Лазерная сварка

Лазерная сварка – это способ сварки плавлением, при котором в качестве источника нагрева и плавления металла используется лазерный луч, который отличается от обычного светового луча направленностью, монохроматичностью и когерентностью.

Благодаря направленности, лазерный луч позволяет концентрировать энергию на относительно малом участке. В отличие от обычного луча света, состоящего из набора различных частот электромагнитных волн, лазерный луч монохроматичен, т.е. обладает строго определенной частотой и длиной волны. Это позволяет хорошо фокусировать его различными оптическими линзами, так как угол преломления луча в линзе постоянен. Когерентность – это согласованное протекание во времени нескольких волновых процессов. Некогерентные колебания могут погасить друг друга, когерентные же колебания вызывают резонанс, который усиливает мощность излучения.

Перечисленные свойства лазерного луча позволяют достичь очень малых площадей облучения и создать на поверхности свариваемого металла плотность энергии порядка 108 Вт/см², что достаточно для плавления металла, а, следовательно, и для сварки.

Для сварки обычно используются три типа лазеров: твердотельные, газовые и волоконные.

Твердотельные лазеры относительно маломощны (до 1...2 кВт), и, поэтому обычно используются для сварки мелких деталей в элементах микроэлектроники. Например, герметизации корпусов микросхем, приварки тончайших выводов из проволок диаметром 0,01...0,1 мм, изготовленных из золота, нихрома, тантала. Применяется также точечная сварка изделий из фольги с диаметром точки 0,5...0,9 мм. Сварка таких мелких деталей возможна за счет высокой степени фокусировки луча и точной дозировки энергии путем регулировки длительности импульса в пределах 10-2...10-7 с.

Более мощными являются газовые лазеры, мощность, которых значительно больше, чем твердотельных, и достигает 20 кВт, что, в принципе, позволяет сваривать металл толщиной до 20 мм.

В последние годы широкое распространение получили волоконные лазеры. Лазеры этого типа имеют достаточно высокий КПД до 35%, мощность излучения до 5 кВт, что позволяет сваривать средний диапазон толщин.

Формирование сварного соединения при лазерной сварке происходит аналогично электронно-лучевой сварке. Луч постепенно углубляется в деталь, оттесняя жидкий металл сварочной ванны на заднюю стенку кратера. Высокая степень концентрации энергии позволяет получать «кинжальное» проплавление при большой глубине и малой ширине шва, что значительно уменьшает сварочные деформации.

При лазерной сварке достигаются скорости сварки, значительно превышающие скорость дуговой сварки. Нагрев металла также происходит гораздо быстрее, что в ряде случаев положительно сказывается на структуре сварного соединения. В ряде случаев важным достоинством лазерной сварки является возможность располагать лазер на большом удалении от места сварки, транспортируя луч с помощью волоконной оптики. Это позволяет осуществлять сварку в труднодоступных местах. Возможна также сварка нескольких деталей от одного лазера расщепленным с помощью призм лучом.

Особенностями лазерной сварки является достаточно высокая сложность и стоимость оборудования. Поэтому объектом ее применения обычно являются ответственные сварные конструкции.