработки должны обеспечивать:
1)	удобное размещение детали для соответствующего
метода обработки;
2)	точное базирование места обработки относительно
лазерного луча;
3)	надежное закрепление детали во избежание пере-
мещении за счет механических и термических воздей-
СТ ВИИ,
4)	быструю установку и съем детали в процессе
обработки.	прицессс
В лазерной технологии применимы практически
типы универсальных г*
известных и применяемых в технологии сварки'точности
базирования которых не превышает 0,1 0 2 мм
.^очно™ пРисп°собления является
прижимами.
ие» уклады-
прижи-
при-
„	все
и специальных приспособлений
базирования которых не превышает 0,1 0 2
жесткий каркас с упорами, фиксаторами и
При сборке детали заводят в приспособлен
вают по упорам или фиксаторам и закрепляв
мами. Винтовые, рычажные или эксцентпи Т **
жимы просты, но они приводятся в действиК°ВЬ1е
Использование пневматических, гидравличр Ие ВРУЧНУЮ
ских, пневмо-
оо

гНдравлических, магнитных или вакуумных прижимов
значительно сокращает вспомогательное время, особенно
если требуется зажать изделие одновременно в несколь-
ких местах.
Использование того или иного типа сборочно-устано-
вочных приспособлений определяется конструкцией изде-
лия, принятой технологией изготовления и программой
выпуска.
Измерение параметров лазерного излучения необходи-
мо производить для контроля режимов сварки в
процессе изготовления изделий.
Целесообразно рассмотреть методы измерения пара-
метров лазерного излучения, которые в первую очередь
необходимы для технологии лазерной сварки. К ним от-
носятся: мощность, энергия, поперечный размер луча,
длительность импульса. Подробно системы контроля и
измерения рассмотрены в учебном пособии В. С. Голу-
бева и Ф. В. Лебедева «Инженерные основы создания
технологических лазеров» (М., Высшая школа, 1987).
Энергетические параметры излучения измеряются теп-
ловыми и фотоэлектрическими методами.
К тепловым относятся калориметрический, боло-
метрический, термоэлектрический и пироэлектрический
методы, позволяющие производить абсолютные измене-
ния мощности и энергии. Фотоэлектрические
методы основаны на применении приемников излучения,
в которых поглощаемое излучение вызывает электри-
чески регистрируемый процесс.
Наибольшее распространение получили тепловые ме-
тоды, основанные на измерении температуры нагрева
поглотителя с помощью термопары, термостолбика,
болометра или термосопротивления. При измерении вы-
ходных параметров лазерного излучения калориметри
ческим методом необходимо добиваться макс£
поглощения оптической энергии в нагрузке. В качестве
поглотителя используются твердые тела, жидкости или
газы. Большинство калориметрических приборов основа-
но на поверхностном поглощении.	являют-
Поглошаюшими^ элементами ^в	ТХ
конусов" сфер или рифленых поверхностей. Отражение
излучения от стенок может быть как зеркальным, так и
диффузным.
Рассмотренные методы измерения не дают возмож-
ности регистрировать значения мощности в процессе
НИЯ мощности и энергии.
Г*’
в которых поглощаемое излучение вызывает электри-
Наибольшее распространение получили тепловые ме-
89

Рис 3.3. Схема проходного балометра
сварки, они используются как установочные или тариро-
вочные.
В технологическом процессе желательно иметь изме-
ритель, обеспечивающий регистрацию мощности в любой
момент времени. К таким приборам относятся измери-
тели проходного типа, которые используют для измерения
лишь малую часть энергии лазерного луча. Наибольшее
распространение получили приемники, основанные на
термоэлектрическом принципе. Конструктивно такой из-
меритель выполнен в виде сетки из тонкой вольфрамовой
или платиновой проволоки, через которую проходит ла-
зерное излучение (рис. 3.3). Небольшая часть измеряе-
мого излучения поглощается решеткой, что приводит к
ее нагреву и повышению сопротивления. Приращение
сопротивления решетки пропорционально проходящей
энергии излучения лазера и регистрируется мостовой
схемой. Сетка может быть выполнена как вращающейся,
так и неподвижной с принудительным охлаждением.
Пироэлектрические приемники по сравнению с други-
ми тепловыми приемниками обладают малой инерцион-
ностью, при малой массе приемного элемента и увели-
ченной интенсивности теплоотвода можно понизить их
инерционность до 10 с. Принцип действия пироэлектри-
ческих измерителен основан на появлении электрического
сигнала при изменении температуры сегнетоэлектриче-
ского материала.	н
Пироэлектрический эффект проявляется в кристаллах
титана бария, сульфата лития, ниобата лития и пп
С их помощью создают измерители проходного типа'
Измерение энергии излучения фотоэлектрическими «Г
тодами основано на использовании в качест ми ме'
ков излучения фотоэлементов и разрядке с П^иемни‘
конденсаторов в самоинтегрирующей схем^ 1\ОМощью
питания заряжает конденсатор, на нем уст 6 ^Сточник
напряжение, которое поляризует фотоэлеме анавлива^тся
нт- Излучение

ла3ера, попадая на фотоэлемент, вызывает в нем импульс
тока и частично разряжает конденсатор.
фотоэлектрический метод с использованием фотопри-
емников с внешним фотоэффектом применяется для
измерения энергии излучения в видимой и ближней
инфракрасной областях спектра. Такие приборы обла-
дают высокой чувствительностью и малой инерцион-
ностью, однако они не могут быть использованы для
измерения мощности непрерывного излучения или им-
пульсного, следующего с большой частотой, так как
их чувствительность изменяется при длительном облу-
чении.
На практике часто используются качественные методы
оценки плотности энергии и интенсивности лазерного
излучения. Для твердотельных лазеров применяется
обычная копировальная бумага (рабочим слоем к лазер-
ному лучу) и экспонированная фотобумага. На копиро-
вальной бумаге остаются заметные следы при плотностях
энергии порядка 1 Дж/см2. Данный метод позволяет
определить форму сечения луча в ИК-области спектра.
Для качественной оценки выходной энергии твердотель-
ных лазеров можно сфокусировать луч на стопку брит-
венных лезвий. Число лезвий, проплавленных лучом,
приблизительно соответствует величине энергии (в Дж)*.
В табл. 3.1 приведены характеристики измерителей
в табл. 3.1 I.	“
энергетических параметров, выпускаемых отечественной
промышленностью.
При определении длительности импульсов предвари-
тельно их преобразуют в электрические импульсы и затем
измеряют обычными радиотехническими методами.
Расходимость излучения и распределение плотности
мощное™ в фокальном пятне обычно не регистрируются
в процессе сварки. Эти параметры задаются на стадии
прицел V к новок измеряются при их изготов-
ленииТИа°?акже при регламентных работах. Для техно-
лога эти параметры являются параметрами установки,
которую он выбрал для осуществления технологического
пР°д^сас^еТр сфокусированного пятна является парамет-
^пегистрация которого необходима для осуществле-
’ технологического процесса. В случае применения
маломошных импульсных лазеров используют метод
определения диаметра отпечатка на засвеченной фото-
бумаге. Импульс излучения при минимальной энергии
воздействует на поверхность эмульсии фотобумаги и
i	91
ром
НИЯ


Т а б л и ц а 3.1
Тип 1 прибора	Диапазон длин волн. 1 мкм	Пределы измерения энергии импульса, Дж	Пределы измерения мощности непрерыв- ного «злу- 1 чення. Вт	Погреш- ность, %	Приемник излучения
ИМО-1	0,4...4,0	0.01...10	10~4...Ю"’	±15	Калори метриче- ский
ИМО-2 !	0,33... 10,6	0,01...10	1	10"3...100	±(6.5... 7)	>
ИКТ-1М	0,3...5,0	0,15...1000	 — 	±(1.0... 1 2.0)	>
КОД-Ю	0.4 .11.0	3...300	3...300	±10	
ФМП-М1	0,4...1,1	25-Ю"3... 500 (на длине волны I 1,06 мкм)	80...3-106	±20	Фото- электри- ческий
ТИ 3	0,33...15		1...100		Термо электри- ческий
информа-
прожигает ее. Замер диаметра отпечатка дает
цию о правильности выбора фокусировки.
В случае применения мощных СО2-лазеров диаметр
сфокусированного пучка может быть определен расчет-
ной методикой» приведенной в § 3.2.
Кроме того, существуют методы определения диамет-
ра сфокусированного излучения с помощью диафрагм,
устанавливаемых в зоне фокусировки. Измерение энер-
гии, проходящей через отверстие диафрагмы, дает воз-
можность оценить диаметр сфокусированного луча.
Кроме системы контроля излучения лазера существует
система контроля и измерения параметров состояния
элементов технологического лазера. Эта система пре-
дусматривает контроль газовакуумных, оптических, элек-
трических, теплофизических и механических параметров
технологического лазера.
Рассмотренные элементы лазерной технологической
установки должны работать в тесной взаимосвязи что
может быть организовано только в случае полной авто-
матизации всех процессов. Подобным требованиям от-
вечают лазерные технологические комплексы В состав
такого комплекса входят технологический лазер рабо **
пост, робот-манипулятор и система автоматического
управления комплексом.
92

Система автоматического управления ст.
мнением микропроцессорной техники стРоится с при-
„гчиков и исполнительных механизмов С°°ТветствУющих
Таким образом, правильное постов
четкого процесса лазерной сварки в е тех^логи.
Н11 связано с выбором оборудова‘а знач^льной степе-
с^сгв контроля различньгхУ^го7еХноло°^ВеТСТВуЮщ«
четР0В'	Хн°логических пара-
§ 3.2. ФОКУСИРУЮЩИЕ СИСТЕМЫ
ДЛЯ лазерной сварки
. ИЗЛучение На выходе из резонатора технологического
nv т.п РеДСТаВЛЯеТ собой пучок диаметром от несколь-
” иметР°в Д0 десятк°в миллиметров и не обеспе-
«лгп вь,сок°и степени концентрации энергии и требуе-
веяли? РактеРа распределения плотности мощности. Для
свапк ЗЦИИ ВЬ1СОКОПР°изводительного процесса лазерной
D и пРименяют различные оптические системы преоб-
ания параметров лазерного излучения.
пло ОкУсиРУЮШ‘ие линзы и зеркала. С целью повышения
его Т^°СТИ мощности лазерного излучения осуществляют
фокусировку. Для фокусировки применяется как
розрачная оптика проходного типа (линзы), так и отра-
тельная металлооптика (зеркала).
°кусирующие прозрачные линзы используются при
2алых мощностях лазерного излучения (до 1-..3 кВт).
Ри повышенных мощностях лазерного излучения все
щире начинают использоваться зеркальные фокуси-
РУЮщие системы из металлооптики, обеспечивающие
значительно больший срок службы Зеркальные фоку
Дарующие системы используются в виде
Фокусирующего зеркала или какого-либо вари у
зеркального объектива Кассегрена* и„иик1.. орпкялпм
Лазерная сварка с	^"вленХмТа'
рисЖезТ4ОСЙГрСиТсВЛ3 4 . фокусирующее' сферическое зер-
кало 4 установлено под углом к оси падающего излу-
чения В данной схеме использовано дополнительно
плоское зеркало 2. которое необходимо при обработке
крупногабаритных деталей. Если обрабатываемые детали
имеют небольшие размеры, то лазерное излучение можно
направлять непосредственно на фокусирующее сфери-
ческое зеркало (по траектории отраженного от плоского
зеркала излучения, рис. 3.4,а). На схеме рис. 3.4, б ис-
HlVlCtV! n C W* -- i	-
направлять непосредственно на фокусирующее сфери-
ческое зеркало (по траектории отраженного от плоского
93

Рис. 3.5. Классическая схема
объектива Кассегрена:
/ — параболоидальное зеркало;
2 — гиперболоидальное зерка-
ло, 3 — лазерный кольцевой
луч
Рис. 3.4. Схемы сварки с
одиночными зеркалами:
а — фокусирующее зеркало на-
клонено к лучу под углом о;
б — соосно с лучом (/ — лазер-
ный луч; 2 — плоское зеркало;
3 — плоское кольцевое зеркало;
4 — фокусирующее зеркало;
5 — свариваемая деталь; 6 —
ось зеркала; w — угол наклона
оси зеркала к оси луча)
пользуется плоское кольцевое зеркало 3, а фокусирующее
сферическое зеркало 4 установлено соосно с падающим
излучением. Эту схему фокусировки целесообразно ис-
пользовать в тех случаях, когда лазерное излучение име-
ет кольцевое сечение.
Большими возможностями фокусировки мощного ла-
зерного излучения для технологических целей обладают
двухзеркальные объективы. Объектив Кассегрена
(рис. 3.5) состоит из большого вогнутого параболоидаль-
ного и малого выпуклого гиперболоидального зеркал и
обладает хорошими фокусирующими свойствами для
достижения высокой концентрации энергии лазерного
излучения Однако этот объектив для фокусировки ла-
зерного излучения не применяется, так как имеет суще-
ственные недостатки:	у
1)	когда внутренний диаметр кольцевого луча меньше
диаметра малого зеркала, происходит экранирование
излучения малым зеркалом;
2)	изготовление зеркальных поверхностей второго
порядка весьма сложно, трудоемко и дорого, и °
3)	на малом зеркале достигается высокая концентра
ция энергии излучения, что может вызывать тепловые
94

Рис. 3.6. Схема фокусировки лазерного луча осевым
объективом:
/ — каустическая кривая; 2 — крайний элементарный луч
лазерного пучка, 2га — аберрационный размер сфокуснро
ванного луча

отражения
выдержать
деформации поверхности зеркала и ухудшение вслед,
ствие этого фокусирующих характеристик.
Второй и третий недостатки классической схемы
Кассегрена устраняются в обращенном осевом объективе
(рис 3 6), состоящем из двух сферических зеркал. Но
экранировка центральной части лазерного излучения со-
храняется. Вследствие этого обращенный осевой объек-
тив Кассегрена целесообразно использовать в случае,
когда лазерное излучение имеет кольцевое сечение с
внутренним диаметром меньше диаметра малого зеркала.
В обращенном внеосевом объективе Кассегрена
(рис. 3.7) отсутствует экранировка и вся энергия излу-
чения независимо от характера распределения по се-
чению луча достигает обрабатываемой поверхности. Этот
объектив обладает более широкими возможностями и
позволяет фокусировать лазерные излучения как сплош-
ного, так и кольцевого сечений.
Зеркальная оптика для мощных технологических ла-
зеров обычно изготавливается из чистой меди, обеспе-
чивающей высокие значения коэффициентов
и теплопроводности.
Металлические зеркала изготавливают достаточно
массивными и жесткими, чтобы они могли
высокий уровень лазерного излучения и не допустили
значительных тепловых деформаций поверхности зеркал.
Для снижения тепловых деформаций и повышения
стойкости в лазерах большой мощности применяют ис-
кусственное охлаждение медных зеркал водой. Использо-
вание защитных и многослойных просветляющих покры-
тии позволяет увеличивать стойкость зеркал при хране-
нии и эксплуатации.	г г
Hnr™a3^”°f оЗЛУи\ни1 сравнительно небольшой мош-
оптически ппДКВТ ФокУсируется обычно линзами из
оптически прозрачных материалов. Для наиболее оаспро-
страненных технологических СОо	распри
избиения	Х '-'^2-лазеров с длиной волны
излучения X = 10,6 мкм в качестве Фокусиоуюших
систем используются искусственные оптически
лы из хлористого натрия (NaCl), хло^ого’
КС1) фтористого натрия (NaF), бромистого
(КВг), бромисто-иодистого таллия марки KRS-5
фтористого бария
*	..~	j ’л* • тесине линзы из гепмя
ния (Ge), селенида цинка (ZnSe), теллуристого кадмия
калия
калия
и бро-
мисто-хлористого таллия KRS-6, ф.
BaF2. Также используются оптические линзы -
I 'л
(CdTe), кремния (Si), арсенида галлия’(GaAs), имею
тих более высокий коэффициент преломления и вслед.
96

е этого увеличенные потери на отражение. Поэтому
ди материалы наносят интерференционные просвет-
яюшие покрытия. Простые, дешевые в изготовлении
низы из монокристаллов KCI и NaCl имеют небольшие
показатели преломления, обеспечивают малые потери
м отражение и используются без покрытий. Сущест-
венными недостатками этих материалов являются их
енгроскопичность, низкая прочность и малая стойкость
при эксплуатации.
Фокусировка видимого излучения и близкого к
инфракрасной области излучения осуществляется стек-
лянными линзами.
Расходимость и аберрации лазерного излучения,
арактеристики оптических фокусирующих систем оказы-
вают существенное влияние на технологические парамет-
ры лазерной обработки. Эффективность большинства
сваоеСѰ лазеРН0^ обработки, в том числе и лазерной
nHJKH’ В значительноя степени определяется концентра-
ние1 9НеРгии в пятне нагрева. Поэтому основное внима-
для ПРИ РазРаботке оптических фокусирующих систем
мин	целей обращается на получение
^мальных размеров фокального пятна.
ет V опРеДелении размеров пятна фокусировки следу-
учитывать расходимость лазерного излучения.
D азеРное излучение, формируемое в резонаторе, ха-
ч т^Ризуется малой угловой расходимостью. Это озна-
Что энергия лазерного излучения может ^ыть
^Ффективно перенесена на большое расстояние и сфоку
иРована на весьма малых площадках.
Расходимость лазерного излучения вызывает
олькими причинами: дифракцией луча	пабо-
апертуре резонатора; оптической_не°дноР°дХТ0р® и ДР
еи среды лазера; деформаииеи зеркал Р тогда как
Дифракционную расходимость рассчить факторами,
Увеличение расходимости, вызванно РУ
- экспериментально. ^мрпГрТИЧеской
злобнее пользоваться энергетическом
определяется плоским либо те-
конуса, внутри которого
^заданная доля энергии или мощности
-ассматривать в качестве искомого
котором распространяется 83,8% общей
Эта доля мощности установлена
сопоставления расходимости луча
, характерного для устойчивых ре-
97
•	------- 	/.Лпрпиментально.
определяют обычно эксп р „ог1ЬЗоваться
Для технологии у
расходимостью. K°JopДрШ(ще
лесным углом при ,мя
распространяется за
излучения.
такой угол, в 1О.|МЯ
мощности излучi
для доз моя< ноет I
сплошного сечения

зонаторов, с расходимостью кольцевого луча неустойчи-
вого резонатора.
В соответствии с принятым условием половинный
угол расходимости лазерного пучка сплошного круглого
сечения подсчитывают по следующей формуле:
О^о.язв = 1»22Л/б/,	(3.1)
где X —длина волны излучения; d — диаметр луча.
Аналогичным образом выглядит выражение для оцен-
ки расходимости лазерного излучения кольцевого сече-
ния, характерного для неустойчивых резонаторов, рас-
пространенных в современных конструкциях технологи-
ческих лазеров:
0го<ам= 1.2Л/Л	(3.2)
где / _ ширина кольца лазерного излучения.
Числовые значения коэффициентов в формулах (3.1)
и (3.2) отличаются незначительно. Принципиальная раз-
ница заключается в том, что расходимость лазерного
излучения сплошного круглого сечения (3.1) определя-
ется диаметром луча, тогда как расходимость лазерного
излучения кольцевого сечения (3.2) определяется шири-
ной кольца.
По формулам (3.1) и (3.2) вычисляется предельная,
минимально возможная расходимость лазерного излуче-
ния, вызванная дифракцией. В реальных случаях воз-
можная расходимость всегда больше дифракционной.
Истинную расходимость лазерного излучения удобно
представить в следующем виде:
для излучения сплошного круглого сечения
0гь.и,= e-l,22X/d;	(3.3)
для кольцевого сечения
== е-(3.4)
где е. эмпирический коэффициент, учитывающий увели-
чение расходимости в резонаторе, вызванное различными
причинами.
Значение этого коэффициента г устанавливается
обычно путем измерения истинной расходимости конкрет-
ной лазерной установки.	и
Наряду с расходимостью лазерного излучения важ-
ным обстоятельством, определяющим размеры сфокуси-
рованного пятна, является погрешность изображения
в оптической системе, вызванная отклонением луча от
98

I ления идеальном оптическом системы, так назы-
ояемая аберрация.
Лазерное излучение является монохроматическим.
Поэтому при фокусировке лазерного луча отсутствуют
соматические аберрации, возникающие вследствие зави-
симости показателя преломления от длины волны. Доста-
точно рассмотреть монохроматические аберрации, к числу
которых относятся астигматизм, кома, дисторсия и сфери-
ческая аберрация.
Астигматизм, кома и дисторсия являются аберрация-
ми наклонного пучка лучей. В большинстве случаев ла-
зерной сварки фокусирующие системы располагаются
так, что главная плоскость устанавливается перпенди-
кулярно оси лазерного излучения и расчет сводится к
определению только сферической аберрации.
Сферическая аберрация заключается в том, что ис-
ходный цилиндрический пучок излучения в результате
преломления линзой при фокусировке проходной оптикой
получает воронкообразный вид, а не конуса, т. е. отсут-
ствует точечное изображение в фокусе.
Наименьший кружок рассеяния образуется на рас-
стоянии АЛ от фокальной плоскости. Плоскость, соответ-
ствующая наименьшему кружку рассеяния, называется
плоскостью наилучьией установки.
Значения аберраций могут быть определены построе-
нием хода лучей по законам преломления и отражения
в фокусирующей системе. Расчет хода лучей целесооб-
разно выполнять на ЭВМ. Но при этом трудно устано-
вить функциональную связь величин аберраций с пара-
метрами фокусирующей системы.
Для практических целей предпочтительнее получить
зависимость между аберрациями и параметрами фокуси-
рующей системы на основе приближенных инженерных
расчетов.
В оптике зависимости аберраций от параметров фоку-
сирующей системы представляют в виде степенных рядов
со слагаемыми нечетных порядков, начиная с третьего
Для практических рачетов достаточно рассмотреть пер-
вое слагаемое, имеющее третий порядок. Такое представ-
ление известно под названием теории аберрации третьего
порядка.
Оптимизация параметров фокусирующих линз. На ос-
нове этой теории получено простое выражение для диа-
метра сфокусированного линзой излучения, обусловлен
ного сферическими аберрациями. Минимальное значение
99

абеооаиии da имеет место в плоскости наилучшеи уста-
новки которая не совпадает с фокальной плоскостью
линзы’, а располагается ближе к линзе.
gr,	(3.5)
a —
гпе d —диаметр луча; F - фокусное расстояние* линзы;
d___аберрационный параметр линзы, зависящим от ее
показателя преломления п и соотношения радиусов
кривизны поверхностей с\
R = (1_!|/Т)гК2/п + 1)«2 - (2 + !/«)« + Ч. (3 6)
п — I г
где а =-------г.
Г\П
Для тонкой линзы
п(1 - с) ’
(3.7)
где с = г\/г2\ Г[ — радиус кривизны первой поверхности
линзы (г\ > 0 для выпуклой поверхности н п < 0 —
для вогнутой); г2— радиус кривизны второй поверхности
линзы (г2 > 0 для вогнутой поверхности н г2 < 0 — для
выпуклой).
Минимальные аберрации характеризуют высокое ка-
чество фокусирующей системы и соответствуют минималь-
ным значениям аберрационного параметра R, достигае-
мым при следующем соотношении радиусов кривизны:
с = г ।/г2 =
2п2 — п — 4
2п2 4- 4
(3.8)
Полученная формула (3.8) позволяет установить фор-
му линзы, обеспечивающей наименьшие аберрации.
В частности, для широко используемых при лазерной
сварке линз из хлористого калия (л = 1,455) наимень-
шие аберрации /?т1Л = 2,45 достигаются при с = _0 215
т. е. при фокусировке луча двояковыпуклой линзой с
соотношением радиусов кривизны приблизительно 1 • 5
При этом линза должна быть обращена более выпуклой
стороной к падающему лучу.
Полный диаметр фокального пятна определяется сум-
мированием составляющей do, обусловленной расходи-
мостью, и составляющей, обусловленной аберрациями-
da = do + d3.
100

Составляющая ds, вызванная расходимостью, опре-
деляется в следующем виде:
ds = moe38,	(3.10)
где А—фокусное расстояние; О'цг083а — расходимость ла-
зерного излучения, вычисляемая соответственно по фор-
мулам (3.3) или (3.4).
Составляющая day вызванная аберрацией, определяет-
ся по формуле (3.5).
После подстановки (3.5) и (3.10) в (3.9) получаем
формулу для вычисления полного размера фокального
пятна
dn — “Ь
Rd3
(3.11)
Из формулы (3.11) можно получить выражение для
расчета оптимального фокусного расстояния, обеспечива-
ющего минимальный размер фокального пятна. Следует
продифференцировать (3.11) по F, приравнять получен-
ную производную нулю; решение этого уравнения соста-
вит оптимальное значение /70пт, обеспечивающее (</п)гтп.
В результате решения получаем:
для излучения сплошного круглого сечения
Fom — 0,37б/^ gX /	*
(3.12)
для излучения кольцевого сечения
Л,„т ~ 0,37d( -£9,/3.	(3.13)
Анализ формулы (3.11) показывает, что влияние
аберрации на размер фокального пятна, т. е. на концент-
рацию энергии, уменьшается с увеличением фокусного
расстояния. При больших значениях F, существенно
превосходящих значение диаметра луча dy форма линзы,
определяющая значение параметра аберрации R, практи-
чески не влияет на размер фокального пятна. Рассмотрим
это положение на конкретном примере для излучения
кольцевого сечения диаметром d = 0,04 м и шириной
кольца /=7-10~3 м. При фокусном расстоянии F —
= 0,17 м переход от оптимальной двояковыпуклой линзы
с минимальными аберрациями R = 2,45 к плосковыпук-
лой линзе, обращенной плоской стороной к лучу, при-
водит к значительному возрастанию аберрации до зна-
101

чения R = Ю.2. При этом площадь фокального пятна
увеличивается в четыре с лишним раза. При прочих рав-
ных условиях при фокусном расстоянии F = 0.5 м подоб-
ное изменение R увеличивает площадь фокального пятна
всего лишь на 10%.
Таким образом, форма линзы практически не влияет
на размер фокального пятна в длиннофокусных линзах
Однако при сварке используются линзы с фокусным
расстоянием F = 0,10...0.25 м, где форма линзы сущест-
венно влияет на размер фокального пятна. Если подста-
вить оптимальные значения фокусного расстояния (3 12)
или (3.13) в формулу (3.11), то можно получить
шенис для расчета минимально возможного
условиях размера фокального пятна:
для излучения сплошного круглого сечения
COOTHO-
данных
в
d„mt„ ~ 0,67<//?'/3(-^)2/3;
для излучения кольцевого сечения
~ 0,67d/?l/3(^-)2/3.
(3.14)
(3.15)
Рассмотренные представления позволяют оптимизи-
ровать параметры фокусирующих линз. Для этого необ-
1, т. е. вместо истинной расходимости
ходимо предварительно знать параметры лазерного излу-
чения, подведенного к фокусирующей линзе, а именно
диаметр излучения для сплошного круглого сечения или
диаметр и ширину кольца лазерного излучения для коль-
цевого сечения. Соответственно по формулам (3.3) либо
(3 4) с использованием экспериментальных значений е
для рассматриваемого резонатора производится вычисле-
ние расходимости лазерного излучения. При отсутствии
экспериментальных данных можно в первом приближе-
нии принимать е = 1, т. е. вместо истинной расходимости
вычислять дифракционную расходимость.
В зависимости от выбранного материала, из которого
изготавливается линза, задаемся значением показателя
преломления п По формуле (3.8) вычисляем соотноше-
ние радиусов с. обеспечивающее наименьшие аберрации.
Далее по формуле (3 6) вычисляем значение аберрацион-
ного параметра R и соответственно по формулам (3 12)
или (3 13) определяем оптимальное фокусное расстояние
F„,„. Это позволяет в последующем вычислить радиус
кривизны первой оптической поверхности г, в соответ-
ствии с формулой (3.7) и определить радиус кривизны
второй оптической поверхности г2 в соответствии с фор-
102


лои (3.14) или (3.15) минимальный размер ф
,П?^на ^Пгп1П Уменьшится ориенировочно в т1 *
I» /3 8). И в заключение определяется ожидаемый
^опкно возможный размер фокального пятна соот-
^енно по формуле (3.14) или (3.15),
Анализ формул (3.14) и (3.15) позволяет оценить
Возможности дополнительного уменьшения минимального
размера фокального пятна dnmln, Основную возможность
представляет использование фокусирующих систем с умень-
шенными аберрациями, что было подробно рассмотрено
выше. Кроме того, эффективным является уменьшение
диаметра излучения d и расходимости 9^0 83₽. Естественно,
что уменьшения диаметра следует достигать не за счет ус-
тановки диафрагм на пути излучения, когда одновремен-
но с уменьшением диаметра также уменьшается мощ-
ность излучения.
Для излучения с кольцевым сечением целесообразно
использовать конический преобразователь, позволяющий
уменьшить диаметр излучения с сохранением начальной
расходимости.
Использование телескопа для уменьшения диаметра
dBm раз приводит к такому же возрастанию расходи-
мости излучения. Поэтому в соответствии с форму-
лой (3.14) или (3.15) минимальный размер фокального
' ПУна ^Пгп1п Уменьшится ориенировочно в т- раз, т. е.
эффект уменьшения площади сфокусированного пятна
и соответственно усиления концентрации энергии будет
незначительным.
Более эффективно использовать конический преобра-
ователь в сочетании с телескопом, что позволяет, напри-
сохРанении диаметра излучения значительно
VMeubUJHTb Расходимость и добиться существенного
усилЬШеНИЯ Диаметра излучения и соответствующего
ения концентрации энергии излучения.
усмотренные принципы инженерного расчета оди-
нои линзы для фокусировки лазерного излучения под-
тверждаются экспериментально и могут быть рекомендо-
ваны не только для процесса лазерной сварки, но и для
Других технологических процессов лазерной обработки
материалов.
Расчет объективов Кассегрена. Фокусировка мощного
лазерного излучения при сварке осуществляется обра-
щенными объективами Кассегрена (см. рис. J.b, 3./).
Они обладают возможностью устранения сферических
аберраций третьего порядка при использовании
не только специальных параболоидального и гиперболои-
Дального зеркал, но и даже при использовании сфери
ЮЗ
• х — — ~ ~ г
при сварке осуществляется обра-
Кассегрена (см. рис. 3.6, 3.7).
►
I
в них
4

ческих зеркал. Отсутствие сферических аберраций
тпетьего порядка обеспечивается при следующих соотно-
шениях между радиусом кривизны малого зеркала Г|,
большого зеркала г2 и расстоянием между поверхностями
зеркал I:
г, = 1.236F,
Гг = 3.236F = 2,618Г|,
I = Г2— Г\,
(3.16)
(3.17)
(3.18)
где р — фокусное расстояние.
Выражение (3.18) означает, что данное соотношение
справедливо для концентрического расположения зеркал
в объективе.
Объективы, спроектированные по соотношениям
(3.16)...(3.18), являются наилучшими с точки зрения
минимальных аберраций из всех подобных объективов
со сферическими зеркалами. В таких объективах будут
иметь место аберрации высших порядков, но последние
составляют незначительную величину.
Для определения оптимального фокусного расстояния
необходимо обеспечить условие минимального размера
сфокусированного излучения с учетом расходимости луча
и аберраций высших порядков. Далее с использованием
соотношений (3.16)... (3.18) для заданных размеров сече-
ния лазерного излучения определяются параметры объек-
тива.
Следует отметить, что обращенный осевой объектив
Кассегрена (см. рис. 3.6) может быть использован для
кольцевых лазерных пучков, так как при фокусировке
излучения сплошного круглого сечения возникает экрани-
ровка излучения. Соблюдение соотношений (3.16)... (3.18)
приводит к следующему значению коэффициента цент-
рального экранирования г) (см. рис. 3.6):
П = dB/d ~ 0,447,	(3.19)
где dz внутренний диаметр сечения падающего на ма-
лое зеркало кольцевого лазерного излучения; d -
наружный диаметр сечения излучения.
Возможность экранирования излучения в осевом
объективе накладывает ограничение на его использова-
ние для фокусирования кольцевого излучения неустой-
чивых резонаторов. Потери энергии будут отсутствовать
если увеличение резонатора М будет отвечать условию
М = d/dB < 1/п	2,236.	(3.20)
104

I
в современных технологических СО2-лазерах приме-
няются резонаторы с увеличением М, близким к единице.
Вблизи резонатора условие (3.20) выполняется. Однако
с увеличением расстояния от резонатора наружный диа-
метр лазерного излучения значительно возрастает, может
утрачиваться кольцевая форма луча, условие * (3 20)
нарушается и появляется эффект экранирования. Отсюда
следует вывод о необходимости располагать фокусиру-
ющую систему в непосредственной близости от лазера.
Большую перспективу для лазерной сварки представ-
ляет внеосевые обращенные объективы Кассегрена (см.
рис. 3.7). Эти объективы обеспечивают отсутствие экра-
нирования при соблюдении условия
Ро>2,618лл.	(3.21)
где Ро — расстояние между осями луча и объектива;
гл — радиус лазерного излучения.
Для попадания всего лазерного излучения на первое
выпуклое зеркало радиус кривизны его поверхности
должен удовлетворять условию
г\ > 3,618гЛ.
(3.22)
Соотношения (3.22), (3.21), (3.17) и (3.18) являются
основой для подбора параметров внеосевого объектива
в первом приближении. Более точный расчет может
быть выполнен в том случае, если известно оптимальное
значение фокусного расстояния, обеспечивающее мини-
мальный размер фокального пятна при заданных пара-
метрах исходного луча с учетом аберраций объектива
и расходимости луча. Так как аберрации третьего поряд-
ка в этом случае равны нулю, то расчет аберрационных
размеров пятна по формулам, использованным выше для
линз, дал бы нулевое значение. Поэтому точные абер-
рационные размеры пятна определяются тригонометри-
ческим расчетом хода лучей через объектив.
В общем случае форма пятна, сфокусированного
внеосевым объективом, не круглая. Следовательно, опти-
мизацию необходимо осуществлять не по поперечным
размерам пятна, а по его площади. Однако результаты
расчетов показали, что форма пятна хорошо аппроксими-
руется эллипсом, для вычисления площади которого до-
статочно вычислить размеры осей эллипса.
На рис. 3.7 эти размеры осей эллипса представлены
расстоянием между точками (.v0, z0) и (х2, z2) в плоскос-
1	Ю5

ти пигхнка и соответственно в перпендикулярном плос-
кости рисунка направлении.
Минимальный размер аберрационного пятна в плос-
кости (см рис. 37) определяется расстоянием Ь\ между
точкой пересечения крайних лучей а, б лазерного пучка
(х г0) и точкой пересечения нормали к огибающей
каустической кривой) (х2, г2), проходящей через точку
(хо го). Из рис. 3.7 видно, что плоскость минимального
размера пятна G лежит под углом у к оси лазерного
излучения.
Свариваемые детали должны располагаться именно
в этой плоскости для обеспечения максимальной кон-
центрации энергии. Значение угла у зависит от диаметра
лазерного излучения и параметров объектива. Причем,
чем больше отношение d/r\. тем меньше значение угла у.
В перпендикулярном плоскости рис. 3.7 направлении
аберрационный размер bi фокального пятна определяет-
ся расстоянием между точками пересечения крайних
лучей в, г лазерного пучка с плоскостью G.
Полные размеры фокального пятна Ь\, 62 определяют-
ся суммированием указанных аберрационных размеров
b\, Ьг2 с составляющей	вызванной расходи-
мостью (3.9).
Характерная зависимость полных размеров фокально-
го пятна 6|, bi и его площади S от радиуса кривизны
первого зеркала Г| представлена на рис. 3.8 (по расчет-
ным данным В. А. Фромма) для лазерного излучения,
имеющего диаметр d = 6-10 2 м и расходимость 0{гО838 =
== 2«10~3.
для технологии
опт следует считать то, которое обеспечивает
Минимальные значения Ь2 и S соответствуют
различным значениям и (на рис. 3.8 показаны верти-
кальными стрелками). Оптимальным
значением и
минимальную площадь фокального пятна S, т е. макси-
мальную концентрацию. Характерно, что значение Г10пт
располагается между значениями радиусов Г\, обеспечи-
вающих минимальные размеры Ь\ и Ь2
Следует отметить почти горизонтальное расположение
участка кривом S = S(n) вблизи оптимального значе-
ния г10„, (рис. 3.8). Это дает возможность при проекти-
ровании внеосевого объектива выбирать значение радиу-
са кривизны первого зеркала с отклонением от расчет-
ного оптимального значения п„„, на ±10% что обес-
печит более гибкие условия при конструировании
объектива.
S(fi) вблизи оптимального значе-
Юь

I । Г/опт|______________L_
№ 0f24	0,52 r1tM
Рис. 3.8. Зависимости конеч-
ных размеров b\, b2 и площа-
ди S фокального пятна от
радиуса кривизны г\ выпук-
лого зеркала внеосевого объ-
ектива:
кривая 1 — S; 2 — 6,; 3 — &•>;
2	4 S d Ю2, м
Рис. 3 9. Номограммы для
определения г(опт в зависимо-
сти от диаметра луча d и его
расходимости
а — внеосевой объектив (пря-
мая / — расходимость 0аР0м8 =
== 3- 10~э; 2 — 2-10~< 3 —
— 1,5- 10~э; 4 — 1-10 3). б —
осевой объектив (/ — 5-10 \
2 — 3- Ю-3, 3 — 2- IO J. 4 —
— I • IO-J)
“	. Для значе-
, указанные на
На рис 3 Q
Расчетов опт ’ ° приставлены обобщенные результаты
го зеркала Имальнь1х значений радиуса кривизны перво-
Диаметра ^Г|опт внеосевого объектива в зависимости от
сечения при ЛазеРН0Г0 излучения сплошного круглого
чения 0гОвз ^азличных значениях расходимости нзлу-
мость Г|Оп*за0т пРеделах заданной расходимости завися-
Представленны НОсит практически линейный характер,
заданным значе На Рис- Д, a гРаФики позволяют по
ний d и 9' Ниям d и 0«083в находить Г|0ПГ. Для значе-
рис. 3.9, а, г/ 8’с Вь,х°дящих за пределы, указанные на
раполяцией п°редс?Ует определять интерполяцией и экст-
Расчетная 0ДСТавленных результатов.
ся на основе я Т1,Мизапия осевого объектива выполняет-
ставлениям п0 Налогичных рассмотренным выше пред-
через объектив ТРгИгонометР,,ческомУ расчету хода лучей
расчетов осевог Рис‘ 3 9. б представлены результаты
° объектива в виде зависимостей опта-
107

мального значения радиуса кривизны первого зеркала
Г| обеспечивающего минимальным размер фокального
пятна, от диаметра излучения d при различных значе-
ниях расходимости 0«гОМ8.
Таким образом, по данным рис. 3.9 можно установить
оптимальное значение радиуса кривизны первого зеркала
гюпт как осевого, так и внеосевого объективов Кассегрена
дл°я заданного диаметра d лазерного излучения и соответ-
ствующих значений расходимости лазерного излучения
0^С8з8, вычисляемой по формулам (3.3) или (3.4). Осталь-
ные параметры объективов вычисляются соответственно
по формулам (3.17), (3.18), (3.21), (3.22).
Данные, представленные на рис. 3.9, позволяют сопос-
тавить характеристики осевого и внеосевого объективов
При заданных параметрах лазерного излучения одна и та
же степень фокусировки, т. е. одинаковый размер фоку-
сируемого пятна, может быть достигнута осевым
объективом, имеющим меньший размер радиуса кривиз-
ны первого зеркала и и соответственно меньшие габариты,
чем внеосевым. Это объясняется тем, что при равных
диаметрах лазерного излучения аберрации осевого
объектива значительно меньше.
Сопоставление результатов расчетов зеркальных
объективов и линз показывает, что осевые и внеосевые
объективы дают большую концентрацию лазерного излу-
чения, чем линзы из хлористых солей (КО, NaCl).
Расчеты оптимальных параметров обращенных осевых
и внеосевых объективов Кассегрена для обеспечения
минимальных размеров пятна сфокусированного излуче-
ния подтверждены экспериментальными результатами
Однако эффективность проплавления металлов сфокуси-
рованным лазерным излучением определяется не только
размерами пятна, т. е. концентрацией энергии в фокаль-
ном пятне. Экспериментальные результаты, полученные
при сварке различными объективами в широком диапазо-
не мощностей сфокусированного лазерного излучения,
позволили установить, что при повышенных уровнях
мощности большое влияние на формирование шва ока-
зывает угол схождения луча после фокусировки.
Экспериментально показано, что при значениях мощ-
ности излучения до нескольких киловатт глубина проплав-
ления при фокусировке излучения осевым объективом
с углом схождения р = 45°
подобным объективом с углом Р- 10°.
значениях мощности излучения эффективное
10Ь	।
(см. рис. 3.6) больше, чем
При больших
сса

4
с0арки объективом с углом схождения р == 45° оказы-
вается ниже и соответственно глубина проплавления
меньше, чем при сварке объективом с углом р = 10°.
Следует отметить, что в вышеприведенном сопостав-
лении объектив с р — 45 близок к оптимальному с точки
зрения минимизации размеров фокального пятна. Вслед-
ствие этого при небольших значениях мощности излу-
чения, когда определяющее влияние на глубину проплав-
ления оказывает концентрация энергии, этот объектив
с углом р = 45° более эффективен.
С увеличением мощности излучения возрастает глуби-
на шва и на последнюю начинает оказывать влияние угол
схождения луча. Плотность мощности излучения меняет-
ся по глубине проплавления. Причем при сварке излуче-
нием с большим углом схождения р плотность мощности
излучения уменьшается по глубине проплавления су-
щественнее, чем при сварке с малым углом р, и на дне
канала проплавления значение плотности мощности в
процессе сварки будет незначительно. Вследствие этого
при больших мощностях глубина проплавления больше
при использовании объектива с малым углом.
В заключение следует отметить, что при выборе пара-
метров оптических фокусирующих систем для сварки
необходим дифференцированный подход в зависимости
от мощности излучения. При относительно небольших
мощностях необходимо стремиться к достижению макси-
мальной концентрации энергии в фокальном пятне неза-
висимо от полученного при этом угла схождения излу-
чения р. Если при этом представляется возможность
Уменьшения угла р без снижения концентрации энергии,
то следует проектировать фокусирующую систему с мень-
шими углами схождения излучения р для повышения
стабильности проплавления при возможных колебаниях
фокусного расстояния в процессе сварки. При больших
мощностях излучения следует применять фокусирующие
системы с малыми значениями р. Размеры фокального
пятна при этом отступают на второй план. Но предпоч-
тительнее при малом угле иметь меньшие размеры
фокального пятна.
Сопоставление возможностей проходной и зеркальном
фокусирующей оптики показывает, что зеркальные
объективы обеспечивают большую эффективность процес-
са сварки и несравненно больший срок службы, что
делает их предпочтительнее линз из хлористых солей
(КС1 и NaCl). Поэтому зеркальные объективы целесооб-
109

разно применять во всех случаях лазерной сварки излу-
чением с длиной волны 10,6 мкм (СОг-лазеры).
- "линой волны 10,6 мкм (СОг-лазеры).
Зеркальные объективы в меньшей степени подверже-
ны воздействию паров и брызг из сварочной ванны.
Дело в том что ближнее к поверхности сварочной ванны
малое зеркало расположено тыльной нерабочей стороной
к шву а отражающая рабочая поверхность вогнутого
зеркала находится от шва на расстоянии более 4F, т. е.
в четыре с лишним раза дальше, чем линза с тем же
фокусным расстоянием F.
§ 33. ЛАЗЕРНАЯ СВАРКА
МАТЕРИАЛОВ МАЛЫХ ТОЛЩИН
Согласно рассмотренной в гл. 2 классификации,
сварка материалов малых толщин может осуществляться
как импульсным, так и непрерывным излучением лазера.
Наиболее широко распространена импульсная лазерная
сварка.
При разработке технологии сварки необходимо иметь
ясное представление об основных параметрах режимов
процесса, их взаимосвязи и влиянии на критерии, опреде-
ляющие качество сварного соединения. Оптимизация
параметров режимов по критериям качества является
главной задачей при выборе режимов любого техноло-
гического процесса и, в частности, лазерной сварки.
Основными параметрами импульсной лазерной сварки
являются: энергия импульса, длительность импульса,
диаметр сфокусированного луча, положение фокального
пятна относительно свариваемой поверхности (степень
расфокусировки), скорость сварки, частота следования
им пул ьсов.
Кроме того, существуют технологические приемы, та-
кие, как защита шва от окисления, дополнительное леги-
рование или подача присадочного материала сканирова-
ние луча и некоторые другие, при осуществлении которых
появляются дополнительные параметры
Критерии качества сварных соединений
нообразны и зависят от технических требований
лию Наиболее общими критериями считаются:
сварного шва, или размеры литой зоны,
свойства соединений, технологическая прочность отсут-
весьма раз-
J к изде-
геометрия
♦ механические
свойства соединении, технологическая прочность отсут-
ствие внутренних и внешних дефектов, химический состав
и структура шва.
Параметры режимов сварки. Рассмотрим подробнее
1 in

указанные параметры режимов и их взаимосвязь с кри-
териями качества с точки зрения оптимизации технологии
импульсной лазерной сварки.
Энергия в импульсе — основная энергетиче-
ская характеристика, существенно определяющая про-
цесс сварки. Она влияет как на общее количество тепло-
ты, введенное в зону воздействия, так и на некоторые
характеристики излучения (длительность импульса, его
структуру и расходимость). Энергия измеряется в Дж
и обозначается U7. Энергию импульса, необходимую для
расплавления металла без выплеска, можно ориентиро-
вочно оценить по формуле
__ 0,8857^X7 ТЛЛ
(3.23)
где т — длительность импульса; г — радиус сфокусиро-
ванного пучка.
При выборе лазерной установки необходимо учиты-
вать диапазон энергий, которые потребуются для выпол-
нения тех или других операций.
Длительность импульса характеризует
время воздействия излучения на материал и, следова-
тельно, является временем, за которое происходит нагрев
и расплавление металла. Для каждого материала и тол-
щины, которую необходимо проплавить, существует опти-
мальный диапазон длительностей импульса, в пределах
которого возможно получение сварного соединения без
чрезмерного выброса материала из зоны нагрева. Диапа-
зон оптимальной длительности импульса для сварки
различных материалов не совпадает.
Увеличение энергии импульса сдвигает диапазон опти-
мальных длительностей в сторону их увеличения При
увеличении мощности путем сокращения длительности
импульса достигается большая глубина проплавления,
но при этом увеличивается количество испарившегося
вещества Поэтому область длительностей импульса при
фиксированной энергии излучения должна иметь ограни-
чения по минимуму и максимуму.
Исходя из расчета распространения теплоты по урав-
нению для поверхностного источника в полубесконечном
теле, описывающего зависимость глубины проплавления
от длительности импульса, определили оптимальные диа-
пазоны длительностей. Для меди оптимальная длитель-
ность находится в пределах 10 4 < т <С 5-10 ' с, для
HI

Рнс 3 10 Характерная фор
ыа импульса лазера на АИГ
алюминия составляет 5-10 ~4 <•
<т<2-10-3, для стали —
5-10-3 < т < 8-10~3 с.
Более точные значения дли-
тельности импульса определяют
экспериментальным путем или
ими задаются исходя из техни-
ческих возможностей устано-
вок. На практике используют
длительности импульса по зна-
чениям, приближающимся к
верхнему пределу. Это благо-
приятно влияет на качество
сварного соединения, так как способствует более полному
удалению из сварочной ванны нерастворенных газов и
уменьшает тем самым возможность образования порис-
тости после застывания металла.
Наиболее благоприятной формой импульса излучения
при сварке является трапецеидальная или треугольная
с относительно крутым передним и пологим задним фрон-
том. В течение первой части импульса проплавляется
основная часть металла, при этом, как правило, реали-
зуется режим глубокого проплавления. За время посте-
пенного и относительно медленного спадания интенсив-
ности во второй части импульса увеличивается коли-
чество жидкой фазы (в основном за счет плавления ме-
талла у краев сварочной ванны без интенсивного испаре-
ния). Уменьшение давления паров позволяет расплав-
ленному металлу заполнить углубление, образовавшееся
в начальной части импульса. Затягивание заднего фрон-
та импульса способствует такому заполнению до начала
кристаллизации металла. Установлено, что за одно и то
же время импульс оптимальной формы производит более
глубокое проплавление металла (приблизительно на
30/6 L чем прямоугольный световой импульс. Характер-
ная форма импульса для технологического лазера на
АИГ показана на рис. 3.10.
Диаметр сфокусированного луча влия-
ет как на п ощадь обработки, так и на плотность мощ-
ности Е (Вт/см ), которая зависит от него следующим
образом:	J
с 4U7
(3.24)
При выборе диаметра сфокусированного луча следует
112

учитывать соотношение необходимой площади нагрева
с плотностью мощности, требуемой для получения задан-
ной глубины проплавления. Для сварки используют диа-
метры сфокусированного луча в диапазоне от 0,05 до
1,0 мм. Формирование необходимого диаметра луча зави-
сит также от фокусного расстояния линзы, которое при
сварке выбирается в диапазоне от 30 до 100 мм.
Для регулирования плотности мощности в световом
пятне и его диаметра широко применяют расфоку-
сировку излучения. При этом поверхность сва-
риваемых деталей располагают выше или ниже фокаль-
ной плотности объектива, где сфокусированный световой
пучок имеет наименьший диаметр. Применяя расфокуси-
ровку при сварке, следует иметь в виду, что при распо-
ложении поверхности деталей над фокальной плос-
костью, в случае прогиба сварочной ванны, плотность
мощности на ее поверхности увеличивается и испарение
становится более интенсивным. Это может привести к
нежелательным результатам. Поэтому при сварке рас-
фокусировку осуществляют обычно перемещением сва-
риваемых деталей под фокальную плоскость объек-
тива.
Параметр скорости сварки рассматривается
при сварке малых толщин только при шовной сварке.
При импульсном режиме шов образуется путем наложе-
ния сварных точек (с некоторым перекрытием). В зави-
симости от назначения сварного соединения коэффициент
перекрытия может быть в пределах 0,3...0,9. Для вакуум-
ных швов он должен быть не менее 0,5. Скорость шовной
импульсной сварки определяется диаметром сварных
точек б/, коэффициентом их перекрытия k и частотой
следования импульсов [:
= df(l - k).	(3.25)
При заданном коэффициенте перекрытия, от которого
зависит качество шва, например его прочность или гер-
метичность, увеличить скорость сварки можно за счет
увеличения диаметра светового пятна или его вытягива-
ния в направлении шва. Увеличение диаметра ограни-
чивается возможностями применяемого оборудования.
Кроме того, увеличение диаметра светового пятна не
всегда приемлемо по конструктивным соображениям
В этих случаях при сохранении ширины шва скорость
сварки можно повысить за счет вытягивания светового
пятна.
5-860


Поомышленные сварочные установки с твердотельны-
ми лазерами позволяют вести шовную сварку со ско-
ростью до 300 мм/мин при частоте
аа	ПЛ	HankUPMIlIPP
водительности требует увеличения частоты импульсов
следования
и"мп УЛАСО В до 20 Гц. Дальнейшее увеличение произ-
водительности требует увеличения частоты импульсов.
Взаимосвязь параметров режима сварки с критериями
качества. Рассмотренные основные параметры в комплек-
се определенным образом влияют на качество сварного
соединения.
Геометрия сварного шва или размеры ли-
той зоны (глубина и диаметр проплавления), определя-
ющие прочность сварного соединения, зависят прежде
всего от энергии, затраченной на нагрев, времени, в тече-
ние которого этот нагрев осуществляется, и диаметра
пятна излучения на поверхности свариваемых деталей.
Для различных материалов с отличающимися теплофизи-
ческими свойствами при одних и тех же характеристиках
излучения размеры литой зоны будут неодинаковыми.
Однако характер их зависимости от параметров излуче-
ния в общих чертах оказывается подобным.
На рис. 3.11 показаны зависимости глубины h и диа-
метра зоны d проплавления некоторых металлов от энер-
гии излучения лазера на стекле с неодимом при по-
стоянных длительности импульса и диаметре светового
пятна. Как видно из графиков, с увеличением энергии
глубина проплавления и диаметр точки увеличиваются.
Характерно, что увеличение глубины проплавления имеет
два участка: начальный отличается относительно неболь-
шим приращением глубины при увеличении энергии,
Рис. 3.11. Зависимость глубины
(а) и диаметра (б) зоны про-
плавления от энергии излучения:
/ - медь, 2 - никель, 3 - молиб-
ден
Н4

а последующий — более интенсивным. Это связано с тем
что на начальном участке (рис. 3.11, а), где глубина
проплавления не превышает 0,5...0,6 мм, проплавление
обусловлено преимущественно теплопроводностным меха-
низмом. На втором участке увеличение роста глубины
проплавления объясняется наличием интенсивного испа-
рения с поверхности сварочной ванны, в результате
которого начинают действовать факторы, обеспечива-
ющие повышение скорости распространения теплоты
в направлении действия излучения. В этом случае обра-
зуется лунка и качество таких соединений, как правило,
невысоко.
Вследствие неравномерного распределения температу-
ры на поверхности в зоне нагрева, имеющего максимум
на оси луча, диаметр зоны проплавления при малых
значениях энергии излучения оказывается меньше диамет-
ра светового пятна. При увеличении энергии зона про-
плавления расширяется и, как правило, превосходит све-
товое пятно по диаметру на 25...50 % (рис. 3.11, б).
Помимо указанных факторов на размеры литой зоны
оказывает влияние состав свариваемых материалов.
Например, проплавление меди при одном и том же уров-
не энергии более чем в 2 раза меньше, чем никеля.
В таком же примерно соотношении находится и диаметр
сварной точки.
На размеры литой зоны существенное влияние ока-
зывает положение поверхности детали относительно
фокуса излучения. Как следует из зависимостей, пред-
ставленных на рис. 3.12, глубина проплавления имеет
максимум при заглублении фокуса под поверхность на
некоторое расстояние. Форма проплавления также зави-
сит от положения фокуса. С удалением от оптимальной
зоны коэффициент формы шва, т. е. отношение глубины
к ширине, уменьшается, приближаясь к сферической
форме проплавления.
Увеличение площади фокусировки в результате сме-
щения положения детали относительно фокуса можно
оценить по соотношению
S'«Sf(l ± 2A//F),	(3.26)
где S/—площадь фокального пятна; Д/— смещение;
F — фокусное расстояние линзы.
Отсюда можно оценить допустимое увеличение
(уменьшение) плотности потока, не приводящее к сущест-
венному ухудшению сварного соединения.
5**
115

Рис. 3.12. Изменение шири-
ны (/) и глубины (2) про-
плавления в зависимости от
заглубления фокуса (A/J при
проплавлении стальной пла-
стины:
О — уровень поверхности мате-
риала; О' — уровень заглубле-
ния фокуса
Рис. 3.13. Зависимость
усилия разрушения свар-
ного соединения от энер-
гии излучения при раз-
личных длительностях
импульса:
кривая / — th 2 — т2; 3 —
Т3 (Tj<r2<T3)
Критерием качества сварки также является проч-
ность соединения, которая непосредственно свя-
зана с размерами литой зоны. На рис. 3.13 приведены
зависимости усилия разрушения сварного соединения от
энергии в импульсе при различных его длительностях.
При увеличении энергии усилие сначала растет, что свя-
зано с увеличением глубины и диаметра зоны проплав-
ления. При некотором значении энергии плотность мощ-
ности оказывается достаточной для выброса части рас-
плавленного металла из сварочной ванны вследствие
интенсивного испарения. Площадь сечения литой зоны,
а вместе с ней и прочность начинают уменьшаться. При
небольшой длительности импульса относительно малая
площадь сечения литой зоны объясняется, с одной сто-
р ны, отно ительно небольшой глубиной проплавления,
а с др г и преждевременным достижением интенсив-
н и пар ния и выброса расплавленного металла из
сварочной ванны вследствие высокой плотности мощ-
ности.
П и имении длительности импульса увеличивает-
ся часть энергии, теряемая в результате рассеяния тепло-
ты за счет теплопроводности. В связи с этим увеличи-
вается энергия, необходимая для начала плавления
металла, и кривые смещаются вправо. Предельные глу-
бина и диаметр литои зоны с увеличением длительности

также растут. Однако дальнейшее увеличение длитель-
ности импульса может не привести к еще большему
росту размеров литой зоны вследствие увеличения потерь
энергии на теплопроводность	н
Особенности структуры шва и зоны термиче-
ского влияния определяются малыми размерами литой
зоны и кратковременностью воздействия импульса.
Подобные условия создают крайне высокие скорости ох-
лаждения и кристаллизации. В частности скорости ох-
лаждения составляют 105... 10б град/с. Значение скорости
охлаждения вязано с размерами литой зоны и, таким
образом, зависит от режимов сварки. Например’ с уве-
личением объема сварочной ванны на никеле и титане
от 0,1 до 1 мм скорость охлаждения зоны проплавле-
ния снижается почти в 6 раз, а скорость кристаллиза-
ции — в 3 ..4 раза.
При подобных скоростях кристаллизации в литой зоне
наблюдаются мелкодисперсные и дендритные структуры
с развитой междендритной микронеоднородностью.
В большинстве случаев формируются малопластичные
закалочные структуры, характеризующиеся повышенной
твердостью.
Размеры зоны термического влияния при импульсной
лазерной сварке незначительны и в среднем не превы-
шают 100... 150 мкм. В связи с этим свойства материалов,
склонных к собирательной рекристаллизации, охрупчи-
ванию и другим отрицательным явлениям в зоне терми-
ческого влияния, снижаются незначительно.
Структура металла в зоне термического влияния неод-
нородна, что во многом определяет неравномерность рас-
пределения твердости, которая обычно в переплавленном
металле выше, чем в зоне термического влияния.
Дефекты в зоне термического влияния, как правило,
отсутствуют. В отдельных случаях возможно образование
микропор, размеры которых тем больше, чем ближе они
расположены к границе плавления металла.
Зона термического влияния может быть уменьшена за
счет обдува места сварки защитным газом — аргоном
или гелием. Струйная защита способствует локализации
зоны нагрева. Защита шва также положительно сказы-
вается на качестве литой зоны, так как исключает ее
окисление.
Для повышения прочности сварных соединении и уст-
ранения «занижения» шва используют присадочный ма-
териал. За счет присадки возможно изменение химиче-
Н7


Рис. 3.14. Способы введения присадочного материала:
а — подача проволоки; б — использование прокладки; в, г — исполь-
зование накладок
на техноло-
компактном
ского состава швов, что оказывает влияние
гическую прочность шва.
Присадочный материал применяется в
виде (проволока, лента и пр.) и в виде порошков. Су-
ществует несколько схем введения просадочного мате-
риала в зону плавления при импульсной лазерной сварке.
Компактные материалы могут подаваться в зону свар-
ки непосредственно во время действия излучения за счет
специальных механизмов подачн, а также вручную
(рис. 3.14, а). В этом случае необходимо использовать
проволоку диаметром не более диаметра свариваемой
точки. Механизм подачи должен быть синхронизирован
с периодичностью работы лазера, а проволока точно
подаваться под лазерный луч.
Другая схема введения присадочного материала пре-
дусматривает размещение Дополнительной вставки в
стыке между свариваемыми пластинами (рис 3 14 б)
Этот способ удобен при относительно коротких швах и в
тех случаях, когда требуется обеспечение однополости
химического состава по высоте шйя Тп/ однородности
прокладки выбирают исходя из тррблп ^ину и ширину
му составу и геометрии шва’ П„и !"НИ “ Химическ0’
больше толщины свариваемых коомги/ВЫС°Те пРокладк11
занижения шва. Сварка с прокладками можно избежать
Дкамн несколько услож-
И8

няет технологию подготовки и сборки деталей, но исклю-
чает необходимость применения механизмов подачи.
Если необходимо только устранить занижение (без
изменения химического состава), применяют проволоку
или ленту, размещаемую на поверхности свариваемых
пластин (рис. 3.14, в).
Применение порошковых присадок в сравнении
с компактными имеет некоторое преимущество, а именно
повышает эффективность использования теплоты, подво-
димой лазерным источником. Рациональное использова-
ние теплоты способствует увеличению производительнос-
ти процесса, улучшению свойств сварного соединения,
возможности увеличения допуска на величину зазора
между свариваемыми кромками.
Эффект от применения порошковых присадочных ма-
териалов объясняется автономностью и высокой удель-
ной поверхностью частиц. Порошок можно подавать
в любую зону обработки и заполнять им зазоры.
Наиболее рационально введение порошка в зону свар-
ки за счет дополнительных сил, превышающих силы
парогазовой струи при испарении. Для этого используют
гравитационные силы, силы магнитного поля, поток
газов. За счет указанных сил порошок перемещается
с определенной скоростью, при этом не только достигая
поверхности расплава, но и внедряясь в него иа некото-
рую глубину. Наиболее ши-
роко используется подача
порошка струей газа, пре-
имущественно аргона. В ре-
зультате перемешивания
частицы порошка равномер-
но распределяются по всему
объему сварочной ванны и
даже достигают корня шва.
Процесс сварки с порош-
ковой присадкой, подаваемой
струей газа, показан на
рис. 3.15. Частицы порошка
из сопла направляются в
зону лазерного воздействия
и ускоряются струей газа до
некоторой скорости, необхо-
димой для преодоления струи
паров, и переходят в свароч-
ную ванну.
Рис. 3.15. Схема процесса лазер-
ной сварки с подачей присадки
в виде порошка:
/ — лазерный луч; 2 — сопло;
3 — подача смеси газа с порош
ком; 4 — порошок; 5 — сваривае-
мый материал; 6 — сварной шов
119

Помимо указанных существуют методы дополните^,
ного легирования за счет элементов, предварительно
нанесенных на поверхность свариваемых кромок путем
напыления, электроискровым способом, обмазкой и неко-
торыми другими. Эти методы применяются в специаль-
ных случаях и при сварке толщин до 0,1 мм.
Технологические особенности импульсной сварки
различных типов соединений целесообразно
рассматривать применительно к конкретным группам
деталей, изготовление которых осуществляется с приме-
нением лазерной сварки. В общем случае все детали
можно разделить по типам соединений на четыре основ-
ные группы:
1)	сварка проволок между собой;
2)	сварка проволок с массивными деталями,
3)	сварка тонколистовых деталей с массивными,
4)	сварка массивных деталей и деталей из листовых
материалов.
Наиболее широко используется импульсная лазерная
сварка для выполнения соединений проволок разного
диаметра из разных материалов в точном приборострое-
нии, электронике, измерительной технике и радиотехнике.
Особенностью способа является возможность сварки
проводов с изоляцией, так как она сгорает и испаряется
под воздействием излучения еще до начала плавления
металла. Сваривают проволоки толщиной от 0,01 до
1,0 мм.
Наиболее благоприятным является параллельное сое-
динение проволок (рис. 3.16, а). Особенностью сварки
этого типа соединения является образование между со-
иРп^ТЩИМИСЯ цилиндрическими поверхностями ’ кли-
новидного зазора. Такой зязпп
КИ> PUnvunubJ по по азор игРает роль «светоловуш-
под большим углом. отр^стХ?^^10 ПоверхнОСТЬ
тивоположную цилиндрическую поверхность* По"3 мно-
гократном отражении излучение т.рхность- ИРИ мн0
поглощается в ловушке. Эта особенн^ИЧеСКИ ПОЛНОСТЬЮ
раллельных проволок заметно - WT
для сварки энергию, что становится"п?пл1
ным при высоких коэффициентах собенно
обладают металлы на длине волныХоб
жения максимальной прочности -
при сварке параллельных проволок
приблизительно равным двум -
полагая центр пятиа на расстояни
120
ь соединения па-
снижает необходимую
- существеи-
этражения, которыми
' мкм. Для дости-
диаметр светового пятна
Пм_^ Желательно выбирать
CToaJ;^ "ровадоки, рас-
0»5..Д8 диаметра

Рис. 3.16. Типы сварных соединений проволоки:
а — параллельное соединение; б — сварка встык; в —
угловое соединение; г — соединение скрещивающихся
проволок; д — торцовое соединение
проволоки от ее концов. В этом случае возникают на-
иболее благоприятные условия образования общей для
обеих проволок капли. Однако достаточную прочность
можно получить и при диаметрах светового пятна, рав-
ных или меньших диаметра проволоки. В этом случае
соединение будет аналогично сварке встык деталей с за-
кругленными кромками. Для увеличения прочности сое-
диняемые проволоки могут быть сварены в нескольких
точках.
При сварке проволоки встык (рис. 3.16, б) диаметр
светового пятна выбирают примерно равным диаметру
проволоки. Если материал обеих проволок одинаков, то
центр светового пятиа совмещают с плоскостью стыка.
При сварке разнородных металлов центр светового пятна
смещают в сторону проволоки из металла, имеющего
более высокую теплопроводность, температуру плавления
или коэффициент отражения. При нагреве излучением
концы проволок оплавляются. Под действием сил поверх-
ностного натяжения расплавленный металл стягивается
в две капли, которые затем объединяются в одну, обра-
зуя жидкий «мост» между свариваемыми проволоками.
Возможность качественной сварки, несмотря на неплот-
ное прилегание деталей или даже наличие зазора между
ними, обусловливается именно образованием таких ка-
пель, диаметр которых несколько больше диаметра про-
ват ОКИ.	*!
121

Не представляет особых затруднений получение угло-
вых и торцовых соединений проволок (рис. 3.16, в).
В этих случаях между цилиндрической поверхностью
одной из проволок и торцом другой также возникает
клиновидный зазор — «светоловушка», позволяющий по-
высить эффективность использования излучения.
Возможно соединение перекрещивающихся проволок.
При этом излучение целесообразно направлять в область
их контакта (рис. 3.16, г). Если параметры излучения
подобраны так, что при нагреве образуется общая для
обеих деталей сварочная ванна, то появляется возмож-
ность получения сварного соединения двух пересека-
ющихся проволок, оси которых лежат в одной плоскос-
ти. Для этого в процессе сварки с помощью приспособ-
лений необходимо обеспечить некоторое давление прово-
лок друг на друга. Под действием этого давления за вре-
мя существования общей сварочной ванны проволоки
смещаются и их оси оказываются в одной плоскости.
Как вариант сварки перекрещивающихся проволок
используется скрутка проводов. В этом случае для обес-
печения предварительного контакта проволок перед свар-
кой не требуется никаких приспособлений. Две проволоки
скручивают и излучение направляют в образовавшуюся
между цилиндрическими поверхностями «светоловушку».
После сварки проволоку раскручивают. Этот способ удо-
бен при сварке термопар в лабораторных условиях.
При сварке торцов проволок (рис. 3.16, д) диаметр
светового пятна должен быть равен двум диаметрам
проволоки. Зазор между проволоками не должен превы-
шать 0,1 мм.
Технология сварки проволок используется для обес-
печения электрического контакта, а также для крепе-
— В ЭЛектр0НН0И и электРотехнической промышлен-
Второй группой деталей являются
волоки ,
ми деталями
(рис. 3.17, а — в).
„ „ п м	_ соединения про-
диаметром 0.15...1.0 мм с массивны-
толщинои (диаметром) более 0,5 мм
При сварке проволоки с массивной деталью внах-
'ИТЬ плотное под-
_> пятна
диаметру проволоки.
J на прово-
имеют равные или
свойств, либо только
лест (рис. 3.17, а) необходимо обеспеч
жатие свариваемых деталей. Диаметр 'световот
выбирают большим или равным дГ1«тс ового
Излучение следует направлять одновременно
локу и на деталь, если их материалы
близкие значения теплофизических
122

Рис. 3.17 Типы соединений проволоки с массивными деталями:
о — сварка внахлест, б — сварка при размещении проволоки в отверстии;
в — сварка с укладкой проволоки в паз
на проволоку, если ее материал имеет большую темпера-
туру плавления, теплопроводность, коэффициент отра-
жения.
Наиболее надежно и просто выполняются соединения
проволоки с массивной деталью, толщина которой зна-
чительно больше диаметра проволоки, при укладке ее
в отверстия или в пазы (рис. 3.17, б, в). При установке
проволоки в технологическое отверстие диаметр светово-
го пятна выбирают равным или несколько большим
диаметра проволоки. Рекомендуется устанавливать про-
волоку в отверстие таким образом, чтобы ее конец высту-
пал над поверхностью на 0,3...0,5 ее диаметра. При уве-
личении энергии образуется полусферическая шляпка,
которая приваривается к массивной детали, что увеличи-
вает прочность соединения.
При укладке проволоки в паз (рис. 3.17, в) диаметр
светового пятна должен быть приблизительно равен
диаметру проволоки, глубина паза составляет 1,0...
1,5 диаметра проволоки, а ширина равна диаметру про-
волоки. В ряде случаев рекомендуется уменьшать толщи-
ны боковых составляющих массивной детали по отноше-
нию к диаметру проволоки, т. е. больший отвод теплоты
по длине провода компенсируется отводом теплоты от
боковых частей в глубину пластины.
Энергию излучения необходимо уменьшать до величи-
ны, обеспечивающей нагрев участков сварочной ванны
до интервала температур плавления и кипения материа-
ла. При этом уменьшение энергии составляет 30...45%.
123

.... п пазу двух проводов. несмотря
При р.н сложен плавиться несколько раньше
на то. ню они ‘ устс„ обтай расплав по всему
боковых >’*«<"’«• ’ ?	и расплав продукты разру.
сечению пл .с.ины и 	к0 изменяют параметры
шепни изоляции и .аза
еввр.п.аемоео магериалщ^	сствлять намотку прово-
Иногда < ьп>. У* с„ь 11ЛИ пластину с последую-
ЛОКИ на kukv ' м ее лазерной сваркой.
шнм закреплением	'ft рассматриваемой группы
Одной из ра и в	р проволочных провод-
С0СД,,,Т‘T1ZX - иом‘-ия1 (Толщина таких
никоя к тонкой АН	о 001.. 0,1 мм. Материал
покрытий o6u,'H,’10C;uT“"X. ЗОЛОТО И др. Элементы
пленок —медь, х|  -	. епталла н стекла. Про-
схемы нанося ся на под та медн 11ИКСля и других
ваточные проводники	30 д0 80 мкм. Большое
ГЬш пленки и проводника и необходи-
мость сварки со стороны последнего приводят к тому,
что энергия излучения» необходимая для расплавления
Проволоки, значительно превышает пороговую энергию
разрушения пленки. Поэтому попадание излучения непо-
средственно на пленочные элементы схемы недопустимо.
Для исключения повреждения пленки излучением
вследствие неточной его наводки, а также для увеличе-
ния площади контакта проводника с пленкой конец
удовле-
Х1иаки ,'ти»мГ1'\РОПОД,1,,Ка 01М,Ш""ОТ до образования
шарика, диаметр которого pane,, примеоно 2 3 птмет
рам проволоки Оплавление можно nr nL .	4
же 1 ал	можно осуществлять на том
«арки ' °борудовании, которое применяют для
Важным преимуществом лазегшой .
нении проволочных проводников с птен^ РК“ Пр“ сос 1"‘
ми микросхем является возможность‘°",ым" элемента-
роли качества сварных соединен.» Т шХ"Ь"°Г° К°ИТ'
других методах сварки затруднителен к Ко"тРоль при
творительного качества соединения япЛритеР"ем удовле-
полусферическая форма привапенноЛ ”К>ТСП пРавнльиая
отсутствие кратера н повреждения пленк»"113
Третья группа Объединяет типы
при изготовлении которых требуете
кнх элементов татщиной 0 01 о .е
сивным деталям татщиной более’ in
В зависимости ог конструкции де1аг ,U
ра* нчны< типы соединений При сворке п
ЛОС
проволоки.
“Соединении деталей,
л.0?** аРка топ-
мм к м а с-
мм.
и Рекомендуются
кн\ выводов

Рис. 3.18. Типы сварных соединений тонких плоских деталей с
массивными
к проводникам печатных плат могут быть использованы
приемы, показанные на рис. 3.18, а. В первом случае
излучение направляют на свариваемые детали так, чтобы
оно одновременно попадало как на плоский вывод, так
и на проводник печатной платы. Это соединение требует
наименьших затрат энергии излучения, однако не всегда
удовлетворяет требованиям прочности. Поэтому целе-
сообразно применять двух- и трехточечное соединение.
Лучшие результаты получаются при сварке через отвер-
стие, предварительно просверленное в плоском выводе.
Диаметр светового пятна при этом выбирают примерно в
2 раза большим, чем диаметр отверстия. Возможно так-
же соединение деталей со сквозным проплавлением
вывода.
Для изготовления деталей растяжечных и пружинных
элементов рекомендуется осуществлять сборку путем
размещения тонкого элемента в специальных технологи-
ческих проточках, выполненных в массивной детали.
Соединение можно получить по двум схемам. Для
тонколистовых деталей толщиной 0,1...0,15 мм (г/у б на
проточки равна 1...2 толщинам тонколистовой детали)
излучение направлено на тонколистовую и массивную
детали одновременно. Центр светового пятна располага-
ется на кромке технологической проточки. Происходит
расплавление кромки и края тонколистовой детали с
образованием общей сварочной ванны. В зависимости
от требований соединение можно получать одной, двумя
или несколькими точками. Ширина проточки равна шири-
не тонколистовой детали с зазором на сторон) не более
0,1 ...0,15 мм (рис. 3.18, )
125

мм
тонкого эле-
деталей в тех случаях, когда
-----------------------' толщины
свариваемого материала. Такие; соединения ^применяются,
который обычно
При толщине тонколистовой детали 0,01...0,1
(глубина проточки равна 2,0...2,5 толщин
мента) излучение направлено только на массивную де-
таль, центр светового пятна смещен от края проточки на
0,5 диаметра пятна. Происходит расплавление кромок
проточки и затекание расплавленного металла на тонко-
листовую деталь. Соединение происходит за счет сварки-
пайки. Ширина проточки равна ширине детали.
К четвертой группе относятся типы соединений
» -	- — — "W*	п 1 Я t П ГТ	Л _
толстостенных
глубина проплавления существенно меньше
*’Т'* - -----------------— ллл п ТТТ1Л И TJ Л ГТ ГЛ I
I_
когда детали не несут значительных силовых нагрузок.
Типичными примерами могут быть: фиксация деталей
типа вала и втулки по торцу, закрепления зубчатых колес
часовых механизмов на оси, предварительная сборка
и др.
Массивные детали могут соединяться как точками,
так и сплошным швом, полученным за счет перекрытия
отдельных точек от 0,5 до 0,9 диаметра точки.
Существенное влияние на выбор режимов сварки
оказывает тип соединения деталей, который обычно
определяется особенностями конструкции узла.
Оптимальным следует считать стыковое соединение,
при котором обеспечиваются наиболее благоприятные
условия для процессов нагрева,
плавления и кристаллизации ме-
талла. Наиболее важным усло-
вием при сборке стыкового соеди-
нения является соблюдение мини-
мально допустимого зазора и пере-
коса кромок.
Зазор между соединяемыми
деталями в большинстве случаев
недопустим, так как способствует
образованию горячих трещин в
соединении. На рис. 3.19 показана
пхТйнттЬ склонност» стали
‘^18Н10Т к трещинообразова-
нию от зазора. При зазоре Дй.
ностаиТиРНэ°нМрДЛЯ данной житель-
являются пРГИИ излУчения, по-
расхоДящиес7епоНЬ'ео Трещинь1’
AhfMM
Рис. 3 19. Зависимость
склонности металла к тре-
щинообразованию от за-
зора (сталь 12Х18Н10Т):
/ — плотность мощности
Е -= 3- 10ь Вт/см’; 2 — £==
« 5,5- 10s Вт/см’; 3 — Е =
— 8- 10s Вт/см’
126

точки имеют уже сетку трещин. В итоге наступает момент
когда соединение уже не образовывается, хотя кромки
еще оплавляются. С увеличением плотности мощности
излучения и длительности импульса граница трещинооб-
разования сдвигается в сторону больших зазоров но
влияние этих факторов различно; если увеличение дли-
тельности импульса способствует более качественному
формированию соединения, то увеличение плотности
мощности излучения приводит к значительным выбросам
металла, а также к образованию трещин. Рекомендуется
не превышать зазор более 0,15 толщины материала, а
перекос кромок не должен превышать 0,25 толщины ма-
териала.
Разделка кромок, фаски и радиусы отрицательно
влияют на качество сварки, способствуя образованию
горячих грещин. Таким образом, подготовка под сварку
должна осуществляться тщательно, с обработкой кромок
на металлорежущих станках.
Угловой тип соединения при лазерной сварке является
наиболее неблагоприятным. Фокусирование в этом случае
осуществляется непосредственно в место стыка, для кото-
рого характерна резкая неравномерность нагрева, обу-
словленная как распределением мощности излучения по
пятну нагрева, так и формой соединения в стыке. Пло-
щадь расплавления стыкуемых деталей или наличии
зазора может уменьшиться в 2...3 раза. Следовательно,
доля металла каждой детали в образовании сварочной
ванны будет различной.
При сварке кольцевых швов появляются соответствен-
но радиальные или поперечные напряжения, которые
увеличивают склонность металла к образованию горячих
трещин. Для этих соединений характерны продольные
трещины вдоль оси шва.
Для равномерного нагрева, плавления и кристаллиза-
ции рекомендуется в конструкцию соединения вводить
отбортовку на одной или двух сопрягаемых деталях
(рис. 3.20). Сварка с отбортовкой требует снижения
энергии излучения в импульсе на 10...15% вследствие
ограничения распространения теплоты в металле с от
бортовкой.
Сварная точка формируется за счет расплавления
отбортовки, и соединение в сечении имеет вид переходной
поверхности от одной детали к другой, чем снижается
концентрация напряжений в стыке. *
Объем ванны металла, образовавшейся с1 р
127


Рис. 3.20. Типы сварных соеди-
нений с отбортовкой кромок
Рис. 3.21. Зависимость
глубины проплавления
при использовании твер-
дотельного АИГ-лазера
мощностью 400 Вт от ско-
рости сварки.
/ — непрерывный режим,
2 — импульсный режим
(частота 200 Гц)
плавления отбортовки, достаточен для заполнения зазора
до 0,2 мм при толщине соединяемых деталей 0,5 мм
каждая.
Получение качественного соединения при лазерной
сварке с отбортовкой позволяет использовать ее для
герметизации приборов и корпусов интегральных схем.
Шовную сварку с теплопроводностным механизмом
можно выполнять с использованием лазеров непрерыв-
ного излучения мощностью до 1,0 кВт как газовых, так
и твердотельных. Технология сварки в данном случае
существенно не отличается от описанной выше. Сопостав-
ляя проплавляющую способность непрерывных СО2-лазе-
ров и АИГ с неодимом, получили следую111ие результаты
Мощности, необходимые для достижения заданной скоро-
сти сварки при фиксированной толщине материала
оказываются примерно одинаковыми для лазеров на
АИГ с неодимом и СО2-лазеров с сопоставляемыми уров-
нями выходной мощности. Таким образом различие
коэффициентов отражения соответственно при X = 1 06
и 10,6 мкм для стали оказываются не столь существен-
ными Это означает, что в обоих случаях энергия излуче
ния поглощается достаточно хорошо. Однако для мате-
риалов с высокой тепловой проводимостью наппимеп
для меди и алюминия, различие коэффициент’	ер
128

ния более существенно и для сварки таких материатов
будет более удобен лазер на АИГ с неодимом
На графиках (рис. 3.21) показаны зависимости глу-
бины проплавления от скорости сварки для импульсного
и непрерывного режимов твердотельных лазеров с при-
близительно равной средней мощностью на уровне 400 Вт
В диапазоне малых скоростей импульсный режим более
эффективен.
Сварка с помощью непрерывных твердотельных и
газовых лазеров с уровнем мощности порядка сотен ватт
успешно осуществляется в разнообразных областях, в
таких, как: герметизация корпусов реле с термочувстви-
тельными элементами, приварка наконечников к лопа-
стям газовых турбин, создание контурных швов на тур-
бинных лопатках из инконеля, приварка наконечников
к топливным элементам и др.
§ 3.4. ЛАЗЕРНАЯ СВАРКА МЕТАЛЛОВ
С ГЛУБОКИМ ПРОПЛАВЛЕНИЕМ
Сварка лучом мощного лазера с глубоким проплав-
лением принципиально отличается от сварки малых
толщин специфическим формированием сварного шва за
счет наличия парогазового канала, что сказывается на
особенностях технологии этого способа.
Основными параметрами режимов лазерной сварки
с глубоким проплавлением являются: мощность лазерно-
го излучения; скорость сварки; параметры фокусирующей
системы.
Вспомогательные параметры характеризуют: защиту
шва от окисления, качество подготовки и сборки под
сварку, повышение эффективности проплавления и др.
Мощность излучения (Р, Вт) — это тепло-
вой параметр, определяющий воздействие непрерывного
лазерного излучения на материал в процессе сварки.
В технологии лазерной сварки под мощностью, понимает-
ся излучение, замеренное до фокусирующей системы.
Сопоставление значении мощности и задание этого
параметра полностью правомерно только при известной
идентичности параметров излучения, таких, как модовый
состав, поляризация, угловая расходимость, т. е. с пере-
ходом от одной модели лазера к другой оптимальное
значение мощности, необходимое для получения требуе-
мого сварного соединения, может существенно изменять
ся. Мощность излучения в первую очередь влияет на
129

проплавляющую способность и характер формирования
^Скорость сварки (о, м/ч) определяет путь,
ппойденный источником нагрева относительно поверх-
кости материала за единицу времени. При одном и том
же значении мощности скорость сварки характеризуется
диапазоном, в котором минимальное значение ограничено
отсутствием кинжального проплавления, а максималь-
ное — тем, что металл кристаллизуется, не успев обеспе-
чить качественного сплавления, а также появлением
дефектов в виде подрезов, пор, непроваров.
Скорость сварки влияет на распространение теплоты
в сварном соединении. Из теории тепловых процессов
известно, что с увеличением скорости сварки области
вокруг источника нагрева, имеющие определенную темпе-
ратуру, уменьшаются по площади, а соответствующие
изотермы сужаются в направлении, перпендикулярном
оси шва, и сгущаются перед источником. От этого пара-
метра в значительной степени зависит геометрия про-
плавления, структура шва и околошовной зоны, свойства
и химический состав сварных соединений.
оказывающие влияние на качество сварных соединении,
характеризуются: диаметром сфокусированного пятна;
фокусным расстоянием линзы или объектива; углом схо-
димости луча; конструкцией фокусирующей системы.
Наиболее оптимальным диапазоном диаметров сфоку-
сированного пятна являются значения от 0,5 до 1,0 мм.
Это объясняется тем, что при диаметре пятна менее
0,5 мм плотность мощности слишком высока, металл
интенсивно перегревается и шов формируется с наличием
большого количества внутренних и внешних дефектов.
При диаметре пятна более 1,0 мм снижается эффектив-
ность лазерного луча, как концентрированного источника
для сварки
Фокусные расстояния линз, используемые для практи-
ческих целей, выбираются в диапазоне 100 250 мм
Нижний предел выбирается таким образом, чтобы можно
было исключить интенсивное забрызгивая
ние линзы. Верхний предел ограничен
аберраций и снижением эффективности
Использование г-------
позволяет увеличивать
и более (см. § 3.2).
Угол сходимости луча характеризуется фокусирующей
130
ие или запыле-
возникновением
проплавления
металлических объективов Кассегрена
чивать фокусные расстояния ’до 500 мм

системой и на практике применяется в пределах от Ч
до 50°.
Кроме параметров, непосредственно задаваемых в
технологическом процессе, существуют производные па-
раметры, характеризующие взаимодействие основных
К таким параметрам относятся погонная энергия и плот
ность мощности.
Погонной энергией называется энергия излучения
расходуемая на расплавление элементарного объема
металла единицы длины шва. Она вычисляется по фор-
муле
Q = P/vCB.	(3.27)
Использование понятия погонной энергии не всегда
справедливо для концентрированных источников энергии,
так как при постоянной погонной энергии можно полу-
чить различное проплавление за счет различной плотно-
сти мощности.
Под плотностью мощности понимается отношение
мощности излучения к площади пятна нагрева, которая
определяется по формуле
4Р
nd*
(3.28)
Рассмотренные параметры используются в технологии
наряду с основными.
Влияние основных параметров сварки на критерии
качества. Для оптимизации параметров сварки в конкрет-
ных условиях необходимо иметь представление об общих
закономерностях их влияния на критерии качества сое-
динения.
Геометрия проплавления, т. е. глубина и
ширина шва, в значительной степени зависит от всех
основных параметров лазерной сварки. Оптимальной для
метода сварки с глубоким проплавлением является
«кинжальная» форма поперечного сечения шва с коэф-
фициентом формы шва, значительно большим 1,0.
В продольном сечении сварочная ванна имеет весьма
специфичную форму, отличную, например, от дуговой
сварки. Работы В. С. Гаврилюка и М. Е. Щеглова пока-
зали, что при лазерной сварке с глубоким проплавлением
поверхность фронта кристаллизации характеризуется
наличием выступа твердой фазы, который делит ванну
на две резко отличные части: нижнюю, сильно заглуб-
131

Pik 3.22. Очертания про-
дольного сечения сварочной
ванны
ленную и узкхю в поперечном
сечении. и верхнюю — более
широкую II вытянутую ВДОЛЬ
шва (рис. 3 22).
Сталь своеобразная форма
сварочной ванны позволяет сде~
лать вывод о том, что при ла>
зерной сварке имеют место два
одновременно протекающих, но
принципиально различных прсь
цесса плавления металла. Первый процесс связан с эф.
фектом глубокого проплавления, когда вследствие высокой
плотности мощности излучения происходит нагрев метал-
ла ю температхры испарения с образованием парогазово-
го канала и. следовательно, с локальным заглублением
сварочной ванны. Второй процесс представляет собой
поверхностное плавление за счет теплопроводностных
свойств металла, т. е процесс протекает так же. как и при
дуговой сварке. Преимущественное развитие того или
иного процесса будет определяться в первую очередь
режимами сварки.
Изменение значений мощности излучения в ббльшхю
сторон) повышает эффективность действия луча и увели-
чивает глубинх проплавления (й) и ширину (6) шва
(рис 3 23. а). При средних уровнях мощности и больших
скоростях сварки (около 100 м ч) глубина проплавления
увеличивается пропорционально мощности излучения.
В случае снижения скорости сварки или существенного
увеличения^ мощности эта зависимость отличается от
прямолинейной и может быть оценена по выражению
h аР° ”,
(329)
где а — коэффициент пропорциональности.
Ширина шва имеет примерно такхю
ность,
ниже.
-	же ззкономер-
. что и глубина, однако темп ее роста значительно
Скорость сварки не имеет прямо пропорциональной
завнснмостм от параметров проплавления, что видно на
Р"с 3 23.6. При скоростях лазерной сварки в диапазоне
10 30 ы ч глубина проплавления резко падает с хветн-
чением скорости, ширина шва также уменьшается
В диапазоне скоростей 50 .100 м/ч интенсивность умень-
шения глубины проплавления снижается *	*
более 100 ..150 м/ч ««=
шва также
шения глубины проплавления снижается д
более 100 150 м/ч она становится минима*

Рис. 3 23. Характер зависимостей гл>бины проплавления
(/) н ширины шва (2) от мощности излучения Р (а) и
скорости сварки сгж (б)
Ширина шва также уменьшается с увеличением ско-
рости сварки. Необходимо отметить, что в первом диапа-
зоне скоростей (10...30 м/ч) ширина шва существенно
превышает диаметр парогазового канала. В этом случае
значительная часть мощности луча расходуется на разо-
грев и плавление металла в результате отвода теплоты
от стенок канала. При увеличении скорости сварки шири-
на шва все более приближается к диаметру канала к
потери на теплопроводность снижаются. Поэтому выпол-
нять лазерную сварку с высокой скоростью экономичнее
и технологически более выгодно.
Диаметр сфокусированного луча оказывает непосред-
ственное влияние на плотность мощности и соответствен-
но на геометрию проплавления. Оптимальным является
диаметр луча, обеспечивающий «кинжальное» проплав-
ление с коэффициентом формы шва более 1,0. Под коэф-
фициентом формы шва понимается отношение глубины
проплавления к ширине шва. Отклонение от оптимально-
го значения приводит к увеличению ширины шва и сни-
жению глубины проплавления. Режим проплавления пе-
реходит в теплопроводностный, и эффективность процес-
са падает.
Однако геометрические размеры проплавления зави-
сят не только от диаметра сфокусированного л\ча, но и
от его положения относительно поверхности свариваемых
деталей. Сфокусированным луч может быть заглублен
под поверхность материала или располагаться над ним
Оптимальная величина этого смещения, обеспечивающая
максимальную глубину проплавления, зависит от матери-
ала, толщины свариваемых деталей и режим в сварки
133

Д1,ММ
Рис. 3 24 Зависимость глубины проплавления от положения
фокальной плоскости относительно поверхности материала
(а) и от относительного положения различных оптических
фокусирующих систем (б):
/ _ угол сходимости сфокусированного лазерного излучения
р =10°; 2 — р = 30°; 3 — 0 = 50°
На рис. 3.24, а представлена зависимость глубины
проплавления от положения сфокусированного луча.
В большинстве случаев наилучшие результаты достига-
ются при заглублении фокуса под поверхностью мате-
риала (на рис. 3.24, а отрицательные значения Д/ соот-
ветствуют заглублению). Заглубление колеблется от
0,5 до 2,0 мм. В случае смещения от этого значения глу-
бина проплавления падает, ухудшается качество форми-
рования шва.
Для технологии сварки чувствительность глубины
проплавления к отклонениям положения сфокусированно-
го луча от оптимальной величины является весьма важ-
ной, так как это может привести к дефектам в виде не-
провара Отклонения могут быть вызваны неточностью
установки оптических систем, неровностью поверхности
свариваемых деталей или биением детали при вращении
Оптические системы с разными углами сходимости
имеют различную чувствительность к отклонению от
оптимального значения сфокусированного луча На
рис 3.24,б показаны зависимости глубины проплавления
от этих параметров. Установлено, что наиболее невоспри-
имчивыми к отклонениям являются оптические системы
с малым углом сходимости. На практике v™ „„ системы
путем использования оптических систем 0 Аостигается
с увеличенным
134

фокусным расстоянием или в слу-
чае применения лазеров с малой
аппертурой излучения.
На эффективность сварки ока-
зывает влияние конструкция фо-
кусирующей системы. Работы
В. А. Фромма показали, что при
проплавлении в одинаковых усло-
виях с использованием внеосевого
объектива и плосковыпуклой лин-
зы, имеющих равные фокусные
расстояния, большая глубина про-
плавления была получена в случае
фокусировки объективом. Это
объясняется меньшим уровнем
потерь на зеркалах, чем на линзах.
Взаимосвязь рассмотренных
основных параметров относитель-
но глубины проплавления прибли-
женно можно оценить по формуле
Рис. 3.25. Зависимость
нормализованной скоро-
сти от нормализованной
мощности (для стали и
алюминия)
Р । гл 4- а/ися
2лЛ,Г. 1П
(3.30)
1
где 7\—температура кипения; Ат — коэффициент тепло-
проводности материала; а — коэффициент температуро-
проводности.
Кроме этого, взаимосвязь параметров может быть
выражена через нормализованную мощность и скорость
сварки.
Нормализованная мощность
(3 31)
(3 32)
1_Т_
нормализованная скорость
Усо^п
Обработка ряда экспериментальных результатов по
казала, что оптимальные параметры режима свар
координатах «нормализованная мощность — н0£
ванная скорость» образуют линейную зав
(рис 3 25)
Точный расчет основных параметров
пен из-за многочисленности взаимосвязаннь |)
135

Поэтому в большинстве случаев оценку параметров ре-
жимов производят по упрощенным, преимущественно
тепловым моделям. Кроме этого, используют эксперимен-
тально полученные номограммы и справочные данные.
Существуют методики регрессивного анализа результа-
тов экспериментов, которые позволили, например, полу-
чить следующую эмпирическую формулу:
h =
(3.33)
где у и р — постоянные, которые зависят от лазерного
источника, фокусирующей системы, свариваемых мате-
риалов и определяются экспериментально в каждом
конкретном случае.
Высокая концентрация тепловой энергии при лазерной
сварке позволяет осуществлять процесс со скоростью,
значительно превышающей скорость дуговой сварки.
Это, с одной стороны, уменьшает степень теплового
воздействия на околошовную зону, а с другой — значи-
тельно повышает скорость охлаждения металла сварного
соединения. В связи с этим наблюдается значительное
изменение структуры в зоне сварных соединений, выпол-
ненных лучом лазера. Данное обстоятельство оказывает
решающее влияние прежде всего на технологиче-
скую прочность металла при сварке, т. е. на
склонность его к образованию горячих и холодных
трещин.
За критерий склонности к горячим трещинам обычно
принимается критическая, т. е. максимальная, скорость
деформации кристаллизующегося металла шва, при
которой трещина еще не образуется. При увеличении
скорости сварки критическая скорость деформации
цкр несколько снижается при дуговой и повышается при
лазерной сварке. Так как термические циклы лазерной
и аргонодуговой сварки существенно отличаются, то
более корректно сопоставлять критические темпы дефор-
мации металла шва:	Y г
С1кр — Окр/^кр,
(3.34)
где ГкР ~ критическая скорость охлаждения в темпе-
ратурном интервале хрупкости.
Показатель сопротивляемости горячим трещинам
ачр зависит от скорости сварки и падает с ее увеличением
При скорости выше 40 м/ч аргонодуговая сварка затоул-
136

п,
на
скорости
трещин
нена из-за нестабильности процесса, прожогов и т
лазерной же сваркой можно выполнятк	т‘
»’ 40 “> 120 На ”„о"Ьа>',“Т““
сварки сопротивляемость образованию горячих
при лазерной сварке выше, чем при дуговой
Сопротивляемость металлов образованию холодину
третин оценивается по методике ЛТП-2-5. Сваренные
образцы подвергаются длительному воздействию равно
мерно распределенной нагрузки. За показатель сопротив-
ляемости образованию холодных трещин принимается
максимальное напряжение в образце от внешней нагруз-
ки, действие которого вызывает образование трещины
в течение времени испытаний. Установлено, что примене-
ние высококонцентрированного источника лазерного
излучения при сварке целого ряда легированных сталей
снижает склонность к образованию холодных трещин
по сравнению с аргонодуговой сваркой. Положительное
влияние лазерной сварки в основном связано с созданием
благоприятной структуры металла шва и околошовной
зоны.
Таким образом, применение лазерной сварки в диапа-
зоне скоростей от 80 до 120 м/ч в сравнении с традици-
онными дуговыми способами позволяет повысить техно-
логическую прочность соединения.
Скорость лазерной сварки и величина погонной энер-
гии оказывает существенное влияние на деформации и
напряжения, возникающие вследствие упругопластиче-
ского деформирования участков шва и околошовной
зоны при неравномерном распределении температуры
на стадиях нагрева и охлаждения в процессе сварки.
Большие градиенты температур, появляющиеся при
лазерной сварке с высокой концентрацией энергии, при-
водят к существенным изменениям по сравнению со свар-
кой плавлением.
Как было отмечено в §1.4, показатели основ”\
видов деформаций сварных соединений при
сварке существенно (в 3...10 раз) ниже, чем при
Ционных способах дуговой сварки. Максимальны
ния остаточных растягивающих напряжении в г„япке
близительно одинаковы при лазерной и ла3епной
Но за счет концентрированного нагрева пр еских
сварке обеспечивается малая ширина зоны
Деформаций.	л рм.’Ммяюших
Вследствие этого максимальные знамени
напряжений в околошовной зоне оказы
137

70% ниже, чем при дуговой сварке, и не приводят к труд,
неустранимым деформациям потери устойчивости листо-
вых элементов. При дуговой сварке возникает искажение
формы и размеров листовых элементов вследствие потери
устойчивости, что приводит к непроизводительным затра-
там на устранение этих деформации.
Влияние различных режимов сварки на свойства
сварного соединения в большой степени зависит от рода
свариваемого материала и от его химического состава (эти
вопросы будут подробно рассмотрены в следующей гла-
ве) Однако установлены некоторые закономерности,
которые справедливы практически для всех свариваемых
материалов.
Предел прочности сварных соединений, полученных
лазерным лучом для нетермоупрочненных материалов,
составляет 96...100% от прочности основного материала.
При сварке термоупрочненных материалов разрушение
во всех случаях происходит по зоне разупрочнения.
Влияние изменения скорости сварки на предел прочности
незначительно, однако установлено, что с увеличением
скорости от 30 до 200 м/ч разброс значений предела
прочности при испытаниях снижается.
Ударная вязкость сварных соединений многих мате-
риалов, полученных лазерным лучом на скоростях более
80 м/ч, выше, чем аналогичные значения для дуговых
соединений, полученных на скоростях до 40 м/ч, и во
многих случаях выше, чем ударная вязкость основного
металла.
Одним из факторов, повышающих ударную вязкость
металла шва при лазерной сварке, является значительное
измельчение вторичной структуры металла шва и около-
шовной зоны в процессе кристаллизации, сопровождае-
мое некоторым повышением их микротвердости Второе
важное условие повышения ударной вязкости — метал-
лургическая очистка и дегазация переплавленного метал-
ла Последнее имеет место при лазерной сварке вследст-
вие существенной разницы в интенсивности поглощения
инфракрасного излучения металлами и неметаллами
Высокое значение коэффициента поглощения на длине
волны излучения СО2-лазера (10,6 мкм) котооым обла-
дают неметаллические примеси и загрязнения₽приводит
к их преимущественному испарению и удалению из зоны
сварки. Этим обеспечивается очисткя поп Ю из 30
металла и вследствие этого улучшение ^плавленного
шв	7 *мшение свойств металла
138

Влияние вспомогательных параметров свапии
критерии качества сварного соединения. Помимо па?
смотренных основных параметров на показатели качества
существенное влияние оказывают некоторые вспомог/
тельные параметры. В первую очередь это относится «
с р е д с т вдм^з а щиты , металла шва от окисления
J от
защита.
ненне имеет газовая защита. При этом методе, так же
средствам защиты i
Принципиально возможны три метода защиты шва
окисления: газовая, флюсовая и газофлюсовая - -
Наибольшее распространение и практическое приме’
ненне имеет газовая защита. При этом методе, так же
как и в случае дуговой сварки, защитный газ через сопло
подается в зону взаимодействия источника энергии с
материалом. Специфика лазерной сварки обусловливает
применение специальных сопл и составов защитных
газов, обеспечивающих как надежную защиту, так и эф-
фективное проплавление.
Рассмотренные в §2.4 физические процессы, проте-
кающие при лазерной сварке с глубоким проплавлением,
определяют следующие требования к защитным соплам
н системе подачи газа:
1)	элементы конструкции сопла должны обеспечивать
сдув потока паров и брызг, образующихся при сварке,
в сторону от оси действия луча или существенно умень-
шить размеры этого потока;
2)	конструкция сопла должна обеспечивать оттесне-
ние воздуха от зоны сварки струей защитного газа;
3)	защитный газ должен предотвращать окисление
металла и не способствовать образованию внутренних де-
фектов в виде пор, раковин, газовых включений и пр.;
4)	газ, подаваемый в зону обработки, должен способ-
ствовать снижению экранирующего действия плазменно-
го факела.
На рис. 3.26, а—г показаны некоторые конструкции
сопл. Наиболее простой и в то же время эффективной
конструкцией является медная трубка, один конец кото
рой срезан под углом 30...40°, а по образующей на по-
верхности среза просверлено отверстие для прохождения
лУча (рис. 3.26, а). Помимо этого, может быть использо-
. - ,г..с. 3.26, а). Помимо этого, может быть "спо^зо-
вано сопло, подобное соплу для дуговой сварки с ко
3 26, б). Диаметр выходного
составляют 2.0...3.5 мм. При свар-
_____,,,U11O1V ,„„1V ___ таких, например, как
используют дополнительные хвостовики с само
1 газа (оис 3.26,8 . В случае сварки
мощности применяют дополни-
139
альной подачей газа (рис
отверстия среза сопла
Ке высокоактивных материалов,
титан, ।
стоятсльной подачей i
на повышенных уровнях

Рис. 3.2b. схемы конструкции защитных сопл
тельные устройства для сдува потока газов и брызг
(рис. 3.26, г).
При выполнении соединений со сквозным проплав-
лением во многих, случаях требуется защита корня шва.
Организация этой защиты выполняется аналогично за-
щите при дуговой сварке, т. е. со стороны корня шва
имеется подкладка, отступающая от поверхности мате-
риала на 2...3 мм, с множеством отверстий диаметром
до 1,0 мм, через которые защитный газ подается в зону
сварки.	J
Функцию защиты сварного шва от окисления могут
выполнять те же газы, что используются для дуговой
сварки. Однако вследствие разницы в физических свойст-
вах разные газы оказывают разное влияние на снижение
экранирующего действия факела, а следовательно и на
эффективность проплавления.
Как уже ранее отмечалось, газы, имеющие более
высокий потенциал ионизации и теплопроводность обес-
печивают наивысшую эффективность проплавления
Наилучшие результаты дает защита швя гОпЛаВЛе/^ ’
табл. 3.2). Достаточно эффективно могут быть'Тспмь-
зоваиы азот и углекислый газ. Добавки аргона в гелий
приводят к некоторому уменьшению глубины проплав-
ления. однако это снижает расход гелия, относительно
дорогого газа, а также увеличивает плотность подавае-
140

Т абл и на 3 2
ый газ
Тепло-
емкость С.
Потенциал
ионизации
U,. В
Плот-
ность Q,
кг/м3
Г лубина
проплав-
ления h,
мч
Эффектив-
ный КПД
проплав-
ления Т]н
Аргон
Азот
Углекисл ыи
газ
Гелий
0,53
1,04
0,88
13.2
24.5
1.78
1.0
0.4
0.5
1,98
0,178
0,95
6.0
0.6
0.65
0.63
Примечание.
Режим сварки —Р = 4,5 кВт, UCB = 100 м/ч.
мой смеси, что благоприятно влияет на эффективность
оттеснения воздуха от поверхности сварочной ванны
некоторых защитных газов:
50% Не+50% Аг - (46...
)) 10“5 м3/с.
---------, возможна защита шва флю-
экспериментами показана принци-
uvio применения стандартных флюсов
• Однако специальных работ по этому
ромышленному применению не
рименение флюсов в виде
---<эяп1И-
R мелях экономии расхода дорогостоящих газов исполь-
различные аарианты смесей иа газ», прсдеза.лен-
"“Урологии „аазмопоаарла^не газы це«е“Х
„ подавать на поверхность «арочной ва мы. м« 1 “
ты же норн» шва могут быть »п»льзоаа.“ су.
вне газы, такие, как аргон.	й выбор расхода
шественной степени влияет пра	будет обеспе-
газа. При недостаточном расходе	еУг0 приВодит
чено качество зашиты, а излишни Р	0СН0Вании
к неоправданным экономическим по^р^^^ следующие
экспериментальных данных б
диапазоны расхода для
Не— (53...60) 10'5 м3/с;
53) 10~5 м3/с; Аг — (13...2С
Помимо газовой защиты
сами. Отдельными
пиальная возможность п
для сварки сталей
вопросу и сведений по п
имеется. В общем случае пр....w”'Tb технологию за ши
обмазок может существенно упрост
ты шва от окисления.	плавлением преду-
Практически все методы свар
сматривают возможность
но ГО |
проплавлением также используется
использования присадоч-
материала. При лазерной сварке с глубоким
[ этот технологический
141

ие
прием Применение присадки дает возможность снизить
потери легирующих элементов за счет испарения и ис-
ключить такие характерные дефекты, как неравномер>
ность проплавления, поры в корне шва, трещины, снизить
требования по сборке деталей под сварку и регулировать
химический состав шва.
Технология лазерной сварки с присадкой практически
не отличается от технологий других методов сварки
плавлением. Особенностью ее является использование
проволоки диаметром не более 1,0 мм и обеспечение
более точной подачи ее под луч с помощью специальных
механизмов подачи.
Применение присадки дает возможность сваривать
большие толщины с использованием невысоких уровней
энергии излучения лазера. Это осуществляется за счет
сварки в узкую разделку с подачей присадочной прово-
локи. Заполняя разделку присадкой, получают узкие швы
на достаточно большой глубине. В этом случае луч фоку-
сируют на дно разделки, а затем фокусировку больше
не меняют. Подобные соединения отличаются малой
зоной термического влияния и незначительными дефор-
мациями.
^Наиболее распространенными дефектам
ной сварке с глубоким проплавлением
мерность проплавления корня ц
по высоте проплава. Физическая
рассматривалась в §2.4.
Для устранения этих дефектов,
преждения их появления используются технологические
приемы. Пикообразование в .«•«« — -------------
проплавлении существенно сппл
скорости сварки более 70...80 м/
их с изменением скорости сварк
чивается от 5 до 70 Гц.
Положительное влияние *
»Ж rt • 	- —-
-----------------------паклен
к поверхности материала. Исследов
установлено, что отклонение g. в
направлению движения луча дает
ты для получения качественных г
При сварке со сквозным проявлен
мерность проплава может быть
и при лазер-
являются неравно-
шва и наличие полостей
-I сущность этих явлений
а также для преду-
в корне шва при несквозном
снижается при увеличении
4 /ч. В частности, частота
чивается от 5 до 70 Гц."	°Т 20 Д0 80 м/ч увеЛИ'
нияП°Лпористостиеоказыв11тНа устранение пикообразова-
„------и называет наклон луча по отношению
заниями В А. ДопотЫ
от вертикали на 15...17° по
оптимальные результа-
те ди нений.
лием неравно-
корня шва на остающиесяустРанена путем вывода
Одним из наиболее важных н1п1?ЛЯеМЫе подкладки-
лазерной сварки является повышений ^фф^итТb°h'o-
142

сТИ процесса. Это связано, в первую очередь с
экономической целесообразностью применения лазеров
имеющих меньшую мощность излучения, поэтому исполь-
зуют различные технологические приемы, обеспечиваю-
щие увеличение проплавления не за счет наращивания
мощности излучения, а за счет использования физиче-
ских явлений, интенсифицирующих эффективность воз-
действия лазерного излучения на материал.
Эффективность проплавления резко повышается, как
уже отмечалось, при использовании импульсно-периоди-
ческих режимов сварки. При частоте следования импуль-
сов в диапазоне 400...1000 Гц и при длительности импуль-
са 20...50 мс глубина проплавления (по сравнению с
непрерывным режимом) может быть увеличена в 3...4 ра-
за. Это значит, что лазером мощностью в 1,0 кВт при
импульсно-периодическом режиме можно получить такое
же проплавление, как и лазером в 3...4 кВт при непре-
рывном излучении при сохранении всех преимуществ
лазерной сварки (за исключением производительности).
КПД проплавления показывает, что при импульсных
режимах он в 2...3 раза выше, чем при непрерывном
излучении. В то же время импульсно-периодические
лазеры отличает простота конструкции, невысокая стои-
мость и меньшие затраты по эксплуатации. Однако сле-
дует учитывать, что ряд технологических особенностей,
таких, как точность наведения на стык, качество подго-
товки кромок и малые скорости сварки, ограничивает
в ряде случаев область применения этого метода.
Эффективность проплавления при непрерывном излу-
чении может быть повышена за счет осцилляции поло-
жения сфокусированного луча. Действие этого метода
основано на том, что при увеличении скорости переме-
щения фронта плавления и испарения на передней стенке
канала проплавления глубина проникновения излучения
в материал увеличивается. Повысить скорость перемеще-
ния фронта плавления можно за счет увеличения плот-
ности мощности на его поверхности. Однако в условиях
фиксированной фокусировки с углублением канала
плотность мощности снижается по его высоте, ограничи-
вая тем самым пределы скорости перемещения фронта
плавления и испарения. Создание условии, при которых
плотность мощности оставалась бы постоянной по глу и
не канала, позволило бы увеличить скорость движения
фронта, а соответственно и глубину проплавления. тех-
нически это можно осуществить, осциллируя сфокуси-
143

рованное излучение по высоте канала. Для этой цедц
используют специальные сканаторы фокусирующей систе-
мы (линзы, или объектива); они могут быть как меха-
ническими, так и пьезоэлектрическими. Сканаторы долж-
ны обеспечивать варьирование частоты в диапазоне от
О до 150 Гц и амплитуды от 0 до 5 мм.
На большинстве конструкционных материалов, таких,
как стали, алюминиевые и титановые сплавы, глубина
проплавления при оптимальных режимах сканирования
увеличивается до 45%. Ширина швов также увеличива-
ется примерно на 30%, однако коэффициент формы шва
при этом не снижается, а возрастает на 10... 15%. Поми-
мо этого, сканирование уменьшает колебания глубины
проплавления и улучшает внешнее формирование шва
В табл. 3.3 представлены значения полного КПД
проплавления для различных материалов при стати-
ческой и осциллированной фокусировке. Эти данные
показывают, что осцилляция фокусировки увеличивает
полный тепловой КПД на 69...87%.
Эффективность проплавления может быть увеличена
введением дополнительного потока газа, направленного
непосредственно в зону расплавленного металла. Газ
подается по тонкой трубке под определенным давлением.
Дополнительный поток оказывает влияние на параметры
плазмы, существующей в области взаимодействия луча
с веществом, и на гидродинамические процессы в канале
проплавления.
Отличительной особенностью этого метода является
тот факт, что глубина проплавления не зависит от рода
дополнительного газа (рис. 3.27), т. е. в качестве допоЛ'
нительного газа может использоваться аргон с той же
эффективностью, что и гелий Глубина проплавления,
Материал
I2X18H10T
АМГ6
ПТ-ЗВ
Таблица 3-3
Примечание. Р—3,5 кВт, 100 м/ч, х=80 Гц
144

Рис.
газа
токе
3.27. Влияние расхода
G в дополнительном ло-
на глубину проплавле-
ния Л:
/ _ гелии; 2 — азот; 3 — угле-
кислый газ; 4 — аргон
например, на сталях с исполь-
зованием дополнительной пода-
чи аргона может быть увели-
чена при одинаковых режимах
сварки с 1,0 до 7,0 мм. С увели-
чением расхода дополнительно-
го газа глубина проплавления
возрастает до определенного
значения. Дальнейшее увеличе-
ние расхода приводит к ухудше-
нию формирования шва, в нем
появляются крупные поры, ра-
ковины Еще больший расход
приводит к выдуванию жидкого
металла динамическим напо-
ром, и процесс сварки может
перейти в процесс резки.
Для осуществления допол-
нительной подачи газа разрабо-
таны специальные сопла, содержащие систему подачи
защитного газа и систему подачи дополнительного газа.
Совмещение лазерного нагрева с дополнительным
менее дорогостоящим источником, например электри
ческой дугой, также повышает эффективность проплав-
ления и дает возможность использовать для сварки
лазеры небольшой мощности. При лазерно-дуговой свар-
ке дуга может гореть с любой стороны детали, но наи-
лучшие результаты получаются при воздействии дуги
и лазерного луча с противоположных сторон в одну
точку.
Если дуга достигает пятна, нагреваемого
наблюдается увеличение скорости сварки и глу и
проплавления. Суммарный эффект воздействия лазерно-
дуговой сварки выше, чем сумма эффектов в03^еа
каждого источника независимо друг от друга.
енн° заметно вблизи пороговых условии, при ут
ни дуга, ни лазерное излучение сами по себе «
обеспечить сварку. При мощности дуги. сРаДн,,Х-иС
ощностью поглощенного лазерного излучен! >
ается максимальный эффект и скорость сварю Р
0>кет быть повышена в 3...5 раз.	только
При^ воздействии дуги и лазерного излу пает в
одной стороны электрическая мощность явЛяется
ГеиШень в условиях, когда основанием У элект-
еРированная лазером плазма. Таким обр
145

рическая энергия эффективно подводится к ионизиро-
ванному материалу в проплавленном лазером канале.
Преимущество лазерно-дуговой сварки состоит в том,
что эффективность процесса увеличена за счет относи-
тельно недорогой электрической дуги, а не за счет увели-
чения мощности лазера или использования более чем
одного лазера.
Увеличить глубину проплавления при постоянной
мощности источника возможно также за счет соответ-
ствующей подготовки поверхности и кромок свариваемых
деталей. Исходя из физических представлений о взаимо-
действии лазерного излучения с веществом, установили,
что эффективность воздействия излучения увеличивается
с введением в зону сварки элементов, препятствующих
ионизации и снижающих тем самым экранирующие
действия факела.
Подобный эффект достигается при нанесении на по-
верхность свариваемых деталей перед сваркой специ-
альных покрытий, содержащих либо элементы с низким
потенциалом ионизации (К, Na), либо деионизаторы
(F, CI).
Использование в качестве покрытий, например, таких
составов, как азотнокислый калий (KNO3), плавиковый
шпат (CaF) и флюс ФС-71 (57,3% SiO2
13,6% TiO2, 13.6% Ti.9,1% -
глубину проплавления и коэффициент формы
(табл. 3.4).	к
Как видно из табл. 3.4, наибольший эффект достига-
ется нанесении покрытия в стык свариваемых дета-
лей. Покрытие наносится тонким слоем, поскольку увели-
чение толщины слоя способствует порообразованию.
Таблица 34
/о NaF,
"о Сг2О3), позволяет увеличить
i шва
Покрытие
Спосо6 нан*сення покрытия
на поверхность детали
встык
*«п/*0


kn/k
KNO3
ФС-71
1.0
2,3
2 5
Примечание Материал 08X18HI0T h 1,	'
глубина проплавления с покрытием и без покрытня° ь с^ответствеНН
стпенно коэффициент формы шва с покрытием и без покр*° ~ соотВ
146

RpmecTBO покрытия измельчают, затем на спирте из
опошка готовят суспензию, которую тонким слоем нано-
сят на поверхность свариваемых деталей.
Одним из приемов увеличения проплавления является
предварительная разделка кромок, выполняющая роль
световой ловушки. Эффективность этого приема зависит
от правильно выбранной геометрии разделки. Показате-
лем, характеризующим параметры разделки, служит
соотношение
kp — Sp/CL,
где Sp — площадь
Значение угла
значению угла сходимости луча, а соотношение kp при
оптимальных значениях составляет 0,5...0,7. В этом случае
эффективность проплавления, оцениваемая глубиной
проплавления на 1 кВт подводимой мощности, увеличи-
вается в среднем на 20...25%.
Разнообразие типов изделий, при изготовлении кото-
рых применяется лазерная сварка, создает необходи-
мость осуществления процесса в различных пространст-
венных положениях. Специфика процесса, а именно вы-
сокая скорость, малые размеры сварочной ванны, высо-
ие скорости кристаллизации и ряд других, обеспечивают
словия, при которых пространственное положение сва-
немН^И ванны практически не сказывается как на внеш-
ния Ф°РмиРовании шва, так и на геометрии проплавле-
ВеннВ де,лом- Эта особенность лазерной сварки сущест-
Pouia расшиРияет ее технологические возможности и уп-
разлиСТ	Ряд процессов, связанных со сваркой в
ЧНЫх пространственных положениях.
разделки, а — угол разделки.
разделки а должно быть близким к
§ 3.5. ОСОБЕННОСТИ
ПРОЕКТИРОВАНИЯ ДЕТАЛЕЙ
ДЛЯ ЛАЗЕРНОЙ СВАРКИ
С ГЛУБОКИМ ПРОПЛАВЛЕНИЕМ
ЧиТел^-ТНвность применения лазерной сварки в зна-
Вания и И СТепени зависит от правильности проектиро
Ппп/ДеЛия с Учетом использования данного процесса.
ных на КтиР°вание сварных конструкций, ориентирован
с°блюде°ПреАеленнь,й метод сварки, осуществляется при
I.	^Дующих основных условий.
лей, эгЬгк бХ0Дим° отдавать предпочтение типам Д
Фиктивность изготовления и эксплуатации*
147

характеристики которых повышаются с применением дан-
ного метода сварки.
2.	Тип сварного соединения должен соответствовать
особенностям намеченного метода сварки.
3.	Конструкция соединения должна обеспечивать не-
обходимые для данного метода условия сборки деталей
под сварку.
Основные типы деталей, при сварке которых лазерным
лучом достигается наибольшая эффективность, разде-
ляются на следующие группы.
Корпусные детали. К этой группе относятся раз-
личные конструкции корпусов, при изготовлении которых
необходимым условием является строгое соблюдение ге-
ометрических размеров и обеспечение высокого уровня
механических свойств. В первую очередь это относится к
крупногабаритным конструкциям, где лазерная сварка
может быть конкурентоспособной электронно-лучевой.
Примером таких деталей являются корпуса двигателей
летательных аппаратов, различные баки, емкости, обшив-
ки судов, самолетов, отдельные элементы, выполняющие
функции несущих конструкций.
Наибольшая эффективность достигается при сварке
материалов толщин от 1,5 до 30 мм. Одним из преиму-
ществ при сварке в диапазоне толщин более 5 мм явля-
ется снижение числа проходов до одного и значительное
снижение объема сварочной ванны в сравнении с дуго-
выми методами.
Возможность передачи энергии луча на значительные
расстояния и изменение его направления за счет опти-
ческих систем позволяют проектировать корпуса с раз-
мещением швов в труднодоступных ДЛЯ обычных мето-
дов местах. В ряде случаев это упрощает технологию
изготовления заготовок, обеспечивает экономию металла
^расширяет конструкторские возможности проектам-
Для лазерной сварки наиболее рационально проекти-
рование прямолинейных и кольцевых швов на деталях
крупногабаритных корпусов.	АС
Валы, оси. При сварке валов и -	лй
проблемой является снижение уровня остаточны^дефор-
маций, оказывающих влияние на долговечность работы
детали, особенно в условиях знакопеременных нагрузок.
Из всех существующих методов сварки валов и^осей
лазерная сварка обеспечивает наименьший уровень ос-
таточных деформации. Кроме этого, применение лазерной
148
позволяет повысить стойкость к образованию тре-
с0аркИцто часто является решающим при выборе мате-
ШННг Чала или оси. Расширяются возможности в исполь-
Ри^аии разнородных материалов при изготовлении
ов и осей. Примером эффективного применения ла-
зерной сварки для этой группы деталей является сварка
карданных валов автомобилей, которая позволяет в не-
сколько раз повысить срок службы этих деталей бла-
годаря увеличению точности сборки.
Составные детали механизмов и машин. Большое
количество деталей машин и механизмов, например,
таких, как втулки, кривошипные диски, кулачковые коль-
ца и др., по своим функциональным особенностям могут
быть изготовлены составными, т. е. более нагруженную
рабочую часть изготавливают из высоколегированной
стали, а остальную часть — из дешевой низколегирован-
ной стали. Лазерная сварка позволяет осуществлять
высококачественное соединение составных частей дета-
лей с минимальными деформациями. Помимо этого, уз-
кий шов при лазерной сварке дает возможность по-
лучать соединения с минимальной зоной расплавления,
дета°б“СПеЧИВаеТ ВЫСОКУЮ работоспособность составных
Шестерни. Экономичность изготовления шестерен
П0/СТвенно повышается, если нерабочая, более метал-
Ровам^ часть ее будет изготовлена из дешевых нелеги-
стойкНЫХ СТалей’ а рабочая из дорогостоящих износо-
РещаеХ легиРованных сталей. Эта задача эффективно
НеРабоСЯ'’ пРиваРк°й лазерным лучом рабочей части к
являете6*1 В Этом случае снижаются деформации, по-
без то/ возможн°сть сварки разнородных материалов
ной зонкЩНН‘ °^еспечивается малый размер расплавлен-
Тавлив/ И ДР’’ называющих влияние на качество изго-
ШестепеНМ°И шестерни. Технология лазерной сварки
и за пил пРИменяется как в отечественной практике, так
д РУбежом.
3УЮтся ап7РНЫе Аета^и. При сварке арматуры реали-
ей Рактнчески все основные преимущества лазер
к°льцев °ЛОГНИ: тРУбы, свариваемые продольными и
СВаРКа сй?АШвами’ приварка труб к трубным доскам,
Н СоеДиненЬФ°НОВ и фланцев, вварка фланцев в корпуса
г.	Их с тРУбными элементами и ДР-
^РУгие 05 Рзссмотренных типов деталей возможны
испоЧ ТИ пР,1менения лазерной сварки, где эффс
* ьзуются ее преимущества.
149

т/////л w. z 
' ' “ "Р°"лавное; д - тавровое
ку осУШествРляетсяесТучетомеспепН^Я П°Д лазеРнУю сваР‘
процесса.	У м специфических особенностей
Для широкого диапя-^пи^
мых деталей применимо соели^°ЛЩИН И типов сваривае-
соединение предусматривает Заготовок встык. Это
ностеи деталей с noLenv Ь1Ковку торцовых поверх-
±vu3 28’ а)- C^kobo^coS^ их расплавлением
миЛуг,’1Т'ь узкие и глубокие поопНеНИе Дает возм°жность
нияд на	ме^Хине-
НеВоГЧаарИТЫ ШВЭ КЭК °
угол Р 0716 обРаб°тки должны°Верхность детали "
Качество «рМо,„ „
Пр»	" «Р.«оеУ	’₽'«
аор не.олж.» пре’ыш!"? ??'»’’ X™ "%
«.As
й:’
’ ио быть не бол<?е
150
в, е). Проплавные соединения используются
прн сборке деталей внахлест или в тавр,
Ноо пп.---
Важным фактором является точность обработки кро-
при сварке кольцевых швов. Неперпендикулярность
риваемых кромок относительно оси детали должна
быть на таком уровне, чтобы отклонение луча от стыка
было в пределах 0,2...0,3 мм. Биение по диаметру должно
быть в пределах ±0,5 мм для короткофокусных линз
идо ±2...3 мм — для длиннофокусных. Те же требования
относятся и к прямолинейности сборки стыковых швов
на плоскости.
Специфичным для лазерной сварки является проплав-
ное соединение. Отличительная особенность такого соеди-
нения в том, что оно образуется за счет сквозного про-
плавления на завышенном режиме одной из деталей, на-
ходящейся сверху. Корневая часть проплава внедряется
в поверхность второй детали, которая должна распола-
гаться под первой. За счет переплава границы двух по-
верхностей происходит образование сварного соединения.
Проплавным соединением можно сваривать детали, из-
готовление которых затруднено другими способами, на-
пример вварка герметичных перегородок в трубы и ре-
зервуары, изготовление гофрированных панелей и др.
пп « в' ’ Проплавные соединения используются
рн сборке деталей внахлест или в тавр.
являе3аВИСИМ° От вида сборки к месту соединения предъ-
ваемыТСИ опРеделеннь1е требования. Зазор между свари-
пРевь МИ ПовеРхностями должен быть минимальным и не
ЖатирШаТЬ 0’2 мм* ПР11 сборке необходимо плотное под-
Ке TDVfiBaPHBaeMbIX поверхностей или натяг — при свар-
мзслаУ НЬ,Х Деталей Допускается наличие окалины,
СающиУпЛаги и ДРУГИ* загрязнений на границе соприка-
Свап Я ПовеРхн°стей.
СтоРон пп3 тавР°вЫх соединений осуществляется с двух
СтЫка п И НапРавлении луча преимущественно по линии
^еболь1ца^И значительной толщине металла необходима
(рис. з 2оЯ РазДелка кромок на одной из деталей
Ц]Им Угла’ * Управление луча под некоторым неболь-
Ни,° вдол?1 П° отношению к стыку способствует плавле-
н°г° соел Всего стыка. Это обеспечивает получение проч
3еРной Гр?,Нения’ несмотря на то, что катет шва при ла
д^говой АРке Значительно меньше, чем, например, npi
СфоРмупИп ПЬ1Т применения лазерной сварки поз вол и
СйаРке тех°ВаТЬ Ряд технологических рекомендации
ПРи споИЛИ ИНых типов соединения.
рОгУю пепРКе стсковых швов необходимо с0^л
Рпендикулярность оси луча к поверхнос
151

. о пппекости расположенной перпендикулярно оси
талеи в плоек ’ ?ственнь1Х отклонении луча от этой
ШВа нпВ™ожнь1 несплавления, особенно на толщинах бо-
оси возможнь ие оси луча от оси стыка должно
бшь не?оле?0,1 мм. В корне шва должны быть созданы
Условия для свободного выхода газов и формирования
КОРЕ^ь1поТлИнении незамкнутых прямолинейных швов
еваоку целесообразно начинать с дополнительных под-
кладок плотно состыковываемых со свариваемыми де-
талями После сварки такие подкладки легко удаляются
Точное' наведение луча на стык обеспечивается дополни-
швом предварительно
I, а на-
разметке.
тельными источниками — световым или лазерным. Прак-
тически это осуществляется следующим образом. На
пластине проваривается эталонный шов. После этого до-
полнительный источник выставляется по эталонному шву
и в последующем используется для установки детали
под сварку. В некоторых моделях лазеров предусмотрено
совмещение оптической оси рабочего излучения с излу-
чением маломощного установочного лазера.
В случае сварки проплавными швами требования по
наведению луча несколько снижаются. При сварке тор*
нового соединения проплавным
делают разметку на поверхности верхней детали
ведение луча производят уже по этой
Проектирование соединений с учетом применения им-
пульсно-периодической лазерной сварки имеет некоторые
поеЛ?пгпеСтие особенности- Периодичность работы лазе-
ров этого типа и малые скорости сварки предусматри-
ШВЫ небольшой протяженности (не более 200 мм)
Эффективно применение конструкций деталей v которых
ЧклРючДеОнВия лазШеВрОаВил°и "Г™ "° “₽	-"Тёр^дом^
Наиболее целесообразно6 и^пользова™3^ СМеНЭ
случаях, когда требуется преХц Ь ЭТ0Т МеТ0Д В »
при значительной глубине пооппа° малая ширина Ш
формы шва более 5).	вления (коэффицие
Подготовка кромок и Сбоока П	Л
дическую сварку осуществляются импУльсно-пери '
костью, чем под непрерывную Чяэ большей тщател
более 0,05 ..0,1 мм, а перекос кв0Мп‘?Р Должен бь,1ь "
При установке луча по стыку не ппп Не более М ,i
более чем на 0,05 мм. Эти тпр^УСКЭеТСЯ смешеН1\
снижают номенклатуру деталей свапиВаНИя нескоАьК1
быть осуществлена импульсно\периодаичКе°™Рмь,х и“л°*е-
ЛАЗЕРНАЯ
СВАРКА
РАЗЛИЧНЫХ
КОНСТРУКЦИОННЫХ
МАТЕРИАЛОВ
§ 4.1. СВАРКА СТАЛЕЙ
ппактически всех
Лазерным лучом ВО^°^Н Однако это
существующих типов с а оСНовные пРе“Мрешения по-
только в тех случаях»	значение Р решить
тода имеют принципиальное знами сварки ре
ставленных задач и другими спо
их невозможно.
Наиболее
него источника
1
7
и горячих
прочности
г
(с целью
и 1
н°й	сое;
3. Применение
электр он но г
лей.
перспективные области применения лазер-
I- Сваок нагРева Для сварки сталей следующие.
р а сталей, склонных к образованию холодных
uultu о£ещин (с Делью повышения технологической
2. Св СОеДи»ений).
снижСТаЛеЙ’ напРимеР мартенситно-стареющих
?еличины РазмеР0в зоны термического влияния
J ^ойкост,. PGhah°h сетки для повышения коррозион-
q ^К0Сти соединений).
лазерного луча, как альтернативы
пРи изготовлении крупногабаритных дета-
ап^еталев, к которым предъявляются жесткие
°Пепае ЛазернаяГе°МеТРИИ сварных соединений. В этом
°бп г^Ией, искп сваРка может оказаться окончательной
^°тку ^чающей последующую механическую
^ctq СварКа нРазнородных, трудносвариваемых сталей
Те^ьн Н*Яется Неп£ТОрЬ1Х сталей в закаленном состоянии.
°и ТеРмообр ^ОДимость последующей и предвари-
153

7 Применение лазерной сварки в массовом про
водстве для повышения производительности
высококачественной продукции.
Помимо указанных, могут возникнуть и другие слу-
—Ч в которых лазерная сварка будет незаменимой
Для правильного выбора области применения лазер-
ного луча необходимо рассмотреть особенности
ППО11РГСЯ ППППП гг
чаи, ।
f _ Для правильного выбора ^acnj
процесса, проявляемые
сталей.
Конструкционные
"„ах
^алях „ определи? мД углеР°^™х киП1
сталей. Повышение ег ^"ические свойства
тию сварки и затрудняет пРЖаННЯ
^прочного сварного СОРПи возмо«ности полу^
к нн1ТаЛИ С содеР«анием еНИ” бе3 деФектов.
^^ерОдисть‘м- В
сутствует также г
алки°ЯННЫх нримесей” г-
ально вводимых в нет п
» ™T0»X“e„ccc "P°»3>wc™, mi
u-3s% Si оРоХШпет (по еег* -₽Имесеи в углеродиегш
S'
к п азота
ваемосЙГЛтРОДНСТЬ1е стали
опРеделенный ±Л°ГИЯ «х CBan^J07 Х0Р°шей свари-
Рых являются *°Мплекс требовамыиД0ЛЖна обеспечивать
повным металломВН°ПрОЧн°сть сва^’ Основными из кото-
Для этого мехами*1 0ТсУТствие лржН°Г° соеДинения с ос
лошовной зоны n?eCK,le свойств:?CKTOfi в сварном шве
механических cBos^HbI б*ть не 1 Металла шва и око-
единение должно б^В Осн°вного НИЖнего предела
кое состояние Во СТой1<им поп"3™3' СвдР»ое со-
сварных соединений.’ еСПечивающие
Повышению прочности
вует увеличение скорости СВар,<Ых Сор
154	0Х71аЖдеНия ДННений способст-
’еталла шва npi‘
этого
марках
ва конкретных типах и
низкоуглеродистые
и
основным ле-
конструкционных
I этой группы
усложняет техноло-
' получения рав-
углерода до 0,25% относятся
низкоуглеродистых сталях при-
некоторое количество так называемых
попадающих в металл или специ-
Rb —
низко-
верхнему пределу): 0,8% Мп,
°1» 0,05% О2. К постоянным
некоторое остаточное количест-
т?Льн°сть и ЭКОНОМИ^'
надежности и дол-
14 Н низкоуглеро
не дСН03ные направ-
высокое качество
rwn* пом снижении пластических свойств и ударной
и выпуска неК0Тсти При лазерной сварке с глубоким проплавле-
ВЯЗК°жесткий термический цикл обеспечивает предельно
Исокие скорости охлаждения кристаллизующего метал-
Ва шва (2000...3000 град/с). За счет этого изменяется
первичная и вторичная структура шва. В диапазоне ско-
рей 80...120 м/ч первичная структура стали СтЗсп ден-
дритно-столбчатая с отдельными областями, имеющими
полиэндрическую равноосную структуру. Это связано с
тем, что увеличение температурного градиента на фронте
кристаллизации отстает от увеличения скорости затвер-
девания с повышением скорости лазерной сварки.
Вторичная микроструктура металла шва — игольча-
тый феррит в отличие от феррито-перлитной структуры,
образующейся при дуговых методах сварки. Микротвер-
дость игольчатого феррита составляет 1920...2160 МПа,
В то время как ферритная составляющая в основном
металле имеет микротвердость 1200 МПа. Появление
игольчатого феррита, являющегося результатом проме-
жуточного или бейнитного превращения, вызвано высо-
ки скоростью охлаждения шва при лазерной сварке,
результате воздействия термического цикла сварки
ущественно изменяется структура металла в околошов-
” 30не И В зоне термического влияния. В малоугле-
Ке ПдТЫХ и низколегированных сталях при дуговой свар-
пУска.Я^ЯДТСЯ 30НЫ закалки, неполной закалки и от-
сгрукту °6Щем случае на протяжении этих зон, на их
пребыв И РазмеР зерна оказывает влияние время
НагреваЭНИЯ металла при максимальных температурах
НимальнИЧеСКИН цикл лазерной сварки обеспечивает ми-
гДе мета°е пРебывание участка в состоянии перегрева,
исключар/1 полностью переходит в аустенит, за счет чего
хДНическйСЯ возможность роста зерна и снижение ме-
Ческогп р Х свойств сплава. Общий размер зоны терми-
Чем при ‘1Ияния при лазерной сварке в 3...5 раз меньше,
тает рри РГОнодуговой. Особое значение это ^приобре-
3°На терм^ВаРКе теРмически упрочненных сталей. Малая
^а|°т всп* Ческ°го влияния и жесткий термический цикл
^еРодистп^И°СТЬ пРеДУпРСЖдать разупрочнение мало-
ь	ст^и на участке отпуска.
сварил Ие свойств металла шва и околошовной зо
Начител, jy*^°AeaupoeaHHbix сталей проявляется оле
°бствует ‘ Дуговая сварка горячекатаной стали с
появлению закалочных структур на участк
155

перегрева и нормализации. Механические
сварке этих сталей изменяются больше, ,.Н11 с
швкоуглсродистых сталей. Термическая обработка
колегированных сталей (чаще всего закалка с
повышения их прочности при сохранении высокой
тичности) усложняет технологию сварки. На
рекристаллизации и синеломкости происходит
чненнс стали под действием высокого отпуска с образо-
ванием структур преимущественно троостита или сорбита
отпуска. Это разупрочнение тем больше, чем выше проч-
ность основного металла в результате закалки. В этих
процессах решающее значение имеет скорость охлажде
ння металла шва и в первую очередь погонная энергия
при сварке. Повышение погонной энергии сварки сопро-
вождается снижением твердости и расширением ра-
зу прочие иной зоны.
Указанные трудности устраняются при использовании
лазерной сварки. В первую очередь это связано с высо-
кой скоростью охлаждения и низкой погонной энергией
сварки. В сравнении с дуговой сваркой лазерная имеет
погонную энергию, при соединении толщин металла
о mmj в 3...5 раз меньшую. Поэтому, например, при
лазерной свалке низколегированной стали 17ГС
*' ; 0,34%-Si; 0,16%-Сг;
V) в шве наблюдается мартен-
Ура, а на участке сплавления
влияния — мартенсит. Участок час
л. как и основной металл, имеет
структуру.
- И низколегированные стали
мн сварки плавленн
1
трещин, вызванный
свойства при
чем при сварке
n*’'"*' J НИЗ-
с целью
л плас-
участках
разу про-
сварке 1
1,2% - мп;
0,08% - Ni; 0,094% —
снтно-бейнитная струн-
зоны термического Ьлиян1
тнчной перекресталлнзациг
феррито-перлитную Сгруктх
Все низкоуглеродистые
ХОРОШО Свариваются Всеми cnnrTJT' -
ем. Обычно не возникает затгшп°бШ~
можностью образования xaioa^vсвязаннЫХ С
наличием в шве или около1ип01,7- х	---
тур Применение лазерной свали 30Не закалочных стр\.
ет надежность получаемых соеаинрСУ^еСТВеНН° ПОВЬ1Ш
Механические свойства лазеонЛУ"”*	инй
низкоуглеродистых и низкопегип Х’ сваРных соединен
точно высоки. Например, пои р°Ванных сталей Д°сТ\.
3...6 мм СОглазером непрерывного^- Ст3сп толщине
прочность шва на уровне прочности Нствия достигаете
угол загиба составляет 180% а ОСНОвного металл3,
1,2 МДж/см2. По данным спектральноеДарная вязк°с\’
наблюдается снижение солрп^«НЦя анализа в шва
1,2 МДж/см2. По данным ^..КЛ11
наблюдается снижение содержа
на 0,02%.
156
°сновного металла»
ана.тза в шва4
17ГС при сварке за один проход толщин
На СТаХла получена равнопрочность шва. подобная
15 20 Юности основного металла при достаточно вы-
ракиЙх°ПзРначениях ударной вязкости.
С° Лнетвукционные углеродистые и легирован-
стали. Углеродистые стали подразделяются на
Хнеуглеродистые и высокоуглеродистые.
И К среднеуглеродистым относятся стали, содержащие
О26...0,6% углерода. Среднеуглеродистые стали исполь-
зуют в’ нормализованном состоянии. Для сварных кон-
струкций преимущественно применяют стали 35 и 40.
К высокоуглеродистым относятся стали, содержащие
более 0,6% углерода. Они отличаются плохой свари-
ваемостью и их не применяют для изготовления сварных
конструкций.
В углеродистых сталях с высоким содержанием уг-
лерода повышается чувствительность к перегреву и зака-
ливаемости, что снижает свариваемость. Марганец, крем-
нии, сера, фосфор, кислород, водород и азот попадают
0 металл в процессе производства. Из них марганец
и кремнии являются активными раскислителями. Сера
гоан^еТ низкотемпературную эвтектику Fe —FeS по
nnuu”Ца?1 _зерен’ что приводит к красноломкости и к го-
. в
пластичность стали и повышает
[ и фосфора в сталях
изделий не должно превышать 0,035...
при высоком содержании вызывает об-
ввУтРенних надрывов — флокенов. При ох-
- ниже 200°С водород выделяется из твер-
внутренние напряжения, при-
---------------- Ml АТА < i	V- < к X1 ГД д X- VI
rnfuu?^I _низк°температурную эвтектику Fe
" " • р- - • ~	»  АЪ	Ы V i I WV1 Vl’l 4KW V Д J I II
ФеРРИте'РрТзИк^Мн„ПжР" СгаРКе’ Ф°Сф°Р’ РаСТВОряЯСЬ
сва°рТь?хТЬи.С0ДерЖаНИе СеР“
pSh.,!0"0'^
иг - ---
конст _влению холодных трещин.
легированным с
анные одним
До 500°с ДНазначен ные
РУк^,Ирокое г
Нин дЯХ связано
рованн"аточн°|"1
g	Стали	n DnjhUtnh	V4 П ’
ко?СНовн°м отн’ применяемые для сварных конструкций,
Ц1цуРЫе стали J1C*TCR к пеРЛнтному классу. Однако не-
СУ Центов группы’ содержащие 5...6% легирую-
CHRm олее, относятся к мартенситному клас-
е Механнчес'к 42Х2Г9ММ- 28ХЗСНМВФ и др ). Ви-
не свойства конструкционных легиро-
относятся стали,
или несколькими элементами (2,5...
для работы при температурах
применение легированных сталей в конст-
с их высокой прочностью при со.хране-
пластнчности и вязкости. Среднелеги-

ванных сталей достигаются легированием элементами,
упрочняющими феррит и повышающими прокаливае-
мость стали, и надлежащей термической обработкой
(закалка + отпуск), после которой проявляется положи-
тельное влияние легирующих элементов
Для конструкционных средне- и высокоуглеродистых
и легированных сталей характерной особенностью яв-
ляется образование закалочных структур в шве и зоне
термического влияния, создающих опасность хрупкого
разрушения. Содержание углерода более 0,3% способст-
вует склонности сталей к перегреву и закалке, образова-
нию горячих и холодных трещин в сварном соединении и
пор в металле шва. Для предупреждения этих явлений
необходимы усложняющие технологический процесс опе-
рации подогрева при сварке и термообработке после
сварки или же использование концентрированных ис-
точников иагрева, к которым относится и лазерный луч
Свариваемость рассматриваемых сталей можно опре-
делить как способность их переносить тепловой режим
при том или ином сварочном процессе без образования
в соединении участков металла с пониженными пласти-
ческими свойствами, способствующими возникновению
трещин при сварке конструкций или разрушению свар-
ных соединений в эксплуатации
Наиболее часто при сварке средиеуглеродистых ле-
гированных сталей возникают холодные трещины, свя-
аиные с низкотемпературным превращением аустенита
как3TZZ ^Р^УРУ- Холодные трещины возникают
(260°С и ниже^т темпеРатУР образования мартенсита
(Zbu С и ниже), так и после полного остывания сварно-
го изделия спустя некотопор uua остывания свар-
после сварки (через 24 48 ч) значительное, время
Образование холодных
мя после полного остывания свао/^™ некотоРое вР0
контроля является наиболее нрбпРН°Г° соедииения и ег
ное разрушение изделия связа агОпРИЯТНЬ1м- Замедлен-
стабильного остаточного аустенм° С Фиксированием не-
сита при быстром остывании уЧае В стРУктУРе мартен
нения, нагревающихся при сварке ТКОВ сваРного соедн
точный аустенит с течением времени пШе точкиОста
На образование холодных трещСПадается ПРИ
сматриваемой группы сталей оказывав При СВаРке РаС
щие факторы:	т влияние следу10'
1) структурное состояние металла
ческого влияния;	а и зоны терми-
158

и Г. Б. Кулигина
полученных авто-
характеризуется
сваркой,
„ м„р«а™< - Руление водорода в шве н и
,«< «’“0"”“”°а“«"ивашших сварочных напряжений
первого Рояг\тм1.ямИ структуры сварных соединений яв-
ХаРаЗер действительного аустенитного зерна, рас-
’’Siw химических элементов в шве и зоне терми-
ПР „Тваияния фазовый состав шва и его свойства.
^Размер действительного аустенитного зерна, а также
Форма его поверхности в значительной степени опреде-
ляют свойства сварных соединений. Уменьшение разме-
ра зерна повышает пластичность и увеличивает сопро-
тивляемость сталей образованию холодных трещин.
Применение лазерной сварки дает возможность зна-
чительно уменьшить размер действительного аустенитно-
го зерна. В работах В. С. Гаврилюка
показано, что структура соединений,
матнческой аргонодуговой
большим^ размером зерна, чем при лазерной сварке
ь Характерно, что размер зерна при лазерной сварке
ро^Ьше’ чем ПРИ Дуговой, даже при сопоставляемых ско-
личен* СваРки* Снижение погонной энергии за счет уве-
в п1прИЯ скорости сварки приводит к измельчению зерна
до я 20 мкм ПРИ 40 м/ч
J iM?RM ПР" '50 м/ч, что
Имущество значительное
с°бов сваСрТкВи°	—
НЯ/УГ°ВЬ1МИ.
Наблюдаетс
Йт”РоваЯ
*Ь11ценРИятно
пбраз°вания°ЙК0СТИ пР°т"в
Шии. “Ния холодных тре-
каСть 'металл” не°ДноРод-
rai101434 вслр ШВа’ В03ни-
^ЦиИле бедствие сегое-
°снН 3ат8еРдев>Щ11Х Дементов
м?аВнН°й пр Z'*' Являетс"
космических С В°И сн"жен ИЯ
'Олоп вРотивС °Яств и стой-
ДМЬ,Х трещннбра3ован"й
L !0 \ мм
30
25
го
15
10
----Шо!
----Зою термичес-
кого Змяния
10
70	90 ПО
Рис. 4.1. Зависимость размера
действительного аустенитного
*ерна от скорости и метода
сварки:
1 — непрерывная лазерная сварки,
2 — аатоматическ ая аргонодуго-
вая сварка; 3 — лазерная имлуль
сно периодическая сварка
лазерных спо-
по сравнению
Кроме того,
сильно разо-
мелкозерни-
а« что также
влияет на по-
1Ю

в ре-
металл.
ь
мартенситная струк-
сокая т,вердость°еННО<:ть10 Мартен^ Сварки плавлением.
Увеличением Con и прочНОстВрт*»СИта является его вы-
^Растает скл°и ржаниа Угле™ Рдость возрастает с
МаРтенсит, сХХ°СТЬ м^аллЛаер0Да- Одна|<0 при этом
ране°НИЖеннь1м соппо1ИИ СВыШе 0 25<уПК°Му разРУшению
нию тРещИ[)1 п Р ТИвлением з’арг>1 углеР°Да, облада-
что и °бенностью ляч°Му Он Разрыл ЖДению и распрост-
ри партенситная cTnvPHofi сваРи ТСЯ хрУпко.
ноРти УГ°П 'варке РУ::Ура «2ЛЯется тот факт,
сокой’прочно раз меньше1*11^3 МаРтенситн ДИСПерсна- ЧеМ
а так^о 0СТЬ|° при Такая стп«Л ых игл, в част-
холодных т°ВЬ1Шенн°й стл”Кой ПластичнРа обладает вы-
СущеХстТрещин- СТ°ИК°стью ТпИЛН_0Сти и вязкости,
н”й оказываютНОгеаэВыИЯННе '
*еР?ызВваРьаЛоИхрК^Родг азота
Основной причиной образования химической
породности при сварке является то, что раствор Неод’
примесей в твердой и жидкой фазах различна
образом, поскольку содержание растворенного вещеа<Им
в твердой фазе меньше, чем в основной массе жидкое?’
избыток его накапливается у продвигающегося фронт",’
кристаллизации. В общем случае за счет высокой m
рости кристаллизации диффузия легирующих элементов
подавляется и химическая неоднородность при лазерной
сварке должна быть выше, чем при дуговой. Однако за
счет мелкодисперсности структуры химические элементы
скапливающиеся по границам зерен, более равномерно
распределяются по объему закристаллизовавшегося ме-
талла, снижая тем самым химическую неоднородность,
onипп?УиеНИе структуры с минимальной химической не-
возможнпгСТЬЮ В зонах шва и термического влияния дает
иа рассмяТЬ повышать стойкость сварных соединений
холодных 1£ещинМ°М °aCCe СТЭЛеЙ Пр°™В образования
зультатеЧЛязоп^Я стрУктУра сталей формируется в ре-
ев тепловым воздействием^ис^’ С°СТЗВ определяеГ
В процесср un ств ем источника нагрева на металл,
ванных сталей ЛптШЛ'1ИЗации углеродистых и легиро-
тУРа практическиPnnLPyeTCH хрупкая мартенситная струк-
Характерной особе?» ВСвХ способах сварки плавлением.
“«ржа»™
возрастает склонность kn
Мартенсит, содержащий	- -- и^РУшени1и
ет пониженным сопр^тинп^°1Ше 0,25% углерода, облада-
ранению тпешии пА Ивлением здпп.../ н
SS п“™» ?«- .
структур рВаркв является тот факт,
ногти » ^иаРке, толщина мЛВИ более Дисперсна, чем
типа 5" 6 раз меньш^ таи^ ртенситных игл, в част-
а °” "Рочностью при высокой СтруктУРа обладает вы-
кже повышенной стойкогтПЛаСТИЧНОСТИ и вязкости,
холодных трещин.	стью против образования
Существенное влияние ня п» -
жаИниеавЬёВтаЮТ ГаЗЫ1 СОдерЖашиёсГа СВарных соедине'
жание в стали китп^- ш. ся в металле Содер-
структур И11 СОеДинений мо-
шпг, р • Наиболее сильное

Водород, попадающий в шов при сварке, условно
разделяется на два вида: диффузионно-подвижный и ос-
таточный. Диффузионно-подвижным называется водород,
способный к диффузии при появлении градиентов темпе-
ратур, концентраций и напряжений в результате внеш-
них воздействий на металл. Водород, связанный с де-
фектами структуры и не способный к диффузии в ме-
талле при заданных внешних воздействиях на него, счи-
тается остаточным.
Водород, находящийся в металле шва в атомарном
состоянии, может скапливаться в микропустотах, пере-
ходить в молекулярное состояние и вызывать повыше-
ние давления, которое способствует развитию трещин.
Содержание остаточного водорода в значительно мень-
шей степени влияет на охрупчивание металла, чем диф-
фузионно-подвижный.
В значительной степени на содержание водорода в
шве влияет качество и состав защитной среды, однако
не менее существенным для снижения содержания во-
дорода в шве является применяемый способ сварки.
Работы В. С. Гаврилюка и Г. Б. Кулигина показали,
что при одинаковом качестве защиты шва от окисления
количество диффузионно-подвижного водорода в швах,
^полненных непрерывной лазерной сваркой на стали
^ОХГСА, в 2...2,5 раза ниже, чем при аргонодуговой
jto объясняется тем, что из-за высоких скоростей ох-
лаждения и малого объема сварочной ванны процесс
Кристаллизации при лазерной сварке протекает в не-
сколько раз быстрее, чем при дуговых способах Интен-
сивное перемещение жидкого металла, обусловленное
гидродинамическим воздействием газов в канале про-
плавления при лазерных способах, также ускоряет про-
цесс кристаллизации и затрудняет насыщение металла
Водородом. В еще большей степени снижается содержа-
ние диффузионно-подвижного водорода, при использова-
нии импульсно-периодической лазерной сварки Анало-
гичная картина наблюдается и при определении общего
содержания водорода в швах.
Снижение содержания водорода в швах благоприят
но сказывается на стойкости углеродистых сталей про-
тив образования холодных трещин. Сопоставление по-
казателей сопротивляемости сварных соединении стали
30ХГСА образованию холодных трещин для различных
методов сварки в зависимости от содержания водорода
в шве показывает, что показатель для лазерной сварки
161
160

существенно выше, чем для дуговой. Результаты подуи
ны по методике ЛТП-2, основанной на замедленном раз
рушении образцов. Образцы ограниченных размеро.
непосредственно после сварки нагружают различными по
величине внешними длительнодеиствующими постовд.
нымн нагрузками. За количественный показатель сопро-
тивляемости стали образованию холодных трещин при-
пято минимальное растягивающее напряжение от внеш-
ней нагрузки Ор, при котором в сварном соединении воз-'
никают трещины после выдержки их под нагрузкой в те-
чение 20 ч.
Другим фактором, влияющим на образование холод-
ных трещин, является наличие высокого уровня растя-
гивающих напряжений. Этот фактор устраняют, исклю
чая концентраторы напряжений, используя рациональ
ную конструкцию детали, обеспечивающей свободную
усадку сварных соединений, применяя приспособления
создающие сжимающие напряжения в сварном соедине-
нии при остывании, а также сварку соответствующим
методами. В данном случае лазерные методы обеспечн
вают наиболее низкий уровень остаточных напряжении
что положительно сказывается на склонности рассмат
риваемых сталей к образованию трещин.
Таким образом, применение лазерной сварки пол
жительно влияет на все факторы, характеризую
склонность углеродистых и легированных сталей к
разованию холодных трещин (рис. 4.2). Из рисунка вид
но, что стойкость к образованию холодных трещин
лазерной сварке в 3...3.5 раза выше, чем при дуг°в
роднХТ? К ГОрЯЧИМ трещинам сварных швов УJ
делается егированнь|х конструкционных сталей
яом металлаХТот фактоРами; О химичеСКИ''талЛ«т
ная прочность u п ° К0Т0Р0Г0 зависит межкрист л
интервале хрупкост.иТИхГг^ °ПаСН°М
лов; 4) формой сварочНойа30Мером пеРВИЧНЫХЛРавИС'1’
----- оста столбчать.3?"*’ °Т КОТ°Р°"
степень чои! . кР1'сталлнтов, хар е.
аллнтов относите” Ликвации и РаСП°о3сТ*
ряжений ительно направления Ра
точки зре”шя"повыщеЛЬН° влияет на этИ
>етин.	овышения стойкости против г
- г
деформацией
направление роста
их срастания,
ние осей кристалм.п
гивающих напряже
Лазерная -
торы с
рячих трещин.
162
Рис. 4.3. Зависимость сопротивляе-
мости образованию горячих трещин
от метода и скорости сварки:
а — дуговая сварка; б — лазерная
сварка; / — сталь 12Х2Н4А; 2 — сталь
18ХГТ
рис 4.2. Зависимость пока-
зателя сопротивляемости шва
образованию холодных тре-
щин от времени нагрузки
(для стали ЗОХГСА):
I - при дуговой сварке; 2 —
при непрерывной лазерной свар-
«; 3-прн импульсно-периоди-
ческой лазерной сварке
к образованию горячих тре-
максималь-
г металла
еще не образуется. Так как
лазерной и аргонодуговой сварки су-
.....................................
шва, при котор	- .и«о тняа	и
течете циклы - т0 обыЦ^алла Ш
твдескве темпы а $’	исиыта лааеРн АОазова
Ну З.ЗМ. Рез^с 4 3), "пяемость °6р
№Т показали VPac;? cOnp°'TV'в ппОй- „пнстрУ* .
сопоставим ой
сКОрО,Тчем ПР»
горячих трещин выш ' закаДиВ &
В сварных соединениях	литой с	л.
очных сталей образую аВОм, рТалЛЗ’ 30 ,кТурой "
ла шва с химическим сО^вНого	30*
пт химического состава кВупнозерв^ перецИсЛе киХ
КИС частично перегретойJcBOfcCTBa	широка в
лона отпуска. ГЛеханичес изменять о ма^Р „
н сварного соединения мо У сВаривае д сварк ’ тех-
лелах для одного и того металла п Р мет°^ цеской
ганисимости от структура „ провОЛ°шей терм' о со-
^ноского состава присадои	^еДУ'0111г в свари<
подогни сварки и режим прочно
сработки, Минимальный пр
рмическои

единения в зависимости от состояния металла
"	v	„ --‘MWUld net>.
сваркой и последующей термической обработки on
деляется прочностью основного металла в случае сваГ
стали в состоянии отжига, прочностью зоны отпуска п
сварке металла, предварительно упрочненного закалко
прочностью металла шва в случае упрочняющей тер
ческой обработки после сварки.
Лазерная сварка рассматриваемого класса стал^
дает возможность получать соединения с повышенным
уровнем механических свойств. Особенностью является
тот факт, что наблюдается минимальное разупрочнение
в около то в ной зоне термоупрочненных сталей Напри
мер, предел прочности стали 12Х2Н4А находится на
уровне основного металла, тогда как при дуговой свар-
ке этот показатель составляет всего 87%. При свар
стали 18ХГТ предел прочности лазерных соединений н
12... 15% превышает аналогичный показатель, получае
мый дуговыми методами.
В стали 12Х2Н4А разрушение лазерных свар
соединений происходит по основному металлу.
^Высокая прочность соединений, выполненных лаз J
ной сваркой из термоупрочненных сталей, объясняет
несколькими причинами, в том числе возможностью
явления эффекта упрочнения «мягкой прослойки», ь
м₽иЫИ возникает в слУчае» если ширина зоны разупр
ия в сварном соединении достаточно мала. й
12Х2НЛДИЧИе °т дУгов°й сварки, например, на ст <
10 15°/ ™°казатель прочности зоны разупрочнени
Микротвеппг^е В	применения лазерного лу
Дуговой сварки Э403°не разУпРочнения составляет
нейные размеоы Л а для •лазерной 375 Нр-
2,82 и 1,0] mi? °И 30ны составляют соответстве
слойки нанбадее°вепоятнаКТН°е УпРочнение мягкой пр£
ку именно этот метол об? При лазеРной сварке, поскоД
ослабленной зоны В ^печива^т наименьшие Размеря
зона как бы «поддеоживаГт/Лу^ае мягкая отожженн _
металлом и прочной зоной mZt б°Лее ПРОЧНЫМ основны
рушение происходит по основном^3 ’ нз-за чеГ°
металлу.	ОмУ неразупрочненном)
Ударная вязкость стали 12Х2НЧД и
нии сплавления и в зоне закалки rv 3°Не шва на Л Р
ппи лазепной свайке чем ппн существенно вЫ1Де
при лазерной сварке, чем при дуговой, а так«/Р
шает ударную вязкость основного металла. В зоне оГ'
164

пуска ударная вязкость лазерных и дуговых соединений
примерно одинакова.
Основными факторами» увеличивающими значения
ударной вязкости металла шва при лазерной сварке»
являются значительное измельчение вторичной структуры
металла шва и околошовной зоны, а также, возможно,
и металлургическая очистка и дегазация переплавлен’
кого металла. При лазерной сварке, в отличие от дуго-
вой, шов не загрязняется материалом электрода, из
расплава улетучивается ряд вредных примесей (сера,
кислород, азот и др.), так как они значительно лучше,
чем металл, поглощают излучение СОя-лазера, перегре-
ваются и испаряются.
Высоколегированные стали. К высоколегирован*
ным относятся стали с содержанием легирующих эле-
ментов более 10%. Этот класс сталей имеет большое
количество разновидностей и марок, поэтому рассмотрим
только некоторые группы, наиболее детально изученные с
точки зрения применения лазерной сварки.
Широкое применение в конструкциях находят аусте-
нитные высоколегированные стали и сплавы, так как
Они отличаются высокой жаропрочностью, жаростой-
костью, имеют высокие механические свойства, а также
КоРР°зионностойки. Высоколегированными аустенитными
сталями считают сплавы на основе железа, легирован-
НЫе различными элементами (до 55%)эти
После соответствующей термической °°Ра рские
Taj]H приобретают высокие прочностные и ™ ПОсле
двойства. В отличие от углеродистых
акалки обладают повышенными пласт/
Вам“-	гязоки является
Главной г " — *	Р • Як
^рячих трещин, имеющих
Да* сварки с
Макроструктуры.
Основными приемами
Дающими горячие трешнны
ляются следующие.
1)	приме
НИЮ кристаллов
2)	получение ш
количество пс^
и общей особенностью ^^овной 30не
склонность к образованию в шае ллитнЫй характер.
горячих трещин, имеющих	адиционных мето-
^бразованне горячих трещин ПР крупнозерниСтон
вязано с формиро»
устраняющими и предупреж-
• на данном типе сталей, яв-
столов способствующих измельче-
енение м^аиенню столбчатой структуры;
< имеющих в структуре некоторое
рвичного 6-феррита;
165

3)	снижение содержания примесей в швах, образую-
щих легкоплавкие эвтектики (фосфор, сера).
Применение лазерной сварки во многих случаях поз-
воляет реализовать все указанные приемы и предупре-
дить образование горячих трещин. При сварке стали
12Х18Н10Т в шве образуется мелкодендритная структу-
ра. Фазовый состав сварного шва отличается от основно-
го металла содержанием 6-феррита (10—20%). В шве
также содержится пониженное количество вредных при-
месей. Подобная структура шва дает возможность из-
бежать образования горячих трещин на этом типе стали.
Прочность сварных соединений стали 12Х18Н10Т на-
ходится на уровне прочности основного металла, а плас-
тичность несколько выше пластичности основного ме-
талла из-за пониженного содержания неметаллических
включений.
Для изготовления ответственных тяжелонагруженных
деталей широкое применение находят мартенситно-ста-
реющие коррозионно-стойкие стали. В этих сталях (на-
пример, 08Х15Н5Д2Т) высокая прочность в сочетании
с высокой пластичностью и вязкостью достигается при
формировании высоколегированной низкоуглеродистой
мартенситной матрицы, обладающей высокой пластич-
ностью, и последующем упрочнении матрицы в процессе
дисперсионного твердения-старения. Этим мартенситно-
стареющие стали отличаются от высокохромистых мар-
тенситных сталей, упрочняемых в процессе закалки в
связи с наличием углерода в твердом растворе и частич-
ным распадом мартенсита с образованием карбидов.
Основные трудности при дуговой сварке этих сталей
связаны со склонностью сварных соединений к коррози-
онному растрескиванию и межкристаллитной коррозии в
атмосферных условиях. Причиной, вызывающей склон-
ность к коррозионному разрушению соединений, явля-
ется совпадение области действия растягивающих ос-
таточных напряжений с участками выпадения карбидов
хрома по границам зерен в виде сетки и вторич-
ного твердения металла в зоне термического влияния.
Установлено (работы В. Г. Федорова), что наиболее
опасными с точки зрения коррозионного растрескивания
являются области зоны термического влияния
]
580 и 59О...61О°С. Повышенная склонность г
ному растрескиванию металла в указанных
шиеся в процессе сварки до температуп 440 ‘
KQA ..	А1Л«Г Пппмпшииоп _______	^^...400, ООО-*
ному растрескиванию металла в указанна зон^свя-
зана с увеличением его электрохимической активности
166

вследствие частичного перераспределения хрома. Элек-
трохимическая активность резко возрастает при нагре-
вании металла выше 500°С и зависит от времени пре-
бывания металла тпр выше этой температуры. Установле-
п ----------------
талла и межкристаллитной коррозии интенсивно
растают, начиная с тпр Г ~
когда тПр >2 с. Дальнейшее увеличение т
не влияет на коррозию.
вании металла i
бывания металла т(
н°, что электрохимическая активность и склонность м'е-
. .	___। воз-
0,7 с, и достигает максимума,
Пр практически
В условиях дуговой сварки термический цикл не поз*
воляет сократить время пребывания в зоне критических
температур до 8... 10 с. Поэтому при дуговой сварке рез-
ко возрастают электрохимическая активность и склон-
ность к межкристаллитной коррозии. Применение лазер-
ной сварки на скоростях более 100 м/ч дает возмож-
ность сократить тпр до 1 с и существенно снизить тем
самым электрохимическую активность в зоне термиче-
ского влияния. В результате этого удается существенно
повысить (в 2...3 раза) коррозионную стойкость свар-
ных соединений и обеспечить их высокую работоспособ-
ность.
Другой особенностью сварки мартенситно-стареющих
сталей является их склонность к образованию холодных
трещин. Образование холодных трещин вызывает диф-
фузионно подвижный водород, который попадает в металл
шва, как правило, из окружающей сварочную ванну
атмосферы. Для предупреждения образования холодных
трещин необходимо обеспечивать качественную защиту
Шва и применять преимущественно осушенные защитные
газы (точка росы 55°С) - аргон или
смесь этих газов. В сравнении с ДУГОВО\^^^
ность лазерных соединений к холодным гтых сталей.
по тем же причинам, что и для Угле? соединений
Мехяннирские свойства лазерных сварных соединен!
механические свине.	имеют достаточно
на мартенситно стареющих ст -	свойств получае-
высокий уровень и превышают ур
Таблица 4 1
Дугован
Лазерная
ПОН	0.58	154
1216	0,59	156
167

мых при дуговых методах сварки. Сравнительные меха
нические свойства для стали 08Х15Н5Д2Т при толщин
листа 2,0 мм представлены в табл. 4 1.
При испытаниях на растяжение разрушение лазерных
сварных соединений, так же как и дуговых, происходит
по зоне термического влияния, которая несколько
разупрочняется в процессе сварки. Повышенная проч-
ность лазерных соединений объясняется значительно
меньшим размером исходного аустенитного зерна в шве
и тем, что за время термического цикла не успевают
произойти процессы повторной закалки и «перестарива-
ния». Пластичность лазерных сварных соединений увели-
чивается незначительно.
Существенные преимущества лазерной сварки перед
дуговой наблюдаются при испытаниях на усталостную
прочность. Установлено, что соединения, выполненные
лазерной сваркой, обладают большим сопротивлением
воздействию динамических нагрузок по сравнению с
соединениями, выполненными дуговыми методами. Такое
различие связано с меньшей неоднородностью структуры
лазерных соединений и меньшим запасом потенциаль-
ной энергии остаточных растягивающих напряжений.
При разработке технологических процессов сварки
сталей лучом лазера для обеспечения качества и надеж-
ности соединений необходимо учитывать следующие
положения.
1.	Подготовку свариваемых кромок следует выпол-
нять на металлорежущих станках (строгание, фрезеро-
вание, точение), что обеспечивает необходимую точность
сборки и отсутствие изменения структуры в месте обра-
ботки.
2.	Поверхность металла в зоне сварки следует очи-
щать от окалины, ржавчины, других загрязнений, а так-
же от влаги Перечисленные загрязнения создают усло-
вия для образования пористости, окисных включений,
а в некоторых случаях и трещин в металле шва и зоне
термического влияния за счет насыщения водородом
3.	Зачистку поверхности следует производить щет-
ками из нержавеющей стали на участке не менее 10...
15 мм как сверху, так и снизу свариваемых кромок. Зачи-
щаются также и торцы, если они имеют окисленную
поверхность После зачистки место сварки обезжири-
вают.
4.	В случае сварки деталей, упрочняемых термической
обработкой, особенно крупногабаритных, подготовку
168

кромок под сварку (подрезку торца, выполнение раздел-
ки) и их зачистку следует выполнять после термической
обработки для обеспечения необходимой точности сборки
свариваемых деталей и параметров шероховатости по-
верхности.
5.	Сборка под сварку должна обеспечивать возмож-
ность тщательной подгонки кромок на всей длине шва
с минимальным зазором за счет применения специальных
сборочных приспособлений (см. гл. 3).
6.	При сборке под сварку ставить прихватки не реко-
мендуется. В случае необходимости прихватки выполнять
лучом лазера.
7.	Предпочтительным соединением является стыковое.
На углеродистых сталях нахлесточные и замковые со-
единения применять не рекомендуется из-за высокой их
чувствительности к концентраторам напряжений.
8.	По возможности предусматривать припуск (0,5...
0,8 мм) по толщине свариваемых кромок на обработку
лицевой и корневой поверхности шва для ликвидации
возможных подрезов и неравномерных проплавов.
9.	Защиту поверхности шва от окисления рекоменду-
ется осуществлять через специальное сопло гелием или
смесью гелия с аргоном в соотношении 2:1, а также
аргона с углекислым газом при соотношении 3:1. Корень
с обратной стороны рекомендуется защищать арго-
ном. В некоторых случаях (на низкоуглеродистых ста-
лях) допускается сварка без защиты.
При выборе режимов лазерной сварки необходимо
Учитывать характерные особенности.свойств конкретной
марки стали. Например, для больши“с™а™соколе р
ванных сталей характерен низким к°^ХоН_асшире-
проводности и высокий коэффициент ПОГОНной энер-
НИЯ, что обусловливает
С) сЗ	температур,
ления и областей, наi р ическоя деформации ме-
?алУлТшвеаНИи ок=овной зоны. Поэтому для высоко-
/еХзТи ых сталей след^~
ряде°2|учаев помимо этого, следует учитывать тип сое-
пии₽нияУ условия работы детали, требования по деформа-
циям и многие другие факторы
Стали, так же как и другие материалы, подчиняются
обшим закономерностям изменения геометрии швов от
режимов.
169

Т а бл 1 ц a 41
Twawmw Чоат
»аг<^иь mktv
Ж mw ллл*.
кВт
старея.
Фокустое
ра остов
awe, мч
Заглуб.
леме
фожусэ
мм
Ня^у глерсшь	I
стые адзмолестфс^аи	I
wt (СтХ 17ГС) ХО XI
С?ел«еуглеро>и~	[
стые. жстроадниые	2.0	I	2,S
(стаде ЗХ ЖГА)	ХО	I	Х2
Ваасммапфоаде-	ХО	I	3*3
ые, ахстеадтиые	I
<‘2Х1Ш10Т)	ХО	ХО
Высокадестгровад	ХО	2.5
е*, магтеуотю-ста'
с^иаадп)	хо	xs
110
100
100
100
75
100
120
120
120
160
150
160
500
15
1.5
1.5
1.0
1.0
1.0
1.5
непрерывной ла-
В табл. 4.2. представлены режимы
эерной сварки некоторых марок сталей, рассмотренных
в данной главе. Эти режимы обеспечивают наалучшме
-овая свариваемости с точки зрения геометрии шва.
механических свойств и технологической прочности.
Как видно из табл. 4.2. оптимальные режимы сварки
рассмотренных групп сталей лежат в области скоростей
от >Э до 12 л м ч Мощность, необходимая для сварки
I мм стали в этом диапозоке скоростей, составляет 1...
1.3 кВт При опенке режимов сварки ориентировочно
можно воспользоваться этой величиной. Положение
Фокуса для этих сталей, так же как и хтя дрчтих метал*
лов, зависит от свариваемой конструкции и Фокусного
расстояния оптической системы.
Рассмотренные режимы сварки касаются только сты-
ковых соединений однако при векОторой корректировке
о» «пт быть также использованы и хтя^рорЛных.
угловых, тавровых и других видов соединений
4Д_ СВжЖА ЛЛООМИННЬДЫХ
и. МАГНМСВЫХ СПЛАВОВ
~	о.;к>ммния ИСНОЛЬЗуЮТ
различного назначения Основ
в	» коистр>та»о"‘’ыл ««теремов
ЫМЖ ДОСТОЯВ	—-------
 !  И ****	•

рысокая коррозионная сто кость. По показателям отно-
шения прочности и текучести к плотности высокопроч-
ные алюминиевые сплавы значительно превосходят аяз-
хоуглеродистые и низколегированные стали, чистый
титан и уступают лишь высоколегированным сталям
повышенной прочности и сплавам титана.
Процесс сварки алюминиевых сплавов связан с целым
рядом особенностей, которые сказываются на технологии,
выборе метода, режимов и свойствах сварных соед н енн L
Металлургические особенности сварки алюминиевых
сплавов определяются взаимодействием их с газами
окружающей среды, интенсивностью испарения легиру-
ющих элементов, а также особенностями кристаллизация
в условиях сварочного процесса.
При температуре выше температуры плавления алю-
миний интенсивно окисляется. Об азуюшийся оксид
алюминия покрывает поверхность детали плотной я проч-
ной пленкой. Важной характеристикой оксидной пленки
алюминия является ее способность адсорбировать г зы,
в особенност I водяной пар.	_	_
Коэффициент теплового расширения оксидном пленки
почти в 3 раза меньше коэффициента расширения *******
пня поэтому при нагреве металла в ней образуются
трещины. При наличии в алюминии легирующих д
в<ж состав оксидной пленки может существенно ®ме~
ня*ься. Возникающая сложная оксид ая ^^^Д—,Д
шннстве случаев является более рыхлом, гигроскопичном
и обладает худшими защитными своисчвами.
Оксидная пленка на поверхности
bob затрудняет процесс сварки. Облад 1иелк6 ие мс-
ратурой плавления (2050*С).	ает	проч-
ппопессе сварки и покрывает металл
проиет	образование обшей вааиы.
«особиосш к газам
и парам вДьГоксндная менка
газов, растворяющихся в	_
шззннкновення ’	„жавшие в ваннх.
Частицы оксидной пленки.
пл является в
«он оболочкой. затрудняю
з металле, н косвенной причиной
несллошностеи различного рода.
------------------------------------------, а также
о-но»*^ *ег«лла. ие разру-
часть пленок_	ь сварки, могут образовывать оксид-
шенных в процессе с»«р • а .Лй,.., гое ч мнений
» ючемня в шваз, снижающие «.вожтва соединения
“	“ мботоспособиость. Для осуществления сварки
мпингны быть приняты меры по разрушению  удалешпо
пленки м защите металла от повторного окисления
Водород в отличие от других газов обладает свособ-
Гы» в промессе сваркм. могут образовывать оксо-
вклк^емиГв швах, снижающие свойства соединений

ностью растворяться в алюминии и при определеннь
условиях образовывать поры в металле швов. Основным
источником водорода, растворяющегося в металле шва
при аргонодуговой сварке, является влага, адсорбиро-
ванная поверхностью металла и входящая в состав ок-
сидной пленки в виде гидратированных оксидов. Коли-
чество влаги определяется состоянием поверхности ме-
талла и зависит от обработки его перед сваркой.
Магний увеличивает растворимость водорода в алю-
минии. Повышенная склонность к пористости и образова-
нию пор при сварке алюминиево-магниевых сплавов
объясняется следующим. На поверхности сплавов, содер-
жащих магний, образуется оксидная пленка, состоящая
из оксидов AI2O3 и MgO. Такая пленка имеет большую
толщину, меньшую плотность из-за дефектов ее строения
и большой запас влаги, чем пленка из AI2O3. В процессе
сварки при расплавлении основного и присадочного
металлов часть влаги, содержащейся во внутренних
дефектах пленки, не успевает удалиться. Попадающие
в ванну частицы пленки содержат остатки влаги, которая
разлагается с выделением водорода. Образовавшийся
водород в дефектах пленки переходит в молекулярную
форму и затем выделяется в жидком металле ванны в
виде пузырьков.
Для уменьшения пористости используют рациональ-
ную обработку поверхности.
Кристаллическая структура металла шва определяет
его механические свойства. При сварке алюминиевых
сплавов кристаллическая структура и механические свой-
ства металла швов изменяются в зависимости от состава
сплава, способов и режимов сварки.
Свойства сварных соединений зависят также от про-
цессов, протекающих в околошовных зонах. При сварке
чистого алюминия и сплавов, не упрочняемых терми-
ческой обработкой, в зоне теплового воздействия наблю-
дается рост зерна и некоторое его разупрочнение, выз-
ванное снятием нагартовки. Это зависит от способа свар-
ки, режимов и степени предшествующей нагартовки.
Свариваемость сплавов системы Al —- Mg осложняется
склонностью к образованию пористости и вспучиванию
в участках основного металла, непосредственно примыка-
ющих к шву. Способность этих сплавов образовывать
пористость в зонах термического воздействия связывает-
ся с наличием в слитках молекулярного водорода
При сварке сплавов, упрочненных термической обра-
172

зонах происходят изменения,
к разупрочнению
твеннии —
границ зерен. Ширина этой зоны
Mcn/lw._.	от способа сварки и режимов.
Наиболее широкая зона появляется при газовой сварке,
узкая — при сварке с жестким термическим циклом.
Алюминий и его сплавы отличаются высокой тепло-
—-j, поэтому для проплавления его
большее количество энергии, чем, например,
затвердевании сварного
1иенг линейного расшире-
ния приводят к существенным остаточным деформациям
....... паЖгчпмяг1ии конструкций из низкоугле-
алюминия и его
- в случае
в
,	В ОКОЛОШОВНЫХ L
6 Апашие к разупрочнению отдельных зон.
"^„зависимо от способа сварки и исходного состоя-
ния металла в непосредственной близости от шва наблю-
лается зона оплавления границ зерен. Ширина этой зоны
меняется в зависимости от способа сварки и режимов.
------------------------------ппи газовой сварке,
1 1 W-- -
узкая — при сварке с
и электропроводностью
используется С
для сталей.
Значительная усадка при
шва, а также высокий коэффициент
j	--	- -к «"< Л
*
(большим, чем деформации _
родистой стали).
Рассмотренные трудности сварки
сплавов в большинстве своем устраняются в
применения концентрированных источников энер
частности лазерного и электронного лучей. сваока
В наиболее полной мере исследована лааер рокое
сплавов системы Al - Mg, которые «а'одя тя*ело-
применение при изготовлении ответстве
НагРуженных изделий.
Изделия из алюминиевых сплавов
пазера по следующей технологической	ку.
О подготавливают поверхность п шва оТ окисле-
2) обеспечивают качественную з
НИЯ^	имые режимы сварки.
3) подбирают оптимальны Р аЛЙ -
4) рационально конструнрУ под л£
Поверхность подготавлив^
Л По	—
аля чего тщате
Покрыты полуф;
тяжело
г дуЧОМ
под сварку.
верную сварку,
льно удаляют ?пг»к~ ую сма у, которой
1каты при консервации. Торцы свари-
абатывают механически на фрезерных
>кс идо в, находящуюся под жировой
на ширине 25...30 мм по всей длине
1ием в растворе NaON (50 г на 1л
। осветлением в 30%-ном растворе
пения детали тщательно промывают
поверхность сохраняет свои свойства
ей. Непосредственно перед сваркой
жости необходимо зачистить шабером
173
соединения тРа®’ ш„м
воды) с посдел>
HNOj После тра
в горячей воЯ%яЯ
Протравленная
в течение ^повер
соединяемы

до блеска. Указанный метод подготовки поверхности дает
возможность избежать дефектов при сварке и в первую
очередь пористости.
Защита сварного шва от окисления при лазерной
сварке алюминиевых сплавов оказывает существенное
влияние на внешнее формирование шва, пористость,
эффективность проплавления и механические свойства
соединений.
Из существующих методов защиты наиболее эффек-
тивной для алюминиевых сплавов является газовая за-
щита. Возможна и флюсовая защита, однако существую-
щие составы флюсов для газовой и дуговой сварки при
лазерной положительных результатов не дают. При раз-
работке соответствующих составов флюсов этот метод
может найти применение.
Исходя из условий максимального проплавления и
качества шва, наибольший эффект достигается при ис-
пользовании в качестве защитного газа гелия. В целях
экономии возможно использование гелия для защиты
только верхней части сварочной ванны, а корневая часть
может быть защищена аргоном. Защита шва с двух
сторон является обязательным условием лазерной сварки
алюминиевых сплавов.
Сопла для защиты должны иметь конструкцию, рас-
смотренную в гл. 3. Расход гелия должен быть не менее
7...8 л/мин, а аргона — 5...6 л/мин.
В значительной степени на качество сварных соеди-
нений оказывает влияние правильный выбор парамет-
ров режимов сварки. В первую очередь это сказывается
на геометрии проплавления, пористости, структуре свар-
ного шва и зоне термического влияния, а также на уров-
не остаточных деформаций свариваемых деталей.
Специфической особенностью лазерной сварки алюми-
ниевых сплавов является тот факт, что расплавление
металла начинается только при определенном уровне
плотности мощности, имеющим достаточно высокую вели-
чину, т. е. необходим запас мощности, чтобы начать
процесс сварки. Для сплава АМгб, например, эта вели-
чина составляет 2...2,2 кВт, причем при этих* значениях
сразу достигается глубина проплавления 1,5. 2 0 мм.
При меньшей мощности проплавление вообще отсут-
ствует. Этот эффект объясняется сочетанием высокого
коэффициента отражения алюминия (0,97) на длине
волны 10,6 мкм с высокой теплопроводностью и теплоем-
костью алюминия. После начала процесса плавления
174

ис- 4.4. Зависимость геометрических параметров формы шва
от скорости сварки:
6, bt — соответственно ширина верхней и корневой части шва.
— соответственно занижение и провисание шва
Парогазового
здНия от мощности луча.
°т степени фокусировки,
Одним из преимуществ
Рированного источника энергии
ujbob с ----
г
благоприятные
снижает
тем самым свзроч-
Шва обеспечивается
Критериями,
"Золимую геометрию шва, являются
6 -ние корня шва, ш“Р"на_®®Рх.н®И
оговаривается ГОСТом и на ответствен-
должна превышать 10% от толщины
Соотношение ширины верхней и корневой
коэффициент отражения резко снижается и происходит
нтенсивное проплавление материала с °^Ра30ВВВ!'^
парогазового канала. С момента образования канала
L е сУЩествует линейная зависимость глубины ПР
Указанный порог »°*“°сти
—толщины пластины,
с°отояния ее поверхности и скорости сварки	концен.
Одним из преимуществ лаэерног У полученне
РИрованного источника энергии,	„ленной зоны.
UJBOB с минимальным размером Р^лТо^еспечивает
Снижение объема расплавленного	шва. сннжает
Дагоприятные условия кристаi .	самым свароч-
3°Ну термического влияния, уменьшая те*
ные деформации и напряжения
Наиболее благоприятная ф сварКи.
оптимальным подбором Р___ пс,пм(.Тоию н
определяющими нс^	„„----_...
Занижение шва, про прличина занижения и провиса-
и корневой частей шва. т» ------ --------------
ния шва обычно оговар..„ превышать 10% от толщины
"“\"“пея"ЯСоотношепие ширины верхней и корневой
материала-	ся оптимальным при их равенстве,
частей шва «
175

При лазерной сварке все эти требования удовлет-
воряются на скоростях сварки более 80 м/ч. Как видно
на рис. 4.4, на сплаве АМгб при толщине пластины
2,0 мм достигается проплавление с практически парал-
лельными кромками при ширине шва около 2,0 мм, зани-
жение и провисание шва находятся в допустимых преде-
лах. Дуговыми методами сварки получить такую форму
проплавления не представляется возможным.
С увеличением мощности и глубины проплавления
ширина шва незначительно увеличивается.
Степень фокусировки должна быть максимально воз-
можной. Фокусные расстояния линз выбирают в диапазо-
не 100...150 мм с некоторым заглублением фокуса под
поверхность материала.
Оптимальные режимы сварки алюминиевого сплава
АМгб излучением СО2-лазера представлены в табл. 4.3.
Пористость сварных соединений сплава АМгб при оп-
тимальной подготовке поверхности на всех режимах ла-
зерной сварки находится в пределах допустимых значе-
ний согласно ГОСТам и ТУ на наиболее ответственные
изделия. Однако в этих пределах существует зависимость
пористости от скорости сварки и толщины свариваемого
материала. Минимальное значение пористости достигает-
ся в диапазоне скоростей от 75 до 100 м/ч, а с увеличе-
нием толщины свариваемого металла количество пор
возрастает (рис. 4. 5).
В сравнении с дуговой сваркой уровень пористости
при лазерной сварке значительно ниже.
Микроструктура лазерных сварных соединений на
оптимальных режимах (более 80 м/ч) существенно отли-
чается от структуры, получаемой дуговыми методами.
Таблица 4.3
Материал	Толщина,	Мощность	Скорость	Фокусное
	м м ।	излучения, кВт	сварки, м/ч	расстояние линз, мм
АМгб	2.0	2,1	90	120
АМгб АМгб АМгЪ! АМгбИП	2.0 3,0 3,0 4,0 4,0 2.0 4.0 1	4,0	2,3 2,3 2,8 2,8 3,1 2,3 2.8 3.1	120 90 120 90 120 100 90 120	120 140 140 140 140 120 120 120
176


наблюдается мел-
В ш«е аЯ столбчато-
к0ДйСп2ая структура с
денДр пм дендритов зна-
р23МХ меньше, чем при
чи nvroBOH сварке,
аргонодуговои^^ки и
Выделени аниц зерен
оплавления гРани^„ X
в непосредственной бли
зости от шва не наблюд
ется. Подобная структура
считается благоприятном
для обеспечения доста-
точного уровня механиче
ских свойств и г.
тения образова
сталлизационных
Структурные
ния в зоне -
происходят на
нодуговой	-	обеспечиваются
ся незначительно.	особенности овнем плот-
Указанные структур	и и высоким УраТЬ жесткие
высокими скоростями с ожность п У еНйя, сУшея
ности мощности, что ди р0Стями °* значения Д
термические никлы со ^зетствуюшие
ственно превышаюши	пединений npefnHHe-
Дуговых методов свар _ сварных с арных с0 не
менее 0,9 от
соедине-
без присадочно! РтвеннО по оСТИ сварн с испа.
исходит пРе”мХеХаническои	Р	таЛдом с	имаЛьных
Снижение мех* осНовным ванНЫ на
ний по сравнен! свар°чН
рением магни
п
ю
%&*2,0мм
fO,Of.
V/.
о 5U 75 too 175 160
К// */*
Рис. 4.5. Зависимость пористости
сварных
АМгб от скорости сварки и толщи-
«ИХ свойств И предотвра-
ния кри-
трещин.
измене-
термического влияния при лазерной сварке
J участке в 5...6 раз меньшем, чем при арго-
сварке. Размер зерна в этой зоне увеличивает-
соединений на сплаве
ны материала
толщиной 2,0 и 3,0 мм составляет не
от прочности основного металла при сварке
~“•	_ _ _   -	w _J-_
Режимах сварки наблюдается снижение содержания
магния на 1,0... 1,5 %.
Твердость участков околошовной зоны при сварке
нагартованного материала снижается по отношению
к основному металлу. Однако участок разупрочнения
по протяженности при лазерной сварке в 3...4 раза мень-
ше, чем при дуговой. Ударная вязкость сварных соеди-
нений находится на уровне основного металла
7 —ввО
177

рож HMon
асй so inn '" lauou, особенно в Д11";
мапнн деталей
C^noerdU.1VHMe
, (поперечной
ЛЗ Ч'рной CLKI)
! о зоне с коре
,1ч )Хи(),,7л^0п..^:'ро:,,,ь,х “'форма
! n,,oVvl'o'’oil С11 М)
-е "-ёреч.i7?" -
- - - чи । м\ 1 ч (1	\	। ;
П .......................
”v "<жачано на
Т*'РНО СННЖС[
7]’_свирм, о]
РСЧЦОЙ >садк7(ЧНна<ТЬ ,Нэпс
_> «дм< к парных
*’к>мннцсви
k	»Т С»Лф1Чп. u
Ьето 1Й Фпаркн:	М
*7 Mt^KTpOWWO Мчсша* Л
КЛ. t лжлапы.-* 1вМ С»«Р
*^::лх*;л -
17В
Д)гопой еН
Для
SO м ч
SO UOO г
ллзернон, эле|
‘^ньминпеного
v\ Пнчов сварки \арлк
1	)Щмнченнем скоро
1,1 им‘‘льных скоростей
?ч <Ноимн зпаченнямн
en.'l.lBJ
ОДНИМ Д М го
лазерной —
J с этим
по-
ле
1,4 связи с
ННе значении
^пдкн слсдх ет
ля к^Т°-М с°ответсг
'РоепГ^г?1 ° СПиео^з свар
ПеРечная \ ; l,4en»uuot что по
<НиРке Vl:r, 1Ка при лазерном
гР^нно. >х u.».°vT'uu,,M3 с kick
ПеРсчнон
Щен д,
К’1 СКп
меныЦе J
ской Пр\,
». Твк"м
Щ.К'ть ।
евлрки
на е
’ ’< о 5..6 р.м
пРн антоматнче
снарке,
воз меж
°^Разощ
-.„А пл сплавов
""•нож ™'>я 1ка 100 м/ч
1 KTl|4ev Ь,,<’ СК.иывЛ
v Mt Нй „
ма Всех, кпн*


Чистый магний обладает отпо-
IB
')
)
к окислению
J разница
образованием
в температуре
магния и магния (соответственно 2800
_________ j плотность MgO, превьниа-
плотность металла, обусловливают не-
препятствуют

, Чнзкн,
Темноегп
^Пс|1лав.'1енн
рНЯх, обеспечивающих высокое качество сварных сое-
динений.
’ Магниевые сплавы.
uire.iMio невысокой прочностью и малой пластичностью.
В качестве конструкционных материалов используют
спины магния, имеющие высокую удельную прочность
при низкой плотности.
При сварке магниевых сплавов встречается ряд труд-
ен как металлургического, гак и технологического
характера.
Магниевые сплавы при сварке проявляют чрезвычай-
«0 высокую активность с:
uwh окнелов. Значительная
давления окиси (
и 680 °П / v ......  1,1
minno ч d Такжс большая
Хи 3 2 Раза
‘Нленне кромок основного металла, i
по металла с присадкой, приводят к попаданию
- сварочную ванну. Поэтому при сварке необ-
Wj_ а шва от окисления.
пол кипе и ной жидко текучее ги расплавлен-
и практически полной потери прочности
у ре твердо-жидкого состояния
удовлетвори гелиного формнрова
При дуговой сворке является применение под
uiBbj	^едн нлн нержавеющей стали). К к правило.
Выполняются с полным пропл.двленнем кромок д
1,аЧ1ня окисных пленок из металла шва. ч
~ чрезвычайно большую
,.;с. ^та особенность наря-
левин магния споеобству-
прожогам металла. Для
гея количество теплоты
для равного по объему
магния применяют пони-
1|,лявленш
Ок<;идоа в с„„
' 1»ма aaiuiir;
Чег«лла
ни яreJ1 ь 11 мм Усл 0 в 11 с м
tun.,01' меди пли нержавеющей стали). Как правила,
шлются с полным проплавлением кромок 7 я
значения теплоты плавления и
магния обусловливают чрезвычайно * _
ню нагрева при сварке. Эга особенность^ря;
низкой температурой плав
I 11«ч1ргпена м и
дуС( ’
<т локальным
_ _.1Я магния rpeoyvK"
'Рнблнзнтельно на */з меньше, чем
алюминием уровни подводимей
пельно высокий коэффициент
ледсгвие чего сварные изделия
u^h>mhhhh. Поэтому при
Генные по сравнению с
ввергни.
Магннн имеет сран»
....................................
М 1ЦМ ношеные сплавы обла дают меньшей склонностью
к образованию пор в спорных швах, чем алюминиевые
О iiiano и он магниевых сплавов нередко следует прннн
179

мать меры для повышения устойчивости швов против
пористости.
При сварке магниевых сплавов необходимо учиты-
вать их склонность к росту зерна и избегать в связи с
этим чрезмерных перегревов в зоне термического влия-
НИЯ.
Некоторые магниевые сплавы склонны к образованию
кристаллизационных трещин в металле шва, особенно
сплавы магния с алюминием и цинком.
Использование лазерной сварки позволяет во многих
случаях избежать этих трудностей и получать качествен’
ные сварные соединения. Технология сварки магниевых
сплавов мало отличается от технологии сварки алюмини-
евых сплавов.
Перед сваркой соединяемые кромки необходимо про-
травливать или зачищать шабером до блеска.
Сварные швы на магниевых сплавах хорошо форми-
руются, без провисания при сварке на весу Это отли-
чает лазерную сварку от дуговой и исключает необхо-
димость применения подкладок, что существенно упро-
щает технологию изготовления, особенно крупногабарит-
ных конструкций.
Оптимальные скорости сварки для получения наилуч-
шей геометрии шва находятся в диапазоне 60... 160 м/ч-
Необходимая мощность для получения полного проплав-
ления в диапазоне этих скоростей для магниевых спла-
вов ниже, чем для алюминиевых. В табл. 4. 5 представ-
ны режимы лазерной сварки некоторых магниевых
сплавов.
и.,^я заш-и.ты шва ?т окисления используется зашит-
аз гелии, который подается в верхнюю часть ванны»
корневойТас?" ИшПвРаИМеНЯеТСЯ ис™ительно для обдув*
Микроструктура сварного шва сплава МА18 относя-
щегося к системе Mg _ U. представляет собой сильно

Таблица <-5
Материал
МА2 1
ИМВ-2
МА18
180

на МА2-1
вытянутые, вследствие направленной кристаллизации
зерна p-фазы с мелкодисперсными, строчечными выделе-
ниями фазы Al Li. Существенное различие скоростей
кристаллизации в верхней и нижней частях шва приво-
де к тому, что недокристаллизовавшийся металл из
КТ™™Рует НехваткУ Ж1«кого металла
ластических ™ Т.ЭК°И Э<РфеКТ способствУет Увеличению
повышает	кристаллизующегося металла и
онных трещин К°СТЬ ПРОТИВ образования кристаллизаци-
?еонигт°Не теРмического влияния наблюдается крупно-
Такая с я стРУктУРа с четко выраженными границами.
лизацией^^КТ^Ра °^Условлена собирательной рекристал-
83 Мидкроструктура
лазерного сварного соединения спла-
8 зоне хаРактеризуется отсутствием крупных зерен
Метал ° ТеРмнческого влияния. Переход от основного
с по 3 К СВаРН0МУ шву в зоне сплавления происходит
двух<йТСПеН-НЬ1м изменением структуры от характерной
свап^аЗН°И ^лля основного металла) в игольчатую (в
мако °М Шве)- Наличие игольчатой структуры повышает
Р°твердость сварного соединения.
Ги СГ1ытания лазерных сварных соединений на техноло-
об есквх пробах показывают высокую стойкость против
с Раз°вания кристаллизационных горячих трещин, что
Я^?Но с благоприятной структурой и формой шва.
Механические свойства лазерных сваРвь1х соединен
магниевых сплавах МА2-1, ИМВ-2 и MA'^nH^^Cg
а Уровне соответствующих свойств °с"°в"^
Алюминиевые и магниевые сплввы 0„ ПОЭТОМу к про-
чими физико-химическими своМ^\"^^й И3
му “еталлов отноентея техиояогячиоегь сварных
сХ Прежле ^сего. ^шинства цветных металлов, и осо-
оедииении. Для бол “ивных под технологичностью
енно для химии	очередь доступность и просто’
та^ащ^ты сварного соединения и обратной стороны шва
от воздействия газов атмосферы. Следует обеспечивать
свободный подход средств защиты (сопл) к местам
^ьоооднь^еобходИМо избегать скопления сварных швов,
осуществлять преимущественно автоматизированную
сварку.
При сварке алюминиевых и магниевых сплавов преи-
мущественно следует использовать стыковые соединения
•81

Хотя соединения внахлестку и втавр более просты Для
сборки, при их сварке затруднена защита, особенно об-
ратной стороны шва. Кроме того, такие соединения менее
прочны, чем стыковые, и прежде всего при вибрационной
нагрузке. Угловых соединений следует избегать в первую
очередь для алюминиевых сплавов, склонных к образованию
окисной пленки. Вообще, лазерной сваркой можно выпол-
нять практически все существующие традиционные типы
соединений.
§ 4.3.	СВАРКА ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ
Благодаря сочетанию особых
физико-химических
свойств титан и его сплавы находят довольно широкое
применение при изготовлении сварных конструкции в
различных отраслях промышленности из-за малой плот
ности, высокой прочности и коррозионной стойкости.
Основные трудности, возникающие при сварке титан
и его сплавов, заключаются в следующем.	I
1.	Высокая химическая активность металла при выс
кой температуре и особенно в расплавленном состо
нии по отношению к кислороду и водороду.	«
2.	Склонность к росту зерна при нагреве до высок
температуры, особенно выше 330 °C (в области р-ФаЗЬ’
3.	Повышенная склонность к образованию холоди
трещин при повышении содержания в основном металл
и шве примесей газов. Трещины такого типа могут в
никнуть сразу же после сварки, а также после выле
вания (процесс замедленного разрушения).	я0
Для устранения этих трудностей требуется как мо
меньшая погонная энергия при сварке что достигав
при использовании таких концентрированных источник
как электронный луч и лазер И
За счет более низкого, чем у стали коэффич1,еНТ!
теплопроводности, повышенного элеХосопропшлеНИЯ
чительно выше.
Г— “
любыми методами, в том числе и	'
многом определяется технологией дзерным луЧ°пОмоК
деталей под сварку. Подготовительныеодготовкн	Р „сЯ1
от исходного состояния заготовки. ПлоескиеИИлистовис
заготовки, нарезанные ножницами ntt	п„еН
ные холодной штамповкой, подготавливаю; пад^ваР^
IZ n п	u Г J *	- иЯ'
е‘ ^‘1Д проплавления титана 3
Качество сварных соединений при сварке титан*
। В ТОМ ЧИС.пр г.____________________	__
182

фрезерования или точения кромок (5...6-Й классы
ЛЗтруйну» ^p^7“//oX™XZ”"o«3““'
леиием химическим травлением оксидно нитрид
ни, осветлением и промывкой.	пленки со
При неполном удалении газонасыщен
свариваемых кромок происходит переход
что вызывает его охрупчивание. гп„п..р титана и его
Важным фактором при лазерной с р»	строгое
сплавов является точность сбор™ ”3коомками детали,
соблюдение допустимых зазоров между к коэффициен~
Эти требования обусловливаются высокс низкой
том поверхностного натяжения титана	эТОГо при
вязкостью расплавленного металла. ^оЯТНость появле-
увеличенных зазорах увеличивается вер
ния прожогов.	т толщины матери-
Зависимость допустим ого ^зазора^ сЛуЧаев свзривае
ния прожогов
4 7. в
мые стыки подготавливают с ‘ может состав
иием, которое для толщины о,	едине-
иапример,	мм.	свойства с0аРиь1\^итноИ
Существенное влияние на щва и состав сварКе
иий оказывает качество заши	лазерн , и
сРеды. С точки зрения качестВуа ^ПР поверхн^и,^^
необходимо осуществлять сЛОвием я „^шовной зоны
корня шва. Обязательным У^щва н оКолодю
бывающих участков мет
110 температуры 400.-•
Требуется также за^ы
талла с обратной стоР0
Даже если он не расгк"
а только нагревался •
500 °C. На практик
используют сопла
тельным хвостов*
ме-
ц1ва,
авлялся,
пр 400-♦
обычно
с допо-лни-
1 < куда по‘
иком,
2йГах>'М‘,че^.°Й
Из-за высоко^
активности	поИ-
нию к газам 3дЛуХа МОЖН° —'
сварки от пв°заУинертнь1е
d,f^\
0,16\
0,1
0,05
-ЯГ" 6,0 о,о
“ h,MM
V зз3"° -ко-
соединении от толщины сва-
риваемого металла
а по
otholu6'
гы зоны
газы
1 ф”‘“
183

Для зашиты поверхности шва и плазмоподавления
используется гелий высокой чистоты, ориентировочный
расход 10 .12 л/мин. Для защиты остывающей поверх-
ности шва и корня целесообразно применять аргон по-
вышенной чистоты с ориентировочным расходом: корень
шва _ 4...5 л/мин, поверхность шва—15...18 л/мин.
Длина и ширина насадки выбираются в зависимости
от условий остывания металла.
Приближенно о надежности защиты можно судить по
внешнему виду шва. Блестящая, серебристая поверх-
ность — надежная защита, хорошее качество шва. Жел-
то-голубой цвет шва или появление на нем серых нале-
тов указывает на плохую защиту: низкая пластичность
швов вследствие загрязнения газами.
Режимы лазерной сварки выбираются из условий
обеспечения качественного формирования, необходимой
геометрии шва, предотвращения образования холодных
трещин и создания наиболее благоприятных структур.
Наилучшие результаты достигаются при повышенных
скоростях сварки, в частности более 80... 100 м/ч. Мень-
шие скорости приводят к увеличению ширины шва за
счет малой теплопроводности металла, образованию
неблагоприятных структур и повышают вероятность
насыщения металла вредными газами, в частности водо
родом. Режимы сварки некоторых титановых сплавов
представлены в табл. 4. 6. Как видно из таблицы, в дна*
пазоне скоростей 80...100 м/ч сохраняется соотношение
мХТиг КВт мощности на 1 ММ проплавления, что
выбова пе™°ВаТЬ 3 "Ретике для ориентировочного
выоора режима сварки	г
ckoSTXTb СВ°ЙСТВа сваРных соединений для не-
шиной 3 0 мм ?«яп₽иарки титан°вого сплава ПТ-ЗВ тол-
р ного встык, представлены в табл. 4.
_ 4 б
т а б л И и а 4
184

Таблица 47
1 лазер"
свойств
свойства
уровне
ении naAvw- зерные соедИНд^х
....... ...- По ИРО»;«™ в'"еР
не ниже электронно-лучевых	вЛИЯния Уединениях
Пластичность зоны термине	лазерных
ааемая ударной вязкость ,	^тановлено,
выше, чем на аргонодуговых. ый изГибУ й 0 сред-
При испытаниях на азерных с0<1 оБОй
что циклическая прочное	„пгоно У
нем на 25...30 % выше, чем "Р
ронно-лучевой сварке.
Отличия В I
ла и сварных
лазерной сварки в
аргонодуговой сваР^^
с изменением .... сва
ними изменениями в с0
при лазерной сваР* х
охлаждения тИтаЯпП град/с
составляет 400..-	>кДеНИЯ яРп
Дуговой сварке. сТи °хД ц0а в 3• ' ои зоне.
Подобные ^^етаЛ^^/ЛолоШов^ри
НИЮ диспернос эерна ает, чтО.,ВоНхлаЖДеНиЯ поста-
ному измельче показ скороСТ поЛОженные
ная микроскоп"» вЫСоко» фаЗЬ1, рзсп * случае медлен
шовной ЗОН“ "пластид„«Лруг^уПассивные и с от-
ются тонкие Носитель ы более собоИ в связи
--•^но ° - — плаС тоЯНием м.е*„титановых свар-
стных сво ЙЪЯСНЯется прежде
ЛСам.	6’”'
а *	185
Как видно
ных сварных
основного металла.
ТОЧНО
ного
носитель^
ЦЫ*
из таблиц». "Mna"“«“e
соединений наход
овленОг
aprOHOAV'“"
% выше, -А—-		„пвного меТапЛи’
сварке.	свойствах ос поКааате
механических	е ЛУ рНН0-лУче® нЫ
““ ’„ков”“ В
сваркой состав^ жирНИи. гкоР<>€ТЬ
химическо м соеди J()0 „/ч обласТИ
о СКОРЯ° в полимоРФнг0 д/с при
сплавов в 20 25 Т
а л/с, ПР°	т к повыше-
в0Д л значитель-
- Электр0»'
зерна около-
появля

чн благоприятно расположенными и уменьшенными по
размерам, являются своего рода дислокационными барь-
ерами.
Другой фактор, оказывающий существенное влияние
на механические свойства сварных соединений, — это
химический состав шва. При лазерной сварке наблюда-
ется наименьшее выгорание легирующих элементов в
сравнении с электронно-лучевой и дуговой сваркой. Это
объясняется тем, что при наличии вакуума при электрон-
но-лучевой сварке увеличивается скорость испарения
металла из сварочной ванны, что приводит к обеднению
легирующими элементами. Повышенное выгорание леги-
рующих элементов при аргонодуговой сварке связано
с существованием достаточно долгого времени ванны
значительных размеров.
Таким образом, сочетание благоприятных условий
кристаллизации и пониженной склонности к выгоранию
легирующих элементов при лазерной сварке титановых
сплавов способствует получению более высоких механи-
ческих свойств сварных соединений в сравнении с други-
ми методами сварки.
§ 4.4. СВАРКА НИКЕЛЕВЫХ СПЛАВОВ
Никель и никелевые сплавы (55% Ni и более) явля-
ются важнейшими конструкционными материалами. Бла-
годаря высокой коррозионной стойкости, жаропрочности
и жаростойкости их широко используют в химической и
нефтяной промышленности, энергетике, электронике я
других отраслях промышленности
Применяются в основном сплавы на никелевой основе
следующих групп.
(нихромы) обладают по-
вышенной стойкостью к коррозии в газовых средах пр"
повышенных температурах. сплавыпостооены
базе a-твердого раствора с добавив ВЫ постРоен ,.е.
мантов tVJ Mo AI та добавками легирующих эле
ментов (w, Mo, Al, Ti). которые повышают тепмическу*1
стойкость твердого раствора и сравнительно маю упроч-
няют его за счет дисперсионного твердения Сп лавы этой
группы хорошо свариваются всеми видами сварки в то-
числе и лазерной.	и ваРкй* в
Жаропрочные сплавы имеют повЫи1енные прочност-
ные свойства при высоких температурах по сравнению со
сплавами на железной и даже кобальтовой^нове

так называе-
сплавы. Для получе-
эти сплавы подвергают терми-
«закалка 4- старение».
. ение достигается вследствие образования и выде-
I q при повышенных температурах интерметаллидных
химических соединений. Упрочнение сплавов
.^зших титан или титан и аЛЮМИНИЙ с добавками’
-^зких металлов или без них, имеет одну и туже
"Р^еКЭеТ В Р^таге УобразУоВа-
ериеталлидных у -фаз типа Ni3(Ti Al) и (№ FpI
НаЛльшей Жар„„рочвостью обл’^ '	'
^Персионно'УпР°чняемые
-«Обходимых свойств
?ш^аб0Т-Ке по схеме
'хтыо, а неклтл^ППЫ °®г,адают ограниченной сварива-
считают РЫе И3 НИХ’ содеРжашие более 4%
' *ами. бгранич СЯ иесваРиваемыми традиционными ме~
•Вы* Диспеоси енная свариваемость жаропрочных нике-
**РУШением ст 2ННО’^пРочняемых сплавов обусловлена
! P?R°HHOM BoLXbr.CTH их структуры при термодефор-
Распаде Деи твии в процессе сварки, что проявляет-
ся На этап ЧНЯюЩих фаз на этапе нагрева, их выде-
**втов на гп е охдаждения и сегрегации легирующих эле-
пони>кенн - Нияах зерен. Это приводит к появлению зо
1астнчеси °И Жаропрочностью, концентрации в них в >-
^°ТвРзтри деФ°рмаций и появлению трещин. Для пре-
^йИеняш тРеШин и повышения надежности соединении
мнотооперационную, сложную технолог
u Я СВаРных конструкции, включающую ПР^С
Га*ой По^есварочную термообработку. Но' л
o>KHo^ технологии не всегда удается по- У4
ПоТы|ГЬ ШВЗ На УР°вне ОСНОВН°^ОНо^асчет сокраще-
на в^ЫШение свариваемости BO3*°*neig3 путем сниже-
Нйя />емени высокотемпературного н р рости сварки.
6 Сгонной энергии или Ув^1ичпеасИ^
^х^УЛЬТате этого исключается растворен
ае Фаз в околошовнои зоне и ноЛУГовой сварке, обыч-
но осаждения в шве. ПР”*РЫХ сплавов, этот прием не-
в применяемой для ^аРог7Р иваегся склонность к образо-
^пУстим, так как резко усит“ шин вследствие неблаго-
^Нию кристаллнзаиионны^ ^рнстаЛл1ИЗации — перехода
пРиятного изменения	линейной. Для совершен-
01 объемной	сварки жаропрочных сплавов необ-
^вования техвал^Г1О0ия, при которых минимум погонной
водимо	с формированием в шве объемной или
энергии сочетз^кгур^
Равноосной в ф Якушина и Б М. Федорова показа-
187

ли, что Образующиеся в процессе сварки трещины по при-
воде разделяются на три типа.
К первому типу относятся трещины, появляю-
щиеся при сварке и ориентированные вдоль шва и его оси.
Эти трещины имеют кристаллизацибнно-ликвационную
природу.
Второй тип — это трещины в шве и зоне сплавле-
ния, возникающие при сварке и ориентированные поперек
оси шва. Они возникают преимущественно в сплавах с со-
держанием легирующих элементов Ti и А1 больше 5%.
По природе эти трещины относят к подсолидусным.
К третьему типу относятся трещины при упроч-
няющей термообработке сварных соединений. Они распо-
ложены в шве и околошовной зоне. Частота появления этих
трещин увеличивается при повышении суммарного количе-
ства легирующих элементов Ti и А1, потенциальной энергии
остаточных напряжений и жесткости конструкции. Подоб-
ные условия создаются при термообработке жестких узлов
из жаропрочных сплавов с дисперсионным упрочнением.
После сварки в таких швах фиксируются внутренние на-
пряжения, близкие к пределу текучести, и интенсивно раз-
упрочнена околошовная зона в результате коагуляции и
растворения упрочняющей у'-фазы. Это приводит к пони-
женному сопротивлению ползучести при термической обра-
ботке.
Общие причины образования этих трех видов трещин
связаны с развитием диффузионных процессов при сварке
в жидкой или твердо-жидкой фазе. Следовательно, ограни-
чив диффузионные процессы при сварке, можно сущест-
венно повысить как сопротивляемость образованию тре-
щин при сварке и термической обработке так и эксплуа-
тационную прочность соединений.
Рассмотренные условия кристаллизации уменьшения
химической неоднородности и снижения степени дисперси-
онного твердения шва и околошовной зоны могут быть реа-
70ЗОГ00м/чРИ Ла3еРН°Й СВЭрКе в диапазоне скоростей
С увеличением скорости лазерной сварки сопротивляе-
мость образованию кристаллизационных трещин возраста-
ет (рис. 4 8), в то время как при аргонодуговой iсварке со-
противляемость снижается. Увеличение сопротивляемости
объясняется повышением деформационной способности
металла шва в связи с резким измельчением структуры,
смешением нижнеи границы температурного интервала
хрупкости в высокотемпературную область, а при лазерной
18?

м/ч
КИ на ™ Вл,1яние скорости свар-
ванию кппротивляемость образо-
тип и ристаллизаи>ионных тре-
икелевого сплава толщи-
ной 1,5 мм;
— лазерная сварка; 2 — аргоно-
дуговая сварка
Рис. 4.9. Влияние скорости ла-
зерной сварки на длительную
жаропрочность сварных соедине-
ний никелевого сплава, прошед-
ших послесварочную термообра-
ботку:
/ — по режиму сзакалка ста-
рение»; 2 — без последующей
термообработки
^аРке со скоростью более 70... 100 м/ч и с изменением
кристаллизации (от плоской к объемной).
Твердость шва с увеличением скорости лазерной свар-
Снижается, так как процесс выпадения упрочняющих
Фвз при охлаждении замедляется. Это приводит к повы-
шению деформационной способности соединений на этапе
°хлаждения.
В процессе дуговой сварки никелевых сплавов проис-
ходит разупрочнение зоны термического влияния при рас-
паде упрочняющих фаз типа Ni3(Ti. Al). При последую-
щих тепловых воздействиях в этих зонах меньше выде-
рется упрочняющих фаз. что локализует деформацию,
обусловленную релаксацией остаточных напряжении при
термической обработке, которая совмещена по времени с
охрупчиванием шва и околошовной зоны при старении.
Исчерпание деформационной способности приводит к по-
явлению трещин в этих зонах.
При лазерной сварке на высоких скоростях можно на
порядок снизить время высокотемпературного нагрева
опасных зон, сохранив тем самым упрочняющие фазы. За
счет этого устраняется локализация деформаций вызван
пая релаксацией остаточных напряжений. Эти процессы
18у


приводят к повышению сопротивляемости образованию
трещин в сварных соединениях никелевых спя—
последующей термической обработке.
Лазерная сварка на скоростях 120 15U
длительную жаропрочн
последующей термической обработки почти
_ 7Иовня, что и с последующей термиче ^«иот-
кой (рис. 4.9). Это объясняется интенсивным термиче-
ским и деформационным упрочнением металла шва. Та-
ким образом, конструкции из никелевых сплавов, сварен-
ные лазерным лучом, могут эксплуатироваться без после-
дующей термической обработки. Коэффициент снижения
эксплуатационных свойств по отношению к
таллу у соединений, пoлvuo^.’-- _^нпии сваркой, со-
ставляет пп ..«л при аргонодуговой сварке он ра-
вен 0,77.
Кратковременная прочное-’
нений при температуре 20°С,
термическую обработку, выше
сварных соединений без
ботки и находится на
Испытания на '
pax 650°С цназывают, что
с последующей и
ки отличаи^м
ванием соединений после
пытаний 650°С
сплава.
Усталостная
можность получать
ним без|
го же уровня, ’
« f
г//** ”
сплавов при
м/ч дает воз-
эсть соедине-
: тако-
ской обработ-
МЧ.Маио™™
- м»г 1 m V Н И й
-.-шению к основному ме-
полученных лазерной °
,у, тогда как при аргонодуговой
сть лазерных сварных соеди-
прошедших последующую
соответствующих значений
последующей термической обра-
уровне свойств основного металла.
показьтя^ТеЛЬНуЮ РРОЧНОСТЬ при температу-
ющей и без ппрГ° свойстива сварных соединений
ются незначительн^Это^ дермической обработ-
единений -	_ Это обУсловлено подстари-
»рки. тяк х«дк температура ис-
температуре старения
—ши жаропрочных
термичрги~-°-
предел -
’ У аналог
lu') циклов на 19/0
соединений при аргонодуговои
jp’”- лазерной срог'" °
-г
вой сваркой	-моши аргоноду
Учитывая, что детали^из жяп^Ческой
сплавов работают в условиях
температурах 700...900°С, а т
ских свойств, Мпм'”'
мендации по применению
Для конструкций г .
комендуется применять
сваркой без г _..^у«ощей термо»
нагруженных конструкций при их
190
свайки, так как
соответствует то*--
_^.пая прочность соединений *	_.г^-1пых ни-
келевых сплавов с последующей термической обработкой
имеет предел выносливости (на базе 107) циклов на 10%
выше, чем у аналогичных соединений при аргонодуговой
сварке. Соединения, полученные лазерной сваркой без
последующей термообработки, имеют одинаковый предел
выносливости с соединениями, полученными яргонодуго-
с последующей теркйческой '£pa6oTU
жаропрочных никелевых
длительных нагрузок при
можнГс^рмуГиХтКь°ТлЛреКС МеХаНИЧ:
эименению лазерной сварки ДуЮЩие реК
конструкций с кратковременным нагружением ре-
применять соединения, полученные лазерной
последующей термообработки. Для тяжело
конструкции при их Длительном наруже-
вда необходимо применять после лазерной сварки ПЛ7
термическую обработку, состоящую в закалкее
^дующим старением	у закалке с по-
м	очередь™ ГеРМЙ
» защитой шва О1 окис“™я° "адгота=«™ »
,™«₽'на”оде₽ржаш ' "а " еГ°
при обезжиривании- к се^^' Этот налет не снимается
ская зачистка цчяг-г Ре®Уетсяо перед сваркой механике-
«и и последуюшРА Ш"РИНОЙ 20...30 мм от места свар-
им или чистым л обезжиРивание ацетоном, уайт-спири-
ь м бензином.
лимо исклюД^ПРеЖДения °бРазования в швах пор необхо-
I сФерным r ЧИТЬ контакт расплавленного металла с атмо-
с°стояни оздУХом- Никель и его сплавы в расплавленном
(азот вс)И М0ГуТ РаствоРять большое количество газов
галли’з ДОрод’ кислород), которые, выделяясь при крис-
кобпач^11И И ОхлажДении металла шва, могут приводить
Ванали Ованию пор. Легирование шва титаном, хромом и
РИем Уменьшает вероятность образования пор, а це-
Зом J^WaPraHueM, углеродом, ниобием, кремнием и желе-
Увеличивает
Darn Им Аразом, при сварке необходимо защищать
пап ЛаВленный металл и предохранять зону сварки от по-
3дД»ия воздуха, влаги и других загрязнении.
п-	. никелевых сплавов в качестве
- гелий или смесь гелия с ар-
Г31Для предотвращения порис-
тости ~	, I DtpTb по 20% водорода Ни-
Кеп! В гелий можно A°6aB*”TBO водорода как в жид-
ь растворяет большое ко рри кристаллизации ни-
м» так и в твердом состоВпопа в 2 раза больше, чем
ель может растворить во Р шег чем углеродистая
аУстенитная сталь, и в J P^ja
Сталь.	еПствие водорода в зоне сварочной
Положительное Д^ ^то кислород воздуха в первую
8анны объясняется твО^орОДОМ и поэтому возможность
°чередь окисляе^дд никеля в расплавленном металле бу-
образования ,1МУму; в результате устраняются при-
дет сведена	пор
чины обРаз°1И смесями целесообразно защищать верх-
ванны, а корень шва можно защищать ао-
нюю час'	t
ГО"мМеталл в сварочной ванне при сварке никеля и его
сплавов более вязок, чем при сварке сталей, и поэтому
191
—°св1рке -
При лазерной /ьзУют
защитного газа
гоном в соотношени
т‘ - боль>е.
кель растворя • м
ком, так и в тверд
V <'
-^минимуму; в результате устраняются при-
НИЯ пор.
ванны, а корень шва можно защищать ар-

проплавляется на меньшую глубину. При выборе режи-
мов сварки следует учитывать это положение и назначать
завышенные по отношению к стали мощности луча.
Для обеспечения высокой работоспособности соедине-
ний скорость лазерной сварки следует выбирать в диапа-
зоне 70 ..150 м/ч. Подобные скорости дают оптимальные
соотношения геометрии шва, размеров околршовной зоны,
состояние структуры, деформаций деталей и механиче-
ских свойств.
Сборка под сварку должна обеспечивать минималь-
ные зазоры и перекосы кромок. Следует избегать стыко-
вых соединений с отбортовкой кромок, так как образую-
щиеся в этом случае с обратной стороны шва «карманы»
могут вызвать появление щелевой коррозии при эксплуа-
тации изделий.
§ 4.5. ПРИМЕРЫ ПРАКТИЧЕСКОГО
ПРИМЕНЕНИЯ ЛАЗЕРНОЙ
СВАРКИ МАЛЫХ ТОЛЩИН
Необходимым условием эффективного и экономически
выгодного применения лазерной сварки является пра-
вильный выбор номенклатуры деталей, при изготовлении
которых в наибольшей степени проявляются уникальные
возможности лазерного источника нагрева. Это можно
продемонстрировать на конкретных примерах промыш-
ленного применения лазерной сварки малых толщин, где
неоспоримо доказана необходимость использования этого
метода соединений.
к	широкое применение нашла лазерная свар-
мышленностиЩсН В электРонн°й и радиотехнической про-
она начал^ п?Им₽МеНТа пРоявлени* рубиновых лазеров
ществчялась свапЛАЛЯ сваРки микросхем. Осу-
ществлялась сварка различных электоонных компонен-
-р«»-
ральных схем к печатным платам ₽ яинение интег
Лазерная сварка может применяться при сбооке элек-
тронных компонент в любом из известных в настоящее
время типе компоновки, но особенно выгодна она для
устройств с так называемыми балочными выводами При-
соединение таких выводов ведется под микроскопом,
который можно использовать одновременно ддя фокуси-
ровки лазерного пучка в центре поля зрения микроскопа
Для того чтобы несколько .выводов одновременно при-
192

единить к интегральной схеме или печатной плате
автоматически устанавливают в нужном положении и о
помощью специальной оптики лазерный пучок пасши
±“°”т ,тоб“ ”oma™™ »w«x
осуществляется опи! ’ НапримеР’ в °мом ™ случаев
РеМеНН°е пРисое^^ четырех
растягивают „ Ц<?ЛИ ПЯ™° Пучка Рубинового лазера
! аятом пп линию с помощью цилиндрической линзы,
атем приваривают четыре вывода из сплава Ti — Pt,
оторые находятся иа обращенной к лазеру стороне пла-
’ к тонкой золотой пленке, нанесенной на керамиче-
скую подложку. Лазерное излучение хорошо поглощается
I материалом выводов и вызывает их плавление, но не раз-
дает золотую пленку, обладающую более высоким
/ коэффициентом отражения.
Широко применяется лазерная сварка никелевого вы-
I ода q контактом на основе никелевого сплава в тран-
I ЗИсторе. Применение лазерной сварки позволяет избе-
। Жать растрескивания стекла, находящегося в соединении.
Ри обычной контактной сварке сопротивлением выде-
•^яющаяся теплота часто вызывает растрескивание стек-
н полученный сварной контаю выдерживает
в«бра11ионнУых испытаний. Лазерная сварка ^пе^вает
хорошее перемешивание материал в
Лей и гарантиоует высокую механическую прочность.
стрескивание стекла пр подвергаЮщейся тепло-
агодаря малому разм ру ' соединение отличается
ому воздействию. Полу<	вибраиии, например уста-
ысокой надежностью в У позволяет изготавливать
новка на рубиновом лазере
Шесть транзисторов в j ^ыла достигнута при внедре-
.....Вы^я^ФЛ^иВНвмасс0вое производство катодов
нии лазерной сварк^еви3оров и телефонных микрореле
кинескопов UBeTHbIXv3JJbi состоят из простых деталей ма-
(ФРГ). Указаниыетребуется большое количество, к ним
лых размеров, ^сокие требования по длительности ра-
предъявляются^^ параметров, высокой точности сбор-
боты, идентичН"згОТОВЛения катодов были связаны с ми-
ки. ^>yAHOCT деталей и при ранее существовавшей тех-
ниатюрность^^ проВедения работы под микроскопом,
нологии тр^^ очень кропотливой и трудоемкой операцией
пб°рКповыш^ия производительности труда и качества
ДЛпных катодов разработана и внедрена в производство
Лтом^ическая установка для сборки, точечной лазерной
193

сварки и контроля качества катодов. Управление про-
цессом осуществляется миниатюрной ЭВМ по сигналам,
выдаваемым чувствительными элементами, функционируй
юшими в отдельных позициях установки Производитель-
ность подобной системы составляет 2200 катодов в час
Внедрение лазерной сварки и установки заменило кро-
потливый труд семи работниц, обеспечивающих ранее
выпуск 1200 катодов в час.
Проникновение лазерного луча через стекло позволи-
ло применить это ценное свойство при сварке проволоки
с плоским металлическим лепестком. Проволоку прижи-
мают стеклянной пластиной к лепестку, предварительно
вставив ее в отверстие, выполненное в пластине, а луч
направляют на конец проволоки около края отверстия.
При этом удается избежать появления подрезов и повы-
сить надежность сварного соединения проволоки диа-
метром 0,1 мм.
Отсутствие зависимости качества сварных лазерных
соединений от электрических свойств соединяемых дета-
лей использовано в технологии сварки проволоки из дра-
гоценного сплава с пружиной из фосфористой бронзы.
Такое соединение трудно получить методом обычной
сварки сопротивлением из-за большого различия элек-
трических сопротивлений свариваемых деталей. С по-
мощью рубинового лазера импульсом длительностью
мс получено качественное соединение этих материалов,
есто сварки удалялось от фокальной плоскости на та-
Tunv^CCT0HHHe’ ЧТО обеспечивалась фокусировка, гаран-
я Дд*’овременное пеРекрытие в одном лазерном
не поевышает*1 * проволок- Глубина прогреваемой зоны
ЛоеЛопистпй г мкм’ и поэтому жесткость пружины из
JorJ сваоиваемогг>Ы Не изменяется- Прочность получае-
мого свариваемого соединения оказывается такой же,
как и у исходной проволоки толщиной 2мкм
Особенность лазерного nvn.uJu, °И мкм' пт
свойства взаимодействовать с различии зависимости а.
лами эффективно использованаРдля тХ™ Р°ДЭ МЭТ изо-
лированных медных проводов с выи е Н°" сварки И3
В данном случае лазерное излучение одновременно3 ис-
На изделиях осуществлялась свапкп
ки диаметром 312 мкм в полиуретановой изО™яц"Р° Про-
волока наматывалась на буртик выводной клеммы что
обеспечивало защиту проволоки от прямою воздействия
194

II лазерного излучения. Благодаря этому предотвращалось
| оголение проволоки в процессе сварки. Лазерный пучок
I фокусировался на головке клеммы, расплавлял ее и сва-
I ривал с проволокой. Выводы были сделаны из сплава
| <монель> с температурой плавления более высокой чем
у меди. Когда температура «монеля» в месте контакта
с проволокой достигает точки плавления «монеля», то
сначала плавится медь с более низкой температурой плав-
ления и на месте контакта образуется расплавленная
зона.
Импульсная лазерная сварка достаточно широко и
эффективно применяется для герметизации корпусов по-
лупроводниковых приборов. Лазерной сваркой в данном
случае устраняется ряд дефектов сварных швов, полу-
ченных другими методами (плазменной, аргонодуговой),
8 первую очередь таких, как растрескивание стеклянных
изоляторов выводов, расположенных вблизи шва. Такой
эффект связан с высокими скоростями нагрева и охлаж-
дения в зоне сварки, что не дает возможности распро-
странения теплоты в зону, где помешены стеклянные
изоляторы.
Лазерная сварка используется для изготовления кор-
пусов малогабаритных реле с чувствительными элемен-
тен, нагрев которых недопустим в процессе сварки.
Локализация зоны термического воздействия за счет ре-
гулирования энергии в импульсе лазерного излучения
титрования энеРг”” свапку без повреждения внут-
позволяет осуществлять сварку о^ nn^MvmeCTBO
Ранних элементов.
зерной сварки, разработали
Автоматической сварки
' Используя данное преимущество ла-
7 машины и технологию для
газонаполненных анероидных
гельный элемент, представляю-
корроок*	~рично соединенные между собой
щии собой две полость между которыми заполнена
Упругие мембр п’фрагмы выполнены из листа нержа-
парами фреона.	одз мм и диаметром 50 мм,
веющей стал” ят по наружном кромкам. Перед завар-
сварку пРОИЗфрагмами помещают лист бумаги, пропи-
кой между'Еденным фреоном, большая часть которого
тайный ох & герМетичный объем коробки уже после
испаряет осуществляют СО2-лазером непрерывной
генеРрКаИЦии мощностью 400 Вт.
Заготовки помещают в специальные зажимы, ровно
пасположенные по окружности индексного стола через
^5°, на котором производится загрузка заготовок, обрез-
ка и укладка абсорбирующей бумаги, смачивание бумаги
195

фреоном и прижим диафрагм друг к другу, сварка, раз.
грузка готовых деталей, подготовка зажимов к следую-
щему циклу. Большинство операций выполняется пнев-
матическими приводами, а управление ими — системой
программного управления. Для предупреждения образо-
вания пор И свищей, возникающих в результате повы-
шения давления в коробке к концу сварки, конструкция
прижима изменена таким образом, чтобы сжатие диаф-
рагм происходило по кольцу на достаточно большом
расстоянии от кромок и исключало возможность утечки
фреона в зону сварки, которая в этом случае произво-
дится в чистой защитной атмосфере (без разности дав-
лений).
Герметизацию модуля полупроводникового лазера
осуществляют с помощью сварки твердотельным лазером.
Приваривается крышка толщиной 0,2 мм к корпусу (тол-
щина стенки 1 мм) модуля. Сварку производят на уста-
новке «Квант-15». Применение импульсной лазерной
сварки позволяет избежать перегрева модуля, который
имел место при ранее применявшейся пайке, и тем самым
свести брак до минимума. В зависимости от типоразмера
корпуса сваривают угловые стыковые и нахлесточные
соединения.
Помимо микроэлектроники лазерная сварка применя-
ется в целом ряде других областей. Например, привари-
вают лопатки направляющего аппарата турбины по верх-
ней кромке точками с перекрытием 60 % к гребенке (тол-
щина лопатки 0,19 мм). Трещины, которые характерны
для дуговой сварки в защитных газах, не образуются
при сварке лазерным лучом.
В Японии разработаны оборудование и технология
лазерной сварки тонкой (0,15 мм), широкой (1000 мм)
полосы из электротехнической стали, включенные в ли-
нию ее непрерывного изготовления. Необходимый зазор
в стыке должен быть 0,04 мм, а необходимое расхожде-
ние между осевой линиеи этого зазора и центром сфоку-
сированного луча соблюдается при подготовке кромок
лазерной резкой краев свариваемых отрезков полосы.
После лазерной резки импульсным лазером производят
сварку состыкованных краев. Сварной шов имеет ширину
0,6 мм на поверхности и 0,2 мм с обратной стороны шва.
Завышения и занижения шва незначительные
Ряд зарубежных фирм США, Швейцарии и других
стран использует лазерную сварку для изготовления
аэрозольных баллонов. Например, осуше'-^ пяют сварку
Ivo	4 U

продольным швом баллонов из луженой листовой стали
Толщина свариваемого материала 0,183...0,223 ™ с ™'
ку производят встык после вальцовки загОтоВОК а „и
линдр. Кроме высокого качества сварки обеспечивается
также экономия материала (нахлесточной части кор
пуса). Не требуется контактная проволока, применяемая
при сварке сопротивлением. Автоматизированная линия
оснащенная непрерывным газовым лазером мощностью
1,0 кот, обеспечивает производительность 215 шт/мин
ла автоматизированной линии фирмы BSA (Швейцария)
/	аэР03°льные баллоны малого диаметра
.	33,5 мм). Сваривают материал толщиной 0,18...
1 0,22 мм, производительность линии 330 шт/мин.
Примером эффективного использования сварки в
тРУДНодоступных местах является производство цилин-
дрической литиевой батареи (Япония). Лазерным лучом
осуществляется приварка корректирующей сетки к внут-
ренней поверхности цилиндрической емкости батареи,
внутрь отрицательного цилиндрического электрода поме-
щают сетку из нержавеющей стали и вводят отражаю-
щее зеркало. Лазерный луч направляют на зеркало и
производят приварку сетки по окружности при вращении
заготовки По окончании сварки внутрь отрицательного
электрода устанавливают цилиндрический литиевыи эле-
сшрода устан^^	благодаря чему контактное
ент и запрессовыв	ялем’ентами сводят к минимуму,
сопротивление	ектрических машин используется
При изготовлениии статОров с после-
лазерная вырезка пакетЫ (США). Это позволило из-
Дующей их сваР*°“ дорогостоящих и трудоемких штам-
бежать изготовл	системе использован СОг-лазер
пов. В техн°;!!0Гпт работающий в импульсном режиме,
мощностью °Уиена ’ компьютерным управлением мощно-
Система сиа°*льНОСТью импульсов, скоростью резки и
стью луча, д^емеи1енИя. Роторные и статорные пласти-
геометриеи п р одистой стали имеют толщину 0,3...
ИЬо7 ИЗм МСкорость резки составляет 1178...3810 мм/мин
1,27 высоком качестве резки. Переход на другую форму
пРи па составляет всего несколько минут. Вырезанные
к°ИТтины собирают в пакеты и сваривают швом шириной
И глубиной 0,75 мм. Незначительная зона терми-
°’9кОго влияния не сказывается на магнитных свойствах
лвлий-
и для изготовления деталей турбин используют лазер-
ную сГ дисков проплавным швом. На участке сборки
Дующей их сваркой „в
бежать
пов
197

установлены два СО2-лазера мощностью 525 Вт. рабо-
аюшне в импульсном режиме. Их производительность
составляет 500 изделий в смену. Лазеры работают по-
очередно: пока на одном посту производится свар
другом___установка или съем изделия со стола. Имеется
числовая система управления лазером, позиционером и
погрузчиком. Диски с толщиной стенки 1 1,5 мм свари-
вают со скоростью	импульса из-
1ьс\7мЛХР.1.-’О^-НОСТЬЮ 525 Вт
“1 -
тни свар-
ограннчи-
материалов.
сборки и
I
• в
По разработанной в США
иия лазерного соединения
рхюшем поиг”— '
В г
рироваиного
шаг которые
Соединение
проплавленш
леиия иаполн
ны раса'
составляет 500
очередно: пока на одном
другом —
'...моая система v
nornv^»*--*	„ lU.lHlHHO .
co скоростью 150 м/ч. Дли	.. «нульс
лечения 2 мс, частота повторения импульсов 200 Гц
пулъсная мощность луча 1...1.5 кВт.
Лазерная сварка позволила снизить стоимость ме
лических слоистых гофрированных панелей. Стоимост
была достаточно высокой из-за применения сложной
нологни изготовления и использования контактной свар-
ки — процесса, требующего наличия высококвалифици-
рованного персонала для настройки и эксплуат'
ных установок. Применение контактной сварки
вается толщиной и типом соединяемых
Использование лазерной сварки позволило создать новые
ТИПЫ КОНСТРУКЦИЙ И уПрОСТИТЬ ТеХНОЛОГНЮ
сварки.
разработанной	_лпккюгии для выполне-
г ^«1ПСния элементы размещали в фиксн-
приспособлении, состоящем из двух плит,
нижней плите имелись канавки для размещения гоф-
деля, в верхней — сквозные пазы,
ствовал шагу гофров наполнителя,
в осу шесто — 10сь Путем полного
лав-
и ван-
тения осуществляли
дотельный лазер,
серию отдельных
^.цельность
зеры работают по-
у производится с”'1- . на
листа и час
^..ммжителя. Защиту корневой ч
ны расплавленного металла от окислен
аргоном. Для сварки использовали твер
Сварной шов представляет собой с
сварных точек, каждая из которых имеет г
ла свариваемых материалов диаметр 0,4
на проплавления стенки гофрирована*
ставляет 50—100% при
VOn»**'
тел ьн ост и импульса 8 х
Восемь точечных швов,
разуют участок г
Поскольку максимальная
15 Гн. энергия
20 Дж при помощи лазер
Установка для сварки
чает лазер стол
ИОЛ
и частичного проп
иту корневой части швов
лла от окислен"’
Уровне
-..xz,V
ванного эл<
.. нмвне энергии 20...29
. и фокусном расст
. выполненных с
шва длиной 2.2 мм и
частота пульсаций
импульса ограничивает^-
лазера 300 Вт.
^аркн гофрировании
, перемещаюш»”-
га СО’
дли-
оянин 200 мм.
MW м ПеРекРытием, об-
И ШНПЧ” ”
Al *
г — * пен
шириной 0,4
:апи*’ состав.1нс»
ся уровнем 15—
х панелей вклю-
продольном н по*
аюшийся в
^направлениях, устройство с цифровым управле-
комллект специальной оснастки. Процесс сварки,
.иенне стола, подача защитного газа выполняются
?анее заданной программе. Изготовленные сварные
.содержат 224 прерывистых шва, каждый из кото-
it включает 70 сварочных участков, состоящих из
w отдельных точечных швов.
емимо металлов лазерным лучом сваривают и не-
шические материалы. В США используется техноло-
вваркн кварцевых пластинок (50Х50Х I мм) в квар-
грубу со стороны ее торцов под углом Брюстера
а также окон в среднюю часть трубы. Сварку
^алкают лучом СОо лазера непрерывной генерации
дюстью 200 Вт. Для визуализации оптической оси
с этого лазера соосно с ней введен луч Не—Ne-.тазе-
" оомощью полупрозрачного зеркала из селенида
*эеоа ^т^)а>кенная от зеркала часть энергии луча СО>-
ij ? попользуется для контроля и оптимизации фор-
лУча> так ник сварку производят без исполь-
я фокусирующей линзы. Для получения соедине-
.ения |ТГ°ЧНа мо^ность 60...80 Вт при скорости вра-
’5 об/мин кварцевой трубки диаметром 12 мм.
бр Ненне лазерной сварки в инертном газе исключает
Розп°ЙаНИе в зоне соединения паров воды, ухудшающих
уСо^ачпость кварца в ультрафиолетовом диапазоне, а
'Ofii ЗЯ концентрация энергии позволяет уменьшить теп-
°и<ение швов, снизить деформации н обеспечить гер-
тоЧНо^Ию тРУбы без ухудшения интерферометрической
пи В США применяется технология лазерной герметиза-
3 Цилиндрических капсул из водопоглошаюшего п^и
п РНого материала, применяемых' в ФаРмацев™
^изводстве в качестве оболочки для лека^твв^/"5яУ‘на
^тоят из двух половин, одна из которых надевается на
JPWy». С."«У;	3°0<£‘~
^Рным излучением с плотностью энергии и.ио...
0 ВЖб““шинстве случаев лазерная сварка металлов
Малой Хшнны заменяет контакту ю сварку сопротив-
лением Считается, что контактная сварка дешевле, чем
время Проведенный анализ работы
ЛлеР*нЯрмВСША показал, что при большом числе свар-
ных соединений стоимость единичной операции сварки,
выполняемой с помощью автоматической системы лазер-
ной точечной сварки» может оказаться меньше стоимости
196
199

выполняемой вручную операции контактной сварки. Ка-
питальные затраты на автоматическую систему лазерной
сварки, безусловно, пока выше затрат на аппаратуру
сварки сопротивлением с той же производительностью.
Однако это компенсируется более высокой стоимостью
труда, затрачиваемого на обслуживание аппаратуры кон-
тактной сварки. Проведенный анализ основывался на
трехлетием сроке эксплуатации аппаратуры на уровне
производительности 10 млн. сварных соединений в год.
Учитывалась заработная плата операторов, накладные
расходы и стоимость потребляемых материалов. Из ре-
зультатов анализа следует, что стоимость операции ла-
зерной сварки в указанных условиях в 1,5 раза ниже
стоимости контактной сварки. Кроме того, лазерная свар-
ка обеспечивает лучшее качество соединения, а также
исключает тепловые повреждения и деформацию деталей.
Из этого следует, что импульсная лазерная сварка в ряде
случаев может быть конкурентноспособной даже с таким
широко применяемым методом, как контактная сварка.
§ 4.6. ПРИМЕРЫ ПРОМЫШЛЕННОГО
ПРИМЕНЕНИЯ ЛАЗЕРНОЙ СВАРКИ
С ГЛУБОКИМ ПРОПЛАВЛЕНИЕМ
Лазерная сварка с глубоким проплавлением приме-
няется преимущественно для изготовления деталей ма-
шин и механизмов. В настоящее время этот метод нашел
применение в целом ряде отраслей промышленности, та-
ких, как автомобильная, судостроительная, авиационная,
машиностроительная и др.
Используя высокую плотность энергии и возможность
получения узких швов, применяют лазерную технологию
изготовления составных шестерен. Например, солнечные
шестерни с кольцом муфты свободного хода коробки пе-
редач изготовляют по двум технологическим вариантам:
из цельной поковки стали 12Х2Н4А, а также раздельно
изготовляют кольца муфты свободного хода и солнечные
шестерни, а затем их сваривают. Сварной сборочный
узел по сравнению с цельнокованым на 30 мм короче,
так как отпадает необходимость в технологической ка-
навке для выхода резца при строжке внутренней поверх-
ности поковки кольца муфты свободного хода г
Таким образом, сварной сборочный узел позволяет
уменьшить размеры как шестерни, так и в целом коробки
передач. Лазерная технология также позволяет изготав-

ливать солнечную шестерню не из стали 12Х2Н4А а из
более дешевой стали 18ХГТ, так как шестерня менее
подвержена износу по сравнению с кольцом муфты сво-
бодного хода. Лазерная сварка сборочного узла возмож-
на после механической и термической обработки (закал-
ка с низким отпуском, цементация зубьев) деталей и яв-
ляется заключительной операцией.
Технический эффект получен в случае применения ла-
зерной сварки для приварки опорных лап к цилиндру из
сплава, содержащего 6%Ti и 4%А1. При этом возможно
снижение температуры нагрева металла в зоне соедине-
ния до 80 °C, в то время как при плазменной сварке эта
температура составляет 970, при дуговой — 510, при
электронно-лучевой — 270 °C. Лазерная сварка позволя-
ет устранить деформации сварного соединения, обеспе-
чить высокую прочность, что не удавалось достичь
Другими методами сварки.
Аналогичный эффект был достигнут в случае привар-
ки массивных элементов жесткости к тонкостенной трубе,
покрытой изнутри слоем пластмассы. Лазерная сварка
Дает возможность избежать повреждения внутреннего
слоя покрытия вследствие повышения температуры. Вы-
сокие скорости сварки н достаточная плотность энергии
обеспечивают проплав элемента жесткости и трубы без
разрушения пластмассы.
При изготовлении цилиндров из нержавеющей стали
С целью сокращения трудовых и материальных затрат,
а также устранения механической обработки после свар-
1акже ycipa	яя сваока. Цилиндры имеют диа-
метрСП2003600 мм прн толщине стенки 9,5 м 127 мм.
Обычно такие соединения «“^Х^кой^мо'нГско-'
говой сваркой I1₽6...2мм, что
требует последующей механической обработки деталей.
Сварка мощным СО2-лазером позволила соединять ци-
линдры за одни проход встык, без разделки кромок и без
л "садки (зазор 0,127 мм), биение при вращении детали
ПР’ авЛЯет 0.75 мм. После сварки усадка шва незначи-
соСьная (0,075...0,125 мм), поэтому последующей терми-
теЛкОй и механической обработки сварной детали не
чеС6уется. Общая затрата времени составляет около 1 ч,
трб(чем время самой сварки всего 1 мин (скорость свар-
пр’б0 м/ч), тогда как при дуговой сварке общие затраты
еМени составляют 2,5 ч. Стоимость работ при лазерной
0рарке в 3 раза ниже, чем при дуговой.	f
201

Лазерную сварку применяют при изготовлении ротора
я турбомолекулярного насоса, требующего высокой
точности изготовления и надежности. Кольца poiopa и
опаточные диски собирают попеременно и сваривают
азерным лучом по периферии кольцевыми швами так,
что образуется единый корпус в сборе. Диски и кольца
надежно и прочно соединяются между собой, обеспечи-
вая вы окую точность при минимальных деформациях от
сварки.
Имеется большое количество примеров применения
а ерной сварки в автомобильной промышленности.
С использованием СО2-лазера непрерывного действия
мощностью 1,5 кВт осуществляется сварка оцинкованных
листов толщиной 0,75 мм для днища кузова легкового
автомобиля. Сварное соединение должно отвечать сле-
дующим требованиям: утолщение шва должно составлять
не более 10% от толщины свариваемого листа, ширина
шва — не более 1,0 мм, геометрия детали после сварки
не должна осуществляться на потоке.
Этим требованиям отвечает только лазерная сварка,
так как электронно-лучевая непригодна из-за необходи-
мости вакуумирования, контактная роликовая и дуговая
в инертном газе дают шов больших размеров. Сварной
шов имеет высокие механические свойства: испытания
более 2000 сварных листов при деформации днища ку-
ова дали положительные результаты. Сварка осущест-
вляется на автоматической установке поточной линии.
Установка имеет два участка сварки, обслуживают ее
трое операторов. За две смены сваривают более
1000 листов.
При борке карбюратора механическое крепление
заслонки и поворотной оси заменили на точечную лазер-
ную варку глубоким проплавлением. Осуществляется
проплавное нахлесточное соединение сталей 08 и 20.
уммарная глубина проплавления составляет 2 2,5 мм.
( орк в дут на гибкой автоматической линии, куда
) лючены вс лазерные установки «Комета» мощностью
1,2 кВт. Время получения одной точки 3,5 с, что су щест-
венно м ныш вр мсни, затраченного на механическое
крепление.
Раща ютана автоматизированная линия по лазерной
сварк карданных валов автомобилей. Переход от тради-
ционных методов сварки валов (дуговой и контактной)
к лаз рной позволил снизить остаточные деформации
детали и тем самым существенно увеличить срок службы
202

он также	ьма перспективным в тех случаях,
может оказать ® непродолжителен, т е использова-
когда процесс	Рвки исключает технологическое вре-
"я^вакуумирование камеры. С другой стороны, лазер-
ная сварка может быть более выгодна по сравнению
~	___о z-nvu^p ГйЯПИИ Knvnwnrflna ГШТИЫ Y
с
узла. Установка оснащена системой автоматическом по
дачи заготовок, выведения луча на место сварки про-
граммированием цикла сварки, системой контроля за глу-
бинои проплавления и параметрами излучения
При изготовлении большого количества деталей ла-
зерная сварка по свом техническим возможностям (сва-
риваемые материалы, производительность, тепловложе-
ние и др.) и параметрам сварных швов (глубина про-
плавления и ширина шва, качество сварных соединений)
идентична электронно-лучевой сварке. Поэтому необходи-
мо четко представлять области целесообразного и эко-
номически выгодного применения лазерной сварки и не
ставить задачи повсеместного широкого ее внедрения.
Фирма «Сиаки» (Франция) провела экономический
сравнительный анализ лазерной и электронно-лучевой
сварки шестерен диаметром 500 мм при глубине проплав-
ления 4,0 мм.
На экономическом балансе процесса в значительной
степени сказываются такие факторы, как энергоемкость,
потребление воды для охлаждения лазера, возобновле-
ние газовой среды резонатора, потребление газа для
защиты шва.
Сравнение позволяет сделать следующие выводы,
Лазеры с большой мощностью излучения имеют высокую
стоимость и дороги в эксплуатации. Наибольшие рас-
ходы при эксплуатации составляют расходы на газы
Двухки поваттный лазер обходится дешевле — почти как
электоонно лучевая установка равной мощности, однако
электронноу т много газа Лазер мощностью 2 кВт
И -1 весьма перспективным в тех случаях,
nonZee "сварки непродолжителен, т е использова-
р0ЦГл ..^Лпаки исключает технологическое вре-
куумирёёание камеры. С другой стороны, лазер-
и	более выгодна по сравнению
здектронно-лучёвой в случае сварки крупногабаритных
'ей стоимость вакуумных камер для которых су-
епно выше стоимости лазерного оборудования.
ществ того, при оценке экономичности следует учитывать
КроМ^ько стоимость оборудования и себестоимость еди-
не т0 сварного шва, но и повышение качества сварного

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Современное состояние проблемы показывает, что в
настоящее время отработана технология лазерной сварки
металлов малых н средних толщин до 5... 10 мм. Однако
широкое применение лазерной сварки в ряде случаев
сдергивается соображениями экономического характера
Стоимость лазеров пока еще достаточно высока, что тре-
бует тщательного выбора области их применения. Эконо-
мически эффективное применение лазерного излучения
определяется разумным выбором объекта сварки, где ис-
пользование традиционных методов нецелесообразно.
Лазерную сварку следует рекомендовать к примене-
нию. когда ставится задача получения прецизионной кон-
струкции. форма и размеры которой практически не долж-
ны изменяться в результате сварки. Прн этом достигает-
сч значительное упрощение технологии изготовления
сварных конструкций за счет выполнения лазерной сварки
в качестве заключительной операции без последующей
правки или механической обработки для достижения тре-
буемой точности.
Лазерная сварка обеспечивает существенное увеличе-
ние производительности, так как процесс осуществляется
на скоростях 100. ДУХ) мчи баз ее. что в несколько раз
превышает скорости наиболее распространенного тради-
ционного способа дутовой сварки.
Лазерная сварка не требует вакуумных камер в отли-
чие от злектримно-лу вой сварки Это является основа-
рекомендовать лазерную сварку для соединения
элементе в конструкции любых габаритов. Учитывая так-
же. что кри лазерной сварке возникают минимальные де-
<рсрмацнн« этот провесе можно рекомендовать ддя
сварки кру-огабармтяых конструкций малой жесткости
с тру даодоступнымн швами.
Отджчнтельмой особенностью лазерной сварки являет-
ся возможней» соединения трудьоеворнваемых материа-
лов • том числе разнородных Перспективным представ
льется развитие ком би нк ревенных методов евдпкм соче-
тающих версию лазерного излучения с Лугой, Год аз мой
и другими трахание-!-ыми источниками энергии
-1

ЛИТЕРАТУРА
Обязательная литература
Дбяльсиигон Г. Р., Вели-
хов Е. П.> Голубев В. С.
м др
Джятигое С И., Илае Я. А,
Романов Г. С. и др.
Веденов А Л.» Гла-
щуш Г. Г.
Водоватов Ф. Ф, Челъ-
аый А. Л., Вейко В. П.
Мощные газоразрядные СО,-лазеры я их
применение в технологии — М.: Наука.
Действие излучения большой мощности на
металлы. — At: Наука. 1972.
Физические процессы при лазерной обра-
ботке материалов. — М.: Энергия, /985.
Лазеры в технаюгм. — At: Энергия,
1975.
 др.
Реди Дж.
Ръжалип Н. Н.. Углов А Л..
Зуев И. В. и др.
PwiLtui Н. Углов А. А.
Кокора Л . Я.
Промышленные примеяешя лазеров. —
At: Мир, 1981.
Лазерная и злектроя.чо-.тучевая обработка
материалов. — М Машиностроение.
1985.
Лазерная обработка материалов. — At
Машиностроение. 19/5.
Сварка в машяноетроенп. Сврааочинк.
Г. 2 — At А! зим «встроен ие. 19781
Дополнительная и свециальвая литература
Арутяжян Р В и Др-
Кшдоте состомшш иоверхиостя а ис дго-
тожп кромок нл ировлавлепе металла
ера лазерной сварке // Саароявое яро-
вгугут .~tbol 19S4. Ае 5. с. 16—1&.
m Н В Сурков А
матерва-
х:?вбс .'•. гтрсеяии. —- Л__ Мламвистроеяие»
1978
кме. 1961

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
5
ОСОБЕННОСТИ
ПРОЦЕССА
ЛАЗЕРНОЙ
СВАРКИ
§1.1.	Источники	энергии	.	.	7
§ 1.2.	Теплофизические показатели
лазерной сварки	................. 10
§ 1.3.	Тепловые	процессы	...	16
§ 1.4.	Деформации и напряжения	28

МЕТОДЫ
ЛАЗЕРНОЙ
СВАРКИ И ИХ
ФИЗИЧЕСКИЕ
ОСОБЕННОСТИ
§2.1. Классификация методов ла-
зерной сварки ................... 35
§ 2.2. Преимущества и особенности
процесса лазерной сварки ....	43
v § 2.3. Физические особенности об-
разования сварного соединения при
сварке материалов малых толщин	47
§ 2.4. Физические особенности об-
разования сварного соединения при
сварке с глубоким проплавлением 57
ОСНОВЫ
ТЕХНОЛОГИИ
ЛАЗЕРНОЙ
СВАРКИ
§ 3.1. Основные элементы оборудо-
вания для лазерной сварки	82
§ 3 2. Фокусирующие системы для
лазерной сварки .................. 93
§ 3.3. Лазерная сварка материалов
малых толщин .................... 110
§ 3 4. Лазерная сварка	металлов
с глубоким проплавлением	....	129
§ 3.5. Особенности проектирования
деталей для лазерной сварки с
глубоким проплавлением . .	147

ЛАЗЕРНАЯ
СВАРКА
РАЗЛИЧНЫХ
КОНСТРУКЦИОННЫХ
МАТЕРИАЛОВ
§4 1.	Сварка сталей .......... 153
§ 4	2. Сварка алюминиевых и маг-
ниевых сплавов..................170
§ 4.3.	Сварка титановых сплавов 182
§ 4.4.	Сварка никелевых сплавов 186
§ 4.5.	Примеры практического при-
менения лазерной сварки малых
тол тин.........................193
§ 4.6.	Примеры промышленного
применения лазерной сварки с глу-
боким проплавлением .	. 200
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА
204
206

Учебное издание
ЛАЗЕРНАЯ ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИЯ
В 7 книгах
Григорьянц Александр Григорьевич,
Шиганов Игорь Николаевич
КНИГА 5
ЛАЗЕРНАЯ СВАРКА МЕТАЛЛОВ
Зав. редакцией А. В. Дубровский
Редактор М. А. Алексеева
Мл. редактор Т. Ф. Артюхина
Художник В. М. Боровков
Художественный редактор Л. К. Громова
Технический редактор И. А. Балелина
Корректор Р. К. Косинова
ИБ № 7114
Изд. № ОТ-662. Сдано в набор 20.08 87. Поди, в печать 03.05.88. Т— 10157
Формат 84ХЮ8*/з1, Бум. кн.-журн. Гарнитура литературная. Печать высо-
кая. Объем 10,92 усл. печ. л. 11,34 усл. кр.-отт. И ,25 уч.-изд. л. Тираж
14 500 экз. Заказ № 860. Цена 45 коп.

Издательство «Высшая школа», 101430. Москва, ГСП-4, Неглинная ул.,
д. 29/14.
Ярославский полиграфкомбннат «Союзполиграфпрома» при Государственном
комитете СССР по делам издательств, полиграфии и книжной торговли.
150014, Ярославль, ул. Свободы, 97