Лазерная сварка. 
Сварка и пайка в авиационной промышленности

Лазерная сварка впервые широко стала применяться в радиоэлектронике при изготовлении электронных приборов. Для сварки использовались лазеры с твердым рабочим телом, работающие в импульсном режиме. Имея сравнительно небольшую мощность, низкий КПД, подобные лазерные установки не могли найти применения для изготовления конструкций летательных аппаратов. Однако создание мощных газовых лазеров непрерывного действия, имеющих более высокий КПД, чем твердотельные, внесло существенные коррективы в развитие лазерной сварки, в том числе в расширение использования ее в авиационной промышленности. На рис. 2.37 приведен робот для лазерной сварки.

Рис. 2.37. Робот для лазерной сварки.

При выборе лазерной сварки необходимо учитывать, что она обеспечивает высококонцентрированный нагрев с максимальной плотностью энергии в пятне нагрева до 10¹⁴ Вт/м², а размеры самого пятна соответствуют диаметру не более нескольких десятых долей миллиметра. Поэтому лазерная сварка позволяет получать швы с минимальным расплавлением металла, снижает напряжения и деформации в сварных конструкциях по сравнению с другими способами сварки.

Необходимо принимать во внимание и такие качества лазерной сварки, как возможность сварки вне вакуума, через прозрачные среды, в труднодоступных местах и т. п. При прочих равных возможностях на выбор метода сварки определяющее влияние оказывают экономические показатели. Исследованиями показано, что лазерная сварка при сопоставимой мощности уступает электронно-лучевой в вакууме по эффективности проплавления и скорости сварки.

Стоимость современных мощных лазерных установок пока выше, чем электронно-лучевых, кроме твердотельных, которые дешевле последних. Однако в серийном производстве при определении стоимости лазерной сварки деталей нужно учитывать отсутствие потерь времени на загрузку, вакуумирование и выгрузку деталей по сравнению с электронно-лучевой. Все перечисленные обстоятельства учитываются при обосновании выбора лазерной сварки.

Особенности технологии лазерной сварки связаны в основном со стремлением снизить отражение луча от поверхности свариваемого металла, исключить выброс металла из сварочной ванны под воздействием паров интенсивно испаряющегося металла и выделяющихся из него газов, при сварке больших толщин металлов — с необходимостью защиты сварочной ванны от взаимодействия с воздухом. Отражение от металла уменьшают подбором необходимой формы импульса лазера, специальной обработки поверхности или нанесения на нее покрытия. Выброс металла из сварочной ванны происходит при импульсном режиме сварки и определяется характером нагрева металла. Для расчета максимальной глубины проплавления Z_max без выплеска можно использовать следующее выражение:

где г₀ — радиус пятна нагрева; Т_к — температура кипения металла. Принимается, что в центре пятна нагрева на поверхности металла Т = = Т_к; Т_т — температура на расстоянии Z_max от поверхности, соответствующая температуре плавления металла.

Для увеличения глубины проплавления без выплеска форма импульса должна быть такой, чтобы нагрев поверхности происходил очень быстро до Г_тах < < Т_к, а далее мощность импульса уменьшалась и оставалась постоянной на уровне, способном обеспечивать продвижение фронта плавления в глубь металла.

Естественно, при такой форме импульса, когда максимум его энергии сдвинут в начало импульса, несколько возрастают относительные потери на отражение и теплопроводность. Пологая часть импульса позволяет снизить давление, приводит к увеличению количества жидкой фазы, которая заполняет углубление, возникающее от воздействия переднего, более мощного фронта импульса. Увеличение длительности воздействия импульса способствует также более полному удалению газов из расплавленного металла благодаря увеличению времени пребывания металла в жидком состоянии; этим уменьшается возможность образования пористости.

Импульсной лазерной сваркой сваривают чаще всего проволоку между собой или проволоку с более массивными деталями, при этом лазерный луч позволяет вести сварку без зачистки контактов от изоляции, что увеличивает производительность сварки.

Непрерывная лазерная сварка металлов значительных толщин производится газовыми лазерами.

При сварке непрерывным лазерным лучом большой мощности приходится устранять экранирующее влияние ионизированного облака, которое возникает при взаимодействии лазерного луча с атмосферой и испаряющимся металлом. Облако рассеивает луч и препятствует нагреву металла сварочной ванны. Устраняют его, сдувая струей газа, чаще всего аргона, направляя ее перпендикулярно оси луча. Одновременно инертный газ защищает металл от окисления. Применение для защиты вместо аргона гелия или смеси гелия с водородом увеличивает проплавление лазерным лучом, но более легкий, чем аргон, гелий плохо вытесняет облако плазмы.

Непрерывная сварка лазером обеспечивает значительно большие скорости сварки по сравнению с импульсной, это делает ее более перспективной в производстве летательных аппаратов.

При проектировании узлов и конструкций, изготавливаемых с помощью лазерной сварки, рекомендуют соединения, где чаще всего шов получается благодаря плавлению основного металла.

На рис. 2.38 и 2.39 приведены наиболее характерные типы соединений проволоки между собой и с массивными деталями, а на рис. 2.40 — типы соединений для шовной сварки, осуществляемой лазером непрерывного действия или импульсным, в последнем случае — с взаимным перекрытием каждой точки, обеспечивающим герметичность. В качестве примера в табл. 2.8 приведены режимы импульсной сварки проволоки твердотельными лазерами типа «Квант», а в табл. 2.9 — для шовной сварки лазером на С0₂ небольшой мощности. Режимы для импульсной сварки приведены для случая, когда соединение образуется за один импульс.

Рис. 2.38. Типы соединений:

а — встык; б — параллельное соединение; в — внахлест; г — схема светоловушек; д — угловое соединение; е, ж — соединение скрещивающихся проволок.

Рис. 2.39. Типы соединений проволки с массивными днталями:

а и б — Т-образное соединение; виг — соединение с плоской деталью; д — соединение при намотке проволоки; е — увеличение надежности соединения благодаря укладке проволоки в пазы или канавки.

Рис. 2.40. Типы сварных соединений для шовной лазерной сварки:

а—в — соединение по отбортовке; г — стыковое соединение; д — обратная отбортовка; е — соединение тавровое.