Лазерная сварка алюминия — современная физика против древней химии
Содержание:
Лазерная сварка алюминия
Алюминий — прекрасный материал во всех инженерных сферах от машиностроения до строительства: низкая плотность, очень высокая прочность на сгиб и неплохая тягучесть, которая предотвращает разрыв при перегрузках. Но технологи и операторы станков для обработки алюминия часто упоминают устойчивость металла к коррозии, пытаясь объяснить этим специфические и дорогие методы обработки изделий из его сплавов. В большинстве случаев они ошибаются, но почему-то действуют правильно с точки зрения технологии. Стоит устранить эту несостыковку, тем более что цивилизация уже дозрела до лазерной сварки металлов.
Специфика алюминия и его сплавов
В промышленности используются все классические способы обработки металла, и пока это касается токарной обработки, сверления и фрезерования, это один из лучших материалов во всех отношениях. Однако как дело касается сварки, то физические и химические свойства алюминия превращают задачу в дорогое и энергоемкое удовольствие.
Кроме гибкости и тягучести у алюминия есть огромный плюс: он плавится всего лишь при 660℃. Обработка давлением не требуют ни особых энергозатрат, ни специально подготовленного персонала. Иногда требуется небольшой общий подогрев, и промышленную заготовку можно превратить во что угодно даже при умеренном давлении в 500МПа.
Однако сложные составные детали такими простыми методами сделать невозможно. Активность металла сразу ставит крест на обычной газовой или дуговой сварке — тончайший нагар несложно снять, но его мелкие осколки гарантированно «ломают» плотность и качество сварного шва. Более того, алюминий при нагреве до 400 ℃ не только становится химически активным, но и начинает абсорбировать все легкие атомы и соединения от кислорода до парообразной воды. И, самое ужасное, в расплаве поглощает даже инертный гелий! То есть использовать струю инертного газа довольно сложно. В результате сварочный шов получается неоднородным, с множеством пор и включений хрупкого оксида алюминия и пузырьков с газами и осколками нагара.
Второй огромный минус заключается в отличной теплопроводности алюминия. Во время обычной сварки большая часть энергии просто растечется по всему объему сварной детали, в то время как локальная зона нагрева еще не достигнет 670 ℃. Вокруг самой зоны возникнет полоса оксиданта, которую наверняка придется удалять механически — той же струей гелия.
Все эти сложности практически ставят крест на качественной сварке руками обычного работяги при помощи газа или электродуги.
Единственный выход из создавшейся ситуации заключается в очень быстром локальном нагреве, возможно с поддержкой струи инертного газа и жесточайшем температурном контроле области шва. Эта задача легко решается при помощи промышленного лазера.
Лазерный луч дает возможность очень узко локализовать зону нагрева, мгновенно подстраивать уровень передаваемой энергии и даже обойтись без использования инертных газов. Дело в том, что химические процессы в десятки раз медленнее физических. Грамотно настроенное лазерное излучение может расплавить кромки деталей еще до того, как начнутся абсорбция или окисление. А скорость и точность лазерного луча уже не требуют особой квалификации оператора.
Виды оборудования для проведения лазерной сварки алюминия
Из четырех видов источников когерентного света в промышленности широко используются два: твердотельный и газовый лазеры. Еще один уверенно их догоняет — волоконный тип лазера. Принцип работы у всех видов одинаков: рабочее тело (искусственный рубин или смесь газов в капсюле) поглощает световое излучение («накачку»), примесные атомы в рабочем теле поднимают внешние электроны с обычных орбиталей на более высокие, но долго такая конфигурация существовать не может. Электроны «сбрасывают» энергию в виде фотона и возвращаются на обычную орбиталь. Рабочее тело находится между двух зеркал: полного и полупрозрачного. Сгенерированные фотоны, которые выпущены вдоль межзеркальной оси рабочего тела, многократно отражаются между зеркалами и «накапливаются». При достижении определенной мощности накачки они прорываются сквозь полупрозрачное зеркало.
Как видите, на первый взгляд это чересчур сложный способ получения света из другого источника. Классические твердотельные лазеры на основе оксида алюминия с примесью хрома излучают максимум 2% поглощенной световой энергии. Газовые — 15%. По идее, это совершенно безумные траты, если бы не одно «но»: фотон энергии, который испускает электрон примесного атома хрома в рабочем теле лазера, имеет сходные свойства с другим подобным электроном. Так называемое когерентное излучение настолько энергетически плотно и так легко управляется обычной оптикой, что линза, с трудом сжигающая муравья простым солнечным светом, может расплавить сталь обычным лазерным лучом.
Но, видимо, скоро твердотельные и газовые старички вернулся в лаборатории. Уже есть промышленные лазерные установки с 70% КПД.
Твердотельный лазер
Кристалл искусственного рубина, а точнее оксида алюминия с примесью солей хрома, во время работы активно греется. Поэтому его оптические параметры заметно искажаются вместе с температурой и плотностью. Зеркалами являются отшлифованные торцы кристалла, поэтому с нагревом падает и без того мизерный КПД. Поэтому без качественной системы охлаждения не обойтись.
- Отлично выдержанная длина волны / монохромность
- Компактность и отсутствие сложной оптики
- Дорого
- Крайне низкий КПД
Газовый лазер
В трубке с тщательно обработанными торцевыми зеркалами газообразный аналог искусственного рубина: в инертном газе содержится небольшая примесь атомов с незаполненной внешней орбиталью. Вместо внешнего света для накачки рабочего тела используется электрический разряд — это в разы эффективнее. КПД такой схемы достигает 15%, но само устройство во столько же раз более громоздко. Тут тоже нужна хорошая система охлаждения, но без излишнего фанатизма.
- Сравнительно дешев
- Неплохой КПД по сравнению с твердотельным лазером
- Сложная система зеркал и линз
- Длина волны «гуляет», что не позволяет добиться идеальной фокусировки
Полупроводниковый лазер
Самый эффективный, но и самый молодой и пока очень дорогой вид лазеров. Принцип его работы не отличается от предыдущих двух, но если в твердотельном и газовом лазерах «рабочие» примеси разбавлены в рабочем теле, то в полупроводниковом аналоге рабочие атомы полностью сконцентрированы на одном микроучастке. Поскольку полупроводниковых пар огромное множество, то проще описать разброс мощности уже существующих промышленных установок: от 1 до 40 кВт. Это уже сравнимо с газовыми моделями.
- Мощность
- Компактность
- Еще толком не изучен износ рабочей полупроводниковой поверхности при промышленных нагрузках.
Волоконный лазер
Этот вид лазеров можно назвать подвидом твердотельных моделей с «налетом полупроводниковости», так как рабочим телом является композитное волокно с сердцевиной из оптического кварца, легированного редкоземельными ионами. Очень напоминает рабочий рубин твердотельного лазера. Но в качестве ламп накачивания используются светодиоды с заранее определенной длиной волны: исключительно дешево и эффективно — ни ватта мимо! Рабочее тело имеет продолжение из световода с тем же кварцем внутри, из-за чего снова не допускается потеря энергии до рабочего наконечника. И, главное, уже существуют промышленные установки с мощностью в 100 кВт при более чем скромных размерах! Длина волны всегда фиксирована, что позволяет идеально фокусировать луч.
Но самое пикантное — устройство световода. Его длина обычно составляет 20 — 40 м, но может достигать и 100. Оболочка оптопроводящего сердечника сама является проводником излучения диодов подкачки. То есть по всей длине происходит дополнительная подкачка лазерного излучения!
- Мощность
- Компактность
- Абсолютная универсальность
- Сравнительно недорого
- Износостойкость
- Гибкость световода позволяет обрабатывать сложнейшие конструкции без робототехники.
И если с лазерными установками все понятно, то вот с материалом все сложно. Причем алюминий может создавать проблемы как на химическом, так и физическом уровнях.
Свойства алюминия
Химическая активность
Технически сложные и дорогостоящие способы спайки алюминиевых деталей имеют простую причину: алюминий на самом деле является исключительно активным элементом. Инженеры часто упоминают «стойкость к коррозии» — это неправда, а точнее путаница в терминах. Al реагирует даже с водой, как с кислотой — кусочек металла в обычной воде быстро покрывается крохотными пузырьками водорода. Точно так же активно алюминий соединяется с кислородом воздуха. Но результат реакции в обоих случаях совершенно неожиданнен: оксид и гидроксид алюминия образуют чрезвычайно плотные пленки на поверхности металла, причем толщиной буквально в несколько атомов. Обе пленки растворимы только в агрессивных кислотах, и при этом очень хрупки. Сотрите слой серебристого и неотражающего окисла — и блестящая зеркальная поверхность металла в царапине за секунды станет матовой, так как металл снова окислился. Теперь умножьте активность алюминия на температуру сварки: ведь алюминиевую фольгу вообще нетрудно поджечь даже серной спичкой.
Есть и более ужасные примеры, которые на самом деле почти никогда не заканчиваются катастрофой: например, чиркнувший крылом бетонную посадочную полосу самолет может сгореть за считанные секунды. Именно поэтому в крыльях из дюраля располагают топливные баки, что неподготовленного читателя может повергнуть в ужас. На самом деле разлившееся топливо в случае аварии охлаждает всю поверхность крыла на 200 — 400 ℃ за доли секунды. Этот же эффект используется и при лазерной сварке, но уже целенаправленно.
Кроме необычного поведения керосина на раскаленном алюминии есть и другие «защитные» свойства металла: если бросить пластинку алюминия в концентрированную серную кислоту, то ничего не произойдет. Все просто: почти все соединения окисленного алюминия не только инертны и нерастворимы, но и очень плотные и при этом хрупкие. Они образуют тончайший, но ничем нерастворимый панцирь. Чем «выше» и «левее» металл в таблице Менделеева, тем более прочные и устойчивые соединения он образует.
Физические свойства
Зато с набором справочных данных по сопромату алюминию повезло. Легкий атом и невысокая плотность означают отличную тягучесть. Удивитесь, но усилие на разрыв у чистого Al даже выше, чем у чистого никеля.
По иронии судьбы еще Галилей обнаружил, что лигурийские бокситы тягучи, «что противоречит мироустройству». Но также он заметил некоторые свойства еще не открытого алюминия — оксидную сцепку. Суть эффекта заключается в том, что при высоких локальных температурах без доступа кислорода в бокситах образовывался самый настоящий алюминий в самородках. При этом самородный металл всегда был покрыт слоем очень прочного, но чрезвычайно хрупкого «нагара» — он разлетался вдребезги даже из-за простого сжатия самородка.
Зато второе отличительное физическое свойство как минимум недружелюбно по отношению к сварщику: коэффициент отражения составляет 0.97! И это не только 97% энергии, рассеянной в никуда. Это еще и физическая опасность, особенно при некоторых режимах обработки лазером. Хоть алюминий и быстро окисляется на воздухе, толщина оксидной пленки примерно в тысячу раз меньше длины волны излучения, поэтому она не «задержит» отраженный луч.
Однако если следовать вполне скромным правилам безопасности, то испортить можно только деталь. Обычно это случается при отладке алгоритма роботизированной сварки. Несколько деталей придется списать как неудачные версии. Но до полного выключения лазера снимать защитные очки — плохая идея.
Методы сварки
Аппаратуру для сварки можно разделить на два типа: для непрерывной и для импульсной сварки. А также условно для стационарной и для «ручной» обработки.
Непрерывный режим
Этот вид сварки предназначен для соединения толстых и массивных заготовок. С учетом отличной теплопроводности алюминия нужно прогреть не только спаиваемую канавку, но и поддерживать бассейн спайки так, чтобы металл не успевал абсорбировать водяной пар и газы из воздуха. Есть и еще одна проблема: гелий из-за размеров атома тоже неплохо «впитывается» алюминием, несмотря на инертность!
Поэтому для качественной сварки приходится лицевую сторону шва продувать гелием под избыточным давлением в 1,2 — 1,3 атм. Меньше — не хватит для вытеснения кислорода и банального сдувания нагара, а больший напор будет слишком активно охлаждать рабочую зону. Зато обратную сторону шва вполне можно обдувать более дешевым аргоном.
Импульсная сварка
Зато для точечных процедур почти все сложности решаются самим режимом лазера, кроме одного — толщины свариваемых деталей или «глубины прожарки». Как минимум от продувки инертными газами можно отказаться, но обязательно потребуется механическая и даже химическая обработки рабочих поверхностей перед сваркой.
Дальше все очевидно: короткий мощный импульс расплавляет обе кромки спаиваемых деталей, и расплав быстро кристаллизуется во время импульсной паузы. Оксид алюминия не успевает толком образоваться, поэтому шов получается идеальным. Необходимо только следить за «проседаемостью» шва — для прочной сварки нужно отрегулировать импульс так, чтобы глубина канавки была не более 10% от толщины сварных заготовок в месте спайки.
Способы ограничения пористости при лазерной сварке
Проблем у сварки легких металлов множество. И почти все они практически сходят на нет при лазерной обработке — этому способствуют очень тонкая рабочая зона, мгновенный разогрев даже при высокой теплопроводности, легкий отвод тепла при необходимости... Но есть общая проблема, связанная с огромной скоростью операции и неравномерным прогревом — как бы ни был пластичен металл, это все же кристаллическая решетка, а не пластилин. Любая инородная частица резко уменьшает прочность и увеличивает хрупкость шва.
Суть в том, что при приближении к температуре плавления алюминий начинает чрезвычайно активно окисляться. Сам же оксид расплавляется, причем неравномерно, аж при +2000 ℃. Но мало того, что это хрупкая пленка, и попадание ее внутрь шва недопустимо, так она еще и отлично абсорбирует кислород из воздуха по принципу активированного угля.
Если же сварные детали состоят из алюмо-магниевого сплава (а это самый распространенный материал), то все еще хуже. Магний прекрасно реагирует с водой даже при комнатной температуре, а при разогреве начинает еще активнее чем алюминий окисляться водяными парами в воздухе, выделяя водород прямо в «теле» металла. Очевидно, что микропузырьки газа внутри шва — это самый страшный грех сварщика.
Добавьте еще большой коэффициент температурного расширения алюминия и, значит, заметную остаточную деформацию после любой термообработки.
Как решать?
Химия
Это самый простой и универсальный способ для всех режимов сварки и всех видов лазеров. Сварной шов в основном страдает из-за примесей, которые не вписываются в кристаллическую решетку металла детали. соответственно надо от них избавиться.
Обычно сначала удаляется слой машинного масла с заготовок, затем будущие сварочные стыки обрабатываются 5% гидроксидом натрия, а чуть позже 30%-ной азотной кислотой с добавлением 2% плавиковой. Очевидно, что затем детали промываются водой — нитраты алюминия и натрия очень легко смыть.
Нужно учитывать, что теоретически обработанные поверхности могут отправиться под луч лазера в течении трех суток, но для качественной импульсной сварки лучше больше суток не затягивать. Для общей сварки это отличный и дешевый способ обеспечить прочность шва, но для сложных и тонких конструкций его будет мало.
Режим лазера
Примерно 3/4 проблемы купируются тонкой настройкой режима. У алюминия есть еще один интересный эффект: при нагреве до 600 ℃ его отражающая способность составляет 0,97. Но затем резко падает. Расплав вообще имеет коэффициент отражения менее 0.5, хотя обычно расплавы металлов являются идеальными зеркалами! Расплавленный припой отражает ничуть не хуже ртути.
Из-за этого теплоотдача энергии лазера металлу увеличивается скачкообразно, но если правильно настроить импульс, дать спаяться и вовремя выключить луч, то медленные химические реакции закончатся еще на стадии поверхностного окисления. Спайка будет идеальной! Если же после терморывка передержать луч включенным, то можно полностью запороть шов.
Естественно, лучше всего такой метод сработает с твердотельными и волоконными лазерами из-за точной и короткой длины волны их излучения. С газовыми все будет сложнее, и без инертных газов обойтись будет сложно.
Инертность
Гелий и аргон давно уже используются для изоляции сварочного шва от нежелательного воздействия, и отлично подходят для газовой или дуговой сварки. Немного громоздскости и без того громоздким технологиям не сильно помешает.
Современные лазерные аппараты даже на уровне подстройки режимов способны обойтись без продува, особенно в случае сварки алюминия. Но можно его попробовать на свой страх и риск для твердотельных лазеров в импульсном режиме и обязательно обратить внимание для газовых лазеров:
Начнем с того, что пористость шва при изоляции привычными всем гелием и аргоном существенно различается. Использование гелия, как ни странно, дает шов примерно в три раза хуже, чем при аргоне. Во-вторых, при продуве сложно предсказать процессы в очень маленькой сварочной ванне — при стандартном расходе (около 15 литров в мин) шов получается менее пористым. Чуть меньший напор (10 — 12 литров в мин) «вспенивает» расплавленный металл, так как не выдувает плазму из ванной целиком и поэтому резко усложняет физические процессы кристаллизации. Шов может получиться, а может и нет. Слишком большой поток газа легко спровоцирует его абсорбцию алюминием — шов будет безнадежно испорчен.
Однако есть нюанс, который спасает положение инертного метода, а заодно в десятки раз его удешевляет. Специфика температурной абсорбции гелия и азота алюминием повторяет «ужас водолаза», только наоборот! Дело в том, что молекула азота значительно больше атома гелия, но сравнима с атомом аргона. При этом азот как элемент способен проявлять как кислотные, так и щелочные «наклонности» с некоторыми странными свойствами. Полностью инертные гелий и аргон весьма заметно растворяются в расплаве шва, в то время как азот из-за электрохимических свойств проникнуть в толщу расплава не может! Только при температурах >650 ℃ азот начинает проявлять активность, напоминая резкое повышение растворяемости в крови водолаза по мере погружения.
Удивительно, но дешевый азот (а иногда смесь азота и углекислого газа) дает в разы более качественный шов при почти полном отсутствии термоконтроля над процессом. По крайней мере технически струя с потоком в 25 л в минуту не только обдувает шов, но и сдувает нагар и даже охлаждает сам сварочный пистолет. Дешево — иногда означает качественно!
Как видите, на сегодняшний момент импульсный режим волоконного лазера — лучший вариант для тонких или очень прочных обычных сварочных работ, особенно если нет желания возиться с опасной химией и инертными средами с их громоздкой аппаратурой.