Лазерная сварка – технология будущего

11.11.2016

Сварка больше искусство, чем наука. Хорошо сваренный шов является своего рода комплиментом сварщику, выполнившему его. Однако физику процесса сварки очень трудно понять. А принцип работы лазерной сварки и его результат ещё сложнее.

Принцип работы лазерной сварки

Источник: phys.org

Лазерная сварка - комплексный и сложный процесс, который можно условно поделить на три этапа.

Создание входного отверстия лазерной сваркой

Процесс лазерной сварки начинается с фокусировки лазерного луча на поверхности металла. Хотя поверхность металла сначала и отражает большую часть света лазера, со временем он начинает поглощаться в достаточной мере, чтобы нагреть металл. После нагрева металл слегка меняет свою отражательную способность, что приводит к увеличению поглощения света и, как следствие, к большему нагреву. Теперь плавящийся металл начинает испаряться и закручиваться в воронку. Воронка из расплавленного металла создаёт давление на поверхности. Когда она достигнет достаточной глубины, свет начинает отражаться на внутренние стенки, что создаёт большее плавление, большее испарение, большее углубление, и так далее. Плавление продолжается до тех пор, пока не сформируется глубокая яма, называемая «замочной скважиной». Если рассмотреть этот процесс в поперечном сечении, это выглядит, примерно, как торнадо из расплавленного металла внутри ямки, сопровождающегося процессом испарения. И все это происходит в течение первых нескольких миллисекунд.

В учебнике «Современная сварка» под авторством H.B. Cary и S. Helzer оценивается значимость сварочных работ для производства. Согласно исследователям, сварка в том или ином виде затрагивает 50% внутреннего валового продукта США. Необходимость сварки в производстве больших вещей, конечно, очевидна. Такие сложные в техническом отношении вещи, как автомобили, самолеты и поезда, всегда подвергаются сварке в процессе производства. Тем не менее, есть и менее очевидные вещи. Например, корпуса батарей в вашем мобильном телефоне. Оказывается, что мы можем использовать лазерную сварку во многих направлениях производства.

В некоторых случаях, плотно сфокусированный луч лазера повышает точность сварных швов при производстве медицинских устройств, оболочек батарей и даже капсул, предназначенных для временного хранения ядерного материала.

Первый этап работы лазерной сварки

Источник: phys.org

Еще одним преимуществом лазерной сварки является то, что ее применение в производственных масштабах оказывается очень выгодным с экономической точки зрения. Во время сварки энергия лазерного луча направлена на создание сварного шва, с очень малыми потерями на нагрев окружающего материала. Уменьшение потерь означает рациональное использование энергии. Кроме того, новейшие лазерные технологии на основе оптоволокна можно установить на роботизированное производство, что увеличит пропускную способность конвейерной линии. Недавние исследования также показывают, что экологический след лазерной сварки по сравнению с традиционной сваркой значительно меньше, как с точки зрения количества ресурсов, необходимых для сварки, так и с точки зрения опасных отходов производства.

Смерч из расплавленного металла

Горячее облако испарений, образующееся над поверхностью смерча расплавленного металла, состоит из четырёх различных составляющих: твёрдых частиц, капелек жидкости, горячего газа, и даже небольшого количества плазмы. Каждое из этих составляющих взаимодействует с поверхностью металла.

Специалисты выбирают металлические сплавы в соответствии с конкретной необходимостью производства, на основе конкретных требований к прочности, твёрдости, коррозионной стойкости и т. д. Интересно, что большую роль здесь играют элементы - углерод, фосфор, кремний и цинк, находящиеся в составе сплава в мизерных количествах, определяют его свойства. Как повар приправляет суп специями, так и металлург настраивает свойства металла путём вкрапления в небольших количествах этих элементов. Тем не менее, динамический процесс лазерной сварки может изменить состав стали, выбрасывая небольшие порции некоторых элементов. В результате, состав шва сварки и его химические свойства будут отличаться от окружающего его метала. Это несоответствие может привести к появлению микротрещин, износу или коррозии. Другими словами, это приведёт к плохой сварке.

Второй этап работы лазерной сварки

Источник: phys.org

Избежать плохой сварки можно за счет измерения следов элементов, выброшенных из торнадо. Именно по нему можно контролировать процесс сварки. Такое измерение напоминает процесс, который встречается во время эксперимента для определения неизвестного вещества по цвету пламени горелки, которые вы могли делать в старших классах на уроках химии. Но в данном случае, вместо пламени горелки, используется настроенный лазер, который делает видимым свечение определённых элементов.

Охлаждение и застывание сварки

После того как лазер переместился дальше по шву, расплавленная консистенция металла быстро остывает и становится твёрдой, соединяя разрыв между двумя отдельными частями. Скорость, с которой формируется этот мост (другими словами, скорость охлаждения) определяет качество окончательной структуры сварного шва. Процесс охлаждения в конечном счёте покажет, будут ли формироваться трещины, и какова будет структура сварного шва.

Третий этап работы лазерной сварки

Источник: phys.org

Для изучения качества шва, мы должны рассмотреть сварку с разных сторон. Для этого рассекается сварной шов, чтобы изучить его на наличие трещин и дефектов. Используя метод атомно-масштабного сканирования, можно увидеть, как в процессе сварки смещались отдельные атомы. Изучение этих процессов имеет важное значение для понимания того, почему сварные швы ломаются, и как это связано с самим процессом сварки

Перспективы широкого применения лазерной сварки

Из-за сложности процесса лазерной сварки, его регулярное систематическое изучение может стать полезным подспорьем в работе производственных специалистов. Так как труд, затраченный на исследования, окупится качеством выполняемых работ сварщиков. Таким образом, сварочное сообщество должно опираться на сложные исследования, чтобы найти идеальный рецепт сварки.

Лазерная сварка имеет потенциал увеличить свою долю до 25% в существующей сварочной деятельности. В настоящее время она занимает всего лишь 0,5% во всей сварке.

Понимая все технологические, экономические и экологические выгоды, которые дает процесс лазерной сварки, она непременно займёт своё место в производственной линии.

Источник

акция сервис-центра написать нам скачать каталог заказать звонок