Лазерная сварка цветных металлов

Обновлено: 28.09.2024

Продолжаем цикл статей о лазерной сварке и на сей раз мы более углубленно рассмотрим виды лазеров, используемых для лазерной сварки, а также условия и способы реализации самого процесса.

Как уже говорилось ранее, несмотря на все преимущества, основным минусом лазерной сварки является дороговизна оборудования. И этот минус возводится в квадрат, когда понимаешь, что лазерная сварка разных металлов и материалов производится при помощи разных лазеров. То есть отдельных видов оборудования.

Виды лазеров используемых в лазерной сварке

Говоря кратко, всего для сварки могут использоваться два типа лазеров – твердотельный и газовый. Для тех, кто не первый год в нише лазерного оборудования, это уже скажет о многом, так как функционал данного типа оборудования строится на тех же особенностях, что и в сфере лазерной резки, но об этом мы поговорим далее.

Твердотельный лазер для сварки

Лазерная установка на базе стекла с неодимом или рубинового стержня с зеркалами по торцам самого стержня. В тот момент, когда в камере формируется луч света, он разгоняется благодаря возбуждению атомов и последующего отражения от зеркал, а так как одно из них является частично прозрачным, то в результате оно и является точкой выхода уже накопившего определённую мощность и сформировавшего одинаковую частоту и длину волны лазерного луча. Звучит сложно, но фактически это просто некий твердотельный элемент, благодаря которому формируется лазерный луч со строго определённой длиной волны (около 1,06 кмк) благодаря которой можно добиваться высокой точности и качественной фокусировки луча. Именно твердотельным лазером осуществляется сварка таких материалов, как медь, серебро, нержавейка, пластик и стекло.

Особенность: Твердотельные лазерные установки не могут похвастать большой мощностью. Обычно это диапазон 1-6 кВт.

Газовый лазер

И сразу – нет, это не то же самое, что лазерная трубка СО2 на привычных всем и каждому лазерных станках. Принцип похож, но степень сходства заканчивается на этапе формирования луча с конкретной длиной волны. В отличие от твердотельных установок, тут она составляет 10,6 кмк, что в 10 раз больше. Традиционно считаются более производительными, мощными и эффективными, но их использование требует большого опыта и умения обращаться с подобными установками. Так, например, сварка титана, меди или алюминия с применением газового лазера это довольно сложный техпроцесс, при котором необходимый для формирования газовой среды газ перекачивается из специальных балонов насосом. В газовой среде между частицами возникают электрические разряды, что и приводит к возбуждению среды, в которой формируется лазерный луч. Разгоняется он аналогично твердотельному, за счёт резонатора и зеркал. Собственно, именно поэтому такие типы трубок и называются газоразрядными. Фактически, для тех, кто уже давно работает с таким оборудованием – ничего сложного, тем более, что именно газовый тип лазера позволяет получать практически любую мощность на выходе и пускай с меньшей точностью, но осуществлять сварку практически любых металлов.

Впрочем, основной минус работы с газоразрядным источником заключается в том, что сварка практически любых металлов им должна производиться в вакууме, то есть с использованием аргона или аналогичных газов. Иными словами, этот тип лазера хоть и крайне эффективен, но не столь сильно отличается от традиционного типа сварки, как принято считать.

Методы лазерной сварки

Как и в работе с любым оборудованием на основе лазерной технологии, для достижения высокого качества и оптимальной скорости обработки материала, вне зависимости от типа лазера и формы обработки – требуется точная фокусировка. Именно поэтому крайне важна настройка под различные типы материалов, а также их толщину. В идеале также следует учитывать и условия окружающей среды: температуру, влажность и т.п., но в реальных, рабочих условиях этого практически никто не делает. Исключение – изготовление высокоточного оборудования, но в этой ситуации сварка, как правило, производится в специальных боксах, где поддерживается оптимальная среда для наилучшего техпроцесса.

Лазерная сварка также позволяет осуществлять процесс как импульсами, так и непрерывным потоком, причём чаще всего используются сразу оба этих метода. Первый – для фиксации заготовок в нужном положении и второй, непосредственно для закрепления результата. Также следует учитывать, что сварка тонкого листового проката большинства металлов может производиться двумя способами:

- Стыковой метод – всё предельно просто. Две части изделия прикладываются друг к другу торцами, после чего и осуществляется сварочный процесс. Размер стыка при таком методе не должен превышать 0,2мм и в первую очередь потому, что по инструкции именно это расстояние является предельным для качественной фокусировки луча на объекте. Метод проплавления в данном случае сквозной, также называют «кинжальным», а защита от окисления осуществляется при помощи подачи аргона или азота. Несмотря на аналогичные свойства, гелий в процессе использовать не рекомендуется из-за риска вызвать перебои в подаче лазерного излучения.

- Нахлёст – метод, при котором изделия свариваются вместе после наложения друг на друга. В процессе дополнительно требуется прижимать обе заготовки друг к другу и осуществлять сварку на высокой мощности. Аналогично предыдущему, зазор не должен превышать 0,2 мм, но в данном случае этот показатель не столь критичен.

Рис.1. Схема лазерной сварки концов тонкой металлической ленты лазерным излучением: а - сварка внахлест, б - сварка встык; 1 - свариваемые концы металлической ленты, 2 - сфокусированное лазерное излучение, 3 - сечение сварного шва.

Гибридные сварочные установки и методы сварки

Описанные выше типы лазеров и методы сварки широко и повсеместно применяются на различных производственных этапах, но часто существует потребность в сварке не только в идеальных условиях доступа и наложения заготовок. В таких ситуациях могут применяться гибридные установки и методы обработки металлов.

Самым ярким примером является лазерная сварка в ходе кузовных работ с автомобилями. Во-первых, тут производство имеет дело с толстыми металлическими компонентами, большими зазорами и трудным доступом к местам стыка, которые, к тому же, очень сложно прижимать и удерживать в статичном положении. В таких ситуациях применяется подача проволоки, которая формирует электродугу и позволяет выполнять сварочные работы даже в таких некомфортных условиях, добиваясь при этом высокого качества соединения.

Лазерная сварка и пайка. Волоконные аппараты

Процесс высокотемпературной сварки подразумевает соединение нескольких деталей посредством локального плавления (сваривания) материала по примыкающим поверхностям. Лазерный луч направлен на систему фокусирующих линз и фокусируется в пучок - источник нагрева. Показатель его плотности мощности составляет 105 - 107 Вт/см². Аппарат лазерной сварки нагревает и расплавляет металл, формируя шов за счет кристаллизации веществ. Отсутствие перегрева позволяет материалам не деформироваться и сохранять геометрию. При сварке используется CO2 или волоконные лазеры.

Волоконную сварку производят полным или частичным проплавлением поверхностей с помощью постоянного излучения. При меньшей толщине от 0.5 до 1.0 мм луч расфокусируют для получения герметичного шва.

Для машинной сварки активно используют воблинг шов. Данный тип шва можно получить с применением сварочной головы со сканатором. В качестве присадочного материала используется проволока толщиной 1,5 мм, что позволяет увеличить сечение сварного шва. Подача проволоки осуществляется на автоподатчиках с возможность регулировки скорости подачи.

Виды лазерной сварки:

микросварка (глубина проплавки до 100 мкм);
мини-сварка (от 0,1 до 1 мм);
макросварка (более 1 мм).

Лазерная сварка может сочетаться с дуговой сваркой. Применяя электрическую дугу вместе с лазерной сваркой, улучшается качество заполнения шва металлом, увеличивается глубина и скорость сварки. Подводимое тепло уменьшается. Появляется возможность выполнить провар за один проход. Даже при неточном позиционировании объектов. Данный типа сварки называется гибридной лазерной сваркой.

Преимущества технологии ручной лазерной сварки

Основная задача подобного оборудования - создание прочных и аккуратных сварных соединений за небольшой промежуток времени и с минимальным количеством брака на одну партию изделий. Лазерный аппарат для сварки позволяет добиться указанных результатов и обладает целым комплексом эксплуатационных достоинств:

высокий КПД (высокая производительность и скорость сварки) при умеренной цене;
нет расходных материалов (не считая газа);
безопасность заготовок - аппарат для лазерной сварки металлов⚡ может применяться вблизи термочувствительных деталей, деформация материала минимальна;
идеальный сварной шов - в силу высокой концентрации энергии и точной локализации излучения (после обработки не нужно приводить в порядок швы, отсутствие правок при сварке);
простота эксплуатации - нет потребности в создании вакуумных камер и других специальных условий;
надежность - не образуются трещины на металле, сохраняется устойчивость к коррозии, не требуется коробление металл. подводка температуры минимальная;
опциональная автоматизация - можно купить аппарат ручной лазерной сварки или сразу обзавестись оборудованием с машинным (компьютеризированным управлением).

Примеры работы лазерной сварки и пайки (Видео)

Презентация аппарата для сварки и пайки TORWATT 300 F

Лазерная сварка TORWATT ULTRA / PRO

Пример сварки корпуса катера

Что делать в случае, если оборудование для лазерной сварки или гравировки сначала работает нормально, а потом резко и неожиданно выключается?

Для начала проверьте уровень воды в резервуаре и сработало ли реле. Посмотрите, достаточно ли давление водяного потока. Если данные параметры в норме, значит, проблема в датчике потока. Замените неисправную деталь.

Верхний порог температуры для сварочного аппарата - 40°С. В случае превышающей этот показатель температуры в системе активируется аварийный режим и срабатывает предупреждающий сигнал. Если через 30 секунд не происходит понижение температуры, устройство автоматически выключается.

Возможная длина сварочного шва ограничивается исключительно размерами изделия.

В комплект лазерного сварочного аппарата входят:

Лазерный источник (лазер). В нашем случае это - Raycus (Китай), JPT (Китай), IPG (США, Россия). Мощность варьируется от 500 до 2000 Вт. Для работы со сталью рекомендуется использовать излучатель от 1500 Вт;
Чиллер (система водяного охлаждения). Использование водяного охладителя жидкости обязательно к использованию. Аппарат контролирует уровень нагрева во избежание перегрева, отключение станка происходит автоматически при достижении критической температуры;
Сварочная голова (головка). Настройки наших головок позволяют отключать воблинг и использовать аппарат для резки. (необходимо доп. оборудование);
Контроллер управления. Микрокомпьютер с программным обеспечения на русском и английском языках. Контроллер позволяет настраивает мощность излучения, подачу газа, частоту;
Сварочный газ Аргон. Охраняет материал от появления копоти и нагара, обеспечивает качественную свариваемость. Рекомендуем к использованию высокоочищенный газ, это пролонгирует срок службы защитных и фокусирующихся линз, и излучателя. Повысит качество сварного шва.

Область применения мобильных аппаратов и станков для сварки и пайки

Данные установки отлично зарекомендовали себя при работе с:

металлами - углеродистой сталью, титановым сплавом (титан), медью, чугуном, алюминием, латунью;
нержавеющей сталью (нержавейкой), алюминиевыми сплавами;
металлоконструкциями из листового или профильного металла, трубами;
производство из цветных металлов;
фитингами и другими мелкими деталями;
пластмассой, пластикой керамикой, стеклом.

Сколько стоит лазерная сварка?

Стоимость лазерных сварочников TORWATT колеблется от 490 000 до 4 150 000 рублей с учетом скидок и акций.
Пожалуй, дорогое оборудование можно отнести к недостаткам технологии.

Почему лазерный сварочный аппарат стоит купить у нас?

Наши клиенты ценят нас за качество оборудования и гибкие условия работы и оплаты.
Мы готовы помочь Вам:

с обучением персонала;
выполнить пусконаладочные работы;
продемонстрировать эффективность оборудования.

Приглашаем на демонстрацию на производстве в Москве и СПб. Специалисты LASERSTORE подберут лазерный сварочный аппарат оптимальной конфигурации и цены с учетом задач вашего производства!

Всё о лазерной сварке: преимущества и недостатки, характеристика, виды, дефекты

Лазерная сварка - это способ соединения деталей за счет локального плавления. Встречается при обработке изделий из металла, пластика, стекла и других твердых материалов, когда нужно точное соединение деталей при сложной конфигурации.

Эта технология дает гладкий шов без следов деформации в виде неровностей, искривлений, шероховатости.

Общая характеристика

Лазерная сварка активно используется в промышленных масштабах для формирования высокоточного и неразъемного соединения.

Во время лазерной сварки металлических изделий прибегают к специальному оборудованию, которое при нужных навыках и правильно подобранных настройках обеспечивает высокое качество фиксации и аккуратный шов.

Рис.1. Сварка металлических изделий лазером

Процесс этой технологии обеспечивает преобразование металлического элемента на стыке. Луч лазера способствует процессу нагревания и дальнейшего плавления на обрабатываемом участке. Лазер создает световой поток с характерной монохромность.

Длина волн идентична. Это упрощает контроль потоков при фокусировке линз или отклонения рабочих призм. Мощность пуска повышается за счет появления волнового резонанса.

При лазерной сварке используются следующие сварочные аппараты:

роботизированные (работа без человеческого присутствия и контроля);
автоматические;
полуавтоматические.

Всем трем видам характерно формирование лазерного луча, который воздействует на определенный участок - способен нагревать и расплавлять на ней металл.

Технология лазерной сварки

Рис.2. Технология лазерной сварки металлов

Лазерной сварке свойственны показатели:

когерентности. Сочетание фаз теплового поля луча лазера в разных областях;
монохроматичности. Малая ширина линий спектра-источника;
направленности. Отсутствие рассеивания лазерного луча при его перемещении от источника к области для сварки во время сварочного процесса.

Из-за этих свойств мощность луча значительно увеличивается. Он отвечает за равномерное плавление, а также за испарение металлов в свариваемой зоне.

Особенностью сварочного процесса является факт того, что источник может находиться на удалении от области сварки, в то время как в промежутке лазерной ванны не обязательно наличие вакуума.

Как работает лазерная сварка

Лазерный луч производит фиксацию изделий следующим образом:

Соединяемые элементы плотно фиксируется у соединительной линии;
Лазерный луч направляется на стык;
Происходит активизация генератора. Устройство равномерно разогревается и затем плавит металлические частицы на кромках. Лишние элементы при данной технологии испаряются.

У луча лазера сечение с небольшими размерами, поэтому полученный сплав исправляет неровности, заполняет трещинки и другие недочеты, попавшие на территорию обработки лазерным лучом.

Во время сварки лазером формируется сварное соединение изделий с большей плотностью. Для него не характерна пористость, которая встречается при других типах сварки. Также при лазерном типе отсутствует окисление металла из-за высокой скорости лазерного луча, который перемещается по поверхности изделия.

В этой технологии применяются два вида шва:

Сплошной. Необходим при сваривании труб из нержавеющей стали. Нужны в операциях, где нужен высокий уровень герметичности
Прерывистый. Подходит для сварки малых конструкций с поверхностными повреждениями.

Преимущества и недостатки

В лазерной сварке можно найти много преимуществ, из-за чего она и стала более востребованной. Рассмотрим их поближе:

Сварка лазером подходит для обработки многих материалов: различные магнитные сплавы и сплавы металла, стекло, термопласты, керамика.
Обладает высокой точностью. Траектория пятна нагревания отличается стабильностью.
Сварное соединение небольшого размера, из-за чего оно становится незаметным.
Область около шва не нагревается, поэтому деформация свариваемых элементов минимальна.
Во время нагревания не выражается рентгеновское излучение и не создаются продукты сгорания.
У сварочного процесса высокая химическая чистота, так как в процессе сварки не прибегают к дополнительным электродам, флюсам и присадкам.
Отличный вариант для сварки в труднодоступных местах. Может использоваться на большом расстоянии от области расположения лазера.
С помощью данной техники можно обработать материалы, которые находятся за прозрачными элементами.
Может применяться для сварки элементов, которые находятся за прозрачными материалами.
Созданным во время сварки сварным швам свойственны высокие показатели качества и прочности.
При переходе на создание нового изделия можно происходит быстрая перенастройка системы.

Рис.3. Преимущества и недостатки сварки при помощи лазера

Перед подготовкой к лазерной сварке стоит учитывать и минусы данного вида сварки. В первую очередь, это следующие:

Высокая стоимость. Инструменты и комплектующие для лазерной сварки относительно дорогие. Это причина, по которой данный тип преимущественно встречается в промышленности и на производстве. Можно попробовать создать оборудование для лазерной сварки самостоятельно, но для этого нужно обладать особыми навыками и знаниями, иметь специальные инструкции и схемы с чертежами.
Обслуживающий персонал для устройств по лазерной сварке должен обладать высокой квалификацией.
Также особые требования выдвигаются и к помещениям, где будет размещено оборудование для лазерной сварки. Рассматриваются все показатели - от запыленности до показателей вибрации и влажности.
Низкий КПД у лазерно-дуговой сварки. В целом, для газовых сплавов он составляет 10%, а для твердотельных - лишь 1.
Кроме этого, существует высокая зависимость от отражающей способности у самой заготовки. Если она низкая, то такой будет и эффективность.

Условия и способы лазерной сварки

Лазерная сварка металлов имеет разные требования и условия для проведения операций.

Для сварки изделий из нержавеющей стали, металлов и деталей из схожих сплавов необходим луч с повышенной мощностью. Во время операции нужно добиваться его точной фокусировки. Луч перемещается на рабочую поверхность через направляющие линзы и центр переднего зеркала, как только интенсивность пучка достигает самых высоких показателей.

Рис.4. Лазерная сварка металла

Также в зависимости от твердости материала, сварка нержавеющей стали и других металлов может проводиться по разному с точки зрения глубины проплава. Он может быть как поверхностный - эти показатели регулируются во время проплавления металлических частей.

Сварка проводится двумя способами:

непрерывным лучом;
прерывистыми импульсами.

Лазерная сварка импульсом лучше всего подходит для сварки изделий из тонколистового проката, толстостенных деталей и сложных профилей.

Методы лазерной сварки могут отличаться за счет специфики материала. Для обработки нержавеющей стали, алюминия и меди подойдут следующие:

Стыковой метод. Для него не нужны дополнительные присадки или флюс. Размер стыка между металлическими деталями - не более 0,2 мм. Этого достаточно, чтобы создать корректную фокусировку луча лазера на стыке. “Кинжальное” проплавление металла происходит по всей толщине. В случае стыкового способа лазерной сварки на изделии проводится дополнительная защита шва азотом или газом от окисления металла. Интенсивность лазерного излучения до 1 мВт/см2.
Нахлёсточный метод. В процессе операции происходит наложение металлических листов внахлест. Мощное излучение создает отличное соединение с дополнительным прижимом элементов. Зазор между ними составляет до 0,2 мм.

Виды лазеров

Лазерная сварка проводится при помощи разных лазеров в зависимости от обрабатываемого материала. Для нержавейки, алюминиевых сплавов или меди применяется другой тип, нежели тот, к которому прибегают для обработки стекла и керамики.

Оборудование бывает следующих типов:

Каждому из них соответствуют определенные характеристики.

Твердотельные лазеры

Твердотельные лазеры используются для сварки лазером серебра, пластмасс, нержавейки, меди, стекла и других твердых элементов. В составе таких лазеров имеется особый рубиновый стержень, который также производится из неодимового стекла. Располагается внутри специальной осветительной камеры.

Процесс использования данного вида лазеров выглядит следующим образом:

В осветительную камеру с выбранной частотой направляется луч света с высокими показателями мощности. При этом возникает возбуждение атомных частиц.
Появляется световое излучение. Его волны обладают одинаковой длиной.
Так как части стержневой детали на торцах состоят из отражающих зеркал, а одно из них является частично прозрачным, именно через него проходит энергия в качестве лазерного излучения.

Газовые лазеры для сварки

Газовые сварочные лазеры отличаются большими мощностными показателями и производительностью. Это их отличает от твердотельных лазеров.

Активный компонент в случае таких устройств - газовая смесь.

Рис.5. Сварка металла газовым лазером

Они проводят сварку таких материалов, как алюминий, титан, нержавейка и других похожих по параметрам металлов с использованием вспомогательных средств:

прокачивание газа и передача его из баллонов происходит через насос, поэтому в качестве дополнительного элемента с ним используется газоразрядная трубка;
между электродами проходит электрический разряд (ток). Из-за этого возбуждается газовая смесь;
лазерные лучи проходят через установленные зеркала. Они располагаются в торцевой области газоразрядной трубы;
при лазерной сварке крупных деталей (автомобильный кузов, детали с большой толщиной и др.) источник питания соединяется с электродами;
охлаждается за счет водяной системы.

Газовое оборудование отличается большими габаритами, что не для всех удобно. В то же время существуют лазерные устройства, которым характерна поперечная прокачка газа. Они отличаются небольшими размерами и считаются более компактными. Показатели мощности подобных устройств - от 20 кВТ. Это позволяет проводить сварку толстостенного металла с высокой скоростью - приблизительно до 60 метров в час.

Такой метод лазерной сварки применим не только для прочных металлических сплавов - с его помощью обрабатываются драгоценные металлы (платина, золото, серебро), алюминий, медь, титан. Так как это специфические материалы, для них проведение операций по сварке происходит в атмосферных условиях со специально созданным вакуумом. Дополнительные средства формируют защиту от воздушного воздействия на расплавленный металл. В первую очередь, это газы. В особенности - аргон.

Из-за того, что во время сварки создается высокая тепловая мощность лазерного луча, процесс испарения металлических частиц проходит еще активнее. Параллельно с этим проводится ионизация паров, чтобы луч лазера экранизировался и рассеялся.

Газовые лазеры для сварки используются не только для металла, но также для стекла или пластмассы. В их обработке встречаются два вида газа:

Чаще всего, это гелий - он не рассеивает луч лазера и легче, чем аргон.

Сварщики с большим опытом работы упрощают процесс использованием комбинированных смесей газов, у которых есть защитные и плазмоподавляющие параметры.

Особенности газодинамических лазеров

У газодинамических лазеров самые высокие показатели мощности. Они относятся к устройствам с использованием окиси углерода. Данный состав нагревается до 3000 К. После проходит через сопло Лаваля, после чего происходит снижение давления и последующее охлаждение газового компонента.

Рис.6. Применение лазеров для сварки по металлу

Использование гибридных установок

Лазерная сварка специальных элементов в виде толстостенных деталей, элементов с зазорами или большими металлическими плоскостями проводится при помощи дополнительных материалов для присадки. В первую очередь, это проволока для зажигания электрической дуги. За счет этого заполняется пространство между пластинами и создается соединительный шов с высокой прочностью.

Обдув инертным газом производит защиту толстостенных металлических конструкций и автомобильных деталей. Его подача происходит через сопло, которое крепится рядом с лазерной головкой.

Их сварка проходит на столе и на отдельных подставках от оборудования. Процесс осуществляется поэтапно:

Сначала металл очищается от загрязнений, окалин, масляных остатков, водяных капель и влаги в цело.
Детали плотно подгоняются стык в стык.
Создается химическое травление металлической поверхности.
Аппарат лазерной сварки настраивается с выставлением необходимых параметров. Для этого обращаются к типу свариваемого материала и подбивают параметры под него.
Головка сварочного инструмента размещается у линии начала соединения.
Активируется кнопка запуска сварки.

Во время сварочного процесса нужно следить за тем, как луч попадает на стыковую область.

Особенности сварки тонкостенных изделий

Тонкостенные детали представлены в виде небольших изделий из области микроэлектроники. Это могут быть проволочные выводы, чей диаметр варьируется от 0,01 до 0,1 мм, или же фольгированные элементы с диаметром точки лазера 0,5-0,9 мм. Их обработка производится твердотельными лазерами. Твердотельная лазерная установка способна провести точечную лазерную сварку для катонного соединения с высокой герметичностью. Необходимая деталь в современных кинескопах.

Для работы по мелким деталям с тонкими стенками подходит минимальная мощность проведения.

Операции проводятся импульсным или непрерывным режимом.

При импульсном режиме необходимо повышается скважность импульса и сокращать длительность. При непрерывном режиме - повышать скорость лазера.

Лазерная сварка стекла и пластмассы

Что касается изделий из стекла и пластмассы, лазерная сварка также проводится благодаря твердотельным установкам. Они представляют собой простое устройство, которое состоит из отражательной трубки с двумя электродами, а также смеси из ионизирующих газов в пространстве между ними.

Рис.7. Лазерная сварка по стеклу

Такое устройство встречается во время ремонта очков - как пластиковых, так и стеклянных элементов. Сварка таким образом не требует дополнительного припоя при сваривании оправ.

Лазерная сварка деталей из стекла и пластика происходит с той же последовательностью, что и металлические изделия:

поверхности элементов, которые будут подвержены сварке, очищаются от пятен, пыли и других загрязнений

подготавливаются установка и электроды к дальнейшей работе, настраивается линза для фокусировки. В случае использования расфокусированной линзы есть риск смазанного лазерного луча. В таком в случае не получится сделать четкий локальный расплав металла. Корректно сфокусированный пучок обладает круглой формой

устанавливается нужное значение мощности сварки

можно приступать к работе.

Лазерная сварка в промышленности

В промышленной технологии лазерной сварки используются следующие устройства:

Лазерная сварка. Часть Первая. Плюсы и минусы

Уже долгие годы имеет место быть устойчивое народное мнение о том, что хороший сварщик никогда не останется без работы и денег. Отчасти оно продиктовано тем, что в последние годы чувствуется очевидный недостаток опытных специалистов по техническим работам, причём это касается не только сварки, просто так уж вышло, что из всего стройного ряда строителей, ремонтников, монтажников и т.п. именно сварочный процесс выглядит (да по сути и является) технологичным, сложным и требующим наличия не только знаний, но и опыта.

Как известно, ничто востребованное не стоит на месте и отрасль сварки не является исключением. В последние годы бешено развивается такое направление, как лазерная сварка – метод соединения металла методом сваривания отдельных его частей при помощи воздействия лазерным лучом. Чаще всего вы можете услышать именно о лазерной сварке и увидеть применение лазерных сварочных аппаратов на объектах, требующих особо точного и аккуратного подхода к продуктам своего производства. Но не будем забегать вперёд и разберёмся во всём последовательно.

Зачем нужна сварка лазером?

Технология лазерной сварки пришла на смену традиционному свариванию металлов, хотя правильнее будет сказать «приходит», в настоящем времени. Несмотря на то, что метод лазерной сварки более прост, экономичен и в разы более точен, он всё ещё требует для своего применения высокоточного и дорогостоящего оборудования. В наше время существует целый пласт специалистов в области сварки с оборудованием старого типа, которые выполняют качественную работу по старинке, с помощью электродов и это нормально. Именно благодаря существованию конкуренции внутри ниши технология лазерной сварки так далеко шагнула за столь короткий срок.

Итак, лазерную сварку в данный момент используют в отраслях промышленности с целью создания неразъемных соединений с высокой точностью и минимальной шириной/толщиной сварного шва. Как понятно из названия, плавление материала происходит благодаря воздействию лазерного луча, который генерируется в специальном источнике и обладает таким свойством, как монохромность. То есть, все волны этого светового потока обладают равной длиной, что за счёт фокусировки и отклонения потока за счёт зеркал и призм формирует волновой резонанс, что значительно повышает мощность луча. Впоследствии, этот луч нагревает и плавит верхние слои металла, создавая прочное, структурное сцепление на стыке элементов. Никаких расходных материалов. Никаких снопов искр летящих во все стороны и засвеченной сетчатки глаза. Конечно, применение лазерной сварки тоже требует соблюдения техники безопасности, но это примерно тот же уровень, что сравнить лазерный станок для резки фанеры и циркулярную пилу. Оба инструмента справляются с резкой, но равнозначны ли они по возможностям, безопасности и эффективности?

Технологические свойства лазерной сварки

Выше мы описали принцип работы лазерной сварки крайне поверхностно, но если вам хочется лучше понять, на каких физических свойствах строится данный процесс, то вам придётся ознакомиться, как минимум, с тремя из них. Во-первых, монохромность. О ней мы уже говорили выше. Если упростить до предела, монохромное излучение обладает минимальным разбросом частот, а в идеальных условиях и вовсе одной частотой волны. Во-вторых, когерентность. Тут всё несколько сложнее, т.к. нужно понять, что в физике это явление обозначает согласованность волновых процессов. То есть, колебания в разных областях лазерного пучка будут происходить так же, согласованно (взаимосвязано) с одинаковой и неизменной разницей фаз. И, наконец, в-третьих, направленность. Тут всё просто. Сварочный процесс лазером позволяет минимизировать рассеивание луча в направлении от источника к свариваемому объекту.

Три этих свойства не просто объясняют принцип действия лазерной сварки, но и в принципе, делают использование подобных технологий возможным даже в бытовых условиях. На выходе и в сухом остатке мы имеем синхронизированный луч света, действующий по волновому принципу с конкретной направленностью в заданную область, что позволяет обеспечить высокоточное и равномерное плавление, а затем и остывание материала в требуемой зоне сваривания.

Это интересно! Основным преимуществом именно лазерной сварки является то, что при таком воздействии формируется соединение с высокой плотностью на атомном уровне, при этом традиционные дефекты, такие как пористость, нарощенная толщина шва и т.п. отсутствуют полностью.

Плюсы и минусы лазерной сварки

Не вдаваясь в полемику, просто пройдёмся по пунктам преимуществ и недостатков:

- Широкий спектр применения – лазерной сваркой можно соединять практически любые металлы, магнитные сплавы, а также применять для создания соединений термопластов, керамики и даже стекла! Этого можно достичь благодаря регулировки мощности оборудования.

- Точность и стабильность – благодаря вышеперечисленным свойствам, световой пучок лазерной сварки стабилен. Это позволяет создавать сварные швы минимального размера, а также сводить нагревание околошовного пространства к минимуму, тем самым избегая деформации как самого шва, так и изделия. Также, вследствие испарения избыточной части металла при сваривании, шов получается гладким и ровным.

- Чистота процесса – причём как физическая, так и химическая. При плавлении металлов не возникает побочного рентгеновского излучения, а также, вследствие отсутствия химических расходных материалов, электродов, флюсов и т.д. не происходит загрязнения воздуха и окружающей среды, что не только экологично, но и безопасно для самого специалиста, работающего с такой сваркой.

- Удобство и новые возможности – благодаря гибкой настройке излучателя, можно осуществлять сварку на большом расстоянии и в труднодоступных местах, а также сваривать объекты, находящиеся за прозрачными преградами. Всё это никак не повлияет на качество и прочность шва.

В целом, как ни посмотри, а лазерная сварка, это настоящее технологическое чудо. И шов всегда идеальный, и справится с ним годовалый младенец, а расход энергии вообще ни о чём… понятно, что всё это утрирование и вышеперечисленные преимущества описаны исходя из, в первую очередь, сравнения с традиционными методами сварки, которые ни экологичными, ни безопасными, а уж тем более простыми или дешевыми назвать было никак нельзя. Но даже тут не всё так просто и лазерная сварка имеет ряд очевидных недостатков:

- Высокая стоимость – цена на оборудование и комплектующие для лазерной сварки довольно высока. Именно поэтому, чаще всего, она используется на крупных предприятиях скорее для оптимизации этапов производства и практически никогда не встречается у частных специалистов, предоставляющих услуги по сварке.

- Низкий КПД по твердотельным сплавам – если говорить о цифрах, то КПД лазерной сварки в сравнении с газовой ниже почти в десять раз при работе с высокоплотными, твердотельными сплавами. Также существует высокая степень корреляции качества сварочного процесса с отражающей способностью материала. Чем выше последняя, тем ниже эффективность.

- Навыки персонала – конечно, именно выполнять работу по сварке с таким оборудованием сможет практически любой человек обладающий здоровым мышлением и не имеющий тремора в руках. Вот только наиболее сложный этап тут – это настройка излучателя под характеристики заготовки и вот тут уже вам придётся учиться не только настройкам самого оборудования, но и сопромату в интересующем вас направлении.

Что будет дальше?

Итак, сегодня мы разобрались в том, что вообще такое лазерная сварка, поговорили о принципах её работы, а также приоткрыли завесу тайны над вопросами о плюсах и минусах данного оборудования. В цикле статей по данной теме мы продолжим подробно разбираться в способах использования, условиях эксплуатации, вариантах применения и особенностях этого типа оборудования. Следите за нашими новостями и не забывайте делиться своим мнением и вопросами в сообществе!

Лазерная сварка алюминия

Алюминий (и его сплавы) как конструкционный материал обладает множеством достоинств. Он лёгкий, прочный, не поддаётся коррозии. Однако алюминий обладает и недостатком — он осень плохо сваривается. Существует технология, которая позволяет сваривать алюминиевые заготовки. Это лазерная сварка. Установки лазерной сварки сложные и достаточно дорогие. До недавнего времени использовались только в промышленных условиях. С расширением использования на рынке появились и доступные установки бытового класса.

Лазерная сварка алюминия

Технология лазерной сварки алюминия была разработана во второй половине XX века. Как только были созданы лазеры, способные к непрерывной работе, их сразу стали приспосабливать к сварным работам. Высокая энергия, которую несет узко фокусированный лазерный луч, позволяет нагреть ограниченную область на стыке двух заготовок, расплавить в ней металл. После прекращения нагрева металл кристаллизируется , соединяя две заготовки в одно целое. При постоянстве общего количества энергии, переносимой пучком, более узкая фокусировка позволяет добиться более высокой плотности энергетического потока. Соответственно повышается и температура нагрева.

Технология лазерного соединения алюминиевых сплавов и чистого алюминия позволяет работать без создания вакуума или атмосферы инертных газов. Требуется лишь провести механическую очистку сварочной зоны от окисные пленки, загрязнений или остатков лакокрасочных покрытий зоны. Обезжиривание позволяет удалить масложировые пятна и следы смазки.

Параметры лазерной сварки подбираются исходя из толщины заготовок, их пространственной конфигурации , величины сварочного зазора.

Если удается так подогнать заготовки, что сварочный зазор невелик, то использование присадочных материалов не требуется. Шовный материал образуется из оплавленных кромок соединяемых деталей.

Технология лазерной сварки

Технология позволяет варить практически в любом положении. Малая ширина сварочной ванны не позволяет расплаву вытекать даже при положении «снизу». Сварка производится в основном встык. Шов внахлест возможно только для очень тонких листовых материалов.

Условия и способы осуществления сварочного процесса

Алюминий и его сплавы обладают рядом физико –химических особенностей. В их числе:

малый удельный вес;
высокая прочность;
сопротивляемость коррозии.

Это делает алюминий желанным для конструкторов материалом везде, где важен вес конструкции и ее коррозионная стойкость. Алюминий имеет и еще одну особенность- в нагретом создании он очень быстро окисляется. Окислы алюминия чрезвычайно тугоплавки ( более 2000 °С). При обычной сварке образование таких пленок, не разрушающихся при температуре плавления металла, препятствует сварке. Кроме того, оксидная пленка активно поглощает газы и водяные пары, порождая различные дефекты сварного шва.

Поэтому требуются принимать специальные меры для предотвращения попадания частиц окисных пленок в сварочную ванну. Для этого используют различные флюсы, атмосферу защитных газов, сварку в вакууме и т.д.

Параметры лазерной сварки внахлест

Лазерная сварка позволяет обойтись без всех этих усложняющих технологию и повышающих трудоемкость мероприятий.

Еще одной особенностью алюминия является его исключительно высокая теплопроводность.

Поэтому для сваривания алюминия требуется энергетические потоки с высокой плотностью. Обеспечение таких потоков в традиционных технологиях сваривания приводит к перегреву заготовок и их температурным деформациям. В результате перегрева происходит также изменение молекулярной структуры шва и околошовной области, приводящее к снижению прочности изделия.

Использование метода лазерной сварки, концентрирующего нагрев в очень узкой области, позволяет избегнуть и этих проблем.

Оборудование для проведения лазерной сварки алюминия

В состав установки лазерной сварки входят следующие основные узлы:

Несущая рама, на которой крепятся все остальные узлы.
Источник питания. Выдает высокое напряжение для питания генератора лазерного луча и низкое напряжение для питания механизма подачи заготовки и позиционирования головки.
Генератор оптического излучения.
Оптическая система фокусировки и направления луча в сварочную зону.
Рабочий стол (для стационарных установок).
Механизм подачи заготовки (для стационарных установок).
Механизм перемещения сварочной головки.

Оборудование для лазерной сварки

Установки лазерной сварки включают в себя также системы промышленной безопасности, исключающие травмы обслуживающего персонала и повреждение материальных ценностей.

Аппараты лазерной сварки алюминия

Аппараты лазерной сварки алюминия могут функционировать в одном из двух режимов:

Непрерывном. Используется непрерывное излучение лазера. Позволяет сваривать более толстые заготовки. Доступен на стационарных установках высокой мощности, с развитыми системами охлаждения.
Импульсном. Сварка ведется серией последовательных импульсов, разогревающих алюминий до температуры плавления.

Аппараты также делятся на

Стационарные. Обладают лазером большой мощности и способностью работать с заготовками определенных размеров, определяемых размерами рабочего стола.
Мобильные. Установки меньшей мощности позволяют проводить сварку там, где это необходимо. Устанавливаются рядом с местом работ, лазерный луч передается по гибкому световоду. Позволяют варить в любом положении, включая положение «снизу».

Установка для лазерной сварки ЛТСК435-20

Кроме того, аппараты для сварки алюминия лазером различаются по типу и мощности используемого квантового генератора.

Типы лазеров

В настоящее время в аппаратах лазерной сварки алюминия применяются два основных типа лазеров:

Кроме того, проводятся исследования возможности применения для сварочных работ полупроводниковых лазерных генераторов. Промышленных образцов достаточной мощности пока не разработано.

Твердотельный

Установки с твердым активным телом развивают меньшую мощность по сравнению с газовыми и работают обычно в импульсном режиме. Принцип их работы следующий:

Цилиндрическое активное тело, изготовленное из смеси окиси алюминия и ионизированного хрома , располагается внутри камеры. Торцы стержня отполированы и являются зеркалами. Одно из них полупроницаемое- свет может проходить через него при достижении определенной интенсивности пучка.
Рядом с активным телом находится лампа накачки, периодически облучающая стержень импульсами света.
Ионы хрома, входящие в состав стержня, переходят в активное состояние и переизлучает свет в продольном направлении.
Импульсы светы, попеременно отражаясь от торцевых зеркал, увеличивают свою интенсивность, поскольку накачка продолжается.
Когда интенсивность превышает определенный порог, световой импульс проходит через полупроницаемое зеркало и уходит в оптическую систему направления и фокусировки и через нее- в рабочую зону.

Длина волны таких аппаратов равна 0,69 микрона, мощность может достигать нескольких сотен ватт.

Газовый

Установки сварки алюминия лазером, использующие газообразное активное тело, конструктивно совпадают с твердотельными за исключением двух особенностей:

Активное тело является заключенной в стеклянную колбу смесью углекислого газа, гелия и азота.
Излучение возбуждается электрическим разрядом в газовой среде.

Зеркала (сплошное и полупроницаемое) на торцах колбы такие же, как в случае твердотельного лазера. Так же происходит усиление импульса и его проход в систему фокусировки.

Газовая смесь находится под давлением от 2 до 14 килопаскалей, в результате электрического разряда возбуждается световое излучение с длиной волны около десяти микрон.

Коэффициент полезного действия газовых установок доходит до 15%, мощность — до десятков киловатт.

Преимущества сварки лазером

Основные преимущества лазерного способа сварки заготовок из алюминия следующие:

высокая производительность;
низкая трудоемкость;
отсутствие расходных сварочных материалов;
нет необходимости в создании защитной атмосферы;
возможность варить в любом положении;
высокая точность сварки;
минимальные температурные деформации;
экологичность.

Одним из немногих недостатков метода при сварке алюминия является высока с сложность и стоимость оборудования. Недешево обходится и его обслуживание. Невысок и КПД.

Эффективность технологии

Расчет экономической эффективности использования лазерного способа сварки деталей из алюминия проводится в сравнении с традиционными технологиями сварочных работ.

Следует сравнивать не только цену покупки установок, но и совокупную стоимость владения ими, или сумма расходов за время эксплуатации, например, за год или пять лет- среднее время службы.

Лазерные установки проявляют свои преимущества в следующих условиях:

большой объем работ;
высокие требования к качеству сварного шва;
возможность автоматизации процесса;
малая толщина (до 1 см) свариваемых алюминиевых заготовок;
высокие требования к загрязнению окружающей среды;
доступность для найма высококвалифицированного персонала.

Результат лазерной сварки алюминия

Положительные особенности процесса лазерной сварки алюминия широко используются в производстве средств связи, аэрокосмической промышленности, производстве сложных промышленных установок, а также в оборонной индустрии. Расширение рынка ведет к снижению стоимости аппаратов, уже сегодня предлагаются модели бытового класса, доступные и домашним мастерам.

Читайте также: