Общепринятые обозначения лазерной сварки

LBW – Laser Beam Welding – сварка лазерным лучом

Сущность лазерной сварки

Лазерный луч по сравнению с обычным световым лучом обладает рядом свойств – направленностью, монохроматичностью и когерентностью.

Благодаря направленности лазерного луча его энергия концентрируется на сравнительно небольшом участке. Например, направленность лазерного луча может в несколько тысяч раз превышать направленность луча прожектора.

Если обычный «белый» свет состоит из лучей с различными частотами, то лазерный луч является монохроматичным – имеет определенную частоту и длину волны. За счет этого он отлично фокусируется оптическими линзами, поскольку угол преломления луча в линзе постоянен.

Когерентность – это согласованное протекание во времени нескольких волновых процессов. Некогерентные колебания светового луча обладают различными фазами, в результате чего могут погасить друг друга. Когерентные же колебания вызывают резонанс, который усиливает мощность излучения.

Благодаря вышеперечисленным свойствам лазерный луч может быть сфокусирован на очень маленькую поверхность металла и создать на на ней плотность энергии порядка 10⁸ Вт/см² – достаточную для плавления металла и, следовательно, сварки.

Для лазерной сварки обычно используются следующие типы лазеров:

• твердотельные и
• газовые – с продольной или поперечной прокачкой газа, газодинамические.

Лазерная сварка твердотельным лазером

Схема твердотельного лазера приведена на рисунке ниже. В качестве активного тела используется стержень из рубина, стекла с примесью неодима (Nd-Glass) или алюмо-иттриевого граната, легированного неодимом (Nd-YAG) либо иттербием (Yb-YAG). Он размещается в осветительной камере. Для возбуждения атомов активного тела используется лампа накачки, создающая мощные вспышки света.

Рисунок. Схема твердотельного лазера

По торцам активного тела размещены зеркала – отражающее и частично прозрачное. Луч лазера выходит через частично прозрачное зеркало, предварительно многократно отражаясь внутри рубинового стержня и таким образом усиливаясь. Мощность твердотельных лазеров относительно невелика и обычно не превышает 1–6 кВт.

Твердотельными лазерами в связи с их небольшой мощностью свариваются только мелкие детали небольшой толщины, обычно объекты микроэлектроники. Например, привариваются тончайшие выводы из проволок диаметром 0,01–0,1 мм, изготовленные из тантала, золота, нихрома. Возможна точечная сварка изделий из фольги с диаметром точки 0,5–0,9 мм. Лазерной сваркой выполняется герметичный шов катодов кинескопов современных телевизоров.

Катод представляет собой трубку длиной 2 мм, диаметром 1,8 мм, толщиной стенки 0,04 мм. К трубке приваривается донышко толщиной 0,12 мм, материал изделия – хромоникелевый сплав. Сварка таких мелких деталей возможна за счет высокой степени фокусировки луча и точной дозировки энергии путем регулировки длительности импульса в пределах 10^-2–10^-7 с.

Сварка газовым лазером

Более мощными являются газовые лазеры, в которых в качестве активного тела используют смесь газов, обычно СО₂+N₂+Не. Схема газового лазера с продольной прокачкой газа приведена на рисунке ниже. Газ из баллонов прокачивается насосом через газоразрядную трубку. Для энергетического возбуждения газа используется электрический разряд между электродами. По торцам газоразрядной трубки расположены зеркала. Электроды подключены к источнику питания. Лазер охлаждается водяной системой.

Рисунок. Газовый лазер с продольной прокачкой газа

Недостатком лазеров с продольной прокачкой газа являются их большие габаритные размеры.

Более компактны лазеры с поперечной прокачкой газа (см. рисунок ниже).

Рисунок. Газовый лазер с поперечной прокачкой газа

Они позволяют достичь общей мощности 20 кВт и больше, что дает возможность сваривать металлы толщиной до 20 мм с достаточно высокой скоростью, около 60 м/ч.

Наиболее мощными являются газодинамические лазеры (на рисунке ниже). Для работы используются газы, нагретые до температуры 1000–3000 К. Газ истекает со сверхзвуковой скоростью через сопло Лаваля, в результате чего происходит его адиабатическое расширение и охлаждение в зоне резонатора. При охлаждении возбужденных молекул CO

Рисунок. Газодинамический лазер

Схема процесса лазерной сварки приведена на рисунке ниже.

Рисунок. Схема процесса лазерной сварки

Лазерная сварка производится в атмосферных условиях, без создания вакуума, необходима защита расплавленного металла от воздуха. Обычно для защиты используются газы, в частности аргон. Особенностью процесса лазерной сварки является то, что вследствие высокой тепловой мощности луча на поверхности свариваемого изделия происходит интенсивное испарение металла. Пары ионизируются, что приводит к рассеиванию и экранированию луча лазера. В связи с этим при использовании лазеров большой мощности в зону сварки необходимо подавать, кроме защитного, так называемый плазмоподавляющий газ. В качестве плазмоподавляющего газа обычно используют гелий, который значительно легче аргона и не рассеивает луч лазера. Для упрощения процесса целесообразно применение смесей 50% Аг + 50% Не, которые выполняют плазмоподавляющую и защитную функции. В этом случае сварочная горелка должна обеспечивать подачу газа таким образом, чтобы он сдувал ионизированный пар.

Рисунок. Конструкции сопел горелок для лазерной сварки

При лазерной сварке луч постепенно углубляется в деталь, оттесняя жидкий металл сварочной ванны на заднюю стенку кратера. Это позволяет получить «кинжальное» проплавление при большой глубине и малой ширине шва.

Высокая концентрация энергии в лазерном луче позволяет достигать высоких скоростей сварки, обеспечивая одновременно благоприятный термический цикл и высокую технологическую прочность металла шва.

Преимущества лазерной сварки

Важнейшим преимуществом лазерной сварки твердотельными лазерами является возможность очень точной дозировки энергии, поэтому удается обеспечить получение качественных соединений при изготовлении очень мелких деталей.

Для мощных газовых лазеров преимуществом является получение большой глубины проплавления при малой ширине шва. Это позволяет уменьшить зону термического влияния, сократить сварочные деформации и напряжения.

Кроме того, лазерная сварка обладает рядом преимуществ, не присущих другим способам сварки. Лазер может быть расположен на достаточно большом удалении от места сварки, что в ряде случаев дает существенный экономический эффект. Например, известна установка для лазерной сварки при ремонте трубопроводов, проложенных по дну водоема. Внутри трубы перемещается тележка с вращающимся зеркалом. Лазер же находится у конца секции трубопровода и посылает луч внутри трубы. Это позволяет осуществлять лазерную сварку, не снимая с трубопровода балласт и не поднимая его на поверхность.

Легкость управления лазерным лучом с помощью зеркал и волоконной оптики позволяет осуществлять сварку в труднодоступных, иногда не находящихся в пределах прямой видимости местах. Возможна также лазерная сварка нескольких деталей от одного лазера расщепленным с помощью призм лучом.

Недостатки технологии

Недостатками лазерной сварки являются высокая сложность и стоимость оборудования, низкий КПД лазеров. По мере развития лазерной техники эти недостатки устраняются.

особенности метода, плюсы и минусы

При сваривании металлической поверхности с помощью лазерной сварки весь процесс осуществляется лазерным лучом, который генерируется квантовым лазерным генератором.

В международной номенклатуре лазерная сварка обозначается следующей аббревиатурой: LWB – сварка посредством лазерного луча.

Техническая особенность лазерной сварки

Лазерный луч по сравнении со световым пучком характеризуется следующими свойствами, которые позволяют использовать его в процессе сваривания двух металлических поверхностей:

• направленность узкого лазерного луча позволяет сосредоточить всю тепловую энергию, которая необходима для образования сварочной ванны, в месте малой площади до десятых долей миллиметра.

Это позволяет производить соединение очень тонким швом;

• лазер имеет более эффективную способность к фокусировке оптическими линзами, так как лазерный поток монохроматичен, имеет одну интерференционную фракцию и одинаковую длину волны, в то время, как световой поток имеет несколько фракций с различными длинами волн;
• когерентность потока означает способность лазерного луча к резонансу, который увеличивает мощность потока.

Для этого в сварочных аппаратах лазерной сварки используются резонаторы колебаний магнитных полей, которые так же позволяют усиливать и уменьшать поток по площади.

По виду сварочные лазеры различают на твердотельные и лазеры с газовой прокачкой:

• Твердотельные лазеры. Лазер представляет собой трубку, которая внутри покрыта зеркальной поверхностью – зеркалом насыщений.

В центре трубки находится цилиндрический трубчатый рубин, который и является преломляющей линзой для образования лазерного луча.

На внешний контр подаются токи возбуждения, которые подаются так же и на лампу возбуждения, которая создает кратковременный высокочастотные световые импульсы, эти импульсы аккумулируются рубиновой трубкой.

После этого внутри рубина возникает ионизированный лазерный пучок. Далее лазерный луч выгоняется направленным магнитным полем.

Отличительная черта таких лазеров – малая мощность лазерного луча, поэтому область применения данной сварки – работа с малогабаритными и легкоплавкими деталями.

Такие лазеры нашли активное применение в микроэлектронной промышленности: производство микросхем, микро распределителей, диодов и тиристоров;

• Газовые лазеры обладают намного большей мощностью. Их отличительной чертой от твердотельных лазеров является тот факт, что полость отражательной трубки заполнена смесью ионизирующего газа, как правило, СО2+N2+Не.

Схема работы такого лазера не отличается сложностью: в трубке расположены два электрода, которые и являются возбудителями для образования направленного лазерного заряда в газе.

Лазерный луч направляется магнитными полями высокой мощности.

Такие сварочные аппараты оснащаются водяной системой охлаждения, так как рабочая полость с азом разогревается от импульсного воздействия электродов.

Газодинамические лазеры по своему устройству похожи на обычные газовые лазеры, но в данном случае газ в номинальной температуре 10000 градусов по Цельсию подается через сопло Лаваля, где он ионизируется и превращается в лазерный поток ионов газа.

Не имеете сварочного аппарата, но есть потребность сделать мелкий ремонт запчастей на автомобиль? Не проблема – используйте холодную сварку.

Много слышали о сварке алюминия, но не знаете что для этого надо? Читайте здесь о всех способах сварки алюминия.

Технология сварки лазером

Для производства работ не требуется вакуум, подойдут и обычные атмосферные условия.

Обычно защиту сварочной ванны производят аргоном, но есть один нюанс: во время взаимодействия металлов и лазера происходит расплав металла и его испарение.

Это может привести к тому, что лазерный луч начнет экранировать и преломляться, нарушая сварной шов.

Чтобы этого избежать в рабочую зону принудительно подается гелий – газ, который гасит возможные плазмообразования и испарения металла.

Лазерный луч несколько углубляется в стыкованные кромки, создавая из них припой.

С помощью такой технологии можно добиться “кинжальной” тонкости и ровности шва, к тому же весь процесс лазерной сварки полностью автоматизирован.

А вы знали что плазмой можно не только паять, но и резать все металлическое, керамическое, каменное и бетонное. Читайте как использовать современный аппарат для плазменной сварки при работе с разного рода металлами.

Всегда хотели знать как правильно соединять полипропиленовые трубы при помощи сварочного аппарата для сварки полипропилена? Здесь описаны все нюансы.

Преимущества и недостатки сварки лазером

К самым явным преимуществам относятся:

• возможность дозировать подаваемую энергию в очень большом диапазоне.

Это позволяет создавать высококачественные сварные соединения любых поверхностей;

• с помощью газовых лазеров можно получить большую глубину оплавления, при этом термическое повреждение не расходится в ширь, что очень важно при производстве радиотехнических деталей малого размера;
• управление лазерным потоком с помощью системы зеркал и отражателей позволяет достигнуть труднодоступных мест и участков.

К примеру, все подводные коммуникации варятся лазерным лучом с постамента, который может быть помещен внутрь трубопровода и управляться по радиопередатчику;

Недостатки:

• лазерная технология является новейшей и обладает малым КПД, высокой стоимостью на производство и эксплуатацию оборудования;
• обучение сварщика лазерной сварке и приемам обучения с агрегатом требует длительных сроков и знаний.

Несмотря на эти недостатки, прогресс не стоит на месте, лазерная сварка – технология будущего.

Флюс намного дешевле инертного газа, который употребляется при газовой сварке, и что это более простая и надежная технология, и к тому же она легко транспортируется? Все преимущества и недостатки читайте в статье про особенности сварки под флюсом.

Хотите узнать более детально как выполнить качественно сварку, как цветного, так и черного металлов? Подробности в этой статье.

Читайте также:

• Холодная сварка Холодная сварка – это способ соединения металлических деталей без применения температурного воздействия. Склеивание происходит за счет пластичной […]
• Холодная сварка для линолеума Часто перед обывателем, затеявшим ремонт, возникает вопрос: чем сварить линолеум между собой? Холодная сварка линолеума – очень эффективный и […]

Лазерная сварка: сущность и принцип технологии

Лазерная сварка – это метод сваривания металла, которые предназначен для особо точного соединения изделий. Часто его применяют при наличии сложной конфигурации соприкосновения элементов, которые свариваются. Данная технология применяется не так часто, но все же она обладает массой положительных особенностей.

При помощи нее можно получить эстетичный, ровный и гладкий шов без деформированный, искривлений. Сварка подходит для соединения изделий из нержавейки, алюминия и даже серебра. Конечно, это не все характерные качества этого вида сварки, имеются другие особенности, которые заслуживают отдельного внимания.

Общая характеристика

Лазерная сварка металлов производится при помощи специального оборудования. Этот метод появился не так давно, но он успел завоевать высокую популярность. Его используют в разных областях промышленности для создания прочного неразъемного соединения. Данный способ сваривания имеет высокую точность, хорошую производительностью и отличное качество соединения.

Нагревание и плавление в рабочей области происходит при помощи лазерного луча. Световой поток, который генерируется лазером, обладает монохромностью. Все волны имеют одинаковые показатели длины. Именно это намного упрощает контролирование потоков, которое производится при помощи фокусирования линз и отклонений призм. В лазере проявляется явление волнового резонанса, что во много раз повышает мощность пуска.

Все эти свойства помогают понять, что такое лазерная сварка. Во время этой технологии могут применяться разные сварочные аппараты – полуавтоматические, автоматические и даже роботизированные, которые осуществляют работу без присутствия человека. Каждое из них подает лазерный луч, который нагревает и расплавляет выбранную область металлического изделия.

Технология лазерной сварки

Принцип работы лазерной сварки основывается на следующих свойствах:

• когерентностью. В основе этого показателя лежит взаимосвязь фаз теплового поля луча лазера в разных зонах;
• монохроматичностью. Данное свойство характеризуется небольшой шириной спектральных линий, которые излучаются источником;
• направленностью. При проведении сварочного процесса не происходит рассеивание луча при его движении от источника к свариваемому изделию.

Благодаря этим показателям повышается мощность лазерного луча, он обеспечивает точное размеренное плавление и испарение металлов в зоне сваривания. Источник может быть на некотором расстоянии от свариваемой зоны, а в области сварочной лазерной ванны не требуется присутствия вакуума.

Так как работает лазерная сварка? При соединении изделий с применением лазерного луча наблюдаются следующие процессы:

1. Элементы, которые подготовлены для соединения, плотно соединяются друг с другом вдоль линии будущего соединения.
2. Далее на область стыка наводится лазерный луч.
3. Включается генератор. Во время этого начинается равномерное разогревание, плавление и испарение частиц на кромках.
4. В связи с тем, что сечение лазерного луча имеет небольшие размеры, расплавленный металл заполняет все микронеровности и дефекты изделий, которые попадают в зону действия лазерного луча.

Важно! Сварка лазером имеет положительную особенность – во время нее образуется сварное соединение с большой плотностью. А вот пористость, и прочие дефекты, которые присущи другим методам сварки, во время этой технологии отсутствуют.

В связи с тем, что лазерный луч перемещается по соединяемым поверхностям с высокой скоростью, в ходе сварочного процесса не возникает окисления металла. При помощи луча можно делать два вида шва – сплошной и прерывистый. При помощи первого варианта сваривают трубы из нержавеющей стали, где необходима высокая герметичность. Второй вид используется при сваривании небольших конструкций, которые имеют поверхностные повреждения.

Преимущества и недостатки

Преимущества лазерной сварки сделали данную технологию популярной и востребованной. Но она также как и другие сварочные работы имеет негативные стороны, которые обязательно нужно предварительно рассмотреть.

Среди преимуществ сварки можно выделить:

1. Сварка лазерным лучом может использоваться для разнообразных материалов – от металлов и магнитных сплавов до термопластов, стекла, керамики.
2. Наблюдается высокая точность и стабильность траектории пятна нагревания.
3. Небольшой размер сварного соединения. Именно это делает его незаметным.
4. Отсутствует нагревание околошовной области. Вследствие этого наблюдается минимальная деформация свариваемых деталей.
5. При проведении нагревании не образуются продукты сгорания, не проявляется рентгеновское излучение.
6. Высокая химическая чистота сварочного процесса. Это связано с тем, что во время сварки не используются присадки, флюсы, электроды.
7. Подходит для сваривания в труднодоступных местах, может применяться на большом удалении от зоны расположения лазера.
8. Может применяться для сварки элементов, которые находятся за прозрачными материалами.
9. Быстрая перенастройка при переходе на изготовления нового изделия.
10. Сварные швы имеют высокое качество и прочность.

Несмотря на то, что лазерная сварка является востребованным методом, который отлично подходит для ремонта кузова автомобиля, для работы с различными конструкциями, металлическими изделиями, все же стоит рассмотреть плюсы и минусы технологии. Как мы поняли достоинств у нее достаточно много, но не стоит забывать про недостатки.

Особое внимание стоит обратить на следующие негативные качества:

• оборудование лазерной сварки имеет высокую стоимость. Также комплектующие, запасные части стоит достаточно дорого. По этой причине эта технология применяется только на производствах, предприятиях. А некоторые умельца прибегают к изготовлению лазерной сварки своими руками, но это требует некоторых знаний, а также необходимо иметь схемы, чертежи, инструкции;
• лазерно-дуговая сварка обладает низким показателем КПД. Для твердотельных сплавов он составляет 1 %, а для газовых он может составлять 10 %;
• зависимость эффективности сварочного процесса от отражающей способности заготовки;
• высокие требования к квалификации обслуживающего персонала;
• особые требования к помещениям, в которых размещается лазерное оборудование. Это относится к показателям вибрации, влажности и запыленности.

Условия и способы сварки лазером

Лазерная сварка нержавеющей стали, сплавов и материалов должна проводиться в соответствии с определенными особенностями. Чтобы получить повышенную мощность луча требуется его точная фокусировка. В момент, когда показатели интенсивности пучка становятся выше максимального значения, он пропускается через центральную область переднего зеркала и далее через систему направляющих призм к рабочей области.

Лазерная сварка нержавейки и других металлов может осуществляться при разном нахождении свариваемых изделий. Глубина проплавления металлической структуры может регулироваться в широком диапазоне – от поверхностного до сквозного. Рабочий процесс может проводиться непрерывным лучом или прерывистыми импульсами.

Обратите внимание! Лазерная импульсная сварка подходит для соединения и обработки изделий из тонкого листового проката. Кроме этого данная технология может с легкостью сваривать профили со сложной конструкцией и детали с большой толщиной.

Стоит учитывать, что лазерная сварка алюминия, меди, нержавейки и других металлов может проводиться несколькими способами:

1. Стыковой метод. Не требует наличия присадок, флюса. Между металлическими изделиями может присутствовать стык, но его размер должен быть не более 0,2 мм. Этот же показатель считается предельным для фокусировки лазерного луча на стык. Сварочный процесс осуществляется при помощи «кинжальной» проплавления металлических поверхностей на всю толщину, при этом наблюдается интенсивность лазерного излучения до 1 мВт/см2. В данных ситуациях шов требуется защищать от окисления, для этого подойдет аргон или азот. А вот гелий сможет предотвратить пробои лазерного излучения.
2. Нахлесточный метод. Во время сваривания листы накладываются друг на друга, их соединение производится мощным излучением. Во время сварки применяется локальный прижим изделий. Предельный зазор между поверхностями металлических изделий при работе должен составлять не более 0,2 мм.

Виды лазеров

Лазерная сварка алюминиевых сплавов, меди, нержавейки и других металлов, материалов может осуществляться разными лазерами. Устройства бывают твердотельного и газового вида. Каждый тип выбирается в соответствии с целью применения оборудования. Но при этом не стоит забывать про важные характеристики каждого вида.

Твердотельный

Лазерная сварка меди, алюминия, нержавейки, серебра, пластмассы и даже стекла осуществляется твердотельным лазером. Для нее необходим главный компонент – рубиновый стержень, также он может быть выполнен из стекла с неодимом. Обычно этот элемент находится внутри осветительной камеры.

В момент, когда в камеру с определенной частотой подается свет с большой мощностью, в кристалле в этот момент возникает возбуждение атомов. Все это приводит к излучению света, которое имеет волны с одинаковой длиной. Торцевые части стержневого элемента состоят их отражающих зеркал. Одно из них является частично прозрачным. Через него выходит энергия в виде лазерного излучения.

Стоит отметить! Лазеры твердотельного вида имеют небольшую мощность. Этот показатель может варьироваться от 1 до 6 кВт.

Газовый

Лазеры газового типа считаются более мощными и производительными устройствами, в который в качестве активного тела выступает газовая смесь. Однако лазерная сварка титана, меди, алюминия, нержавейки, которая проводится с использованием данных приборов, имеет важные особенности:

1. Прокачивание газа из баллонов производится насосом. Для этого применяется газоразрядная труба.
2. Между электродами возникает разряд электрического тока, который вызывает энергетическое возбуждение газовой смеси.
3. В торцевых зонах газоразрядной трубы имеются специальные зеркала, через которые пропускаются лучи лазера.
4. При выполнении лазерной сварки оправ, кузова автомобиля и других изделий электроды соединяются с источником питания.
5. Процесс охлаждения лазерных устройств проводится водяной системой.

Но все же у газовых устройств имеется существенный недостаток – большие габариты. А вот лазерные агрегаты, имеющие поперечную прокачку газа, обладают небольшими размерами. Общие мощностные показатели оборудования начинаются от 20 кВт и выше. Благодаря этому может производиться сваривание металлов с толщиной до 2 см на скорости до 60 метров в час.

Лазерная сварка серебра, меди, алюминия, титана, нержавейки и других металлов производится в атмосферных условиях. Для нее необходим вакуум, но при этом должна быть защита расплавленного металла от влияния воздуха. Для этого используются газы, обычно аргон. В связи тем, что наблюдается высокая тепловая мощность луча на поверхности свариваемого элемента, происходит усиленное испарение металла. Пары ионизируются, в результате этого возникает рассеивание и экранизация лазерного луча.

Лазерная сварка стекла, пластмасс и изделий из разных металлов, во время которой применяются газовые смеси, характеризуется тем, что в область сваривания помимо защитного газа проникает плазмоподавляющий газ. В качестве него применяется гелий, который намного легче аргона, он не будет рассеивать лазерный луч. Для упрощения процесса многие опытные сварщики часто применяют комбинированные газовые смеси, которые обладают плазмоподавляющими и защитными свойствами.

Особенности газодинамических лазеров

Газодинамические агрегаты обладают высокими мощностными показателями. В качестве активного тела выступает окись углерода. Она нагревается до 3000 К и пропускается через сопло Лаваля. На выходе из сопла наблюдается быстрое снижение давления, и постепенное охлаждение газовой смеси.

Применение гибридных установок

Лазерная сварка кузова автомобиля, различных конструкций с толстыми элементами и компонентами с зазором проводится с использованием дополнительных присадочных материалов. Для этих целей применяют подачу проволоки, которая зажигает электрическую дугу. Благодаря этому осуществляется заполнение пространства между пластинами и создается соединение с высокой прочностью.

Важно! При проведении лазерной сварки автомобиля, толстых металлических конструкций осуществляется защита сварочной ванны при помощи обдува инертным газом, который подается через сопло, закрепленное рядом с лазерной головкой.

Лазерная сварка кузова и других изделий с высокой толщиной производится на столе или подставках от оборудования. Процесс осуществляется в несколько этапов:

1. На начальном этапе металл очищается от окалин, масляных пятен, признаков воды, влаги.
2. Затем детали плотно подгоняются встык.
3. Производится химическое травление поверхности металлического изделия.
4. Выполняется настройка лазерной сварки с выставлением требуемых параметров в зависимости от типа свариваемого металла.
5. Далее головка от сварочного оборудования пододвигается к линии начала соединения, нажимается кнопка запуска сварки.
6. Во время сварочного процесса необходимо постоянно следить за попаданием луча в область стыка.

Особенности сварки тонкостенных изделий

Главное преимущество лазерной сварки состоит в ее многообразии. К каждому виду работ можно подобрать подходящие приборы и устройства. Но все при их выборе стоит опираться на вид и особенности материалов, которые будут свариваться. Обычно для тонкостенных изделий применяются твердотельные лазеры и аппараты на основе газа. Но все первый вариант считается наиболее предпочтительным.

Лазерная сварка малых толщин всегда выполняется при помощи твердотельных лазеров. Она подходит для работы с небольшими изделиями. Зачастую это элементы микроэлектроники, к примеру, тонкие выводы из проволоки с диаметром от 0,01 до 0,1 мм.

Часто твердотельной установкой выполняется точечная лазерная сварка с применением твердотельного лазерного устройства. Но она подходит для изделий из фольгированной структуры с диаметром точки 0,5-0,9 мм. При помощи этого способа производится герметичное катодное соединение на кинескопах современных телевизоров.

Соединение маленьких и тонкостенных изделий проводится на минимальной мощности. Если сваривание выполняется в импульсном режиме, то обязательно нужно будет повысить скважность импульса и сократить его длительность. А вот в непрерывном режиме необходимо повысить скорость лазера.

Применение лазерной сварки для изделий из стекла и пластмассы

Лазерная сварка пластмасс, стекла производится при помощи твердотельных установок. Они обладают простым устройством – в отражательной трубке установлены два электрода, а в пространстве между ними имеется смесь из ионизирующих газов.

Обратите внимание! Твердотельное оборудование часто применяется при ремонте очков из пластика и стекла. Особую популярность оно приобрело при сваривании оправ, это связано с тем, что для этого процесса не требуется применения припоя.

Сварка изделий из пластика и стекла производится в той же последовательности, как и соединение металлических элементов:

• поверхности деталей, которые будут свариваться, тщательно очищаются от пыли, пятен, различных загрязнений;
• затем производится подготовка установки и электрода к последующим работам;
• настраивается фокусирующая линза. Если будет применяться расфокусированная линза, то лазерный луч будет смазанным и не получится создать локальное расплавление металла. Правильно сфокусированный пучок должен иметь круглую форму;
• устанавливается необходимое значение мощности сварки.

Модели станков для лазерной сварки

Что такое лазерная сварка металла и как она проводится, мы рассмотрели, но все же необходимо знать модели устройств, которые используются для ее осуществления. Для нее может применяться оборудование мобильного и компактного типа.

В промышленности часто применяют следующие лазерные устройства:

1. Квант-15 лазерная сварка. Прибор является самым дорогостоящим и многофункциональным. Его применяют в шовной и точечной сварочной технологии для соединения различных металлов и сплавов с глубиной проплавления до 2-3 мм. Также используется при разрезании инструментальных, конструктивных, высоколегированных сплавов.
2. ЛАТ-С. Эта установка применяется для проведения лазерной сварки и наплавки металлов. Имеет высокую мощность и производительность. Оборудование может быть укомплектовано координатными столами, именно за счет этого можно производить обработку сложных изделий.
3. МУЛ-1. Это малогабаритное оборудование, которое применяется для лазерной сварки и наплавки металлов. При помощи него может производиться пайка изделий из серебра и золота. Применение лазерной сварки в ювелирном деле позволяет легкое сваривание с соблюдением высокой точности. Допускается даже соединение оправ пластиковых очков.

Ручная лазерная сварка осуществляется с применением приборов:

• WELD-WF. Портативное устройство, подходящее для сваривания труднодоступных мест. В его устройство входит манипулятор, который соединяется с волокном. Мощность составляет 1,5 кВт;
• CLW120. Ручной агрегат с небольшой мощностью. Он подходит для ювелирной области, которая требует максимальной точности. Также при помощи него может производиться точечная лазерная сварка. Мощность составляет 10 кВт.

Как сделать лазерный резак для гаража

Многие интересуются, как сделать лазерную сварку самостоятельно? Поскольку оборудование достаточно дорогое и его может себе позволить не каждый можно попробовать самому изготовить простой режущий аппарат с использованием лазера. При помощи него можно будет вырезать разнообразные узоры на прочных сталях, разрезать металлические компоненты или соединять простые стальные изделия.

Для изготовления потребуется лазерная указка. Также будут нужны дополнительные компоненты:

• фонарик, который работает на батарейках;
• старый DVD-ROM, из которого нужно будет извлечь матрицу с лазерным приводом;
• паяльник и отвертки для закручивания.

На начальном этапе необходимо провести полную разборку привода старого дисковода для компьютера. Именно из него нужно извлечь прибор. Все следует делать осторожно и аккуратно, что не повредить основное устройство. Привод дисковода должен быть пишущим.

После вынимается диод красного цвета, именно он прожигает диск во время записи информации на него. При помощи паяльника распаиваются крепления диода. Этот элемент очень чувствительный, его не нужно бросать.

Далее разбирается лазерная указка, как это делается можно посмотреть по видео в интернете. Диод из указки заменяется красной лампочкой из привода. Корпусная часть делается из фонарика. А аккумуляторные батарейки будут нужны для запитки лазерного резака.

Возможные дефекты шва

На производствах часто проводятся тесты по лазерной сварке, которые позволяют предотвратить возможные дефекты швов. Но все же даже правильная подготовка не всегда защищает от деформаций, непроваров и других неприятных ситуаций.

Выделяют следующие дефекты лазерной сварки:

1. Непроваривание шва.
2. Образование пор и трещин.
3. Наплывы, кратеры, сварные раковины.
4. Посторонние включения.
5. Прожоги.

Данные явления часто образуются при несоблюдении технологии. Сварщик обязательно должен правильно выставлять настройки в оборудовании в зависимости от свариваемого металла. Кроме этого он должен четко контролировать процесс и следить за движением лазерного луча по свариваемой области.

Лазерная сварочная технология – востребованный метод соединения разных металлов, а также изделий из стекла, пластика и драгметаллов, который позволяет получить качественное и прочное соединение. Но все же перед тем как к нему приступать, необходимо тщательно рассмотреть важные особенности, принципы технологии, от которых зависит итоговый результат. Кроме этого чтобы процесс был проведен правильно, обязательно нужно иметь опыт и навыки.

Интересное видео

Сварка металла лазерным лучом: особенности и преимущества

Сущность и основные преимущества сварки лазерным лучом

При облучении поверхности тела светом энергия квантов (порций) света поглощается этой поверхностью. Образуется теплота, температура поверхности повышается. Если световую энергию сконцентрировать на малом участке поверхности, можно получить высокую температуру. На этом основана сварка световым лучом оптического квантового генератора — лазера.

Что такое лазер

Термин «лазер» происходит от первых букв английской фразы: «Light amplification by the stimulated emission of radiation». Перевод: «Усиление света посредством индуцирования эмиссии излучения». За теоретическим обоснование и разработкой лазеров стоят трое ученых: академик Н. Г. Басов, академик А. М. Прохоров и американский физик Ч.Таунс. В 1964 году это открытие принесло им Нобелевскую премию. 

Академик Басов охарактеризовал лазер так: «Это устройство, в котором энергия, например тепловая, химическая, электрическая, преобразуется в энергию электромагнитного поля — лазерный луч. При таком преобразовании часть энергии неизбежно теряется, но важно то, что полученная в результате лазерная энергия обладает несравненно более высоким качеством. Качество лазерной энергии определяется её высокой концентрацией и возможностью передачи на значительное расстояние».

Виды и принцип работы лазера

Основные элементы лазера — это генератор накачки и активная среда. По активным средам различают твердотельные, газовые и полупроводниковые лазеры. 

Твердотельные лазеры

В твердотельных лазерах (рис. 1) в качестве активной среды чаще всего применяют стержни из розового рубина — окиси алюминия А12О3 с примесью ионов хрома Сг3+ (до 0,05%). При облучении ионы хрома переходят в другое энергетическое состояние — возбуждаются — и затем отдают запасенную энергию в виде света. На торцах рубинового стержня нанесен слой отражающего вещества (например, серебра) так, что с одного конца образовано непрозрачное, а с другого — полупрозрачное зеркало. Излучение ионов хрома, отражаясь от этих зеркал, циркулирует параллельно оптической оси стержня, возбуждая новые ионы, — идет лавинообразный процесс. 

Происходит бурное выделение лучистой энергии, которая излучается параллельным пучком через полупрозрачное зеркало и фокусируется линзой в месте сварки. Выходная мощность твердотельных лазеров достигает 107 Вт при сечении луча менее 1 см2. В фокусе достигается громадная концентрация энергии, позволяющая получать температуру до миллиона градусов.

Рис. 1. Схема твердотельного лазера:
1 — рубиновый стержень; 2 — генератор накачки; 3 — отражатель; 4 — непрозрачное зеркало; 5 — охлаждающая среда; 6 — источник питания; 7 — полупрозрачное зеркало; 8 — световой луч; 9 — фокусирующая линза; 10 — обрабатываемые детали 

При работе в импульсном режиме существенный недостаток твердотельного лазера — низкий КПД (0,01…2,0%). Более высокую мощность и больший КПД обеспечивают лазеры, работающие в непрерывном режиме. Например, твердотельный лазер на алюмоиттриевом гранате, активированном атомами неодима (приблизительно 1%).

Газовые лазеры

Ещё более высокий КПД и мощность у газовых лазеров. В качестве активной среды в них применяют чаще всего СО2 или смесь газов. Генераторами накачки могут служить искровые разрядники или электронный луч.

Типичная конструкция газового лазера — это заполненная газом трубка, ограниченная с двух сторон строго параллельными зеркалами: непрозрачным и полупрозрачным (рис. 2). В результате электрического разряда между введенными в трубку электродами возникают быстрые электроны, которые возбуждают газовые молекулы. Возвращаясь в стабильное состояние, эти молекулы образуют кванты света так же, как и в твердотельном лазере. Газовые лазеры могут работать в непрерывном режиме. Для сварки используют твердотельные и газовые лазеры импульсного и непрерывного действия.

Рис. 2. Схема газового лазера:
1 — разрядная трубка; 2 — непрозрачное зеркало; 3 — источник питания; 4 — вакуумный насос; 5 — полупрозрачное зеркало

Как проходит процесс лазерной сварки

Лазерную сварку производят на воздухе или в среде защитных газов: аргона, СО2. Вакуум, как при электронно-лучевой сварке, здесь не нужен, поэтому лазерным лучом можно сваривать крупногабаритные конструкции. 

Лазерный луч легко управляется и регулируется с помощью зеркальных оптических систем, легко транспортируется и направляется в труднодоступные для других способов места. В отличие от электронного луча и электрической дуги на него не влияют магнитные поля, что обеспечивает стабильное формирование шва. 

Лазерная сварка отличается высокой концентрацией энергии в пятне диаметром 0,1 мм и менее. Для нее характерны небольшой объем сварочной ванны, малая ширина зоны термического влияния, высокие скорости нагрева и охлаждения. На практике это означает, что лазерная сварка обеспечивает технологическую прочность сварных соединений, небольшие деформации сварных конструкций. Например, лазерная сварка вилки с карданным валом автомобиля увеличивает срок службы карданной передачи в три раза по сравнению с дуговой сваркой. Главные факторы: площадь сечения сварного шва уменьшается более чем вдвое, а время сварки — в несколько раз. Деформации вилки, вызывающие преждевременный износ, практически отсутствуют.

Основные энергетические характеристики процесса лазерной сварки — это плотность Е мощности лазерного излучения и длительность t его действия. При непрерывном излучении t определяется продолжительностью времени экспонирования, а при импульсном — длительностью импульса. Превышение верхнего предела Е вызывает интенсивное объемное кипение и испарение металла. Это приводит к выбросам металла и дефектам шва. На практике лазерную сварку ведут при Е=106…107 Вт/см2. При Е < 105 Вт/см2 лазерное излучение теряет свое основное достоинство — высокую концентрацию энергии. Изменение Е и t позволяет сваривать лазерным лучом различные конструкционные материалы с толщиной от нескольких микрометров до десятков миллиметров.

Скорость лазерной сварки непрерывным излучением в несколько раз превышает скорости традиционных способов сварки плавлением. Например, стальной лист толщиной 20 мм электрической дугой сваривают со скоростью 15 м/ч за 5…8 проходов, ширина шва получается 20 мм. Непрерывным лазерным лучом этот лист сваривается со скоростью 100 м/ч за 1 проход при ширине шва в 5 мм. Однако лазерная сварка импульсным излучением по скорости сопоставима с традиционными способами сварки.

Технологические особенности процесса лазерной сварки

Лазерную сварку можно производить со сквозным и с частичным проплавлением. Сварные швы одинаково хорошо формируются в любом пространственном положении. При толщине свариваемых кромок менее 0,1 мм и при сварке больших толщин с глубоким проплавлением формирование шва происходит по-разному. 

Подходы к выбору параметров режима сварки тоже различаются. При сварке малых толщин непрерывным или импульсным излучением используют более мягкие режимы, которые обеспечивают расплавление металла только в стыке деталей — без перегрева до температуры интенсивного испарения. Сварку сталей и других относительно малоактивных металлов можно в этом случае выполнять без дополнительной защиты зоны нагрева, что существенно упрощает технологию. При этом сварку с глубоким проплавлением ведут с защитой шва газом, состав которого подбирают в зависимости от свариваемого материала.

Сварка импульсным излучением

Основные параметры режима импульсной лазерной сварки — это энергия и длительность импульсов, диаметр сфокусированного излучения, частота следования импульсов, положение фокального пятна относительно поверхности свариваемых деталей. 

Правильная длительность лазерного импульса

Длительность лазерного импульса должна соответствовать тепловой постоянной времени для данного материала. Ее можно приближенно определить по формуле:

τ = δ² / (4α),

где δ и α — соответственно толщина и коэффициент температуропроводности свариваемого материала.

Значения τ для тонких деталей (δ = 0,1…0,2 мм) составляют несколько миллисекунд. Поэтому для меди длительность импульса будет в районе 0,0001…0,0005 с, для алюминия — 0,0005…0,002 с, для сталей  — 0,005…0,008 с. При увеличении δ более 1,0 мм τ возрастает и может значительно превосходить достижимую длительность лазерных импульсов. Поэтому лазерная сварка металлов толщиной более 1,0 мм импульсным излучением затруднена.

Правильный диаметр сфокусированного излучения

Диаметр сфокусированного излучения d определяет площадь нагрева и плотность мощности Е. При сварке d изменяют от 0,05 до 1,0 мм путем расфокусировки луча. При этом фокальную плоскость, на которой сфокусированный световой пучок имеет наименьший диаметр, располагают выше или ниже поверхности свариваемых деталей. 

Сварной шов при импульсном излучении

Сварной шов при импульсном излучении образуется наложением сварных точек с их взаимным перекрытием на 30…90% в зависимости от типа сварного соединения и требований к нему. 

Промышленные сварочные установки с твердотельными лазерами позволяют вести шовную сварку со скоростью до 5 мм/с при частоте импульсов до 20 Гц. Сварку можно вести с присадочным материалом в виде проволоки диаметром менее 1,5 мм, ленты или порошка. 

Присадка позволяет увеличить сечение шва, устраняя один из наиболее распространенных дефектов — ослабление шва, а также легировать металл шва. Легирующие элементы при лазерной сварке можно также наносить предварительно на поверхности свариваемых кромок напылением, обмазкой, электроискровым способом и т.п.

Лазерная сварка деталей разной толщины

Наиболее распространена лазерная сварка импульсным излучением в электронной и электротехнической промышленности, где сваривают угловые, нахлесточные и стыковые соединения тонкостенных деталей. Хорошее качество соединений обеспечивается сваркой лазерным лучом тонких деталей (0,05…0,5 мм) с массивными. Когда свариваемые детали значительно отличаются по толщине, луч смещают на массивную деталь, чем выравнивают температурное поле и достигают равномерного проплавления обеих деталей. Чтобы снизить разницу в условиях нагрева и плавления таких деталей, толщину массивной детали в месте стыка уменьшают, делая на ней бурт, технологическую отбортовку или выточку (рис. 3). 

При лазерной сварке нагрев и плавление металла происходят так быстро, что деформация тонкой кромки может не успеть произойти до того, как металл затвердеет. Это позволяет сваривать тонкую деталь с массивной внахлестку. Для этого надо, чтобы при плавлении тонкой кромки и участка массивной детали под ней образовалась общая сварочная ванна. Это можно сделать, производя сварку по кромке отверстия в тонкой детали или по её периметру.

Рис. 3. Сварные соединения деталей разной толщины:
а — по бурту на массивной и отбортовке на тонкой детали; б — тавровое соединение; в — по кромке выточки в массивной детали; г — по отверстию в тонкой детали. Стрелками показано направление лазерного луча

Детали малой толщины можно сваривать также газовыми и твердотельными лазерами непрерывного действия мощностью до 1 кВ-А. Лучше всего формируется шов при стыковом соединении тонких деталей. Однако при сборке таких соединений под лазерную сварку предъявляются более жесткие требования: должен быть обеспечен минимальный и равномерный зазор в стыке и практически полное отсутствие смещения кромок.

Сложнее формируется шов при сварке деталей толщиной более 1,0 мм с глубоким проплавлением. Как только плотность мощности лазерного излучения станет больше критической, скорость нагрева металла значительно превысит скорость отвода теплоты в основной металл за счет теплопроводности. На поверхности жидкого металла под действием реакции образуется углубление. Увеличиваясь, оно образует канал, заполненный паром и окруженный жидким металлом. Давления пара оказывается достаточно для противодействия силам гидростатического давления и поверхностного натяжения, и полость канала не заполняется жидким металлом. 

При некоторой скорости сварки форма канала приобретает динамическую устойчивость. На передней его стенке происходит плавление металла, на задней — затвердевание. Наличие канала способствует поглощению лазерного излучения в глубине свариваемого материала, а не только на его поверхности. Формируется так называемое «кинжальное проплавление». При этом образуется узкий шов с большим соотношением глубины проплавления к ширине шва.

Сварочная ванна при лазерной сварке

Сварочная ванна (рис. 4) имеет характерную форму, вытянутую в направлении сварки. В головной части ванны расположен канал (кратер) 3. Это область наиболее яркого свечения. На передней стенке канала существует слой расплавленного металла, испытывающий постоянные возмущения. Здесь наблюдается характерное искривление передней стенки в виде ступеньки, которая периодически перемещается по высоте канала. 

Удаление расплавленного металла с передней стенки осуществляется при перемещении ступеньки сверху вниз. Перенос расплавленного металла из головной части ванны в хвостовую происходит по боковым стенкам в горизонтальном направлении. В хвостовой части ванны 4 расплавленный металл завихряющимися потоками поднимается вверх и частично выносится на поверхность сварочной ванны. При образовании канала 3 над поверхностью металла появляется светящийся факел 2 из продуктов испарения, частиц конденсированного пара и мелких, выбрасываемых из ванны капель металла. 

Рис. 4. Схема сварочной ванны при лазерной сварке:
1 — лазерный луч; 2 — плазменный факел; 3 — парогазовый канал; 4 — хвостовая часть ванны; 5 — металл шва; 6 — свариваемый металл; V_св — направление сварки 

Скорость сварки и проплавляющая способность

При значительной скорости сварки факел отклоняется на 20…600 в сторону, противоположную направлению сварки. Этот факел поглощает часть энергии луча и снижает его проплавляющую способность.

При сварке деталей толщиной более 1,0 мм на проплавляющую способность луча в первую очередь влияет мощность излучения. Поскольку сварка таких деталей ведется при непрерывном излучении, то к основным параметрам режима здесь относится и скорость сварки. При выбранном значении мощности излучения скорость сварки определяют исходя из особенностей формирования шва: минимальное значение скорости ограничено отсутствием кинжального проплавления, а максимальное — ухудшением формирования шва, появлением пор, непроваров. Скорость сварки может достигать 90…110 м/ч.

Фокусировка луча и качество сварных швов

На качество сварных швов влияет фокусировка луча. Для сварки луч фокусируют в пятно диаметром 0,5…1,0 мм. При меньшем диаметре повышенная плотность мощности приводит к перегреву расплавленного металла, усиливает его испарение — появляются дефекты шва. При диаметре более 1,0 мм снижается эффективность процесса сварки. Формирование шва зависит также от положения фокальной плоскости относительно поверхности свариваемых деталей. Максимальная глубина проплавления достигается, если фокус луча будет находиться над поверхностью детали.

Два процесса проплавления металла

Форма сварочной ванны в продольном сечении также отличается от её формы при дуговой сварке (рис. 5). На поверхности фронта кристаллизации имеется выступ, который делит ванну на две характерные части. Нижняя часть значительно заглублена и имеет малую протяженность в поперечном сечении, тогда как верхняя часть более широкая и вытянута вдоль шва. 

Отсюда очевидно, что при лазерной сварке имеют место два процесса проплавления металла. Первый процесс связан с образованием канала, как это было показано выше. Именно он обеспечивает эффект глубокого проплавления. Второй процесс — поверхностное плавление за счет теплопроводности свариваемого материала. Преимущественное развитие того или иного процесса зависит от режима сварки и определяет очертания сварочной ванны.

Рис. 5. Продольное сечение сварочной ванны

Качество, защита шва и дефекты при лазерной сварке

Для лазерной сварки характерны высокая концентрация энергии, большая скорость по сравнению с дуговыми способами, незначительное тепловое воздействие на околошовную зону из-за высоких скоростей нагрева и охлаждения металла. Эти факторы существенно повышают сопротивляемость большинства конструкционных материалов образованию горячих и холодных трещин. Поэтому можно достичь высокого качества сварных соединений из материалов, плохо свариваемых другими способами сварки. Деформации сваренных деталей существенно (до десяти раз) снижаются, что уменьшает затраты на правку.

При лазерной сварке с глубоким проплавлением металл шва защищают от окисления, подавая через сопло в зону сварки защитный газ. Для этого применяют специальные сопла (рис. 6). При сварке алюминия, титана и других высокоактивных металлов требуется дополнительная защита корня шва. Для защиты используют те же газы, что и при дуговой сварке — чаще это аргон, гелий или их смеси. Защитные газы влияют на эффективность проплавления: чем выше потенциал ионизации и теплопроводность газа, тем она больше. Качественную защиту можно обеспечить при расходе гелия 0,0005…0,0006 м3/с, аргона 0,00015…0,0002 м3/с, смеси, состоящей из 50% аргона и 50% гелия, — 0,00045…0,0005 м3/с. Для защиты зоны лазерной сварки можно использовать флюсы такого же состава, что и при дуговой сварке. Применяют их в виде обмазок, наносимых на свариваемые кромки.

Рис. 6. Схемы защитных сопел:
а — при сварке деталей малой толщины; б — при сварке с глубоким проплавлением; 1 — лазерный луч; 2 — свариваемые детали

Наиболее часто встречающиеся дефекты при лазерной сварке больших толщин — это неравномерность проплавления корня шва и наличие полостей в шве. Для снижения вероятности образования пиков проплавления при сварке с несквозным проплавлением рекомендуют повышать скорость сварки и отклонять лазерный луч от вертикали на 15… 17° по направлению движения. Тогда дефектов можно избежать, и лазерная сварка показывает себя еще более надежным решением на производстве.

Сварка волоконными лазерами

Классификация приемов и способов лазерной сварки волоконными лазерами позволит более четко упорядочить существующее многообразие технологических процессов.

Объемы применения лазеров в промышленности постоянно растут [1]. Станки лазерной резки и маркировки можно встретить на многих металлообрабатывающих предприятиях. Выгода применения лазерных технологий очевидна: высокие скорости, точность и качество обработки, низкая себестоимость и высокая степень автоматизация труда делают процесс лазерной обработки экономически эффективным.
Появление в начале 2000‑х годов нового поколения лазеров диапазона мощностей излучения от 1 кВт и выше [2] на основе активного волокна легированного ионами иттербия, вызвало интерес к широкому их использованию и для других видов металлообработки: сварки, термообработки, наплавки, аддитивных технологий. Высокая мощность лазерного излучения до 100 кВт [3], возможность передачи излучения через транспортное волокно, высокий КПД (до 35 %), стабильность работы и простота в эксплуатации, отсутствие необходимости применения газов и других расходных элементов повысили экономическую целесообразность использования лазера в качестве источника нагрева для различных технологических процессов.
Начиная с 2000‑х годов в Европе, Японии, США технологии лазерной сварки на базе волоконных лазеров активно развиваются и внедряются в промышленность. В автомобилестроении, вагоностроении, машиностроении и авиационной промышленности применяется лазерная (гибридная) сварка, обеспечивающая высокий уровень автоматизации производства, а получаемые соединения, выполненные посредством лазера, имеют высокое качество.

Лазерная сварка активно исследуется и периодически внедряется на заводах такими организациями как МГТУ им. Н. Э. Баумана (Москва), Политехнический университет (Санкт-Петербург), ИПЛИТ РАН (Шатура) и другими, однако широкого распространения в России технология лазерной сварки пока не получила. Во многом это связано со сложившейся экономической ситуацией в стране и неспособностью предприятий внедрять новые технологии, а также с недостаточной осведомленностью технологов и главных сварщиков предприятий о современных возможностях лазерной сварки.
Цель данной работы — показать все имеющиеся лазерные технологии и способы на сегодняшний день, структурировать и классифицировать имеющуюся информацию.

С появлением волоконных лазеров технология лазерной сварки получила второе дыхание. Те области, где ее применение было затруднено и казалось невозможным, стали доступны. За последние 10 лет технология лазерной сварки значительно развилась и дополнилась технологическими приемами и способами. Так, возможна следующая классификация:
1. По форме (геометрии) получаемого сварного шва;
2. По количеству проходов;
3. По виду фокусного пятна;
4. По виду присадочного материала;
5. По наличию дополнительных источников нагрева;
6. По виду сварных швов;
7. По типу оптических сварочных головок;
8. По типу защиты сварного шва
Схематически классификация лазерной сварки представлена на рис. 1.

Рис. 1. Классификация технологии лазерной сварки

По форме можно различить три вида сварных лазерных швов: с глубоким проплавлением, средним и широким. Коэффициент проплавления K, отношение глубины сварного шва b к ширине a у сварных швов с глубоким проплавления равен более двух, у средних находится на уровне от 1 до 2, и у широких равен или менее 1 (рис. 2).

Рис. 2. Виды сварных соединений, выполненных методом лазерной сварки

Рис. 3. Образец лазерной сварки с глубоким проплавлением k = 4: P = 5.4 кВт, V = 0,9 м/мин, δ = 12 мм [5].
Получение шва с глубоким проплавлением (рис. 3) возможно благодаря феномену парогазового канала, который возникает в жидкой ванне расплаве [4]. Такие сварные швы выполняются, как правило, на скоростях от 1 м/мин, фокус находится ближе к поверхности свариваемых деталей или немного заглублен. В результате получения максимальной плотности мощности на поверхности изделия сварной шов приобретает глубокое «кинжальное» проплавление на рис. 2.
Технология лазерной сварки с формированием глубокого «кинжального» проплавления может быть использована при обеспечении беззазорной сборки между свариваемыми кромками. Такие жесткие требования могут быть выполнены только при наличии ровных (фрезерованных) кромок и точной геометрии заготовок. Наличие даже минимального зазора между свариваемыми кромками (0,1–0,2 мм) будет вносить в геометрию сварного шва дефекты.

    а)                                б)                                  в)
Рис. 4. Образец лазерной сварки со средним и широким формированием шва, толщиной 6 мм: а) лазерная сварка в среде защитного газа К=1,4, б) лазерная сварка с присадочной проволокой, в) пример сварного шва с широким формированием шва К=1

Для уменьшения требований к сборке свариваемых кромок разработаны технологические режимы, для которых типично получение более широких сварных швов (рис. 4) с меньшими требованиями к качеству сборки кромок. Одним из самых простых способов для получения широкого шва является сварка в расфокусе. При этом требуемая глубина проплавления регулируется скоростью сварки и увеличением мощности лазерного излучения. Феномен парогазового канала при таком режиме остается, но ширина шва увеличивается. Такие сварные соединения снижают требования к величине зазора между кромками и составляют в среднем до 10 % от толщины свариваемого материала. Увеличение диаметра пятна на поверхности и объема жидкой ванны расплава позволяет вести сварку с подачей присадочной проволоки, требования к величине зазора снижаются до 15–20 % от толщины материала. Другим способом увеличения ширины является применение различных специализированных фокусных пятен, речь о которых пойдет ниже.
Для получения максимально широкого сварного шва еще больше снижают скорость сварки, увеличивают диаметр пятна на поверхности за счет расфокусировки с одновременным увеличением мощности лазерного излучения. У таких швов глубина проплава может быть меньше, чем ширина шва. Такие сварные соединения могут быть использованы для получения несквозных, облицовочных сварных швов, а также для компенсации неточностей сборки деталей перед сваркой или влияния поводок, возникающих в ходе самой сварки.

Лазерная сварка обычно выполняется за один проход, без разделки кромок, с высокими скоростями ведения процесса и это, бесспорно, считается преимуществом. Такая технология применяется для сварки, например сталей, толщин до 10 мм без возникновения каких-либо технологических проблем. Увеличение толщины свариваемых изделий (уже свыше 12 мм) приводит к повышению вероятности появления дефектов в сварном шве, таких как провалы, подрезы, поры, полости, трещины.
Причины появления дефектов следующие: при увеличении толщины свариваемых изделий (свыше 16 мм) прямопропорционально увеличивается мощность лазерного излучения, для обеспечения сквозного проплавления, снижается и скорость сварки, в результате чего объем жидкой ванны расплава становится больше и процессы происходящие в ней становятся менее управляемыми.
Так, при достижении определенного объема жидкого металла силы поверхностного натяжения уже не могут удерживать ванну расплава и жидкий металл вытекает каплями снизу, образуя недостаток материала сварного шва сверху. Для устранения подобных дефектов авторы [6] предлагают гибридизировать процесс и использовать медные и флюсовые подкладки.
При увеличенном объеме жидкой ванны расплава перенос металла в заднюю часть расплава происходит не за один цикл, а за несколько, прежде чем металл успеет кристаллизоваться. Периодические раскачивания жидкого металла в ванне расплава назад и вперед снижает стабильность процесса сварки, металл, попадая под лазерный луч, всхлапывает парогазовый канал и приводит к появлению дефектов.
Следует также отметить, что однопроходная сварка больших толщины ведет к образованию срединных трещин (полостей) независимо от склонности материала к растрескиванию (рис. 5) вследствие термической усадки материала и высоких скоростей охлаждения.

Рис. 5. Проплавление по телу пластины глубиной 20 мм, выполненное волоконным лазером на мощности 30 кВт, со скоростью 1 м/мин, материал сталь 3 [5]

Рис. 6. Сварное соединение, выполненное за два прохода с двух сторон [5]
Для таких случаев технологами разрабатываются специальные методы лазерной сварки с применением дополнительных технологических приемов и способов: в горизонтальном положении, на медной подкладке, с поддувом парогазового канала, с предварительным введением компенсационных напряжений в конструкцию.

Другим таким методом является сварка за два прохода с двух сторон. При первом проходе формируется основной шов с качественным формированием корня шва, при втором проходе формируется верх шва (рис. 6). Скорость сварки при этом сохраняется высокой, поэтому выполнение второго прохода существенно не снижает производительности.
При увеличении толщины свариваемых изделий свыше 20 мм может применяться технология многопроходной лазерной сварки в узкую разделку [7]. Такая технология сварки последние годы активно исследуется и начинает применяться в различных отраслях промышленности. Преимущества технологии по отношению к дуговой сварке больших толщин в широкую разделку следующие: увеличение производительности в 5–8 раз, снижение объема фрезеровки в 10 раз, снижение остаточных напряжений и деформация в 3 раза [8], снижение зоны термического влияния, экономия присадочного материала и электроэнергии. Преимущества по отношению к однопроходной лазерной сварке следующие: не требуется большая мощность лазерного излучения, снижается вероятность появления дефектов, особенно в виде трещин, повышение стабильности процесса.

Технология лазерной сварки обычно осуществляется с применением одного лазерного излучения, которое фокусируется в нужный диаметр пятна при помощи выпуклой линзы, установленной в оптической сварочной головке. В случае применения волоконных лазеров применяется коллимирующая линза, для того чтобы расходящееся лазерное излучение собрать в параллельный пучок. Такая схема используется в большинстве станков для лазерной сварки, и она формирует круглое фокусное пятно, которое пригодно для решения большинства задач.
Однако в некоторых случаях для решения конкретных технологических задач могут применяться и специализированные фокусирующие системы. Так, для уменьшения требований к зазорам могут применяться сканирующие системы, позволяющие колебать лазерный луч около оси распространения излучения. Ключевыми параметрами в задании колебаний являются амплитуда, частота и фаза колебаний, в частности, гармонические, круговые (рис. 4, 8, 9).

а)    б) 

 в)  г)
Рис. 7. Макрошлиф сварного соединения, полученного методом многопроходной лазерной сварки: а) сталь 09 Г2 С толщиной 25 мм; б) алюминиевый сплав АМг3 толщиной 30 мм, в) титановый сплав ВТ‑1 толщиной 20 мм, г) титановый сплав ВТ‑1 толщиной 40 мм [5]

а)б)

 Рис. 8. Типы сканирования лазерного излучения

а) б)
Рис. 9. Влияние кругового сканирования на геометрию сварного шва: а) без сканирования; б) с круговым сканированием [5]

Рис. 10. Внешний вид сварочной головки IPG FLW D50 с модулем двойного фокуса [5]

Помимо сканирования разработаны системы для расщепления лазерного излучения (TwinFocus, Duаl Focus — рис. 10). Двойные фокусные пятна используются как для уменьшения требований к зазорам за счет увеличения ширины сварного шва [8], так и для стабилизации процессов в парогазовом канале и уменьшения количества пор [9]. В первом случае фокусные пятна расположены поперечно сварному шву, во втором случае линейно вдоль сварного шва.
Помимо специализированных оптических систем используются два или более лазеров, излучение которых фокусируется на поверхности свариваемых изделий по различным схемам. Двухлучевая лазерная сварка является более гибким инструментом в отличие от систем расщепления лазерного луча. Взаимное расположение фокусных пятен, углов подачи лазерного излучения позволяют регулировать различные процессы, возникающие в парогазовом канале, жидкой ванне расплава во время сварки и управлять скоростью кристаллизации и охлаждения сварного шва [10].

Присадочный материал в виде проволоки при лазерной сварке может использоваться при формировании средних по ширине сварных швов. Присадочная проволока обычно подается в переднюю часть жидкой ванны расплава либо в холодном, либо в горячем состоянии. Разогрев проволоки осуществляется путем резистивного нагрева и регулируется величиной тока, протекающего в проволоке. Добавление присадочного материала позволяет сформировать усиление с лицевой поверхности соединения, а также производить легирование металла шва.
Другим способом осуществить присадку возможно при помощи тонких пластин (проставок) из определенного материала, которые в процессе подготовки соединения под сварку фиксируются между свариваемыми кромками (рис. 11). Способ предпочтителен при соединении трудносвариваемых сталей и разнородных материалов. В зависимости от толщины вставки (до 1 мм) можно сформировать на всю глубину отличный по составу сварной шов, состоящий из смеси основного и присадочного материалов.

Рис. 11. Пример сварного соединения, выполненного лазерной сваркой по вставке волоконным лазером: марка сталь 40, толщина 8 мм, скорость сварки 1 м/мин, мощность лазерного излучения 9,5 кВт [5]

а)   б)
Рис. 12. Лазерное сварное соединение, полученное волоконным лазером с присадочным порошком и с линейным сканированием: скорость сварки 1,5 м/мин, мощность лазерного излучения 7 кВт. а) макрошлиф с измерением микротвердости HV0.1 б) микроструктура зоны сплавления, увеличение 50х [5]
Следует отметить, лазерная сварка может осуществляться с присадочным материалом в виде порошка. Данный способ возможно применять для устранения плавающих зазоров между свариваемыми кромками, когда порошок предварительно засыпается в имеющийся зазор. Величина зазора в этом случае может составлять 1,5–2 мм. При помощи порошка также можно осуществлять легирование сварного шва. Так, на рис. 12 представлено сварное соединение, сварной шов которого состоит из никелевого сплава и имеет аустенитную структуру, тогда как основной металл имеет ферритную структуру.

Начиная с 80‑х годов лазерный источник нагрева начали применять одновременно с дуговым, назвав технологию комбинированным методом лазерной сварки и дуговым плавящимся электродом (MIG) [11]. Сейчас эта технология стала достаточно популярной и получила название гибридной технологии лазерной сварки.
Гибридизация процесса может быть как с дуговым процессом, плазменным и с другими источниками тепла. Если два источника находятся достаточно близко друг от друга, то происходит объединение двух источников энергии в одной жидкой ванне расплава и возникает синергетический эффект, т. е. увеличение глубины проплавления. Если два источника разнесены на определенное расстояние, то синергетического эффекта не происходит, то есть процесс становится комбинированным.
В этом случае добавление второго источника тепла носит другие конкретные функции. Так, например, наличие дугового источника, который идет впереди лазерного излучения, позволяет произвести предварительный подогрев изделия и увеличить поглощательную способность материала. Если дуговой источник идет позади лазерного излучения, то дуговой процесс влияет на температуру охлаждения жидкого металла, делая термическим более мягким, в результате чего лазерная сварка может применяться для трудносвариваемых материалов, также дуговой процесс может использоваться для устранения геометрических дефектов верха сварного шва.
Помимо дуги к лазерному источнику для решения конкретных технологических задач могут добавлять плазму, световое пятно, индукционный подогрев. Последнее позволяет проводить предварительный подогрев свариваемых кромок, что позволяет проводить сварку трудносвариваемых сталей с повышенным углеродным эквивалентом [12].

Известно, что лазерной сваркой можно выполнять различные типы сварных соединений: стыковые, внахлест, угловые, тавровые и т. д. Однако помимо типовой классификации лазерные сварные соединения можно классифицировать также по виду сварных швов: непрерывные, точечные и коротко-шовные.
Мощными волоконными лазерами непрерывного действия обычно выполняют непрерывные продольные швы. Такие сварные соединения наиболее часто используются для сварки ответственных сварных конструкций, для обеспечения герметичности конструкций.
Для сварки менее ответственных конструкций применяют точечную лазерную сварку, такая технология используется при сварке импульсными твердотельными лазерами.
Короткошовная лазерная сварка применяется для сварки тонколистового материала в автомобильной промышленности. В частности, разработана специализированная клещевая сварочная головка для сварки тонкостенных конструкций, которая уже применяется на ряде автомобильных заводов [13] (рис. 13).

Рис. 13. Устройство клещевой лазерной коротко-шовной сварки типа [5]

В сравнении с контактной сваркой данный способ сварки позволяет уменьшить вес кузова автомобиля, что достигается путем изменения ширины фланцев под сварку с 16 до 8 мм, а также применением новых типов сварных соединений [14]. Следует также отметить, что лазерная сварка оказывает минимальное воздействие на оцинкованное покрытие вокруг сварного шва и в некоторых случаях позволяет производить сварку без выхода сварного шва с лицевой стороны.

Сварочные головки обычно различают по типу оптических элементов: проходного и зеркального типа. Но для самой технологии лазерной сварки большее значение имеют параметры оптической системы, фокусные расстояния коллимирующей и фокусирующей линз, которые для сварочного процесса подбираются конкретно для решения той или иной задачи.
Так, в зависимости от основного параметра оптической системы — фокусного расстояния фокусирующей линзы можно различить три вида сварочных головок: короткофокусные, среднефокусные и дальнофокусные. К короткофокусным системам можно отнести системы с фокусным расстоянием до 200 мм. К среднефокусным — от 200–600 мм. К длиннофокусным — от 600 мм и выше.
Короткофокусные системы выгодно использовать для сварки тонкостенных изделий (до 2–3 мм), не требующих больших мощностей лазерного излучения. Процесс сварки в этом случае идет без образования значительных брызг и плазмы.
Среднефокусные системы используются для сварки толщин более 3 мм, в этом случае используются лазерные источники с большей мощностью и увеличение фокусного расстояния позволяет уменьшить риск попадания брызг и искр на оптические элементы сварочной
головки.
Длиннофокусные системы используются для сварки небольших толщин с применением волоконных лазеров мощностью до 10 кВт либо для сварки сверхбольших толщин с использованием лазеров, имеющих мощность до 100 кВт. Так, получила распространение технология удаленной лазерной сварки (рис. 14). Для этих целей специально разработаны мощные сканеры, позволяющие независимо от манипулятора производить запрограммированные движения лазерным лучом, что позволяет увеличить производительность процесса сварки. Технология нашла применение в автомобильной промышленности для сварки различных штампованных изделий.

Рис. 14. Устройство удаленной лазерной сварки [5]

Обычно лазерную сварку волоконными лазерами осуществляют в среде защитного газа аргон, как наиболее дешевого инертного газа. Длина волны волоконных лазеров 1065–1085 нм не поглощается аргоном. Однако приповерхностная плазма все равно присутствует, т. к. во время сварки аргон смешивается с парами металла и происходит ионизация. При повышении мощности лазерного излучения (свыше 5 кВт) приповерхностная плазма увеличивается, прозрачная плазма для лазерного излучения волоконного лазера уменьшается из-за наличия различных примесей, что вносит видимые искажения в процесс фокусировки лазерного излучения.
Для подавления плазмы и увеличения стабильности лазерной сварки возможно применение различных смесей инертных газов: аргон + гелий. Добавление гелия позволяет уменьшить размер приповерхностной плазмы, снизить ее температуру и увеличить прозрачность для лазерного излучения, тем самым повысить стабильность процесса сварки.
Для решения узкоспециализированных задач, например, для увеличения глубины проплавления, производительности или для уменьшения вероятности появления количества дефектов в сварном шве добавляют активные газы: углекислоту, кислород, водород или азот.
Так, кислород, попадая в большом количестве в сварной шов, однозначно ухудшает прочность сварного шва, так как появляются оксиды, которые выпадают по границам зерен кристаллов, что в конечном счете увеличивает вероятность появления горячих и холодных трещин. Однако добавления кислорода в защитный газ в лимитированном размере позволяет стабилизировать парогазовый канал, в результате чего снижается количество внутренних дефектов в виде пор. Углекислота оказывает аналогичное влияние [15].
Небольшое количество азота в защитном газе на некоторых сталях, которые содержат такие легирующие элементы, как марганец, титан, молибден, оказывает положительное воздействие. Образование нитридов увеличивает прочность сварного шва с уменьшением пластичности.
Другим методом защиты сварного шва является применение сварочного флюса, который может использоваться сверху для защиты сварного шва от взаимодействия с окружающей средой, так и снизу в виде флюсовой подушки для поддержания жидкой ванны расплава и для защиты от окисления.
Также на неответственных конструкциях при лазерной сварке защитный газ не применяется. Так, для сварки низкоуглеродистых сталей, используемых в автомобильной промышленности, для уменьшения себестоимости погонного метра сварки защита не применяется.
Следует также отметить, что лазерная сварка, также как и сварка электронным лучом, может производиться в вакууме. На рынке доступны станки для лазерной сварки трансмиссий автомобилей в вакууме [16]. Лазерный источник в этом случае работает как полноценная замена электронно-лучевой пушке. При этом не требуется обеспечивать глубокий вакуум.

1. Предложенная классификация лазерной сварки по восьми признакам позволяет упорядочить то многообразие технологических процессов, имеющихся в области лазерной сварки.
2. Лазерная сварка на базе волоконных лазеров является гибким многообразным процессом, и в зависимости от поставленных задач могут применяться и разрабатываться новые способы сварки.

Литература
1. DAVID A. BELFORTE Fiber lasers continue growth streak in 2014 laser market//Industrial laser solution. — 2015. — № 1. — С. 5–13.
2. Gapontsev V. et al. 2 kW CW ytterbium fiber laser with record diffraction-limited brightness//Lasers and Electro-Optics Europe, 2005. CLEO/Europe. 2005 Conference on. — IEEE, 2005. — С. 508.
3. Gapontsev V. P. et al. 100‑kW ytterbium fiber laser//Optoelectronics’ 99‑Integrated Optoelectronic Devices. — International Society for Optics and Photonics, 1999. — С. 49–54.
4. Григорьянц А. Г., Шиганов И. Н., Мисюров А. И. Технологические процессы лазерной обработки. — М.: Изд-во МГТУ им. НЭ Баумана, 2008.
5. Технический отчет о проведении научно-исследовательской работы отдела лазерных технологий (103) сектор лазерной сварки ООО НТО «ИРЭ-Полюс».
6. Seffer O. et al. Laser-GMA hybrid welding of API 5L X70 with 23 mm plate thickness using 16 kW disk laser and two GMA welding power sources//Journal of Laser Applications. — 2014. — Т. 26. — №. 4.
7. Zhang X. et al. Welding of thick stainless steel plates up to 50 mm with high brightness lasers//Journal of Laser Applications. — 2011. — Т. 23. — №. 2
8. Longfield N. et al. Improving laser welding efficiency//WELDING JOURNAL-NEW YORK-. — 2007. — Т. 86. — №. 5. — С. 52.
9. Hayashi T. et al. Reduction mechanism of porosity in tandem twin-spot laser welding of stainless steel//Welding international. — 2003. — Т. 17. — №. 1. — С. 12–19.
10. Grigor’yants A. G. et al. Efficiency of the process of two-beam deep penetration laser welding//Welding International. — 2011. — Т. 25. — №. 03. — С. 188–195.
11. Hamasaki M. Welding method combining laser welding and MIG welding: пат. 4507540 США. — 1985.
12.Lahdo R. et al. GMA-laser Hybrid Welding of High-strength Fine-grain Structural Steel with an Inductive Preheating//Physics Procedia. — 2014. — Т. 56. — С. 637–645.
13.Siewert A., Krastel K. Fiber Laser Seam Stepper Replacing Resistance Spot-Welding//Laser Technik Journal. — 2014. — Т. 11. — №. 4. — С. 52–55.
14. Klinger J. Automotive Body Structure Assembly: Mass & Cost Saving Potential ofLaser Welding Compared to Spot Welding. — 2012.
15.Zhao L. et al. Prevention of porosity by oxygen addition in fibre laser and fibre laser-GMA hybrid welding//Science and Technology of Welding and Joining. — 2014. — Т. 19. — №. 2. —  С. 91–97.
16.Сайт компании Precision technology, INC. url: http://www.ptreb.com/Vacuum-Laser-Welding-Systems/.

Лазерная сварка и основы ее применения с металлами

Лазерная сварка – это самый современный вариант соединения металлов, который отличается целым рядом технических особенностей. Нагрев и последующее плавление металла осуществляется посредством лазерного луча ОКГ (оптического квантового генератора).

Лазерная сварка имеет свое международное обозначение: LBW (laser beam welding или сварка лазерным лучом).

Основные свойства технологии

Аппарат лазерной сварки достаточно простой в применении из-за нескольких причин: высочайшая точность, отсутствие физического контакта и высокая мощность. Основные операции, выполняемые данным способом:

• сварка;
• резка;
• поверхностное упрочнение;
• скайбирование.

А также целый ряд других полезных возможностей, которые осуществляются на легко деформируемых материалах.

С технической стороны лазерная проработка требуемого металла – это термический процесс, посредством которого происходит местное плавление материалов, а уже потом кристаллизация. После того, как процесс стыка металлов завершен, их кристаллическая решетка полностью соединяется и образует полноценную систему. Источником тепловой энергии для расплава заготовок служит энергия излучения, которая прекрасно взаимодействует с любыми материалами.

Почти сразу после полной проработки технологии произошло разделение на 3 направления, причем в каждом отдельном случае выбирается своя установка для лазерной сварки:

1. Лазерная микросварка – используется очень высоко при производстве высокоточных изделий. Толщина и глубина плавки до 100 мкм.
2. Лазерная мини-сварка – используется все чаще для производства предметов обихода. Толщина и глубина плавки от 0,1 до 1 мм.
3. Лазерная макро-сварка – грубая работа с глубиной плавки от 1 мм, причем используется достаточно редко. Оборудование по этой части усиленно прорабатывается, чтобы поднять эффективность.

Для первых 2-х вариантов почти всегда в промышленности используются импульсные лазеры, чьи параметры идеально подходят для подобной работы. Вся деятельность четко прорабатывается компьютером, ибо человеческий глаз не способен воспринимать подобную точность.

Импульсные и непрерывные лазеры

Чаще всего используется импульсная лазерная сварка нужного металла, ибо такое оборудование позволяет добиться наилучших результатов при точечном воздействии. Принцип ее действия достаточно простой – накапливается большой объем энергии, который в течение короткого промежутка времени воздействует на материал. Благодаря тому, что зона термического воздействия очень маленькая, энергия оказывает именно на нее максимальное воздействие.

Подход лазерной установкой особенно ценится при взаимодействии легко деформируемых металлов, но глубина проплава лазерной установки весьма ограничена. Дабы избежать лишнего засорения окружающего пространства и разрушения металла импульсы не проплавляют его насквозь, а взаимодействие происходит поверхностно. Вовнутрь тепловая энергия проходит лишь благодаря теплопроводности металлов.

Если же нужно сформировать шов, то используется непрерывная лазерная сварка. Установка позволяет работать с макро-сваркой, причем можно даже делать глубокие швы. По своей технологии лазерная сварка имеет некоторые схожести с электродуговым аналогом, но явственно характеризуется образованием СО2 (парогазовый канал). Этот канал позволяет сваривать предметы любой толщины с узкой зоной проплавления.

Именно благодаря тому, что образуется парогазовый канал, установка для сварки лазером с каждым днем набирает популярность. В данном случае пучок энергии поглощается благодаря многочисленным отражениям от стенок. В особых случаях, когда нужно избежать не сплошных каналов, можно расфокусировать луч. Тут следует учитывать, что идет направленное взаимодействие очень высокой мощности (до 4 кВт), поэтому техника безопасности должна соблюдаться максимально.

Вне зависимости от типа выбранного лазера при использовании мощностей до 1 кВт можно не опасаться интенсивных испарений, поэтому такая сварка не дает глубину проплава металла более 1.5 мм. В данном случае установка по своим свойствам напоминает теплопроводностный режим, но с большей глубиной взаимодействия.

Защита при сварке лазером

Применяя оборудование для лазерной сварки металлов необходимо помнить, что повысить эффективность своей работы можно при помощи газов – аргона и гелия. Они обеспечивают не только защиту, но и повышают качество производимой работы, изменяя свойства плазмы, получаемой при расплаве металла. Попутно идет отвод газов испаренного металла.

При увеличении глубины плавки металлов нужно помнить, что оборудование будет создавать поры в материале, а это значительно снижает итоговое качество. Дабы этого избежать, достаточно не увлекаться использованием газов при сварке металла.

Лазерная сварка имеет следующие достоинства:

1. Оборудование для работы не требует наличия вакуумной камеры, на луч не влияют никакие воздействия, к тому же сам луч при правильном использовании безвреден.
2. Высочайшая точность и очень высокое качество шва. Достигается благодаря малому пятну прогрева металла.
3. Бесконтактный процесс. Процесс лазерной сварки возможен через прозрачные объекты, либо допустима работа в труднодоступных местах.
4. Простота настроек и отсутствие лишней оснастки.

Лазерная сварка может быть улучшена еще и путем дополнительного источника нагрева. Чаще всего для такой цели используется электрическая дуга, благодаря чему оборудование ведет себя значительно лучше, и повышается рабочая скорость до четырех раз.

Лазерная установка гораздо надежнее и безопаснее своих собратьев, причем имеет гораздо больший потенциал развития.

Традиционная сварка по сравнению с лазерной сваркой

Лазерная и традиционная сварка все еще конкурируют между собой

Вы можете подумать, что лазерная сварка быстро захватит сферу применения благодаря гораздо более высокой скорости обработки и более высокому качеству. Но традиционная сварка сохраняется. И в зависимости от того, кого вы спросите и какие приложения вы рассматриваете, он может никогда не исчезнуть. Итак, каковы плюсы и минусы каждого метода, которые продолжают приводить к смешанному рынку?

Традиционные методы сварки остаются популярными. Вообще говоря, в промышленности используются три типа традиционной сварки: MIG (металлический инертный газ), TIG (вольфрамовый инертный газ) и точечная сварка. При контактной точечной сварке два электрода прижимают детали, которые необходимо соединить между собой, через это пятно пропускается большой ток, а электрическое сопротивление материала детали генерирует тепло, которое сваривает детали вместе. По словам Эрика Миллера, менеджера по развитию лазерной группы Miller Electric Mfg LLC в Аплтоне, штат Висконсин, это быстрый метод., это основной метод, используемый в автомобилестроении, особенно для кузовов. Но, добавил он, самый большой рынок для лазерной сварки – это замена точечной контактной сварки. И наоборот, Миллер не видел «какой-либо лавины» в использовании лазеров, заменяющих TIG или MIG. И даже в группе автоматизации компании около 90 процентов проектов выполняются в MIG.

Большой на МИГ

Чем объясняется непреходящая популярность MIG? «Расходный материал – это проволока с непрерывной подачей», – сказал Миллер. «Таким образом, он добавляет материал и усиливает сварной шов, что делает его идеальным для углового шва [в котором детали перпендикулярны].«Автогенный лазер объединяет два основных материала вместе. По словам Миллера, лазер может выполнять угловой шов, но точность деталей и всего остального должна быть на порядок выше.

«При сварке MIG на угловом соединении допуск составляет не менее плюс-минус половина диаметра проволоки, а в целом даже больше», – сказал он. Точно так же технологическое окно MIG для других типов сварных швов намного больше, чем у лазера. Другими словами, детали не должны быть такими точными, а приспособления не должны обеспечивать почти идеальную посадку, как в случае с аутогенным лазером.

MIG также проще автоматизировать. По словам Миллера, единственными факторами, которые вам нужно контролировать, являются скорость движения, напряжение, сила тока, угол резака и рабочий угол, и «если вы сделаете пять из десяти вещей правильно, вы все равно получите хороший сварной шов». Для автоматизации лазерной сварки требуется робот с превосходной точностью траектории и повторяемостью, а в процессе сварки нужно контролировать больше факторов.В этом отношении TIG аналогичен.

Нельзя сказать, что автоматизировать сварку MIG настолько просто, что это может сделать каждый. По-прежнему требуется эксперт для программирования и диагностики проблем. Эд Хансен, директор по глобальному управлению продуктами и гибкой автоматизации ESAB Welding & Cutting Products, Дентон, Техас, сказал, что это еще один плюс для MIG.

«После многих лет эмпирических и научных данных традиционная сварка стала хорошо изучена. Мы знаем, что нужно для того, чтобы получить предсказуемый результат, обеспечивающий соединение, требуемое для конструкции.И даже несмотря на то, что мы говорим о нехватке квалифицированной рабочей силы, что является реальной проблемой для отрасли, все еще существует большой пул опытных сварщиков, техников и инженеров, которые все знакомы с управлением этими традиционными процессами ». Для большинства продуктов это простое и недорогое решение, обеспечивающее приемлемые результаты.

Дело в том, что первоначальная стоимость системы MIG или TIG меньше, чем стоимость лазерной системы. Однако стоимость лазеров снижается и будет продолжать снижаться. «Стоимость лазера составляет от трети до половины стоимости системы лазерной сварки, – сказал Хансен, – а стоимость в зависимости от возможностей сварки снижается на 10-15 процентов в год».

Миллер также отметил, что «лазерная технологическая головка дороже, чем традиционные головки, волокно доставки дороже, и защита лазерной ячейки также дороже.«Например, лазерная ячейка должна быть« светонепроницаемой »со стенками толщиной 4 дюйма (101,6 мм), чтобы выдерживать прямое попадание в течение 10 минут без прожига. (Лазер не будет в фокусе более 4 дюймов [101,6 мм]. ] на большую глубину.) Системы TIG и MIG могут быть экранированы недорогим листовым металлом, который оставляет зазоры.

С другой стороны, если учесть разницу в производительности и стоимости детали, лазер, как мы увидим, часто выигрывает. Это особенно верно для TIG, который является очень медленным процессом, требующим высокой квалификации, что делает его дорогостоящим в использовании.По этой причине Миллер сказал, что TIG в основном ограничивается производством промышленного пищевого оборудования и бытовой техники, а также некоторыми прецизионными компонентами. «Люди выбирают TIG для пищевого оборудования, потому что сварной шов не имеет пористой поверхности – он очень гладкий», – сказал он. Но если эти детали необходимо производить в больших объемах, рентабельность инвестиций в лазерную систему «взорвет двери» TIG, поэтому, естественно, в таких случаях она берет верх.

Масуд Харуни, менеджер по продукции по лазерной сварке компании Trumpf Inc., Хоффман Эстейтс, Иллинойс, сказал, что даже TIG не может обеспечить полностью удовлетворительную поверхность для пищевой промышленности и других приложений, где внешний вид имеет решающее значение.«Это не так плохо, как MIG, но поверхность TIG определенно требует шлифовки после обработки, в которой нет необходимости при использовании лазера», – сказал Харуни. «Кроме того, скорость лазерной сварки видимых швов в два-три раза выше, чем у TIG. Если вы видите хороший радиус на холодильнике или аналогичной детали, значит, он был отшлифован или сварен лазером ».

Последний голос за традиционную сварку: за исключением нескольких специализированных случаев, лазерная сварка должна быть автоматизирована из соображений безопасности. И это оставляет много работы сварщикам, как объяснил Хансен.«Робот не может взбираться на леса или залезать в трюм корабля. Мы можем мечтать о таких супер-роботах, но с практической точки зрения в ближайшем будущем их здесь не будет ».

Тенденции, способствующие внедрению лазерных технологий

По мнению Миллера, производство в США имеет тенденцию к консерватизму, и «если нет проблемы, которую нужно решить, будет выбрано самое дешевое, самое надежное и проверенное решение. Таким образом, люди начинают смотреть в сторону лазера только тогда, когда сварка MIG не работает или сварка TIG идет слишком медленно.”

Объемная сварка TIG либо уже перемещена за границу, либо заменена лазером, так где же лазер может бросить вызов MIG?

Одной из основных проблем является повреждение – металлургическое или конструктивное – потенциально вызванное относительно длительной и широко распространенной теплопередачей MIG в деталь с последующим длительным циклом охлаждения. И наоборот, лазер передает тепловую энергию очень маленьким лучом, плавя только локализованную область. Общее количество подводимого тепла намного меньше, чем у MIG, и деталь остывает очень быстро, что сводит к минимуму искажения и металлургические эффекты.

Харуни предложил полезную аналогию: «Представьте себе бутылку воды на песчаном пляже в сравнении с иглой. Если вы положите на бутылку пятифунтовую гирю, она не пробьет песок. Но если вы нанесете на иглу всего несколько унций, это произойдет. Думайте о весе, который вы прикладываете, как о нагреве, о бутылке как о MIG, а об игле как о лазере ».

ESAB сказал, что лазер снижает тепловложение примерно на 85 процентов по сравнению с MIG, и «остаточное напряжение в сварном шве прямо пропорционально тепловложению.Чем больше тепла вы поместите в него, тем больше остаточного напряжения вы создадите. А это означает коробление, деформацию, усадку и все эти вещи, которые вызывают кошмар, когда вы берете эту деталь и собираете из нее или вставляете ее в конструкцию или транспортное средство ».

Чем больше деталь, тем больше мелких индивидуальных остаточных напряжений становятся макро-прогибами, которые очень дорого исправить и которые позже трудно исправить, добавил он. И это главное соображение для клиентов, которые пытаются «облегчить» свои продукты.Более того, по его словам, «некоторые сплавы расслаиваются или изменяют свойства при нагревании, или структура зерен растет нежелательным образом. У многих из этих материалов зернистая структура и микроструктура будут отличаться, если сварной шов расплавить, а затем охладить ».

Миллер из Miller Electric отметил, что последнее поколение высокопрочных сталей «приобретает большую прочность благодаря сложным процессам термообработки.Когда вы расплавляете и затвердеваете при низкой скорости охлаждения (как при сварке MIG), все эти сильные стороны исчезают. Лазер может помочь сохранить исходную прочность материала ».

В другом примере Миллер сказал, что сварка титана методом MIG затруднена из-за «проблемы с плавающим катодом». Дуга нестабильна. Так что лазер – идеальный выбор ». Проблема с алюминием серии 6000 – образование горячих трещин. «Горячее растрескивание – это функция силицида магния, мигрирующего к границе зерен. Поэтому, если вы можете нагреть материал, расплавить его и охладить до того, как силицид магния переместится, тогда вы сможете создать сварной шов без трещин », – сказал он.«Лазер может сделать это, используя новейшие методы сканирования, при которых мы перемещаем луч вперед и назад с помощью зеркала».

Превосходная пропускная способность лазера

С точки зрения Миллера, большинство применений лазера связано с трудносвариваемыми материалами. С точки зрения Харуни, лазер настолько быстрее, что даже проекты из листового металла переходят на лазер. Насколько быстрее? Харуни из Trumpf сказал, что сварка MIG обычно происходит со скоростью 20-30 дюймов (508-762 мм) в минуту – максимум 40 дюймов (1016 мм) в минуту.Лазер, по словам Харуни, может сваривать со скоростью почти 200 дюймов (508 см) в минуту, поэтому сам процесс соединения уже намного быстрее. Второе преимущество – сокращение постобработки. Харуни заметил, что если внешний вид сварного шва ухудшится. Важно, что после сварки MIG потребуется длительный цикл шлифовки, в котором нет необходимости после лазерной сварки.

«Вот почему, – добавил он, – обычно случается, что деталь, изготовленная с помощью сварки MIG по цене 25 долларов, будет стоить всего 15 долларов за лазерную сварку, даже с учетом более высоких первоначальных вложений в лазерную сварку.Например, Харуни рассказал о недавнем проекте, в котором Трампф сократил время цикла сварки большой двери с десяти часов до 35 минут. Другой заказчик столкнулся с трудностями при сварке MIG алюминиевого электрического корпуса. Сушилки были частой проблемой, и общее время цикла составляло четыре часа. Харуни сказал, что Trumpf сократил это время до 18 минут с помощью лазерной сварки.

Хансен добавил, что способность лазера глубоко проникать в материал многократно увеличивает его преимущество перед традиционной сваркой. Поскольку лазер не только в три-десять раз быстрее, чем MIG (и даже быстрее по сравнению с TIG), он может сваривать относительно толстые швы, которые потребуют нескольких проходов с помощью MIG или TIG.

«Традиционные методы также требуют очистки и шлифования между проходами, что еще больше увеличивает общее время цикла», – пояснил Хансен. «Лазер может выполнять однопроходную сварку на глубину примерно полдюйма по сравнению с примерно пятью проходами для сварки MIG, в зависимости от используемого вами процессора. При лазерной сварке размером более полдюйма потребуется предварительно вырезать или отшлифовать скос до кромки, но это гораздо меньший скос, чем фаски всего соединения, необходимые для сварки MIG ».

Таким образом, для материала толщиной в полдюйма лазерная сварка будет в 15-50 раз быстрее, чем MIG, только по скорости сварки – и даже быстрее, если учесть дополнительную постобработку, необходимую для MIG.

Конечно, при такой высокой производительности вам потребуется много сварочных работ, чтобы обеспечить питание лазерной системы и максимизировать рентабельность инвестиций. По словам Хансена, «обычно с помощью лазера можно произвести от трех до пяти систем дуговой сварки, например, при сварке листов. Чтобы запитать пять систем дополнительной дуги, потребуется много работы.”

Новые технологии в сочетании со старыми

Поскольку для автогенной лазерной сварки требуется плотная посадка между соединяемыми деталями, во многих случаях лучше всего перепроектировать места стыков, чтобы представить лазеру перекрывающиеся поверхности (чтобы использовать его прокалывающую способность). Все больше производителей готовы вкладывать средства в более совершенные процессы и инструменты для разведки и добычи, чтобы воспользоваться преимуществами более высокой производительности лазера.

Но для тех, кто сопротивляется таким изменениям или в ситуациях, когда промежутки неизбежны, существуют гибридные системы, сочетающие в себе технологию лазера и подачи проволоки, а также другие новые разработки, расширяющие область применения лазера.Одна простая концепция (упомянутая ранее в связи с решением проблемы горячего растрескивания) – это раскачивание лазерного пятна. Миллер сказал, что это старая концепция, которая в последнее время стала намного более экономичной. Он предложил пример перемещения пятна диаметром 1,2 мм вперед и назад по площади 3 мм с высокой скоростью, эффективно захватывая большую площадь и при этом обеспечивая хороший сварной шов.

Хансен сказал, что гибридные системы сочетают в себе процесс MIG и лазерный луч. «Мы действительно используем лазер для проникновения.Обычно, если вы хотите повлиять на проплавление сварного шва MIG, вам нужно увеличить силу тока. Используя лазер для проплавления, мы можем уменьшить силу тока на MIG и использовать сварной шов наименьшего диаметра, который позволяет наша конструкция для инженерных целей. Таким образом, лазер позволяет нам оптимизировать MIG ». Также существует синергия между процессами благодаря стабилизации дуги лазерным лучом. «Мы можем путешествовать по дуге намного быстрее, чем если бы у нас не было лазерного луча. Вот почему мы можем так быстро реализовать гибридный процесс », – сказал он.

Trumpf, которую Харуни описал как «технологический лазер с добавлением проволоки для увеличения массы зазоров», может перекрывать зазоры шириной до 1 мм.

Со своей стороны, ЭСАБ разработал адаптивную технологию сварки, которая определяет состояние деталей и изменяет параметры процесса в соответствии с ними. В системе используется камера, которая «рисует лазерную полосу на детали, а затем смотрит на нее под углом параллакса, чтобы увидеть форму сустава, примерно на 20-40 мм впереди процесса», – сказал Хансен.Лазерная когерентная визуализация используется для измерения замочной скважины, прорезанной лазером в металле. «Мы можем измерить глубину проникновения и форму замочной скважины и использовать эту информацию либо в качестве меры качества, либо в замкнутом контуре для управления процессом», – сказал он.

Система автоматически регулирует проникновение лазера, мощность лазера, параметры газовой металлической дуги, скорость подачи проволоки, напряжение, поток газа и скорость перемещения по мере того, как сварочная головка обрабатывает деталь. Гол, которым руководил У.Требования S. Navy заключаются в том, чтобы обеспечить преимущества лазерной сварки с низким тепловложением для «деталей, подготовленных традиционным способом» (то есть деталей, которые не были обработаны с жесткими допусками для стандартной лазерной сварки). Хансен сообщил, что это расширяет технологическое окно для гибридной сварки в пять раз по сравнению с тем, что было бы возможно при установившемся контроле.

Лазерная сварка остается относительно новой для многих пользователей, и Харуни подчеркнул приверженность Trumpf обучению и поддержке с самого начала, а также преимущества автономного программирования их систем после установки.

Trumpf также предлагает TeachLine, новую сенсорную систему на основе камеры, которая определяет местоположение свариваемого шва. «Заказчики не хотят прерывать производство для программирования новой детали или вносить изменения в свое программирование, поэтому они могут использовать это автономное программирование и загрузить деталь, запрограммировать ее и доставить в ячейку. С TeachLine им не нужно настраивать его. TeachLine увидит деталь и откорректирует созданную вами программу в автономном режиме. Комбинация автономного программирования и TeachLine помогает нашим клиентам быстро вносить изменения в производство.”

ESAB также внедряет новый пакет «цифровых решений», который объединяет огромное количество информации, охватывающей весь процесс сварки, включая присадочный материал, основной материал и газ, чтобы упростить использование систем. Как сказал Хансен: «Сложную систему легко создать. Очень сложно сделать сложную систему простой. И вот к чему мы идем с нашими цифровыми решениями. Мы используем наши знания о процессе, чтобы принимать разумные решения по управлению процессом, чтобы оператору не нужно было быть таким же опытным или знающим, как в прошлом.”

ЭСАБ также работает над тем, чтобы сделать свое оборудование способным оценивать качество производимого сварного шва и, в идеале, предотвратить возникновение дефектов или разрывов.

Наконец, традиционная сварка также претерпела улучшения, такие как усовершенствованные формы волны и концепция ActiveWire от Miller Electric, которая непрерывно подает проволоку MIG вперед и назад, чтобы уменьшить разбрызгивание и тепловложение. Такой подход расширяет возможности автоматизации сварки MIG и делает MIG жизнеспособным решением даже для сварки некоторых сверхтонких материалов.

Портативная система лазерной сварки для ручной сварки

LightWELD Часто задаваемые вопросы (FAQ)

Действительно ли LightWELD быстрее, чем сварка MIG и TIG?

Да, Light WELD Скорость перемещения в четыре раза выше, чем при использовании традиционных методов, крепление проще или не требуется, а шлифовка или шлифование после сварки не требуется или значительно сокращается – все это увеличивает производительность и сводит к минимуму переделки.

Действительно ли LightWELD так прост в освоении?

Да, по сравнению со сваркой MIG и TIG, освоение которой может занять целую жизнь, Light WELD быстро обучается, позволяя новым пользователям выполнять высококачественные сварные швы всего за несколько часов.

Элементы управления выглядят сбивающими с толку. Как мне узнать, что нужно настроить?

Light WELD поставляется с предварительно загруженными параметрами сварки, оптимизированными для наиболее распространенных материалов и толщин.Вы можете увеличить или уменьшить мощность в соответствии со скоростью движения и желаемым проникновением, а также сохранить эти настройки и вызвать их по мере необходимости.

Может ли LightWELD сваривать разнородные металлы или детали разной толщины?

Да, вы можете легко сваривать разнородные металлы, такие как медь, нержавеющую сталь или алюминий, а также детали разной толщины для всех типов сварных соединений: тройников, стыков, углов, внахлестку и кромок.

Какова максимальная толщина свариваемого материала?

Для нержавеющей стали, оцинкованной стали, низкоуглеродистой стали и алюминия вы можете сваривать одностороннюю сварку до 4 мм и двустороннюю до 10 мм – медь, одностороннюю сварку до 1 мм и двустороннюю сварку до 2 мм.

А как насчет вертикальной или перевернутой сварки?

Light WELD отлично справляется как с вертикальной, так и с перевернутой сваркой, поскольку обычно отсутствуют расходные материалы и образуются минимальные брызги, что делает сварку безопасной и простой в любом положении.

Является ли лазерный луч постоянным или может быть импульсным?

Light WELD предлагает пять режимов работы в соответствии с вашими потребностями:

• Непрерывная волна – лазер постоянно включен для максимального проникновения и скорости перемещения
• Импульсный режим – лазерные импульсы производят меньше энергии для более медленной сварки с меньшим тепловложением
• Режим прихваточного шва – для создания одинаковых прихваток
• Режим стежка – используется для повторяющихся прихваток или сварных швов внахлест
• Режим высокой пиковой мощности – короткие импульсы большой мощности, используемые для проникновения в отражающие металлы

Каков рабочий цикл?

Вы можете запустить Light WELD при 100% рабочем цикле и максимальной мощности лазера 1500 Вт.

Что такое сварка качанием?

Сварка с колебаниями приводит к колебаниям луча вперед и назад с различной частотой для получения более широких швов и более эстетичного вида сварных швов. Это также полезно для деталей с плохой сборкой. Light WELD поставляется с оптимизированными, предварительно запрограммированными параметрами вобуляции и позволяет «на лету» контролировать сварку вобуляцией до 5 мм с регулируемой частотой до 300 Гц.

Есть лист данных?

Да, вы можете скачать техническое описание LightWELD 1500 здесь.

Где я могу увидеть демонстрацию LightWELD?

Вы можете зарегистрироваться для участия в живой демонстрации здесь.

Как купить LightWELD?

Нажмите здесь, чтобы заполнить контактную форму, и специалист Light WELD свяжется с вами в ближайшее время. Если вы хотите поговорить с кем-то сейчас, позвоните по телефону (508) 506.2877

Как работает лазерная сварка? Стоимость, преимущества и недостатки

Базовые знания Как работает лазерная сварка? Стоимость, преимущества и недостатки

24.08.2019 Автор / Редактор: Фрауке финус / Тереза ​​Кнелл

Лазерная сварка – это процесс соединения металлов. Как и все процессы сварки и соединения, при лазерной сварке в определенных точках выделяется тепло.

(Источник: © wi6995 – stock.adobe.com)

При лазерной сварке два компонента соединяются вместе. Для этого оплавляют обе стороны примыкающего материала. Расплав сливается и образует соединение. Лазерная сварка используется уже около 30 лет. До сих пор он использовался выборочно и всегда составлял жесткую конкуренцию традиционным методам сварки. Благодаря современным аддитивным методам производства, таким как 3D-печать металлических объектов, лазерная сварка в настоящее время быстро приобретает все большее значение.

История лазерной сварки

Духовным отцом лазера является не кто иной, как Альберт Эйнштейн. Около 100 лет назад он опубликовал свои первые мысли о световых пучках. Только в 1928 году первый эксперимент подтвердил теории Эйнштейна. После этого, однако, потребовалось еще 32 года, прежде чем в 1960 году с помощью рубина можно было получить первый лазерный луч. Дорогой рубин вскоре был заменен газом, что значительно удешевило производство лазерных устройств.

Лазерная сварка стали с алюминием.

(Источник: ЛЖ)

Использование этой новой очаровательной световой формы не заставило себя долго ждать. Изначально лазеры внесли огромный прогресс в измерительную технику. Впервые появилась возможность проводить точные измерения на огромных расстояниях. Например, астронавты НАСА установили зеркало на Луне. С помощью этого зеркала и лазера, размещенного на Земле, расстояние между двумя небесными телами можно было определить с точностью до сантиметра.Первые попытки лазерной сварки были также предприняты в 1960-х годах. Однако поначалу больше всего ценились процессы лазерной резки.

DVS – Немецкая ассоциация сварки и смежных процессов – это научно-техническая профессиональная ассоциация, работающая во всех областях технологии соединения.

Лазерная резка – это наиболее точный способ резки материала. Благодаря высокой плотности энергии процесс лазерной резки выполняется очень быстро. Мало того, что сама режущая щель чрезвычайно узкая.Боковые зоны термического влияния в этом процессе разделения также настолько минимальны, что ими обычно можно пренебречь. Это, например, отличает лазерную резку от газовой резки. С пластин, разделенных резаками, обычно необходимо удалить заусенцы, а затем отшлифовать их, чтобы их можно было использовать. Несмотря на огромные преимущества в точности, скорости и защите материала, лазерная резка и лазерная сварка долгое время занимали свою нишу. Заметного распространения систем для лазерной резки и лазерной сварки не произошло до середины 1980-х годов.До этого эти системы использовались только в научно-исследовательских институтах и ​​специализированных компаниях.

Прежде всего, производители самолетов смогли добиться большого прогресса в этом инновационном процессе разделения и соединения. Однако материал, используемый в качестве стандартного в авионике, также играет в этом решающую роль: дюраль на основе алюминия с температурой плавления всего 600 ° C намного проще в обработке, чем сталь, используемая в традиционном машиностроении. При температуре плавления 1400 ° C для плавления требуется более чем в два раза больше энергии.Но: Для того чтобы можно было эффективно использовать системы лазерной сварки и в стальных конструкциях, обход с помощью сварки алюминия оказался идеальным.

Сегодня лазерная сварка все еще не является стандартным процессом сварки. Однако экспериментальный статус он уже давно не имеет. Поставщики услуг по контракту и переработчики листового металла все больше полагаются на этот высокотехнологичный процесс, который по-прежнему поражает своей эффективностью, качеством и точностью.

Процесс аддитивного производства, который начал распространяться почти 10 лет назад, в настоящее время достигает своего пика благодаря лазерной сварке.Долгое время 3D-печать была доступна только для керамики и пластика. Еще несколько лет назад для изготовления металлических предметов с помощью технологии 3D-печати оставалось только использовать эти материалы для производства литейных стержней. Однако сейчас металлопорошковая лазерная сварка позволяет изготавливать изделия любой формы с помощью 3D-печати. Это открытие в настоящее время дает новый импульс лазерной сварке.

Система профильной сварки (PWS) представляет собой полную и современную систему лазерной сварки труб и профилей, оснащенную встроенным технологическим датчиком для обнаружения и отслеживания сварных зазоров.PWS можно комбинировать с различными источниками лазерного луча, такими как плоские CO2-лазеры с диффузионным охлаждением серии DC или волоконные лазеры серии High-Light-FL.

(Источник: Coherent-Rofin)

Сварка будет в центре внимания выставок Schweißtec в Штутгарте и Сварка и резка в Эссене.

Управление процессом и безопасность при лазерной сварке

Лазерная сварка – это в значительной степени автоматизированный процесс.Его нельзя сравнивать с традиционными методами ручной сварки. Таким образом, этот процесс соединения является очень безопасным производственным этапом. При лазерной сварке заготовка прочно зажимается в зажимном приспособлении. Оператор обычно держит дистанцию. Единственная опасность для людей, присутствующих во время этой процедуры, – это случайно посмотреть на лазерный луч. Для этого были разработаны специальные защитные очки, поглощающие, ослабляющие и рассеивающие падающий лазерный свет. Лазерная сварка является особенно безопасным процессом, если все присутствующие обращают внимание на свои средства индивидуальной защиты.

Обеспечение качества при лазерной сварке

Лазерная сварка – это бесконтактный процесс соединения. Это всегда выполняется автоматически. Современные системы лазерной сварки оснащены интегрированной измерительной системой, которая самостоятельно проверяет размеры изготовленного компонента. Это делает эти системы особенно точными, что является основой для обеспечения постоянного качества.

Затраты на систему лазерной сварки

Затраты по-прежнему являются самым большим недостатком этих инновационных процессов.Это сильно зависит от того, какой и какой материал будет обрабатываться с помощью системы лазерной сварки. Даже простые микросистемы, используемые, например, для гравировки обручальных колец, могут стоить несколько тысяч евро. Совершенно новые высокопроизводительные установки редко стоят меньше 100 000 евро, скорее, дороже. Эти затраты компенсируются отличным качеством изготовления и высокой производительностью. Фактически, лазерная сварка обычно выполняется с гораздо более высокой скоростью, чем обычные процессы электрической сварки или сварки в инертном газе.

Как работает лазерная сварка?

Сварка лазерным лучом в основном очень проста: два точно разрезанных листа удерживаются вместе.Лазер плавит края листового металла. Расплав перетекает друг в друга – и стык готов.

VdLB Verband deutscher Laseranwender – Blechbearbeitung e.V. (Ассоциация немецких пользователей лазеров – обработка листового металла) представляет интересы владельцев, управляющих директоров и руководителей компаний на широком рынке обработки материалов – в данном случае листового металла. Их цель – поощрять сотрудничество на благо всех вовлеченных сторон. В центре внимания – сотрудничество, обмен опытом посредством интенсивного диалога, техническая информация и повышение квалификации.

Алюминиевые листы непрерывно свариваются. В случае стальных листов, особенно толстых сечений, сварке швов предшествует сварка прихваточным швом. Скобы стабилизируют детали из листового металла и гарантируют постоянную точность во время соединения.

Компоненты систем лазерной сварки

Мощный токарный позиционер, который обрабатывает большие детали в Trulaser Weld 5000. Его ось вращения выравнивает компоненты, так что интегрированный сварочный робот может оптимально достичь положения шва.

(Источник: Trumpf)

Система лазерной сварки состоит из лазерной оптики, моторизованной направляющей и, при необходимости, рабочего стола. В любом случае свариваемые полуфабрикаты должны быть надежно закреплены для обеспечения точного соединения. Поэтому различают мобильные и стационарные системы лазерной сварки. В случае мобильных систем лазерной сварки устройство приближается к изделию. Стационарные аппараты для лазерной сварки имеют рабочий стол с зажимным устройством.Установка и закрепление стационарных систем лазерной сварки может быть моторизованным или автоматическим. Однако размер рабочего стола ограничивает размеры обрабатываемых продуктов. Помимо сварочной оптики и точно работающих сервоприводов манипулятора робота, система управления является наиболее важным компонентом системы лазерной сварки. Он направляет руку в намеченные точки и регулирует продолжительность и интенсивность лазерного луча.

Идеальным дополнением к системе лазерной сварки является установка для лазерной резки.Точные формы лазерной резки обеспечивают точную геометрию, которую может использовать лазерный сварочный аппарат для достижения наилучших возможных результатов.

Выставка Lasys в Штутгарте и выставка Laser World of Photonics в Мюнхене посвящены лазерам как инструментам.

Какая скорость возможна при лазерной сварке?

Помимо точности и низкого тепловложения, рабочая скорость является одним из выдающихся свойств лазерной сварки. В идеальных условиях длинный прямой бесконечный шов можно сваривать со скоростью до 60 м / мин.Поскольку интенсивность лазерного луча может варьироваться, влияние используемого материала менее важно для рабочей скорости системы лазерной сварки. Даже толстые листы можно точно соединить за секунды.

Какие температуры возникают при лазерной сварке?

Select Fiber – универсальный ручной сварочный лазер для точной сварки с ЧПУ с ручной или полуавтоматической сборкой. Он оснащен системой осей с сервоуправлением, ЧПУ, а теперь еще и волоконным лазером.

(Источник: Rofin)

Чтобы можно было сваривать материал, необходимо достичь температуры чуть выше его точки плавления. Таким образом, в обычных сварочных процессах температура плавления материала является ограничивающим фактором: не каждый материал можно обрабатывать с помощью любого процесса сварки. Только электросварка имеет определенные возможности в отношении интенсивности точечного тепла, которое она может излучать на своих электродах. Сварка с лазерным лучом отличается: из всех сварочных процессов она обеспечивает наибольшую гибкость с точки зрения температуры сварки.Этот обзор широко используемых материалов и их точек плавления иллюстрирует ряд материалов, которые можно обрабатывать лазерной сваркой:

На практике при лазерной сварке достигаются гораздо более высокие температуры. Тем не менее, этот спектр ясно показывает, насколько изменчив этот процесс присоединения.

Преимущества лазерной сварки

Неизменно высокая точность лазерной сварки является ее выдающейся особенностью. Помимо особенно тонкого шва, самым важным плюсом является низкая температура.В отличие от сварки в среде защитного газа, при которой работа выполняется медленно и нагревается, лазерная сварка является чрезвычайно быстрой и минимально инвазивной. Это позволяет избежать полного нагрева основного материала. Таким образом, не происходит избирательного теплового расширения, что также позволяет избежать деформации заготовки после охлаждения. Таким образом, после лазерной сварки отпадает необходимость в окончательной обработке сварной конструкции на правильном станке.

Равномерный импульсный луч лазерной сварки также обеспечивает особенно чистый шов.Сварочные валики или заусенцы, которые часто неизбежны при сварке в среде защитного газа или электросварке, в этом процессе соединения не возникают. Наконец, любой свариваемый материал можно обрабатывать на аппарате лазерной сварки. Из всех процессов соединения лазерная сварка предлагает самый широкий спектр обрабатываемых материалов. Стекло или пластик, например, невозможно соединить никаким другим способом.

Недостатки лазерной сварки

Основным недостатком лазерной сварки является высокая стоимость оборудования.Это вложение должно быть очень хорошо продумано. Рентабельность инвестиций должна быть обеспечена еще до покупки, иначе установка для лазерной сварки может быстро стать убыточным бизнесом. Поэтому, если поставщик контрактных услуг рассматривает возможность включения системы лазерной сварки в свой парк оборудования, рекомендуется соответственно большие инвестиции в подходящую маркетинговую кампанию. Лазерная сварка поддерживается тем фактом, что требования заказчиков к допускам при производстве постоянно растут.Следует ожидать, что обычные сварочные процессы больше не будут подходить для многих областей применения. Таким образом, вложения в лазерную сварку все еще представляют собой риск, хотя и все более управляемый.

Ограничивающим фактором для лазерной сварки является тип применения: работа системы лазерной сварки сравнима с работой фрезерного станка с ЧПУ. Верно, что неправильная эксплуатация не может нанести такого огромного ущерба, как неправильно запрограммированный отрезной станок. Тем не менее, для того, чтобы эффективно обращаться с лазерным сварочным аппаратом, требуется хорошо обоснованное образование, базовые математико-технические знания и тщательное ознакомление.

LDM 500-60 blue Laserline предлагает мощный диодный лазер с длиной волны 450 нм, то есть излучающий в синем спектре. Это делает систему идеальной для надежной сварки цветных металлов, особенно при работе с тонкими листами.

(Источник: Laserline)

С другой стороны, риски для здоровья, связанные с лазерной сваркой, незначительны. Само собой разумеется, что для лазерной сварки алюминия необходима мощная вытяжная система.Следует также соблюдать дистанцию ​​с механической кинематикой. Операторы не должны находиться в рабочей зоне активной руки робота. Это основной факт при работе с современными автоматизированными производственными процессами. В конце концов, лазерная сварка в основном требует ношения защитных очков от лазера. Это предотвращает несчастные случаи из-за попадания в лазерный луч. При соблюдении этих правил безопасности лазерная сварка не представляет особой опасности.

Что необходимо учитывать при лазерной сварке определенных материалов?

Лазерная сварка металлических листов

Сварка описывает соединение материалов под действием тепла.Тонкие листы обычно лучше подходят для сварки швов по всей поверхности, чем толстые. В настоящее время с помощью лазерной сварки можно обрабатывать материалы удивительной толщины. Из-за переменной температуры сварки он относительно нечувствителен к отдельным типам металла. Независимо от того, будет ли свариваться нержавеющая сталь, конструкционная сталь, медь или другие типы листового металла, лазерная сварка справляется с этой задачей с неизменной точностью. Единственными предпосылками являются достаточно узкий сварочный зазор и точно настроенная температура и частота сварки.Если зазор между стыками слишком велик, удовлетворительный результат может быть достигнут путем наплавки или наплавки – даже при использовании процесса лазерной сварки.

Лазерная сварка алюминия

При лазерной сварке алюминия можно сваривать только алюминиево-марганцевый сплав без присадочного материала. Все остальные сплавы можно сваривать только с помощью добавок. В особенности это относится к соединениям алюминия и кремния. Алюминиевые сплавы с марганцем можно обрабатывать только в ограниченной степени с помощью лазерной сварки.

Области применения лазерной сварки

Лазерная сварка находит все более широкое применение. Типичные области:

Лазерная сварка популярна в инструментальном производстве из-за своей точности. Следовательно, он находится в прямой конкуренции с процессом эрозии. Производство точных штамповочных, прессовальных и литейных инструментов с помощью аддитивной или субтрактивной лазерной сварки является ответом на вызовы Индустрии 4.0.

В автомобильной промышленности лазерная сварка используется без инструментов.В отличие от электросварки, лазерная сварка не требует постоянной чистки или замены головок. Стальные конструкции приобретают совершенно новые масштабы с точки зрения точности и производительности благодаря лазерной сварке. Благодаря лазерной сварке быстрая обработка толстых листов с высокими допусками больше не является фикцией. Это также относится к судостроению: здесь, прежде всего, прецизионные детали, такие как рули, управляющие и приводные винты, достигают желаемых допусков с помощью лазерной сварки.Результат – более высокие скорости и меньший расход топлива кораблей.

Купить бывшие в употреблении аппараты для лазерной сварки

Благодаря тому, что процесс лазерной сварки не требует использования инструментов, износ систем сравнительно низкий. При лазерной сварке головка инструмента движется по заданной траектории практически бесконтактно. Передача на заготовку происходит по воздуху. Таким образом, направляющая и подшипник манипулятора робота практически не подвержены значительному износу. Однако лазерная оптика подвергается огромным нагрузкам.Применяемые здесь высокие температуры создаются за счет пучков света. Если предлагаются особо недорогие системы для лазерной сварки, это обычно связано с отсутствием или дефектом оптики. Остается только произвести расчет: благодаря новому виду и обновленному лазерному генератору бывшая в употреблении система лазерной сварки почти так же хороша, как и новая.

Чтобы узнать больше, посетите нашу страницу в Facebook или Twitter.

Эта статья была впервые опубликована на сайте belchnet.

(ID: 46089006)

: типы, преимущества и применение

Лазерная сварка (усиление света за счет вынужденного излучения) – одна из наиболее технически совершенных форм сварки.Его приложения охватывают широкий спектр отраслей от аэрокосмической до изготовления ювелирных украшений.

Однако существует несколько типов сварки, которые использовались задолго до лазерной сварки, поэтому возникает вопрос, зачем нам лазерная технология, когда у нас есть другие альтернативы?

Мы углубимся в это после краткого ознакомления с созданием технологии. Именно Эйнштейн предсказал вынужденное излучение, которое является основным принципом лазера.

СВЯЗАННЫЙ С: УЛЬТРАЗВУКОВАЯ СВАРКА: ПЕРСПЕКТИВНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ДЛЯ СВАРАНИЯ И ПЛАСТИКА И МЕТАЛЛА

Однако только в 1967 году мы впервые применили лазер для сварки и резки.В лазере, использованном в экспериментах 1967 года, использовался газ с кислородом и концентрированный луч CO2-лазера.

Руководителем проекта был доктор Питер Хоулдкрофт. Эксперимент и его детали были объяснены в статье под названием «Газоструйная лазерная резка» А. Б. Дж. Салливана и П. Т. Хоулдкрофта.

Лазерная резка положила начало лазерной сварке, поскольку она включает плавление металла без пробивания отверстий.

Лазерная сварка использует высококонцентрированный луч света в очень крошечном пятне, так что область под лазерным лучом поглощает свет и становится очень энергичной.Поскольку используются мощные лазерные лучи, электроны в этой области возбуждаются до точки, где материал плавится в результате разрыва связей между атомами.

Лазерная сварка также может использоваться для соединения пластмасс.

Это плавление двух материалов в их швах соединяет их в единое целое. Удивительно, как свет может быть достаточно мощным, чтобы расплавить металл за миллисекунды. Чтобы получить такие мощные лазерные лучи, в аппарате для лазерной сварки используются несколько частей, которые направляют и усиливают лазер.

Газовые лазеры, твердотельные лазеры и волоконные лазеры – три наиболее распространенных лазера, используемых в аппаратах для лазерной сварки.

Обычно лазерный луч подводится к аппарату лазерной сварки по оптоволоконным кабелям. Существуют аппараты для сварки одиночных волокон и аппараты для сварки нескольких волокон. Машины для сварки нескольких волокон имеют лазер, подключенный к каждому волокну, с каждым волокном сила лазера увеличивается.

Чтобы сконцентрировать луч в точке до того, как он покинет машину, часто используется коллиматорная линза в сочетании с фокусирующей линзой.

Четыре основных сварных шва подходят для лазерной сварки:

• Стыковая сварка
• Приварной шов внахлест
• Сварка внахлест
• Краевая сварка фланца

Если вы интересовались лазерной сваркой, вы могли заметил постоянный спутник лазерного сопла – еще одно сопло, которое подает газ, называемый технологическим газом или режущим газом.

В основном, это поток газа, который чаще всего представляет собой CO2, который также направляется к месту сварки с целью предотвращения контакта поверхности сварного шва с атмосферой.

Без использования режущего газа есть только два варианта сварочной атмосферы – нормальная атмосфера или вакуум. Лазерная сварка в вакууме, безусловно, возможна, но маловероятна из-за ее высокой стоимости и необходимости специальной настройки.

В нормальной атмосфере лазерная сварка без технологического газа может иметь неблагоприятные последствия. Поскольку азот в воздухе находится в очень высокой концентрации, он может смешиваться с расплавленным металлом и вызывать образование пустот или отверстий в сварном шве.Такие случаи могут привести к повреждению сварного шва.

Такие факторы, как влажность в воздухе, могут вызвать образование водорода при сварке. Диффузия водорода в металл также приводит к слабым сварным швам. Следовательно, лазерная сварка в нормальной атмосфере без защиты вообще не приветствуется.

Сварочные аппараты поставляются с насадкой для режущего газа, которая подает газ на поверхность сварного шва, следя за тем, чтобы загрязнения не смешивались со сварным швом.

Лазерная сварка может выполняться двумя способами – теплопроводная сварка и сварка с отверстием.

Сварка с теплопроводностью: В этом процессе поверхность металла нагревается выше точки плавления металла, но не до такой степени, что он испаряется. Этот процесс используется для сварных швов, для которых не требуется высокая прочность сварного шва.

Преимущество сварки горячей проводимостью заключается в том, что окончательный сварной шов будет очень гладким и эстетичным. Для теплопроводной сварки используется маломощный лазер в диапазоне <500 Вт.

Сварка «замочная скважина»: В этом процессе лазерный луч нагревает металл таким образом, что контактная поверхность испаряется, углубляясь в металл.Это создает замочную скважину, в которой создается состояние, подобное плазме, когда температура поднимается намного выше 10 000 К.

Для этого процесса потребовались мощные лазеры с мощностью выше 105 Вт / мм2.

Лазерная сварка часто используется в сочетании с дуговой сваркой для создания так называемой гибридной лазерной дуговой сварки. При гибридной лазерной дуговой сварке любой из процессов дуговой сварки, например MIG, TIG или SAW, используется с лазерной сваркой с глубоким проплавлением.

В результате получается сварной шов, обладающий преимуществами как лазерной, так и дуговой сварки.

Полученный сварной шов будет иметь соединения с глубоким проплавлением благодаря лазерной сварке, а также будет иметь улучшенные допуски при подгонке стыков. Также уменьшаются другие нежелательные эффекты, такие как растрескивание и внутренняя пористость.

Лазерная сварка имеет ряд преимуществ, которые часто не встречаются в других методах сварки. Некоторые из определяющих характеристик лазерной сварки:

• Весь процесс сварки можно легко автоматизировать с помощью настройки CAD / CAM
• В процессе не используется электрод
• Никакой формы износа инструмента не происходит
• Лазерная сварка очень высока. специфические цели
• Получены высококачественные сварные швы

СВЯЗАННЫЕ С: РУКОВОДСТВО ПО ЗАРАБОТКЕ ДЕНЕГ НА СВАРКЕ: ВАРИАНТЫ И СОВЕТЫ ДЛЯ КАРЬЕРЫ

Сварка лазерным лучом используется для высокоточной сварки.Поскольку в нем не используются электроды, окончательный сварной шов будет легким, но прочным. Первоначальные вложения, безусловно, дороги, но качество и характеристики лазерной сварки нелегко воспроизвести.

По мере того, как лазеры становятся все более мощными и энергоэффективными, будущее лазерной сварки, безусловно, радужно!

Сравнение традиционной сварки и лазерной сварки

Сварка – это процесс изготовления, в котором используется тепло для соединения двух или более отдельных деталей.В настоящее время профессионалы отрасли используют в своей работе как традиционные методы дуговой сварки, точечной сварки, так и лазерной сварки. Оба варианта процесса обладают уникальными характеристиками, которые делают их пригодными для различных случаев. Например, традиционная сварка обеспечивает менее точную подгонку детали, в то время как лазерная сварка обеспечивает большую скорость обработки и меньший риск термической деформации.

В следующей статье резюмируются различия между традиционными сварочными услугами и услугами лазерной сварки, в том числе описывается их процесс, основные преимущества и типичные области применения.

Традиционные сварочные процессы

Есть несколько традиционных методов сварки, которые все еще используются сегодня, в том числе:

• Сварка вольфрамовым электродом в среде инертного газа (TIG) . В этом методе дуговой сварки используется неплавящийся вольфрамовый электрод для нагрева заготовки и плавления присадки (при ее наличии) для получения сварного шва.
• Сварка металла в среде инертного газа (MIG). В этом методе дуговой сварки для получения сварного шва используется расходуемый компонент проволоки, служащий электродом и присадочным материалом.
• Точечная сварка. Этот метод сварки использует пару электродов для зажима деталей вместе и пропускания электрического тока между ними для создания сварного шва.

Процесс сварки в режиме лазерной проводимости

Сварка в режиме лазерной проводимости – это передовая технология соединения металлов, в которой используется сфокусированный лазерный луч с заданным размером пятна. Во время сварочных операций лазерный расплав локализует участки детали и, если присутствует, присадочный материал, чтобы сформировать точные сварные швы.Titanova предлагает как автогенные (без присадочного материала), так и неавтогенные варианты с использованием либо лазерной сварки горячей проволокой, либо лазерной сварки холодной проволокой. В зависимости от геометрии детали, соединения и общих требований к конструкции, лазеры могут использоваться вместо традиционного процесса сварки.

<Подробнее о лазерной сварке с подачей горячей и холодной проволоки.>

Преимущества традиционной сварки

Лазерная сварка имеет ряд преимуществ по сравнению с традиционными методами сварки.Однако традиционные сварочные процессы остаются надежным производственным решением для многих отраслей по следующим причинам:

• Они понятны производственному сообществу благодаря унаследованным операциям.
• Они предназначены для менее точной и точной подгонки заготовок.
• Их легче автоматизировать.
• Они имеют более низкие начальные инвестиционные затраты.
• Их можно реализовать вручную.

Преимущества лазерной сварки

По сравнению с традиционными методами сварки, лазерная сварка имеет следующие преимущества:

• Меньше тепла. При лазерной сварке зона термического влияния (HAZ) намного меньше, а общее тепловложение намного ниже, чем при традиционных сварочных операциях.
• Сниженный риск макро-прогибов и перекосов. Вышеупомянутые качества также позволяют снизить искажения, вызванные тепловым воздействием. Меньше тепла означает меньшее тепловое напряжение, что приводит к меньшему повреждению заготовки.
• Более быстрое время обработки. Несмотря на более высокие первоначальные вложения в инструмент, лазерная сварка часто оказывается более рентабельной, чем традиционная сварка, благодаря более высокой скорости обработки.Более высокие скорости производства также означают более высокие производственные мощности, что приводит к более быстрому производственному циклу.
• Лучше подходит для тонких металлов. Благодаря настраиваемому размеру пятна лазерная сварка является отличным методом соединения тонких или хрупких металлических деталей. Размер пятна может быть специально разработан таким образом, чтобы расплавить только необходимое количество металла для получения сварного шва, тем самым сводя к минимуму возникновение тепловых внутренних напряжений, деформаций и дефектов.

Применение лазерной сварки

Повышенная точность, управляемость и эффективность, обеспечиваемые процессом лазерной сварки, делают его подходящим для производства следующего:

• Детали гидравлики и управления жидкостью
• Узлы с тонкой оболочкой, критичные к деформации
• Фольга
• Топливная рейка
• Инструменты медицинские
• Теплообменники из нержавеющей стали
• Ящики металлические тонкие
• Тонкие детали для манометра
• Тонкая трубка

Свяжитесь со специалистами по лазерной сварке в Titanova Today

Хотя традиционные методы сварки имеют свои преимущества, лазерная сварка стала популярным вариантом соединения металлов из-за ее точности, контроля и способности сваривать деликатные или тонкие металлические детали.Если вам нужна лазерная сварка или другие услуги по лазерной обработке материалов, рассмотрите вариант Titanova. У нас более 30 лет опыта в этой области. Чтобы получить информацию о наших возможностях лазерной сварки, посетите нашу страницу возможностей лазерной сварки или свяжитесь с нами сегодня.

Лазерная сварка – SSAB

Метод

При чисто лазерной сварке расходный присадочный материал не используется. Ключевой особенностью чистой лазерной сварки при соединении стали является то, что сварной шов имеет свойства материала, близкие к тем же свойствам, что и основной металл.В некоторых случаях к лазерной сварке можно добавить присадочную проволоку, и это может быть проволока для холодной подачи или проволока с индукционным нагревом, чтобы уменьшить тепловые эффекты в ванне расплава. Другой распространенный метод – это гибридная сварка, при которой сочетаются процессы лазерной сварки и сварки MAG. При гибридной сварке тепловложение выше, чем при чистой лазерной сварке, но все же намного ниже, чем при традиционной сварке MAG. Гибридная сварка обеспечивает более высокую скорость сварки и позволяет использовать более толстые материалы.

Процесс лазерной сварки почти всегда используется в крупномасштабных приложениях с автоматизацией, обеспечивая скорость сварки 1-5 м / мин.Традиционный лазер CO2 все еще используется; в основном на линиях сварки больших панелей, но волоконный лазер становится все более распространенным в недавно установленных линиях лазерной сварки и является единственным вариантом на современных передовых роботизированных линиях 3D сварки. Лазерная сварка и лазерная гибридная сварка являются стандартными методами работы в автомобильной, судостроительной и железнодорожной промышленности, и эта тенденция быстро растет в области сельскохозяйственного оборудования, самосвальных кузовов и контейнеров.

Изготовленные с помощью лазерной сварки индивидуальные заготовки используются в каждом автомобиле, произведенном на протяжении многих лет, с различной толщиной и разными марками стали в таких конструктивных элементах, как подрамник, штанги подвески, арматура и детали безопасности и т.сотни миллионов LWTB ежегодно производятся роботизированными сварочными линиями 3D.

Лазерная сварка – это метод сварки с низким тепловложением и узким швом с полным проплавлением, который обеспечивает эстетичный конечный результат. Когда соединяются тонкие большие листы, во многих случаях лазерная сварка является единственным методом сварки, позволяющим избежать термической деформации конечного продукта. Лазерная сварка – лучший метод сварки, позволяющий свести к минимуму потерю таких свойств основного материала, как твердость и прочность.

Лазерная сварка LBW: принципы и преимущества

Лазерная сварка – это технология в производстве, при которой два или более куска материала (обычно металла) соединяются вместе с помощью лазерного луча.

Laser означает L полет A увеличение на S по времени E миссию R .

Это бесконтактный процесс, требующий доступа к зоне сварки с одной стороны свариваемых деталей.

Сварочный шов образуется, когда интенсивный лазерный свет быстро нагревает материал – обычно рассчитывается за миллисекунды.

Лазерный луч представляет собой когерентный (однофазный) свет с одной длиной волны (монохроматический).Лазерный луч имеет малую расходимость и высокое энергосодержание, поэтому при попадании на поверхность будет выделяться тепло.

Основные типы лазеров, используемых при сварке и резке:

• Газовые лазеры : используйте смесь газов, таких как гелий и азот. Есть также лазеры на углекислом газе или углекислом газе. В этих лазерах используется слаботочный источник высокого напряжения для возбуждения газовой смеси с помощью лазерной среды. Работают в импульсном или непрерывном режиме.
  В лазерах на диоксиде углерода в качестве среды генерации используется смесь диоксида углерода высокой чистоты с гелием и азотом.CO2-лазеры также используются при двухлучевой лазерной сварке, когда луч разделяется на два луча равной мощности.
• Твердотельные лазеры : (лазеры типа Nd: YAG и рубиновые) работают на длинах волн 1 мкм. Они могут быть импульсными или работать непрерывно. В импульсном режиме получались соединения, подобные точечной сварке, но с полным проплавлением. Энергия импульса составляет от 1 до 100 Джоулей. Время импульса составляет от 1 до 10 миллисекунд.
• Лазеры диодные

Лазеры используются для материалов, которые трудно сваривать другими методами, для труднодоступных участков и для очень мелких компонентов.Защита от газа Intert необходима для более реактивных материалов.

Обзор

Лазерная сварка (LBW) – это процесс сварки, при котором происходит слияние материалов с теплом, полученным от приложения концентрированного когерентного светового луча, падающего на соединяемые поверхности.

Сфокусированный лазерный луч имеет самую высокую концентрацию энергии среди всех известных источников энергии. Лазерный луч – это источник электромагнитной энергии или света, который может быть направлен без расхождения и может быть сконцентрирован в точном месте.Луч когерентный и одночастотный.

Газы могут излучать когерентное излучение, когда они находятся в оптической резонансной полости. Газовые лазеры могут работать непрерывно, но первоначально только на низких уровнях мощности.

Более поздние разработки позволили охлаждать газы в лазере, чтобы он мог работать непрерывно с более высокой выходной мощностью. Газовые лазеры накачиваются высокочастотными генераторами, которые поднимают атомы газа до достаточно высокого уровня энергии, чтобы вызвать генерацию.В настоящее время используются лазерные системы на диоксиде углерода мощностью 2000 Вт. Системы повышенной мощности также используются для экспериментальных и опытно-конструкторских работ.

Лазер мощностью 6 кВт используется для сварки автомобилей, а лазер мощностью 10 кВт был создан для исследовательских целей. Есть и другие типы лазеров; однако доступный сейчас лазер непрерывного действия на углекислом газе мощностью от 100 до 10 кВт кажется наиболее перспективным для применения в металлообработке.

Когерентный свет, излучаемый лазером, может фокусироваться и отражаться так же, как световой луч.Размер пятна фокусировки контролируется выбором линз и расстоянием от него до основного металла. Пятно может быть от 0,003 дюйма (0,076 мм) до больших площадей в 10 раз больше. Четко сфокусированное пятно используется для сварки и резки. Большое пятно используется для термообработки.

Лазер предлагает источник концентрированной энергии для сварки; однако в настоящее время в производстве используется всего несколько лазеров.

Мощный лазер чрезвычайно дорогой. Технология лазерной сварки все еще находится в зачаточном состоянии, поэтому в нее будут внесены улучшения, а стоимость оборудования будет снижена.Недавнее использование волоконно-оптических технологий для переноса лазерного луча к месту сварки может значительно расширить использование лазеров в металлообработке.

Сравнение лазерной сварки и дуговой сварки

Передача энергии при лазерной сварке отличается от процессов дуговой сварки. При лазерной сварке на поглощение энергии материалом влияют многие факторы, такие как тип лазера, плотность падающей мощности и состояние поверхности основного металла.

Выходной сигнал лазера не является электрическим по своей природе и не требует протекания электрического тока.Это устраняет любой эффект магнетизма и не ограничивает процесс только электропроводящими материалами.

Лазеры могут взаимодействовать с любым материалом. Он не требует вакуума и не производит рентгеновские лучи.

Как это работает

• Источник накачки обеспечивает среду, возбуждая лазер, так что электроны, удерживаемые в атомах, временно переходят в более высокие энергетические состояния.
• Электроны, удерживаемые в этом возбужденном состоянии, не могут оставаться там бесконечно и опускаться на более низкий энергетический уровень.
• Электрон теряет избыточную энергию, полученную от энергии накачки, испуская фотон. Это называется спонтанным излучением, и фотоны, произведенные этим методом, являются затравкой для генерации лазера.
• Фотоны, испускаемые спонтанным излучением, в конечном итоге сталкиваются с другими электронами в более высоких энергетических состояниях. Входящий фотон «выбивает» электрон из возбужденного состояния на более низкий энергетический уровень, создавая другой фотон. Эти фотоны когерентны, что означает, что они находятся в фазе, имеют одинаковую длину волны и движутся в одном направлении.Процесс, называемый вынужденным излучением.
• Фотоны излучаются во всех направлениях, однако некоторые из них движутся по лазерной среде, ударяясь о зеркала резонатора и отражаясь обратно через среду. Зеркала резонатора определяют преимущественное направление усиления вынужденного излучения. Чтобы произошло усиление, в возбужденном состоянии должен быть больший процент атомов, чем на нижних энергетических уровнях. Эта инверсия населенностей большего количества атомов в возбужденном состоянии приводит к условиям, необходимым для генерации лазера.
• Пятно фокусировки лазера нацелено на поверхность заготовки, которая будет свариваться. На поверхности концентрация световой энергии преобразуется в тепловую энергию (тепло). Тепло заставляет поверхность материала плавиться, что проходит через поверхность в результате процесса, называемого поверхностной проводимостью. Уровень энергии пучка поддерживается ниже температуры испарения материала заготовки. Идеальная толщина свариваемых материалов составляет 20 мм. Энергия лазера сконцентрирована, что является преимуществом при работе с материалами, обладающими высокой теплопроводностью.

История лазерной сварки

Эйнштейн впервые постулировал квантово-механические основы лазеров в начале 20 века.

1960 : Первый лазер, называемый рубиновым лазером, был впервые реализован в 1960 году.

1970 : Первые лазеры с высокими рабочими характеристиками были разработаны в 1970-х вместе с разработкой СО2-лазеров. С этого времени области применения источников лазерного луча расширились.

1980-е годы : Лазерная пайка становится популярным способом соединения выводов в электронных компонентах через отверстия в печатных платах.

1987 : Разработан процесс лазерного наплавления порошка

2002 : Компания Linde Gas в Германии исследует диодный лазер, в котором используются технологические газы и «компоненты активного газа», с целью усиления эффекта «проседания» при лазерной сварке. Технологический газ, аргон-CO2, увеличивает скорость сварки и, в случае диодного лазера, будет поддерживать переход от теплопроводной сварки к глубокой сварке, т. Е. «Замковому шву». Добавление активного газа изменяет направление потока металла в сварочной ванне и обеспечивает более узкий высококачественный сварной шов.

CO2-лазеры используются для сварки полимеров. Институт сварки Эдисона использует сквозные лазеры в диапазоне 230–980 нм для быстрого формирования сварных соединений. Используя карбиды кремния, внедренные в поверхности полимера, лазер способен плавить материал, оставляя почти невидимую линию стыка

Лазерная сварка

Демонстрация лазерной сварки:

Лазер можно сравнить с солнечным лучом для сварки.Его можно использовать в воздухе. Луч лазера можно сфокусировать и направить с помощью специальных оптических линз и зеркал. Он может работать на значительном удалении от заготовки.

При использовании лазерного луча для сварки электромагнитное излучение падает на поверхность основного металла с такой концентрацией энергии, что температура поверхности расплавляется паром и расплавляет металл ниже.

Одним из первоначальных вопросов, касающихся использования лазера, была возможность отражения металла таким образом, чтобы луч отражался, а не нагревал основной металл.Однако было обнаружено, что после того, как металл нагревается до температуры плавления, состояние поверхности практически не влияет.

Расстояние от оптического резонатора до основного металла мало влияет на лазер. Луч лазера когерентный и очень мало расходится. Его можно сфокусировать до нужного размера во время работы с тем же количеством доступной энергии, независимо от того, близко он или далеко.

При лазерной сварке расплавленный металл принимает радиальную форму, аналогичную конвекционной дуговой сварке.Однако, когда плотность мощности поднимается выше определенного порогового уровня, возникает защемление, как при плазменно-дуговой сварке.

Keyholing обеспечивает чрезвычайно глубокое проникновение. Это обеспечивает высокое соотношение глубины и ширины. Замочная скважина также сводит к минимуму проблему отражения луча от блестящей поверхности расплавленного металла, поскольку замочная скважина ведет себя как черное тело и поглощает большую часть энергии. В некоторых приложениях инертный газ используется для защиты расплавленного металла от атмосферы.

Возникающий пар металла может вызвать пробой защитного газа и создать плазму в области высокой интенсивности прямо над поверхностью металла.Плазма поглощает энергию лазерного луча и может фактически блокировать луч и уменьшать плавление.

Использование струи инертного газа, направленной вдоль металлической поверхности, устраняет скопление плазмы и защищает поверхность от атмосферы.

Сварочные характеристики лазера и электронного луча аналогичны. Концентрация энергии обоих лучей одинакова для лазера, имеющего плотность мощности порядка 106 Вт на квадратный сантиметр. Плотность мощности электронного луча лишь немного больше.Для сравнения, плотность тока при дуговой сварке составляет всего 104 Вт на квадратный сантиметр.

При сварке лазерным лучом возникает огромная разница температур между расплавленным металлом и основным металлом, непосредственно прилегающим к сварному шву. Скорость нагрева и охлаждения при лазерной сварке намного выше, чем при дуговой сварке, а зоны термического влияния намного меньше. Высокая скорость охлаждения может вызвать такие проблемы, как растрескивание высокоуглеродистой стали.

Экспериментальная работа с процессом лазерной сварки показывает, что нормальные факторы контролируют сварной шов.Максимальное проникновение происходит, когда луч фокусируется немного ниже поверхности. Проникновение меньше, когда луч сфокусирован на поверхности или глубоко внутри нее. По мере увеличения мощности увеличивается глубина проникновения.

Виды сварных швов

1. Сварка в кондуктивном режиме
2. Режим проводимости / проникновения
3. Режим проникновения или замочной скважины

Электропроводная сварка

Выполняется при более низких уровнях энергии, образуя широкий и неглубокий сварной шов.Есть два режима:

1. прямой нагрев: тепловой поток регулируется классической теплопроводностью от поверхностного источника тепла. Сварной шов получают путем плавления частей основного материала. Может быть изготовлено с использованием импульсных рубиновых и CO2-лазеров с использованием широкого спектра сплавов и металлов. Также можно использовать Nd: YAD и диодные лазеры.
2. передача энергии: энергия поглощается за счет новых методов межлицевого поглощения. Впитывающие чернила помещаются на стыке соединения внахлестку. Чернила поглощают энергию лазерного луча, которая проходит в окружающий материал ограниченной толщины, образуя расплавленную межлицевую пленку, которая затвердевает по мере сварного соединения.Стыковые швы могут быть выполнены путем направления энергии к линии соединения под углом через материал на одной стороне соединения или с одного конца, если материал обладает высокой пропускающей способностью.

Сварка проводимости / проплавлением происходит при средней плотности энергии и приводит к большему провару.

Сварка в режиме «каплевидный вырез» создает глубокие узкие швы. При этом типе сварки лазерный свет образует нить испаренного материала, известную как «замочная скважина», которая проникает в материал и обеспечивает проход для лазерного света, который эффективно доставляется в материал.

Прямая доставка энергии в материал не зависит от теплопроводности для достижения проникновения, поэтому она сводит к минимуму проникновение тепла в материал и уменьшает зону термического влияния.

Проникающая лазерная сварка

Лазер формирует отверстие, которое закрывается расплавленным материалом позади лазера. Результат называется сварным швом с каплевидным вырезом.

Металлы, используемые при лазерной сварке

Лазерный луч был использован для сварки:

• Углеродистая сталь
• Алюминий
• Титан
• Низколегированная и нержавеющая сталь
• Никель
• Платина
• молибден
• Ковар

Лазерные сварные швы, выполненные из этих материалов, по качеству аналогичны сварным швам, выполненным из тех же материалов с помощью электронно-лучевой сварки.

Экспериментальные работы с использованием присадочного металла используются для сварки металлов, которые имеют тенденцию проявлять пористость при сварке EB или LB. Материалы толщиной 1/2 дюйма (12,7 мм) свариваются со скоростью 10,0 дюйма (254,0 мм) в минуту.

Преимущества лазерной сварки

• Без труда работает с высоколегированными металлами
• Можно использовать на открытом воздухе
• Может передаваться на большие расстояния с минимальной потерей мощности
• Узкая зона термического влияния
• Низкая общая тепловая нагрузка
• Сварка разнородных металлов
• Присадочные материалы не требуются
• Не требуется вторичная отделка
• Чрезвычайно точный
• Выполняет глубокие и узкие сварные швы
• Низкая деформация сварных швов
• Высококачественные сварные швы
• Может сваривать небольшие тонкие детали
• Нет контакта с материалами

Ограничения

• Быстрое охлаждение может вызвать растрескивание некоторых металлов
• Высокие капитальные затраты на оборудование
• Оптические поверхности лазера легко повреждаются
• Высокие затраты на техническое обслуживание

Варианты процесса

лазерной сварки с усиленной дугой При лазерной сварке с усиленной дугой дуга от горелки TIG или MIG устанавливается близко к точке взаимодействия лазерного луча.Горелка TIG автоматически зафиксируется на горячей точке, созданной лазером.

Температура, необходимая для этого явления, примерно на 300 ° C выше окружающей температуры. Эффект заключается либо в стабилизации дуги, которая нестабильна из-за ее скорости перемещения, либо в снижении сопротивления дуги, которая является стабильной.

Блокировка происходит только для дуг с низким током и, следовательно, с медленной катодной струей для токов менее 80А. Дуга находится на той же стороне заготовки, что и лазер, что позволяет удвоить скорость сварки при небольшом увеличении капитальных затрат.

Робот для лазерной сварки со сваркой MIG:

Двухлучевая лазерная сварка

Если два лазерных луча используются одновременно, есть возможность управлять геометрией сварочной ванны и формой сварного шва. После этого замочная скважина может быть стабилизирована, вызывая меньшее количество волн в сварочной ванне и улучшая проплавление и форму валика.

Комбинация пучка эксимерного лазера и CO2-лазера показала улучшенное соединение для сварки материалов с высокой отражательной способностью, таких как алюминий или медь.

Лазерная пайка и пайка

В этом процессе лазерный луч плавит наполнитель, который смачивает края шва, не расплавляя основной материал. Стало более популярным в 1980-х годах присоединяться к лидам электронных досок.

Сертификация

Есть несколько университетов, которые предоставляют сертификаты лазерной сварки, например, Университет Висконсин-Мэдисон. В этом случае предлагается два сертификата:

• LWTSP – аккредитованный сертификат поставщика технической поддержки процесса лазерной сварки для лица, ответственного за настройку, калибровку и операции процесса лазерной сварки
• LWP – аккредитованный профессиональный сертификат по лазерной сварке для тех, кто является основным техническим специалистом, занимающимся проектированием, проектированием и / или управлением лазерной сваркой деталей, сборок или операций.