Перспективные промышленные технологии лазерной обработки

И. Н. Шиганов  
 
 
 
 
 
 
ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ПРОМЫШЛЕННЫЕ  
ТЕХНОЛОГИИ ЛАЗЕРНОЙ ОБРАБОТКИ 
 
Учебное пособие  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2023 
 
1 
 

УДК 621.7 
ББК 34.441 
Ш55 
 
Рецензенты: 
доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой материаловедения 
Московского политехнического университета Овчинников Виктор Васильевич; 
доктор технических наук, профессор, ведущий научный сотрудник 
Института проблем лазерных и информационных технологий РАН 
Васильцов Виктор Владимирович 
 
Шиганов, И. Н. 
Ш55   
Перспективные промышленные технологии лазерной обработки : 
учебное пособие / И. Н. Шиганов. – Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. – 284 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-1229-2 
 
Представлены современные промышленные технологии лазерной обработки материалов мощными волоконными лазерными источниками. Рассмотрены технологии сварки больших толщин сталей и сплавов лазерами мощностью 
до 30 кВт, исследования их структур, механических свойств и областей применения. Особое внимание уделено сварке различных марок алюминиевых сплавов, разнородных материалов и гибридным технологиям. Даны общие представления и конкретные технологии аддитивных производств лазерного сплавления 
порошков и лазерной объемной порошковой наплавки. Приведены конкретные 
технологии и оборудование. Рассмотрены современные процессы лазерного легирования и очистки поверхностей. Даны представления о лазерной безопасности и средствах защиты при использовании лазерных технологий. 
Для студентов машиностроительных специальностей. Может быть полезно инженерам-технологам, конструкторам и специалистам по использованию 
лазерных технологий в промышленности. 
УДК  621.7 
ББК   34.441 
 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1229-2 
” Шиганов И. Н., 2023 
 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2023 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023 
 
 
2 
 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
ВВЕДЕНИЕ 
................................................................................................................. 6 
 
ГЛАВА 1. ЛАЗЕРНАЯ СВАРКА МЕТАЛЛОВ БОЛЬШИХ ТОЛЩИН ........ 8 
1.1. Технологические особенности лазерной сварки металлов больших     
толщин ....................................................................................................................... 8 
1.2. Применение лазерной сварки металлов больших толщин ......................... 13 
1.3. Особенности лазерной сварки в вакууме 
...................................................... 20 
Список литературы к главе 1 ................................................................................ 31 
 
ГЛАВА 2. ЛАЗЕРНАЯ СВАРКА СОВРЕМЕННЫХ АЛЮМИНИЕВЫХ 
СПЛАВОВ 
................................................................................................................. 34 
2.1. Перспективные алюминиевые сплавы, применяемые в сварных            
конструкциях .......................................................................................................... 34 
2.2. Преимущества лазерной сварки алюминиевых сплавов 
............................. 40 
2.3. Дефекты, возникающие при лазерной сварке алюминиевых сплавов ...... 44 
2.4. Технологические особенности лазерной сварки алюминиевых сплавов ... 47 
2.5. Механические свойства и микроструктура сварных соединений           
алюминиевых сплавов, полученных лазерным излучением 
.............................. 54 
Список литературы к главе 2 ................................................................................ 64 
 
ГЛАВА 3. ГИБРИДНЫЕ ПРОЦЕССЫ ЛАЗЕРНОЙ СВАРКИ 
..................... 68 
3.1. Гибридная лазерно-дуговая сварка ............................................................... 68 
3.2. Гибридная лазерная сварка с наложением ультразвука 
............................ 102 
3.3. Совмещение лазерного излучения с индукционным нагревом 
................ 112 
Список литературы к главе 3 .............................................................................. 117 
 
ГЛАВА 4. ЛАЗЕРНАЯ СВАРКА РАЗНОРОДНЫХ МЕТАЛЛОВ .............. 120 
4.1. Особенности сварки плавлением разнородных материалов .................... 120 
4.2. Технологические особенности сварки разнородных материалов 
............ 122 
4.3. Лазерная сварка алюминиевых сплавов со сталью ................................... 124 
4.4. Сварка алюминиевых сплавов с титаном ................................................... 128 
4.5. Сварка алюминиевых сплавов с медью ...................................................... 131 
3 
 

4.6. Сварка титана с магниевыми сплавами ...................................................... 133 
4.7. Сварка стали с медью ................................................................................... 136 
Список литературы к главе 4 .............................................................................. 138 
 
ГЛАВА 5. ЛАЗЕРНОЕ ЛЕГИРОВАНИЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ                 
ПОВЕРХНОСТЕЙ КЕРАМИЧЕСКИМИ МАТЕРИАЛАМИ 
...................... 142 
5.1. Методы лазерного легирования 
................................................................... 142 
5.2. Лазерное легирование стали частицами карбида титана (TiC) ................ 147 
5.3. Лазерное легирование сталей частицами диборида титана (TiB2) .......... 151 
5.4. Лазерное легирование частицами карбида вольфрама (WC) ................... 152 
5.5. Лазерное легирование сталей и алюминиевых сплавов частицами         
карбида кремния (SiC) ......................................................................................... 159 
Список литературы к главе 5 .............................................................................. 168 
 
ГЛАВА 6. АДДИТИВНЫЕ ЛАЗЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ СОЗДАНИЯ  
МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ 
........................................................................ 171 
6.1. Общие положения принципов аддитивных процессов ............................. 171 
6.2. Метод селективного лазерного плавления ................................................. 173 
6.3. Метод прямого лазерного осаждения порошковых материалов 
.............. 195 
Список литературы к главе 6 .............................................................................. 222 
 
ГЛАВА 7. ЛАЗЕРНАЯ ОЧИСТКА ПОВЕРХНОСТЕЙ 
................................. 224 
7.1. Физические основы лазерной очистки поверхностей ............................... 224 
7.2. Применение технологий лазерной очистки 
................................................ 230 
7.3. Оборудование для лазерной очистки поверхностей ................................. 237 
Список литературы к главе 7 .............................................................................. 242 
 
ГЛАВА 8. ОБРАБОТКА КЕРАМИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ                         
С ПРИМЕНЕНИЕМ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ........................................ 243 
8.1. Свойства керамики 
........................................................................................ 243 
8.2. Соединение керамических материалов 
....................................................... 245 
8.3. Соединение керамики с металлами 
............................................................. 249 
8.4. Выращивание деталей из порошковой керамики ...................................... 253 
Список литературы к главе 8 .............................................................................. 257 
4 
 

ГЛАВА 9. ЛАЗЕРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ И СРЕДСТВА ЗАЩИТЫ 
........ 259 
9.1. Опасные производственные факторы при лазерной обработке 
............... 259 
9.2. Степени опасности лазерных источников излучения ............................... 262 
9.3. Виды опасностей при эксплуатации лазерных технологических           
установок 
............................................................................................................... 264 
9.4. Техника безопасности при лазерных технологиях обработки                   
материалов ............................................................................................................ 266 
9.5. Средства защиты кабины лазерной технологической установки ............ 268 
9.6. Индивидуальные средства защиты от лазерного излучения .................... 270 
9.7. Маркировка лазерных устройств и технологических установок ............. 272 
9.8. Требования к персоналу ............................................................................... 275 
Список литературы к главе 9 .............................................................................. 278 
 
 
5 
 

ВВЕДЕНИЕ 
 
Лазерные технологии обработки материалов уже давно нашли свое применение в различных отраслях промышленности. Такие процессы, как лазерная 
резка, сварка, термообработка, наплавка и некоторые другие, применяются для 
изготовления корпусов и отдельных деталей автомобилей, морских судов, авиационных и космических изделий, деталей атомных реакторов и многих дру- 
гих изделий. Большинство этих технологий связано с применением оборудования, в котором использовались газовые СО2-лазеры различной мощности. Создано множество различных элементов оптических систем, оснастки, систем 
перемещения, учитывающих использование именно излучения с длиной волны 
10,6 мкм, которое создается СО2-лазерами. 
В начале 21 века начали внедряться в промышленности принципиально 
новые лазерные источники, получившие название «волоконные лазеры». Они 
относятся к твердотельным источникам и имеют ряд преимуществ перед газовыми лазерами. Отличия волоконного и CO2 лазеров состоят в принципе работы, устройстве, использовании разных материалов и коэффициенте полезного 
действия. Основа волоконного лазера – оптически активное волокно, лазера 
CO2 – смесь газов, главным из которых является углекислый. Длина волны лазеров отличается в десять раз. Для газового она составляет 10,6 мкм, а для волоконного – 1,07 мкм. Меньший размер длины луча обеспечивает более высокую точность и скорость обработки металлов. Однако, при обработке неметаллов, предпочтение лучше отдать CO2 лазерам.  
Отсутствие необходимости использования сложной оптической системы 
зеркал для передачи излучения делает использование волоконного лазера более 
простым по сравнению с CO2 лазером. Еще один плюс волоконного лазера – это 
его компактная конструкция, которая может устанавливаться в любом станке 
с маленьким корпусом или сварочном аппарате. Благодаря простому монтажу 
его можно использовать в небольших промышленных центрах. КПД волоконного лазера – около 50 , для газового лазера этот показатель почти вдвое 
ниже. 
Другие преимущества волоконного лазера – его универсальность и простота в обслуживании. Он в меньшей степени зависит от уровня влажности или 
температуры воздуха, поэтому может использоваться везде – от небольшой мастерской до промышленного помещения. Чистка волоконному лазеру не требуется. Кроме того, в любой момент волоконный лазер можно модернизировать и 
подключить на другой технологический процесс. Он не требует юстировки и 
сложных пусконаладочных работ. 
Исследованиям технологических процессов лазерной обработки посвящено множество работ, патентов и монографий, часть из которых используется в 
соответствующих разделах данной книги. 
В представленном учебном пособии проведено обобщение самых последних достижений в технологии лазерной сварки, легирования, аддитивных процессов и очистки поверхности с применением волоконных лазеров различной 
6 
 

мощности для промышленного применения. Рассмотрены образцы оборудования для этих процессов и достигаемые характеристики. Пособие может использоваться как дополнение к основным курсам обучения студентов и аспирантов 
для расширения их знаний в области лазерных технологий. 
В книге использованы авторские материалы, а также результаты современных работ российских и зарубежных исследований. Каждая глава сопровождается значительным количеством ссылок на использованные источники. 
 
 
7 
 

ГЛАВА 1. ЛАЗЕРНАЯ СВАРКА МЕТАЛЛОВ 
БОЛЬШИХ ТОЛЩИН 
 
1.1. Технологические особенности лазерной сварки металлов 
больших толщин 
 
Сварное соединение материалов толщиной более 8–10 мм характеризуется как – сварка материалов больших толщин [1]. Соединение таких материалов 
используется во многих отраслях промышленности. Основные трудности сварки больших толщин связаны с обязательной разделкой кромок значительного 
размера и использования методов многопроходной дуговой сварки как в руч- 
ном, так и в автоматическом режиме. Это приводит к значительным затратам 
как материалов, так времени на изготовление изделий.  
Отличительной особенностью сварки мощными концентрированными лазерным излучением является получение так называемого «кинжального» проплавления, характеризующегося высокими значениями коэффициента формы 
шва (рис. 1.1). 
 
 
Рисунок 1.1. Характерная форма проплавления металла большой толщины 
 
Основой лазерной сварки с глубоким проникновением является форми- 
рование канала проплавления. Изменения, происходящие в канале проплавления весьма сложны и многообразны, поэтому понимание и контроль их имеют 
большое теоретическое и практическое значение. Установлено [2, 3], что давление отдачи и многократное отражение являются важными факторами для об- 
разования с существования канала проплавления. Однако влияние потока расплавленного металла и причины нестабильности канала проплавления до конца 
не изучены. Проводилась визуализация динамики образования и видоизмене- 
ния канала проплавления непосредственно в процессе сварки [4]. В результате 
съемок получены изображения, показанные на рисунке 1.2. 
8 
 

 
Рисунок 1.2. Кадры съемки канала проплавления: мощность лазера 10 кВм, 
скорость сварки 1,2 м/мин, положение фокуса 5 мм [4] 
 
Подобная форма проплавления характеризуется весьма нестационарным 
поведением расплава в сварочной ванне и неустойчивостью канала проплавления. В связи с этим качество получаемых соединений в значительной степени зависит от оптимизации соотношения многочисленных параметров сварки. Установлено [5], что при лазерной сварке волоконными лазерами большой толщины 
за один проход существует очень узкий коридор режимов, в которых получаются 
качественные швы. Часто встречающимися дефектами сварки с глубоким проплавлением являются поры, трещины и провисания в корне шва [6, 7]. 
Одним из эффективных методов получения качественных сварных соединений при лазерной сварки больших толщин является многослойная лазерная 
сварка в узкую разделку с присадочной проволокой  [8, 9]. 
Снижение объема сварочной ванны позволяет уменьшить площадь разделки кромок и тем самым снизить расход свариваемого металла. Применяя для 
лазерной сварки длиннофокусную оптику, имеющую малый угол фокусировки, 
можно минимизировать угол скоса разделки свариваемых кромок до нескольких градусов, можно уменьшить ширину разделки кромок и получить так называемую «узкощелевую» разделку стыка свариваемых кромок, которую можно 
применять для сварки металлов больших толщин. Геометрия такой разделки 
показана на рисунке 1.3 [8]. 
 
 
 
Рисунок 1.3. Геометрия разделки кромок для многопроходной лазерной сварки 
9 
 

Оптимизация геометрии разделки свариваемых кромок определяется толщиной свариваемого металла, мощностью луча лазера, геометрическим параметрами сфокусированного луча лазера, диаметром сварочной проволоки, амплитудой осцилляции луча лазера [10]. 
Данная разделка заполняется сварными швами, полученными лазерным 
излучением с применением присадочной проволоки. Схема расположения различных зон комбинированного сварного соединения показана на рисунке 1.4. 
 
 
Рисунок 1.4. Схема комбинированного многопроходного шва, 
получаемого лазерной сваркой с присадочной проволокой 
 
Как видно на схеме, комбинированный шов состоит из трех зон: 1 – зона 
корневого прохода; 2 – зона заполняющих проходов; 3 – зона облицовочного 
прохода. Для каждой из этих зон необходимо определить оптимальные схемы 
ведения процесса и выбрать параметры процесса, обеспечивающие наилучшее 
формирование, отсутствие дефектов, высокие механические свойства. 
Первым проходом осуществляется заварка корня шва в режиме глубокого 
проплавления. Макроструктура корневого шва показана на рисунке 1.5. 
 
 
 
Рисунок 1.5. Макроструктура корневого шва узкощелевой разделки [10] 
 
10