Сварка и наплавка лазерная

Лазерная сварка и наплавка осно­ваны на использовании энергии све­тового потока высокой степени направленности. Это вид сварки плав­лением, при котором нагрев материа­ла осуществляется когерентным све­товым лучом, создаваемым оптиче­ским квантовым генератором — ла­зером. Основной частью такой уста­новки является генератор, преобра­зующий энергию, запасенную в блоке конденсаторов, в энергию когерент­ного светового луча. Лазер позволяет сконцентрировать на поверхности де­тали энергию при плотности мощно­сти от предельно малых величин до 1017 Вт/см2-. Энергия может переда­ваться материалу бесконтактно, на значительные расстояния от генера­тора и строго дозировано..
При восстановлении деталей ла­зерный луч используют для приварки дополнительной ремонтной детали или для наплавки поверхностей в ре­зультате расплавления основного и присадочного материала. Присадоч­ный материал может использоваться в виде порошка, проволоки или фоль­ги. Наиболее часто для наплавки используют порошкообразный сплав, который предварительно наносят на восстанавливаемую поверхность в виде обмазки на основе клеевых со­ставов.

Это позволяет обеспечить равно­мерность прогрева по наплавляемой поверхности с минимальными поте­рями порошка и, кроме того, повыша­ет до 60 — 70 % степень поглощения лазерного излучения.

Э то позволяет обеспечить равно­мерность прогрева по наплавляемой поверхности с минимальными поте­рями порошка и, кроме того, повыша­ет до 60 — 70 % степень поглощения лазерного излучения.

Для восстановления и упрочнения деталей можно использовать серийно выпускаемые промышленностью лазеры (табл. 8.8). ВНПО "Ремдеталь" разработало комплект оборудования для восстановления гидро- и топлив­ной аппаратуры, включающий в себя газовый лазер ЛГЛ-702 с номиналь­ной мощностью 800 Вт, установку для наплавки СКС-011-1-02 с оснасткой для лазерной обработки, приспособ­ление для управления лучом, систему газообеспечения. Наплавка осущест­вляется самофлюсующимися порош­ками типа СНГН и ПГ-СР цилиндри­ческих и плоских поверхностей, изно­шенных на глубину до 1 мм, с припу­ском на дальнейшую обработку шли­фованием. Установка обеспечива­ет производительность наплавки до 10 см2/мин при толщине слоя за один проход 0,5 мм. Потери наплавляемо­го материала не превышают I %, площадь, занимаемая лазерной на­плавочной установкой и вспомога­тельным оборудованием, — около 50 м2.

Установка 01.03-165 "Ремдеталь" разработана для использования с ла­зерами мощностью 0,7 — 2,5 кВт. Благодари изменениям в конструк­ции оптической системы формирова­ния л уча, приходящего от лазер а, воз­можна обработка(наплавка)по тра­ектории различных форм, в том числе и по винтовой линии, зигзагом и т. п. Кроме того, для снижения излучения в нерабочей части цикла между лазе­ром и установкой располагается заслонка-отсекатель излучения, управ­ляемая с пульта установки или в ав­томатическом режиме.

На ремонтных предприятиях ла­зерной наплавкой восстанавливают впускные и выпускные клапаны, распределительные валы, золотники гидрораспределителей, роторы тур­бокомпрессоров и другие детали. К основным достоинствам восстанов­ления лазерной наплавкой следует отнести малое тепловложение в де­таль и как следствие отсутствие де­формаций и зоны термического влия­ния. Лазерная наплавка еще не на­шла широкого применения, однако является весьма перспективной для авторемонтного производства.

Существенными преимуществами перед обычно используемыми технологиями характеризуется лазерная сварка: осуществление процесса с высокой скоростью за один проход без дополнительной обработки краев, минимальная зона термического воздействия, отсутствие напряжений и повышение коррозионной стойкости. Эксперименты показывают, что предельно возможная толщина свариваемой углеродной стали примерно пропорциональна средней мощности лазерного излучения. Лазерной сваркой достаточно просто формируются соединения из углеродистых и легированных сталей толщиной обычно до 10 мм. Наиболее полно преимущества лазерной сварки реализуются при сварке тонких изделий (до 1 мм): электроконтактов, корпусов приборов, батарей аккумуляторов, сильфонов, переключателей, сердечников трансформаторов. Проводится высококачественная сварка ювелирных изделий из золота, платины -(цепочек, колец), а также сварка термопар, токовводов и т.д.

Технология лазерной сварки успешно может быть применена для сварки тонкостенных труб (1мм) из титанового сплава для теплообменников, где требуется особо высокая степень надежности, что особенно актуально для атомной промышленности. Сварка сквозных и проплавленных швов на сталях с различной степенью легирования. Сварка со сквозным и неполным проплавлением для всех типов соединений – стыковых одно- и двухсторонних, с подваркой корня шва, угловых, тавровых, а также нахлесточных и многослойных и разнообразных сталей.

Преимущества лазерной сварки:

· Высокая производительность;

· Низкая трудоемкость;

· Высокое качество сварных соединений (механические свойства швов – уровне свойств основного материала при повышенной коррозионной стойкости и стойкости к образованию горячих и холодных трещин, малой зоне термического влияния, мелкозернистой и мелкодисперсной структуре самого шва и ЗТВ. Снижение температуры предварительного и сопутствующего подогревов, а также сокращение (или исключение) цикла послесварочной термической обработки;

· Минимальные сварочные деформации (в 3-5 раз ниже, чем при дуговых способах сварки, что особенно эффективно и важно в судостроении);

· Возможность решать уникальные технологические задачи – сваривать материалы самого широкого спектра – от высоколегированных и высокоуглеродистых сталей до сплавов на основе меди и титана, пластмасс, керамики, стекла и разнообразных соединений, в т.ч. в труднодоступных местах и разных пространственных положениях с углом наклона лазерного пучка к поверхности детали до 30град., возможность выполнять соединения различных типов, когда применение традиционных способов сварки просто исключено.

В основном для лазерной сварки используются два типа лазеров: CO2 и Nd:YAG. Оба типа работают в инфракрасной области спектра, невидимой человеческому глазу. Лазеры на алюмо-иттриевом гранате генерируют излучение на длине волны 1,06 мкм, что обеспечивает высокую поглощаемость данного излучения проводящими материалами, имеющим показатель отражения в 20-30%. Кроме того, ближний ИК диапазон позволяет использовать стандартную оптику, чтобы достичь размера фокусного вплоть до 0,001” в диаметре.

В свою очередь, дальний ИК диапазон, а именно, 10.6 мкм, в котором работает CO2 лазер имеет показатель отражения от 80 до 90% для большинства металлов и требует специальной оптики для фокусировки пучка до минимального размера пятна. Однако, там, где твердотельный лазер может дать 500Вт мощности, газовый способен достичь десятков киловатт. Более того, отражающие характеристики металла играют роль только до достижения температуры плавления. После еѐ прохождения отражающая способность снижается за микросекунды, достигая показателей отражения абсолютно черного тела.

Зная размер фокусного пятна, легко можно посчитать плотность энергии на поверхности.

Для пучка с модой TEM00:

S = (4λ /π) × (F / D);

где:

S – диаметр фокусного пятна;

λ – длина волны;

F – фокусное расстояние линзы;

D – диаметр лазерного пучка;

Для многомодового пучка:

S = F · Φ;

где:

F - фокусное расстояние линзы;

Φ – расхождение лазерного пучка;

Если представить тело подвергнутое лазерное сварке как полубесконечное и твердое с

постоянным тепловым нагревом, тогда температурное распределение как функция от глубины будет выглядеть следующим образом:

T(x,t) = (2E/K) × [(kt/π)½× exp(-x2/4kt) - (x/2)erfc(x/2(kt)½)];

где:

T(x,t)-температура на глубине x, в момент времени t после начала постоянного нагрева;

E - постоянный тепловой поток – теплопроводность;

k – температуропроводность;

x - глубина под поверхностью;

t - время после начала нагрева;

erfc - функция интеграла вероятности, таким образом, на поверхности (x=0), изменение температуры будет равняться:

T(x,t)x=0 = (2E/K) × (kt/π)½;

 

 

Источники:

1. http://ilook4.net/index.php?option=com_content&view=article&id=45&Itemid=85

2. http://marbo.spb.ru/servises/laser_cladding/

3. http://www.zsklaser.ru/stati/lazernaya_svarka_i_naplavka_pressform/

4. http://gendocs.ru/v7601/