Формирование лазерного импульса для соединения разнородных материалов

Лазерная сварка разнородных материалов – динамичный процесс, и его время пришло.

Там, где требуется такая сварка — в электронике, медицинском оборудовании, потребительских товарах, автомобилестроении и аэрокосмической промышленности — сварка волоконным лазером является превосходным процессом. Это снижает производственные затраты, обеспечивая при этом гибкость конструкции.

Теоретически лазер может сваривать любой материал, который можно соединить обычными методами. Однако из-за различий в физических и химических свойствах, таких как температуры плавления и кипения, теплопроводность, плотность и коэффициент расширения, при сварке разнородных материалов могут возникнуть проблемы, что делает полученное соединение неприемлемым.

В таблице 1 представлена ​​свариваемость пар металлов. При сварке разнородных металлов хорошая растворимость твердых веществ необходима для обеспечения хороших свойств сварного шва. Это достигается только с металлами, имеющими совместимые диапазоны температур плавления. Если температура плавления одного материала близка к температуре испарения другого, возникает плохая свариваемость, что часто приводит к образованию хрупких интерметаллических структур.

В прошлом большинство разнородных сварочных работ выполнялось с использованием импульсных ламповых Nd:YAG-лазеров. Лазеры с ламповой накачкой способны генерировать длинные многомиллисекундные импульсы с пиковой мощностью, во много раз превышающей номинальную среднюю мощность лазера, при условии, что рабочий цикл достаточно мал. Импульсные Nd:YAG-лазеры с ламповой накачкой высокой пиковой мощности в сочетании с возможностями формирования импульса делают эти лазеры идеальными для сварки разнородных материалов. Слишком большой глубины сварного шва, которая может привести к дефектам соединений, а также недостаточной глубине сварного шва, можно избежать, отрегулировав начальную и правильную конечную мощность в зависимости от геометрии соединения и свойств материала (рис. 1).

Специалисты компании Prima Power Laserdyne разработали ряд форм импульсов для улучшения качества сварки за счет уменьшения растрескивания и пористости сварного шва. Их целью было предоставить решения для сварки разнородных материалов в продуктах, склонных к дефектам сварки, таким как трещины, пористость или комбинация того и другого. Чаще всего страдают такие отрасли, как автомобилестроение, медицина, электроника и аэрокосмическая промышленность. Различные формы импульсов были созданы с помощью новой системы LASERDYNE 811 с ​​контроллером S94P, которая включает в себя набор аппаратных и программных функций, предназначенных для формирования импульсов. Эти проекты были реализованы с использованием волоконных лазеров как непрерывного (CW), так и квазинепрерывного (QCW) типа.

Ниже приведены два примера использования формирования импульса для улучшения качества сварки при лазерной сварке разнородных материалов.

Серый чугун широко применяется в автомобильной промышленности. Основным ограничением является свариваемость разнородного материала на чугуне из-за горячего растрескивания и образования пористости в результате недостаточной пластичности графита и процесса литья. В первом примере одна часть автомобильного компонента требовала соединения нержавеющей стали 304 с серым чугуном с помощью сварки с частичным перекрытием. В предыдущем процессе деталь сваривалась электронно-лучевой сваркой (EBW), чтобы уменьшить образование чрезмерной пористости и исключить растрескивание поверхности раздела. Конечный пользователь стремился заменить EBW на лазерную сварку (LBW), чтобы снизить затраты на сварку и подготовку к сварке. Самая большая разница заключается в том, что электронно-лучевая сварка выполняется в вакууме, тогда как лазерная сварка выполняется в атмосферном давлении, и опасность рентгеновских лучей исключается из процесса. Была проведена опытно-конструкторская работа по определению параметров лазера, позволяющих производить сварные швы такого же или более высокого качества по сравнению с электронно-лучевой сваркой, т.е. без пористости или растрескивания поверхности раздела. Работа по разработке параметров лазера, включая форму импульса, проводилась с помощью волоконного лазера непрерывного действия.

Микроскопические исследования металла сварного шва, выполненные с помощью стандартного лазера непрерывного действия, выявили сильную пористость в чугунной части сварного шва (рис. 2). Никаких признаков микротрещин на стыке стыков не обнаружено. Сварной шов, выполненный с помощью контроллера LASERDYNE S94P и импульсной обработки, позволил получить сварные швы без пор (рис. 3).