Лазерная сварка.

Решение для уникальных технических объектов

Лазерной сваркой сейчас никого не удивишь, однако технологи российских промышленных предприятий по-прежнему воспринимают этот процесс как научную экзотику. Поэтому актуально рассмотреть реальное положение дел в этой области, включая следующие вопросы: технология как практический инструмент (оценил, купил, работаем), топология целесообразного применения (когда получаем суперприбыль, когда одни убытки), состояние рынка оборудования.

Обсуждение интересно провести с точки зрения производства уникальных технических объектов, что позволяет выявить специфические особенности процесса. Однако, это не означает, что «массовая» лазерная сварка классических простых объектов нерентабельна. Именно на больших объемах производства, несмотря на большие капитальные затраты, лазерная сварка показывает очень хорошую экономику.  Например, в Санкт-Петербурге частная фирма уже около 10 лет сваривает лазером в автоматическом режиме топливные фильтры для инжекторных двигателей (объем выпуска до миллиона в год), и в цене конечного изделия стоимость сварки составляет 2-3 копейки. Другой классический пример массового изделия – сильфоны, свариваемые лазером.

Производство уникальных объектов – второй полюс, где лазерная технология может быть прибыльной и эффективной в силу высокой стоимости этих объектов.

С физической точки зрения любой процесс сварки, за исключением специальной экзотики типа диффузионной или сварки взрывом, представляет собой процесс, основанный на плавлении металла в локальной малой области пространства. Способы сварки различаются укрупненно по способу доставки необходимой энергии в локальную область. Поскольку зона стыка деталей находится частично в глубине физической сцены, а способы доставки энергии обычно не обладают способностью переноса энергии непосредственно во «внутренние» точки металлического твердого тела, то плавление металла во внутренних областях может идти либо за счет теплопереноса, либо, в случае высококонцентрированных источников, за счет разрушения поверхности и образования парогазовых воронок или даже узких каналов.

Выделенная в зоне плавления тепловая энергия будет уходить в массу металла по классическим законам теплопроводности.  Чем более узкую зону плавления мы имеем, и чем выше скорость сварки (скорость движения источника) – тем меньше будут потери на общий нагрев изделий. На пути внешнего источника нагрева могут быть разные барьеры и искажающие факторы: лазерный пучок частично отражается от металла или искажается плазмой, возникающей в парах металла, электронный пучок или электрическая дуга может отклоняться магнитными полями.  Наконец, на финишном этапе формирования сварного соединения происходят процессы кристаллизации и фазовых превращений, при этом возникают локальные механические напряжения, которые ведут к искажению геометрии изделия или фиксации в соединении внутренних полей напряжений, вплоть даже до разрушения соединения. Присутствие в области «сварочной сцены» газовой фазы (за исключением сварки в вакууме) еще более усложняет ход процесса за счет взаимодействия жидкого металла с молекулами газа, диффузии, окисления и химического образования нежелательных соединений в металле шва.

Таким образом, в локальной области сцены процесса сварки развивается большой комплекс согласованных процессов газо- гидродинамики, теплопереноса, фазовых превращений, плазмообразования и разных типов рассеяния.

Теперь необходимо прояснить, что мы понимаем под уникальными объектами.  Вначале приведем пример. В 90-х годах возникла задача изготовить квадрупольные линзы (трубки дрейфа) для специального типа ускорителей. Конструктивно объект представлял герметичную медную тороидальную оболочку, внутри которой располагался набор сильных магнитов системы SmCo или NdFBr. Классическая дуговая сварка медной оболочки представляла собой сложную задачу из-за действия магнитных полей и необходимости исключения перегрева. Необходимо было использовать сложную охлаждаемую оснастку, а сварщику долго приходилось приобретать специфический опыт. Применить электроннолучевую сварку было также невозможно из-за чрезвычайно сильных магнитных полей, отклоняющих и искажающих электронный пучок.

Лазерная сварка даже при наличии у нас СО₂ лазера мощностью 10 кВт также не могла быть осуществлена из-за недостаточной плотности мощности. При фокусировке пучка внеосевым кассегреновским зеркальным объективом в пятно 0,2…0,25 мм особочистая медь марки М0 показывала только минимальное поверхностное оплавление и большая часть лучевой энергии просто отражалась.

Решение было найдено за счет расчета новой фокусирующей оптики. Полный анализ двухкомпонентных зеркальных систем показал, что существует еще один подкласс системы с самопересечением лучей с хорошими аберрационными характеристиками, который может обеспечить фокусировку в пятно 0,12…0,15 мм. Такая система была изготовлена, но все равно плотности мощности оказывалось недостаточно, и было найдено неожиданное решение – использовать до этого считавшееся вредным  явление образования лазерной плазмы в качестве буферного механизма дополнительного нагрева поверхности. В зону сварки подавали гелий с добавкой азота для инициации приповерхностной плазмы и  при таких условиях медь стала свариваться с отличным качеством. Этот пример дополнительно иллюстрирует сложную многоканальную структуру доставки энергии в сварочную зону.

Это хороший пример уникального объекта, то есть объекта, для изготовления которого не существует изначально готовой типовой технологии. Образно говоря, чертеж уникального объекта представляет что-то типа треугольника Пенроуза или объект на гравюрах Эшера – он изображен, но реализовать его невозможно (в другом, конечно, смысле). Это значит, что такие объекты должны проектироваться совместно с технологией его изготовления.

Понятно, что с течением времени уникальные объекты и развитые для них технологии переходят в разряд массовых.

Можно сформулировать следующие признаки (без претензий на полноту) «уникальности» объектов:

·   содержимое оболочки нельзя подвергать нагреву;

·   допустимые термические деформации после сварки очень малы или должны быть введены в жесткий допуск;

·   имеет мощные магниты в конструкции;

·   конструкция предполагает сварку разнородных металлов;

·   конструкция предполагает приварку тонкостенного элемента к массивному;

·   конструкция предполагает сварку внутри (в глубине) сборки.

Лазерная сварка является наиболее «адекватной» технологией для изготовления уникальных объектов. Близко к ней стоит ЭЛС, но кроме известных недостатков, связанных с необходимостью вакуумирования, электронный луч критичен к электромагнитным полям и неприменим для ряда комплексных изделий, содержащих высокотехнологичную начинку.

Малые остаточные термические деформации и низкий уровень теплового воздействия при лучевых способах сварки является просто физическим следствием малых размеров зоны плавления и высоким значением приведенной скорости источника v/La, где v – физическая скорость, L – характерная ширина зоны плавления, а – температуропроводность. Малая удельная энергия на единицу длины обуславливает меньший уровень напряжений. Малый поперечный размер зоны перемешивания металлов положительным образом сказывается на «технологической гибкости» сварочного процесса по отношению к разнородности металлов – не образуется объемных опасных зон хрупких эвтектик. МЫ имеем образцы уникальных сварных соединений чистой меди и нержавеющей стали 08Х18Н10Т. На выставках «рефлекторная» реакция специалистов по сварке – разломать руками эти образцы, однако этот «вандализм» не удается осуществить даже с использованием силового инструмента – прочность и пластичность сварного шва довольно высока.

После рассмотрения уникальных свойств лазерной сварки необходимо осветить вопрос о ее аппаратной реализации. Лазерная техника прошлого поколения, основана либо на импульсных YAG-лазерах, либо на газовых СО₂ лазерах и весьма специфична: требует особой эксплуатации и наличия опытных специалистов. Это в любом случае высоковольтная техника, всегда содержащая малоресурсные элементы, а для случая СО₂ – еще и потребляющая особо чистые газы. В составе лазерного излучателя всегда имеется энергетически нагруженная область накачки, требующая специального охлаждения. В СО₂ лазере это само рабочее тело – смесь газов, которую приходится для охлаждения прокачивать через теплообменные модули, а также регенерировать и частично обновлять. В YAG-лазерах – это квантрон, в котором рабочее тело приходится интенсивно охлаждать водой.

В классических лазерах также обязательно имеется оптический резонатор, которыйи генерирует специальные моды электромагнитной волны, обладающие особыми свойствами, когерентностью и высокой яркостью. Элементы этого резонатора должны с высокой точностью юстироваться, а также обладать высокой стабильностью положения при наличии сильно нагруженных по теплу элементов.

Все это приводит к тому, что высоконадежный классический лазер всегда нагружен большим количеством вспомогательных систем и является весьма сложным техническим объектом, непростым для эксплуатации. При этом КПД от розетки остается невысоким, порядка 8% для СО₂ лазеров и несколько процентов для YAG.

Новая технология волоконных лазеров, развитая В.Гапонцевым, выгодно отличается отсутствием большинства перечисленных недостатков, а волоконный лазер для пользователя является идеальным преобразователем электрической энергии в световую с КПД 25…35%, который не требует для работы ничего, кроме электропитания. Новое решение, конечно, не отменит все остальные конструкции, но захватит большую часть ниши «лазерные промышленные технологии».

Внутреннее устройство волоконного лазера схематически - это система с оптической полупроводниковой накачкой. Имеется низковольтный источник питания и линейки светодиодных структур. Диоды накачки размещены в отдельных модулях накачки, из которых излучение по кварцевым волокнам поступает в собственно лазерный резонатор, где рабочим телом является кварцевое волокно легированное иттербием (или иным редкоземельным элементом). Это волокно накачивается светом из модулей накачки, а резонатор образован на концах волокна методами интегральной технологии. Эта система не требует никакой юстировки и не содержит предельно нагруженных элементов, за исключением собственно оптических волоконных, в технологии которых и содержится основной набор ноу-хау.

В результате мы имеем систему, имеющую следующие преимущества:

·        КПД около  30%;

·        полное отсутствие расходных компонентов или материалов;

·        почти нулевые эксплуатационные расходы;

·        минимальные габариты;

·        модульность конструкции и возможность увеличения мощности путем установки дополнительных модулей накачки;

·        вывод излучения по волокну, причем длина гибкого кабеля может быть до100 и более метров;

·        высокую яркость излучения, особенно для одномодовых и маломодовых лазеров, превышающую яркость классических мощных лазеров;

·        общий ресурс не менее 100 000 часов.

Что дают эти свойства новых лазеров для производства уникальных объектов? Во-первых, высокая яркость – это именно то, что нужно для сварки тонкостенных элементов и конструкций. Из этих элементов потом изготавливаются специальные микродетали для космической отрасли. Сварка длится доли секунды, и элемент не успевает нагреться. Высокая концентрация энергии создает уникальный сварочный процесс, очень быстрый, точный и не приводящий к деформациям и нагреву изделий.

Во-вторых, передача лазерного излучения к технологической головке по оптическому волокну существенно упрощает проблему пространственных манипуляций. Лазерную сварочную головку можно теперь просто устанавливать на любые промышленные манипуляторы и средства робототехники. Если для создания технологического комплекса на основе СО₂ лазера всегда требуется специальное проектирование сварочной системы, то теперь она сравнительно просто интегрируется из готовых элементов – волоконного лазера, манипулятора (робота) и лазерной головки.

Все сказанное не отменяет проблему разработки самой технологии, но  технологический процесс теперь почти полностью упаковывается в конструкцию лазерной головки. Комплексная проблема распадается на три основных части:

·        высоконадежный источник лазерного излучения (имеется);

·        робототехника (имеется для большинства задач);

·        лазерные головки.

От решения последней проблемы в основном и будет зависеть процесс быстрого распространения новых технологий на основе волоконных лазеров. Лазерная головка должна не только обеспечивать фокусировку излучения в поток с определенными характеристиками, но и обеспечивать целый ряд специальных функций, в частности:

·        подачу необходимых газов с определенным составом и характеристиками потока;

·        обеспечивать измерение ряда параметров (в простейшем случае – расстояние до материала) для автоматического поддержания процесса;

·        следить за линией стыка при сварке.

Такие технологические головки должны снабжаться микропроцессором и внутренними алгоритмами управления, то есть в идеале они должны «знать», как выполнить требуемый технологический процесс.

Процесс разработки технологий и лазерных головок для обработки волоконными лазерами уже стартовал. Кроме простых серийных импортных головок для лазерной резки, например, фирм Optoskand (Швеция) и Precitek (Германия) уже появились первые инструменты российской разработки. Нами разработана российская многофункциональная головка VF001М для сварки и резки волоконными лазерами. Особенность этой системы, уже сертифицированной для применения с волоконными лазерами, состоит в том, что она имеет регулируемое фокусное расстояние, то есть технолог может программным образом настраивать параметры для конкретного технологического процесса.

Таким образом, в настоящее время происходит становление технической и технологической инфраструктуры, которая способна обеспечить эффективное использование новых лазерных технологий при создании уникальных технических систем и объектов.