Лазерный мир

Сергей Смирнов, Дмитрий Горячкин, Светлана Холодова 

Художественные изделия минувших времен часто выполнялись в смешанной технике из различных материалов, каждый из которых при реставрации требует к себе особого отношения. При этом, разумеется, произведение искусства далеко не всегда можно разобрать на детали. Возникает вопрос: «Как устранять изломы и трещины на одной части изделия, не повредив при этом другой фрагмент?»

Традиционно с такими повреждениями, как излом, боролись с помощью клея или пайки. Надежные клеи на основе эпоксидных смол, обеспечивающие надлежащую прочность соединения, появились только во второй половине ХХ века, и, надо сказать, их поголовное использование принесло немало вреда, поскольку нарушался главный принцип реставрации — обратимость материалов (то есть возможность растворения клеев и возврата склеенного соединения в исходное состояние). Для склейки же металлических изделий смолы непригодны еще и по той причине, что отвердители (амины — моноэтаноламин, триэтаноламин) вступают в реакцию с большинством металлов и образуют впоследствии коррозионную прослойку. В ряде случаев не годятся даже современные клеи: например, клеить проволоку встык нет смысла.

Пайка мягкими припоями тоже не всегда допустима, особенно если речь идет о драгоценных металлах. То же самое относится и к пайке твердыми высокотемпературными припоями: в частности, пайка, золоченых деталей с нагревом до нескольких сотен градусов приводит к диффузии золота внутрь основы, и на поверхности не остается слоя позолоты.

Неразрешимые проблемы в случае применения клея и пайки часто возникают, когда необходима реставрация изделий, выполненных из металла в сочетании с деревом (оружие), кожей (доспехи, дамские сумочки), тканью, драгоценными и полудрагоценными камнями.

На основе достаточно длительного опыта в области традиционной реставрации произведений искусства и памятников истории, у которых основным художественным элементом является металл, мы пришли к выводу, что единственным возможным методом устранения повреждений в этих случаях становится сварка лазерным лучом. Изучению возможностей лазерной сварки и посвящена данная статья.

Особенности лазерной сварки

Сущность процесса сварки лазерным лучом заключается в следующем. Лазер является источником когерентного, монохроматического излучения, имеющего малую угловую расходимость. Это позволяет обеспечивать высокую точность и степень фокусировки луча на образце и достигать высокой концентрации энергии в строго определенной и очень малой зоне обработки. Под действием сфокусированного импульсного лазерного излучения на поверхности металла происходит быстрый локальный нагрев. Поглощенное излучение в материале начинает действовать как интенсивный источник тепла. Затем в образовавшейся зоне плавления, в соответствии с параметрами теплопроводности металла, быстро протекает процесс кристаллизации. Особенности теплового воздействия определяют специфику физико-химических и металлургических процессов при лазерной сварке (см. схему). Лазерное излучение, направленное на поверхность, частично отражается, а частично поглощается материалом. Такие металлы, как серебро, алюминий, медь, обладают особенно высокой отражательной способностью, при их сварке значительная часть энергии теряется. Таким образом, преимуществами лазерной сварки являются:

• высокая точность наведения луча при чрезвычайно малых размерах светового пятна и зоны сварки;
• минимальная зона термического воздействия, отсутствие напряжений и повышение коррозионной стойкости;
• локальность разогрева в зоне сварки (доли миллиметра) и гарантированное сохранение остальной поверхности неповрежденной;
• возможность сварки без добавления присадочного металла или угара основы (например, для сварки золота);
• возможность сварки при близком соседстве разнородных материалов (металл — дерево, металл — кожа, металл — ткань, металл — драгоценные камни, металл — эмаль, лаки, живопись и т. д.);
• возможность сварки золоченых и серебреных металлов без утраты покрытия.

К недостаткам лазерной сварки относится высокая отражательная способность металлов (особенно оплавленных), которая приводит к потере мощности в процессе облучения, в результате чего возникает необходимость увеличения энергии лазерной установки.

Опыты по сварке лазером

В последние годы реставраторы все чаще стали использовать лазеры. Однако, поскольку реставрация — наука осторожная и консервативная, внедрению любых новых технологий предшествует длительный процесс изучения их возможностей и побочных эффектов на пробных образцах.

С этой целью для реставрации музейных экспонатов была приобретена промышленная установка «Квант 12», работающая на основе твердотельного оптического квантового генератора с активным элементом из алюмоиттриевого граната, легированного неодимом. (Nd -неодим, элемент с атомным номером 60 в таблице Менделеева, относится к семейству лантаноидов.) Достоинством данной лазерной установки в процессе изучения реставрационной сварки является возможность обеспечения и выбора чрезвычайно тонкой фокусировки и точной дозировки энергии лазерного луча на образце в импульсном режиме.

Для изучения практических возможностей сварки лазерным лучом были вначале подготовлены экспериментальные образцы из различных металлов, применявшихся при создании произведений искусства с древних времен: медь, латунь, серебро, сталь, чугун, цинк, олово и мельхиор. Образцы подбирались различной толщины, начиная с массивных отливок и заканчивая тонкой фольгой (басмой).

Первоначально проверялось воздействие различных режимов луча на металлическую поверхность. Затем были подобраны изделия с дефектами, имитирующими типичные повреждения произведений искусства, — изломами. Ставя подобные эксперименты, мы учились подбирать оптимальные режимы, разрабатывали приспособления для удержания сложных деталей в процессе сварки, использовали присадочную проволоку для заполнения нестыкующихся разрывов и т. д. Работа проводилась в режиме однократных импульсов. И только получив необходимый опыт, мы начали осторожно применять лазер для сварки музейных экспонатов.

Результаты проведенных экспериментов продемонстрировали возможность применения лазеров для устранения таких повреждений металлических изделий, как трещины, разрывы, каверны. Лазером небольшой мощности (см. параметры в таблице) можно с успехом пользоваться для сварки изломов в тех случаях, когда другие методы неприемлемы: точное наведение луча с помощью микроскопа и очень малая зона воздействия позволяют добиться желаемых результатов. При плотном прилегании свариваемых частей сварка осуществляется без применения присадочного материала, а при невозможности плотно сжать стороны трещины требуется минимальное количество присадочной проволоки.

Обработанная лазером поверхность обладает повышенной стойкостью к коррозии и к образованию горячих и холодных трещин, при этом стоит еще раз подчеркнуть, что зона термического влияния невелика.

Для сварки массивных деталей, особенно из металлов, хорошо отражающих лазерное излучение, в частности из меди и медных сплавов (бронза, латунь и т. д.), необходима лазерная установка большей мощности. Для сварки же очень тонкой фольги — басмы — подобрать режим нам не удалось: луч прожигает басму насквозь.

Примеры применения лазерной сварки

Рассмотрим несколько типичных примеров, где применялась лазерная сварка при реставрации музейных произведений искусства и исторических памятников.

1. Солнечные часы (начало XVIII века, бронза), приобретенные по приказу императора Петра I в Германии. На металлической поверхности присутствует слой золотистой патины, которую необходимо было сохранить. Метрическая шкала и цифры заполнены краской. Навершием астрономического прибора служат два симметричных завитка, один из которых погнулся.

1. Солнечные часы. Общий вид для реставрации.

2. Солнечные часы. Фрагмент. Стрелкой указано место шва лазерной сварки.

При попытке выправить завиток вручную оказалось, что металл пружинит и не может принять первоначальное положение. Зафиксировав пружинящую деталь с помощью деревянных вкладышей, мы смогли выполнить точечную сварку лазерным лучом с обеих сторон и таким образом закрепить деталь. Сварочный шов оказался достаточно надежным. Это был один из первых опытов применения лазерной сварки на историческом экспонате.

2. Филигранная сухарница (начало ХХ века, латунь, серебрение) выполнена из тонкой витой латунной серебреной проволоки, что создает эффект прозрачности, как у паутины. Подобное художественное решение с неизбежностью влечет за собой конструктивную непрочность. На сухарнице заметны многочисленные изломы и повреждения ажурного плетения.

3. Филигранная сухарница. Общий вид

4а-б. Фрагменты сухарницы до и после сварки
5а-б. Фрагменты сухарницы до и после сварки

Пайка мягким припоем и склеивание проволок встык не привели бы к желаемому результату, так как проволочные элементы обладают высокой упругостью. Пайка твердым высокотемпературным припоем недопустима, так как это чревато значительной утратой серебряного покрытия. Была необходима сварка лазерным лучом, безопасная для серебряного покрытия. Мы вручную сомкнули разорванные пружинящиеся части изломов, держа деталь руками вблизи зоны сварки. Сварка велась сначала по конструктивному верхнему ободку, а затем по мелким внутренним завиткам. В некоторых местах, где части проволоки полностью свести не удалось, мы осуществили наращивание присадочной латунной проволокой. Точечный сварной шов получился настолько небольшим, что его декоративное серебрение не понадобилось.

3. Ножны кавказской сабли (середина XIX века, серебро) снаружи полностью выполнены из металла, а вовнутрь зачеканен деревянный вкладыш, извлечь который при реставрации ножен практически невозможно.

14. Кавказская сабля с ножнами

15. Фрагмент ножен до реставрации

16. Ножны после лазерной сварки

Кроме обычной косметической обработки (смены консервирующего покрытия и осветления поверхности металла), на ножнах было необходимо ликвидировать опасную развивающуюся трещину длиной 55 мм. Даже при незначительном нажатии трещина постепенно увеличивалась. Чтобы остановить развитие трещины, в месте ее начала несколькими лазерными импульсами была выполнена точечная сварка. Затем края трещины удалось свести на расстояние, позволяющее выполнить сварку уже по всей длине. В некоторых местах, где края плотно не сошлись, пришлось воспользоваться присадочной серебряной проволокой. Сварной шов получился практически незаметным.

Приведенные примеры использования лазера для устранения повреждений произведений искусства показывают перспективность внедрения этой технологии в реставрационную практику.

Полное содержание статьи: https://ostmetal.info/svarka-lazernym-luchom/

Ранее по теме: Смотр достижений ювелиров России