Электронно-лучевая и лазерная сварка. Схемы процесса, преимущества, недостатки и область применения

При электронно-лучевой и лазерной сварке используют лучевые источники энергии. При ЭЛС носителем энергии являются электроны, при лазерной – фотоны.

Характерным признаком для лучевых источников является высокая плотность энергии в пятне нагрева. Концентрация потока энергии достигается специальными фокусирующими устройствами. Площадь нагрева может быть по сравнению с дугой в 1000 раз меньше при плотности энергии в 1000 раз большей. При использовании фотонного луча эта разница еще значительнее. Высокая плотность энергии в малом пятне нагрева определяет основные преимущества при сварке электронным лучом и лазером: – выгодная форма проплавления (ножевая, кинжальная); – возможность получения прецизионных соединений; – сварные соединения получаются с благоприятной структурой и свойствами, особенно, из высокопрочных сталей с пониженной трещиностойкостью.

Электронно-лучевая сварка – сварка плавлением, при которой нагрев металла осуществляется быстродвижущимися в вакууме электронами. Электронный луч создается в электронной пушке с высоковольтным источником постоянного тока. Вакуум порядка до 133×10^–4 Па обеспечивается вакуумной насосной системой.

Основные параметры режима ЭЛС сила тока, напряжение электронного луча, скорость сварки. Мощность источников энергии составляет от 2 кВт до 60 кВт, позволяющие выполнять сварку при использовании малой мощности изделий микроэлектроники, при больших мощностях – для сварки больших толщин до 200...500 мм.

Лазерная сварка – для местного расплавления соединяемых частей используют энергию светового луча, полученного от оптического квантового генератора-лазера. Фотон представляет собой элементарную частицу, порцию света, обладающую нулевой массой покоя и движущуюся со скоростью, равной скорости света в вакууме.

Преимущества лазерного луча являются возможность передачи энергии на большие расстояния неконтактным способом, сварка через прозрачные оболочки, так как для световых лучей прозрачные среды не служат преградами, получение качественных соединений на металлах, особочувствительных к длительному действию теплоты. Сварка выполняется на воздухе, в защитной атмосфере и вакууме. Основной недостаток – низкие значения КПД установок, высокая стоимость и недостаточная мощность серийного оборудования. ЛС применяется для соединения мелких деталей.

В основе действия оптических квантовых генераторов и усилителей лежит индуцированное излучение возбужденных атомов, т.е. атомов, в которых значительное число электронов переведено на верхний уровень. Такое состояние называют состоянием с инверсной заселенностью уровней. Оно может быть создано, например, внешним источником излучения с определенной длиной волны. Это состояние неустойчиво и через некоторый промежуток времени возбужденный атом может спонтанно перейти в равновесное состояние и излучать энергию в виде фотонов. Пока атом находится в возбужденном состоянии, его можно стимулировать, т.е. побудить испускать энергию под воздействием внешнего фотона. Такое излучение называется индуцированным и используется в квантовых усилителях. Излучателем служит рубин, силикатные или фосфатные стекла с неодимом, иттрид-алюминиевый и алюмонатриевый гранат – с неодимом и др.

Для сварки металлов используются твердотельные и газовые лазеры.

Твердотельные лазеры имеют средние мощности излучения достигающие лишь до сотен ватт. Ограничения по мощности связаны с малыми линейными размерами искусственно выращиваемых кристаллов и их низкой теплопроводностью, что затрудняет их охлаждение в лазерных установках.

Газовые лазеры, в которых в качестве активной среды используется диоксид углерода СО₂, способны развивать в настоящее время среднюю мощность от нескольких сотен ватт до десятков киловатт в непрерывном и импульсно–периодическом режимах работы.

Особенностью лазерного излучения является возможность легкой его транспортировки. С помощью зеркальных оптических систем лазерный луч можно направлять в труднодоступные места, подавать на значительные расстояния, одновременно или последовательно использовать на нескольких рабочих местах.

В отличие от электронного луча, дуги и плазмы на лазерный луч не влияют магнитные поля свариваемых деталей и технологической оснастки, что позволяет получать устойчивое качественное формирование сварного шва по всей длине.

По сравнению с дуговой сваркой плавлением лазерная имеет следующие преимущества:

1. За счет высокой концентрации энергии и малого пятна нагрева объем сварочной ванны в несколько раз меньше. Этот фактор положительно сказывается на целом ряде характеристик сварного соединения: снижение ширины шва в 2...5 раз, ограничивается тепловое воздействие на свариваемый металл, получение швов с глубоким проплавлением, что дает возможность уменьшить деформации деталей до 10 раз (позволяет уменьшить размеры допусков, экономия времени на правку, исключение механической обработки после сварки); малый объем расплавленного металла и специфическая форма шва улучшает условия кристаллизации сварных швов.

2. Острая фокусировка луча и возможность передачи его на значительные расстояния позволяет вести сварку в труднодоступных местах, например, в углублениях гофрированных конструкций, внутренних полостей и др.

3. Жесткий термический цикл с высокими скоростями нагрева и охлаждения дает возможность существенно сократить зону термического влияния. Это позволяет снизить эффект фазовых и структурных превращений в околошовной зоне, приводящих к разупрочнению; трещинообразованию, снижению коррозионной стойкости.

4. Процесс сварки осуществляется в атмосфере воздуха, либо в среде защитных нейтральных газов (Аr, Ge), в среде углекислого газа (СО₂) и др. Поэтому создается возможность сварки для соединения элементов конструкций любых габаритов.

Однако, при сварке с присадочной проволоки (для легирования или снижения требований при сборке) необходимо обеспечивать точную с большой скоростью подачу проволоки Æ 1,0...1,5 мм в зону плавления шириной 1,0...2,0 мм. К.п.д. лазерных установок не превышает 10%.