Лазерная сварка толстого металла

Обновлено: 25.06.2024

Для неразъемного соединения металлических и неметаллических деталей и поверхностей применяется лазерная сварка. Для такой сварки используются генераторы оптической энергии – лазеры. Сварка с применением лазера имеет целый ряд преимуществ перед обычной сваркой.

Преимущества и недостатки

Преимущества лазерной сварки исходят из свойств используемого в сварочных аппаратах лазера. Основные свойства излучаемого лазером луча – это:

Благодаря высокой направленности луча, можно создавать высокую концентрацию энергии на определенном участке поверхности. Монохроматичность луча лазера позволяет создавать и использовать эффективные фокусирующие системы, работающие в узком диапазоне частот излучения лазера. Свойство когерентности луча позволяет усиливать его с помощью резонаторов, работающих в режиме резонанса.

Это позволяет создавать на небольшой площадке плотность энергии около 108 Вт/кв. см. Такая плотность энергии позволяет производить сварку металлов.

К недостаткам лазерной сварки можно отнести:

сложность сварочных аппаратов;
высокую стоимость станков и аппаратов;
малый КПД устройств.

Основные виды аппаратов

В зависимости от вида источника световой энергии аппараты для лазерной сварки делятся на два типа – на твердотельном и газовом лазерах.

В твердотельном лазере в качестве рабочего тела используется стержень из рубина, неодимового стекла или алюмо-иттриевого граната с неодимом (Nd:Yag) или иттербием.

Стержень помещается в световую камеру, а для его возбуждения используется импульсная лампа накачки. В результате работы лазер на твердом теле может генерировать мощность в 1-6 кВт. Энергии твердотельного генератора бывает достаточно лишь для сварки мелких деталей, например, для сварки выводов из золота или тантала, сварки катодов кинескопов.

Сварка аппаратами твердотельными лазерами позволяет обеспечивать точную дозировку энергии, в результате чего можно получить качественную сварку при обработке мелких деталей.

В лазерах с газовой накачкой в качестве излучающего тела используется газ, состоящий из смеси углекислого газа, азота и гелия. При прокачке такого газа в камере с помощью электрического разряда происходит возбуждение атомов газа и генерация энергии. Мощность газовых лазеров может превышать 20 кВт. Лучом такой мощности можно сваривать металл толщиной до 20 мм.

Наиболее мощными являются газодинамические лазеры. В таких приборах используется газ, нагретый до 1000-3000°С. Такой газ, перемещаясь в резонатор и охлаждаясь, испускает кванты световой энергии. Накачка генератора может осуществляться с помощью маломощного лазера или другого источника энергии. В результате лазер такого типа может генерировать луч мощностью в 100 кВт, что позволяет сваривать сталь толщиной до 35 мм с большой скоростью.

Лазерная сварка происходит в атмосферных условиях, что требует защиты получаемого шва от воздействия внешней среды. Для этого чаще всего используется газ аргон.

Кроме того, из-за высокой интенсивности луча происходит испарение металла и образование паров. Такая среда рассеивает и экранирует луч лазера. Для предотвращения появления плазмы для мощных лазерных сварочных аппаратов используется защитный газ, например, гелий. Поэтому чаще всего при сварке лазером подается газ, состоящий пополам из аргона и гелия.

Особенностью сварки лазером большой мощности является то, что луч постепенно проникает в глубину детали, оттесняя расплав к задней стенке. Благодаря этому, получается тонкий шов при глубоком проплавлении.

Высокая концентрация энергии позволяет сваривать детали с большой скоростью и обеспечением высокой прочности шва. При этом сокращается зона термического воздействия на материал, а также уменьшаются его сварочные деформации.

Оборудование для сварки лазером включает:

устройство, генерирующее лазерный луч;
систему фокусировки луча;
средство перемещения аппарата (или заготовки).

Установка для сварки может быть стационарной или мобильной. Стационарная установка устанавливается на производстве, и она неподвижна. Мобильная установка перемещается. На практике мобильная установка также довольно тяжелая и чаще всего для перемещения снабжена колесами.

В зависимости от мощности аппараты могут использоваться :

Для микросварки (глубина проплавления не более 0,1 мм).
Для минисварки (глубина проплавления от 0,1 мм до 1 мм).
Для макросварки (глубина проплавления свыше 1 мм).

Аппараты для сварки

Характеристики некоторых аппаратов и станков лазерной сварки приведены в таблице.

Наименование	Назначение	D, мм	Р, Вт	Рпот, кВт	W, дж	М, кг	Цена, руб.
Wizard.100.00, Италия	Для сварки и пайки	0,2…2	65	—	0,1…100	—	1594000
LaserStar T Plus	Для сварки протезов	0,3…2,3	60	—	60	55	2134000
CSHG300, Германия	Сталь, нержавейка	0,2…2	300	8	—	350	758500
TST-W200XT2	Углеродистая сталь, нержавейка	0,2…3	200	14	—	—	1216000
TST-W500L	Рекламные конструкции, сталь, сплавы	0,2…3	500	12	—	480	1475000
BULAT LRS-100, Россия	Сварка, наплавка, сталь, металлы	0,2…2	100	5	40	150	Цена по запросу
LK-GQHW-800, Китай	Нержавейка, AL, сплавы	0,2…1,8	800	6	180	100	$5000…15000

В таблице обозначены:

D – диаметр пятна луча, мм;
P – мощность излучения лазера, Вт;
Pпот – мощность, потребляемая установкой, кВт ;
W – энергия импульса излучения, джоуль;
M – масса устройства, кг.

Большая часть находящихся в продаже аппаратов для лазерной сварки в качестве источника излучения используют твердотельный лазер на алюмо-иттриевом гранате с неодимом (Nd:Yag). Длина волны излучения у такого прибора λ=1,06 мкм.

Примерная стоимость аппаратов лазерной сварки на Яндекс.маркет

Лазер работает в непрерывно-импульсном режиме. При этом в большинстве аппаратов имеется возможность изменять как длительность импульсов, так и частоту их повторения. Таким образом регулируется плотность энергии, поступающей на место сварки.

Первые два прибора относятся к устройствам микросварки и предназначены для сварки мелких изделий. Например, аппарат LaserStar T Plus используется для сварки металлических каркасов зубных протезов. Такие аппараты имеют сравнительно небольшие размеры и вес. Например, аппарат LaserStar T Plus имеет вес в 55 кг и может быть размещен на столе. Поскольку оператору необходимо работать с мелкими деталями, то такие приборы снабжаются микроскопом с 10-16 кратным увеличением.

Следующие 5 станков имеют большие габариты и веса. Они могут сваривать сталь и другие металлы с глубиной от 0,1 до 2,8 мм.

При этом некоторые станки, такие, как CSHG300 или LK-GQHW-800, имеют специальную переносную головку, к которой по волоконному кабелю подводится излучение. Благодаря этому, оператор имеет возможность осуществлять сварку в труднодоступных местах.

В таблице приведены данные по станку для лазерной сварки LRS, выпускаемому российским ОКБ «Булат». Эта организация выпускает целую линейку станков, имеющие разные характеристики и различное назначение. К сожалению, эта компания по каким-то причинам не сообщает цену на свою продукцию.

На сайте приведены данные на большое количество различных китайских аппаратов для лазерной сварки. В таблице приведены характеристики на производимый компанией Shenzhen Radium Kang Machinery Eguipment аппарат для лазерной сварки типа LK-GQHW-800. Сравнительный анализ говорит о некотором завышении характеристик данного аппарата, использующего стандартный лазер на YAG:Nd, что объяснимо конкурентной борьбой. Для этого аппарата приведены ориентировочные границы цены. Для получения информации о конкретной цене на устройство необходимо обратиться в компанию.

Общая характеристика и особенности лазерной сварки для различных металлов, типы лазеров и специфика их применения

Лазерная сварка – сварка плавлением, при которой энергетическим источником является лазер. Главной особенностью является высокая концентрация энергии. Такой тип сварки используется для соединения одинаковых и разнородных металлов.

Лазерное излучение фокусируется при помощи направляющих зеркал. Преобразованный уменьшенный пучок энергии нагревает и плавит свариваемые детали.

Выделяют следующие типы лазерной сварки:

микросварка – плавит детали не толще 100 мкм;
минисварка – применяется на глубине от 0,1 до 1 мм;
макросварка – работает с толщиной свыше 1 мм.

Закреплённые стандарты

В 2019 году действуют следующие государственные стандарты, предъявляющие требования к лазерной сварке:

ГОСТ ISO 15609-4-2017 – содержит технические требования к аттестации процедур сварки металлических материалов. Часть 4 данного документа посвящена лазерной сварке;
ГОСТ 28915-91 – описывает основные типы лазерной импульсной сварки, конструктивные элементы и размеры.

Основные сферы применения

Лазерная сварка имеет широкое применение:

Ремонт ювелирных изделий. Благодаря высокой точности возможен ремонт ювелирных изделий из золота и серебра. Из-за того, что предмет нагревается не полностью, а лишь отдельные его участки, удаётся избежать деформации мягких металлов. В результате ремонта остаётся чистый шов, не загрязнённый частицами припоя. Его можно легко сгладить с помощью шлифовки.
Соединение алюминия. Лазерная сварка упрощает процесс сварки алюминия, так как нет необходимости создавать вакуум. Необходима только тщательная зачистка места сварки от оксидной плёнки и остатков лакокрасочных покрытий.
Сварка стали. Использование лазера при сварке стали позволяет получить аккуратный шов, высокую прочность соединений и минимизировать коррозию свариваемых участков.

Плюсы и минусы технологии

Распространение лазерная сварка получила, благодаря следующим положительным качествам:

высокая прочность соединения;
отсутствие необходимости в дополнительной механической обработке;
скорость выполнения работы;
минимальная зона нагревания;
возможность высокоточного фигурного соединения.

Несмотря на все положительные стороны, лазерная сварка является узконаправленной в силу следующих причин:

высокая стоимость оборудования;
сложность в подборе специалистов;
наличие вибрации при работе аппаратом;
невысокий КПД оборудования.

Особенности технологического процесса

Лазерная сварка действует по следующему принципу: лазерное излучение проходит через фокусирующую систему, сконцентрированный пучок энергии направляется на свариваемые детали, где частично отражается. Значительная часть энергии проникает вглубь материала, тем самым нагревает и расплавляет его. Такой метод сварки позволяет проводить работу в любом положении и под любым углом.

Лазерный луч необходимо корректировать в зависимости от толщины материала. Чем толще материал, тем большую фокусировку нужно использовать.

Оборудование, используемое при сварке лазером

Комплект оборудования для лазерной сварки включает в себя: лазер, газовую защиту, системы фокусировки и перемещения луча. Так как существуют разные типы установок, то для каждой из них есть свои особые элементы.

В газовых лазерах активным элементом является смесь газов. Предельная мощность такого вида установок может достигать 20 кВт. Это позволяет работать с материалами толщиной до 2 см. Одними из самых мощных являются газодинамические лазеры. Скорость работы при их использовании достигает 60 м/ч.

Мощность твердотельных лазерных установок – 1-6 кВт. Активными компонентам в них являются рубин или стекло с присадкой ионов. С помощью таких установок соединяются самые маленькие и тонкие детали.

Типы установок для лазерной сварки металла:

Твердотельные лазерные установки содержат в себе стержень из активного элемента рубина с нанесённым на его концах серебром. При нагревании стержня находящиеся в нём ионы хрома начинают своё движение. Проходя через прозрачные и полупрозрачные зеркала, они движутся по спирали вокруг рубинового стержня. Высвобождаемая энергия проходит через полупрозрачное стекло и с помощью линзы собирается в одной точке сварочного аппарата. Главная особенность – работает исключительно в беспрерывном режиме.
Газовые лазерные установки стандартно представлены в виде герметичной круглой трубки с газообразной функциональной средой и установленным оптическим резонатором. Для активации лазерного луча применяются следующие газы: углекислый газ, азот и гелий.

Газовые лазеры эффективнее твердотельных, так как имеют большую мощность и повышенный КПД. Большим плюсом является то, что они могут применяться и в импульсном, и непрерывном режиме.

Лазерные установки могут проводить сварку двумя способами:

импульсным – производится накопление значительного объёма энергии, а затем в короткое время обрабатывается место сварки;
непрерывным – применяется в процессе создания сплошных швов независимо от глубины сварки.

Особенности лазерной сварки различных металлов

При сваривании стали предварительно необходимо провести механическую очистку деталей. Нужно избавиться от коррозии и окалины для предотвращения появления оксидных соединений. Зачистку можно проводить с помощью обычных нержавеющих щёток, захватывая 10-15 см от будущего места сварки. Место сваривания стальных деталей необходимо обезжирить.

Алюминий

При сварке алюминия возникает возможность окисления поверхности и испарения летучих элементов. Металл необходимо механически обработать, произвести травление и перед сваркой зачистить шабером.

Титан

Во избежание трудностей при сварке титана нужно осуществить зачистку, при этом можно применить пескоструйную обработку. Позже химически затравить, промыть и обработать гелием.

Специфика ручной лазерной сварки

Уже не существует преград для покупки лазерного станка для работы в домашних условиях. С его помощью можно решить некоторые хозяйственные проблемы:

Необходимо помнить о технике безопасности при работе вручную: во избежание попадания лазерного луча в глаза и на кожу необходимо, чтобы аппарат был оснащён крышками безопасности.

При ручной работе достигается высокая скорость сварки, а сварочный шов более высокого качества.

Лазерная сварка металла

Лазерная сварка металла — один из самых новых методов создания неразъемных соединений. Он отличается исключительной точностью, производительностью и высоким качеством сварного шва. Нагрев и плавление металла в рабочей зоне проводится лазерным лучом. Метод позволяет сваривать разнородные материалы. Несмотря на высокую стоимость и сложность оборудования, популярность этого метода постоянно растет. Для домашних мастерских становятся доступны аппараты бытового уровня.

Технология лазерной сварки

Световой поток, генерируемый лазером, отличается монохромностью. Все волны потока, в отличие от солнечного спектра, имеют равные длины волн. Это облегчает управление потоком с помощью фокусировки линзами и отклонения призмами. В лазере возникает явление волнового резонанса, что многократно увеличивает мощность пуска.

Принцип действия лазерной сварки базируется на поглощении энергии пучка лазера металлом в рабочей зоне. При этом происходит сильный локальный нагрев.

Технология сварки лазером напоминает технологию газовой сварки. Подготовительные операции заключаются в механической обработке и химическом обезжиривании зоны соединения. Далее луч лазера направляется в начало шва, происходит нагрев металла, его плавление и образование сварочной ванны. Луч перемещается вдоль линии шва, за ним движется сварочная ванна и зона кристаллизации.

Схема лазерной сварки

После кристаллизации шов проводится зачистка шва от окалины и шлаков.

Лазерная сварка позволяет получить однородный, прочный и долговечный шов.

Условия и методы проведения процесса

Для достижения высокой мощности луча необходима его фокусировка. Она проводится в ходе серии последовательных отражений от переднего и заднего полусферических зеркал. Когда интенсивность пучка превышает пороговое значение, он проходит через центр переднего зеркала и далее, через систему направляющих призм, к рабочей зоне.

Лазерная сварка металлов может проводиться при различном взаиморасположении соединяемых заготовок. Глубину проплавления металла в рабочей зоне можно регулировать в широком диапазоне — от поверхностного до сквозного. Работу также можно вести непрерывным лучом или прерывистыми импульсами.

Способ позволяет сваривать как детали из тонкого листового проката, так и сложные профили и детали большой толщины.

Различают следующие виды процесса:

В стык. Проводится без присадочных материалов и флюсовых порошков в защитной газовой атмосфере.
Внахлест. Свариваемые кромки накладываются одна на другую. Требуется обеспечить прижим заготовок друг к другу.

Лазерная сварка в стык

Компактные аппараты бытового класса позволяют проводить лазерную сварку своими руками.

Аппараты лазерной сварки металлов

Для проведения точечной или сплошной лазерной сварки необходимо:

лазер с источником питания ;
блок оптической фокусировки;
механизм перемещения луча в рабочей зоне;
приспособления для подачи инертных газов для защиты рабочей области.

По конструкции активного излучателя все аппараты лазерной сварки разделяют на два типа:

Аппарат для лазерной сварки ЛТА4-1 Аппарат для лазерной сварки ЛТСК435-20

Оба типа могут работать как в импульсном, так и в непрерывном режиме.

Лазеры с твердым активным элементом

Такие установки могут излучать световой поток как непрерывно, так и дискретными импульсами. Активный излучатель делают из розового искусственного рубина, смешивая оксид алюминия и ионы хрома. Торцы стрежня полируют, создавая на них зеркальные поверхности, отражающие свет. Ионы хрома, облучаемые излучением лампы накачки, переизлучает свет на частоте работы лазера.

Функционирование их проходит следующим способом:

Стержнеобразный активный элемент помещен вместе с лампой накачки внутри рабочего корпуса.
Энергия периодических вспышек лампы накапливается в активном элементе, фокусируясь и отражаясь от торцевых зеркал.
По достижении порогового значения интенсивности светового пучка он проходит излучение рабочего импульса.

Лазер с твердым активным элементом

Аппараты с твердым активным телом работают на волне длиной 0,69 микрон. Мощность их достигает нескольких сотен ватт.

Аппараты с элементами на основе газовой среды

Установки с газообразным активным телом потребляют более высокое напряжение, и позволяет развивать большую мощность — до десятков киловатт. Лампа накачки облучает в таких приборах не твердотельный стержень, а газовую смесь в колбе. Для смеси используют углекислый газ, азот и гелий. Она находится под давлением в несколько атмосфер. Два (или более) электрода периодически инициируют электрический разряд в газовой смеси. Импульс так же усиливается многократным отражением от торцевых зеркал. Когда интенсивность достигает порогового значения, когерентный импульс проходит через полупроницаемое зеркало и сквозь оптическую систему направляется в рабочую зону.

Схема аппарата с элементом на основе газовой среды

Газовые установки работают с длинами волны около 10 микрон. Практический коэффициент полезного действия доходит до 15%

Особенности работы с тонкостенным металлом

При сваривании заготовок средней и большой толщины необходимо проплавление материала на всю толщину. Для этого используют излучение высокой интенсивности. Особенностью сварки лазером тонкостенных металлов является высокий риск прожигания листа. Чтобы избежать этого, необходимо строго контролировать следующие характеристики:

мощность излучения;
скорость движения луча;
фокусировка рабочего пятна.

Сваривание тонкостенных заготовок проводят на минимальной мощности. При непрерывном режиме повышают скорость движения рабочего пятна. В импульсном режиме сокращают длительность импульса и повышают их скважность.

Лазерная сварка тонкостенных металлов

Если же на минимальной мощности плотность потока все равно слишком высока — используют преднамеренную расфокусировку луча. Это снижает КПД, но исключает прожигание листа и разбрызгивание металла.

Различия в технологии для разных металлов

Существуют отличия в технологическом процессе для различных металлов и их сплавов.

При сваривании заготовок из стали требуется провести механическую зачистку от ржавчины и других загрязнений. Детали должны быть тщательно обезжирены и высушены. Присутствие в зоне шва влаги может привести к повышенной гидратации материала шва и снижению его прочности и долговечности.

Аналогичная механическая подготовка и обезжиривание требуется для большинства цветных металлов и сплавов.

Нержавеющие сплавы сваривать допускается только встык. Нахлест может привести к возникновению тепловых напряжений в материале.

Благодаря высокой скорости ведения луча в рабочей области не успевают образоваться окислы. Это позволяет сваривать нержавеющие и титановые сплавы без применения флюсовых порошков и атмосферы защитных газов. Эта уникальная способность делает лазерный метод незаменимым при сваривании особо ответственных конструкций атомной, аэрокосмической и оборонной индустрии.

Ручная сварка

Технический прогресс последних лет позволил создать компактный аппарат для ручной лазерной сварки. На рынке представлено множество моделей с различными параметрами и функциональностью.

Они позволяют провести:

починку малогабаритных и миниатюрных конструкций;
точечную сварку;
наплавочные операции;
ремонт небольших пресс-форм;
пайку электронных компонентов;
дезинфекцию медицинских изделий.

Стоимость таких аппаратов все еще значительная. Окупится он при условии большого объема работ.

Применение сварки лазером

Метод применяется для соединения особо ответственных конструкций либо в том случае, когда другими методами соединить заготовки не удается. Наиболее распространен метод в таких областях, как:

Устройства высокой точности.
Изделия из легких цветных металлов.
Соединение чугунных заготовок.
Сваривание пластика.

Весьма важная область применения лазерной сварки — оборонная промышленность.

Плюсы и минусы лазерной сварки

Основные достоинства метода следующие:

ограниченная зона нагрева снижает риск коробления материала;
при использовании гибких световодов возможна работа в узкостях и труднодоступных местах;
сварочный аппарат без дополнительных модификаций применим для резки конструкций и раскроя листового металла;
исключительное качество и долговечность швов;
высокая производительность;
отсутствие расходных материалов.

Минусы, как и у любой действующей технологии, также присутствуют:

высокая стоимость аппарата;
малый коэффициент полезного действия;
высокие требования к образованию и опыту работника.

В конечном счете, сопоставляя преимущества и недостатки сварки лазером, все больше предприятий и даже небольших мастерских принимают решение о переходе на новую технологию.

Используемое оборудование

Несмотря на различные габариты и мощность, оборудование для лазерной сварки относится к одному из основных типов: с твердым или с газообразным рабочим телом. Они различаются лишь методом возбуждения светового излучения. С металлом оба типа станков лазерной сварки работают одинаково.

Твердотельные установки

Такие приборы чаще используются в режиме непрерывного излучения. Они характеризуются более высокими рабочими частотами и ограниченным КПД и мощностью. Твердотельные агрегаты чаще используют для сваривания малогабаритных и тонкостенных изделий.

Импульсный твердотельный лазер

Газовые аппараты

Если требуется соединять заготовки большой толщины, применяют устройства с газообразным рабочим телом. Излучение возбуждается в газовой среде электрическим разрядом. Такие аппараты сваривают детали до 20 миллиметров. Такой способ позволяет достичь высоких мощностей в луче и более высоких значений КПД. Однако устройство прибора более сложное, в нем используется хрупкая стеклянная колба.

Гибридные установки

Для сложных конфигураций свариваемых деталей и листов большой толщины были разработаны гибридные сварочные установки. Рядом с лазерной головкой в них располагается горелка электродугового полуавтомата.

Гибридный лазерно-дуговой процесс сварки в среде защитного газа

Проволока используется в качестве присадочного материала и заполняет сварочный зазор, участвуя в формировании шовного материала.

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.

Плюсы и минусы сварки лазером

Виды и способы сварки

Лазерная сварка – один из способов соединения металлических заготовок, подразумевающий расплавление рабочей зоны путем нагрева энергией излучения. Такие работы относятся к термическому классу технологий совместно с электродуговой, плазменной и электронно-лучевой разновидностями.

Физические свойства процесса

От остальных способов лазерный метод отличается повышенной плотностью энергии в месте нагрева – 1 МВт на см². Это помогает ускорить процесс образования сварного соединения, уменьшить длительность теплового воздействия на прилегающие к шву участки. При лазерной сварке металла редко возникают деформации, посторонние включения или трещины.

Размер области воздействия сварочной установки лежит в диапазоне 0,2-13 мм. Глубина проплавления зависит от мощности лазерного излучения и расположения фокальной плоскости потока. Расплавленный металл движется вместе с лучом, формируя сварное соединение.

Оно получается глубоким и узким, поэтому сильно отличается от швов, образующихся при использовании других технологий.

Как работает сварка лазером

В лазерном аппарате для генерации излучения применяют 2 вида компонентов: газовые и твердотельные. Мощность первых достигает 25 кВт. Их конструкция включает полую трубку, содержащую газовую смесь. Мощность твердотельных генераторов не превышает 6 кВт. Они представляют собой рубиновый или гранатовый стержень, усиленный неодимом.

Принцип работы заключается в генерации светового потока, который через оптический резонатор попадает в систему зеркал. Требуемая для расплавления металла энергия образуется при прохождении луча через фокусирующую линзу. Рабочие параметры сварочной установки задают вручную или автоматически.

При использовании аппарата с ЧПУ (числовым программным управлением) непосредственное участие мастера в процессе не требуется. При ручной лазерной сварке оператор перемещает головку агрегата с помощью пульта.

Классификация режимов сварки и область применения

Используют 2 режима формирования соединений лазером:

Точечный метод. В этом случае агрегат вырабатывает импульсное излучение. Такой способ сварки применяют для соединения тонких металлических заготовок.
Шовная технология. Используется как импульсное, так и сплошное излучение. Сварной шов формируется благодаря перекрытию областей точечного нагрева. Скорость работы определяется частотой импульсов. Метод применяют для получения глубоких соединений на толстых деталях.
Гибридный способ. В таком случае используют присадочную проволоку. Аппарат снабжают подающими механизмами. Расходный материал выводится в сварочную ванну одновременно с движением головки агрегата. Метод применяют для формирования сложных металлоконструкций. Толщину проволоки выбирают в соответствии с шириной соединения.

Основными сферами применения лазерной технологии являются:

Электроника и приборостроение. Лазером соединяют детали разного состава и толщины. Способ помогает варить компоненты, расположенные вблизи кристаллов микросхем или других чувствительных к высоким температурам элементов.
Автомобилестроение. Лазерная сварка применяется для ремонта кузова, алюминиевых деталей.
Военная промышленность, судостроение, атомная энергетика. С помощью рассматриваемой технологии соединяют детали из титана – сложного в сварке металла.

Постепенное снижение стоимости лазерных установок позволяет применять их на строительных площадках и даже в бытовых условиях.

Конструкция и виды применяемого оборудования

Строение агрегата зависит от типа излучателя, входящего в его состав.

Твердотельные аппараты

Конструкция включает элементы из рубина, легированного неодимом стекла. Они активируются световым потоком, испускаемым мощными дуговыми светильниками. Агрегаты функционируют в режиме постоянного излучения. Они отличаются высокой частотой, низкими мощностью и КПД. Твердотельные аппараты применяют для сварки деталей малых размеров.

Газовые сварочные устройства

Такие агрегаты подходят для сварки толстых заготовок из стали и других металлов. Излучение, генерируемое в среде газов, характеризуется высокой мощностью. Установка способна соединять детали толщиной до 2 см. Она имеет достаточно высокий коэффициент полезного действия. Эксплуатация устройства усложняется из-за введения в конструкцию хрупкой стеклянной трубки.

Такие аппараты были созданы для соединения металлических заготовок большой толщины. Вместе с лазерной головкой схема прибора включает электродуговую горелку. Дополнительно установлен подающий механизм, выводящий расходный материал в сварочную ванну.

Ручные модели

Небольшие устройства работают по принципу стандартных агрегатов. Необходимость применения при сборке компактных деталей делает аппараты дорогими. Они используются для создания миниатюрных металлоконструкций, пайки микросхем.

Условия для работы лазером и техника безопасности

Для получения мощного луча требуется фокусировка. Она достигается благодаря нескольким последовательным отражениям. При превышении порогового значения интенсивности поток попадает в центр переднего зеркала, откуда подается в направляющие призмы и выходит в рабочую зону. Лазерная сварка проводится в любых условиях: при разных вариантах расположения деталей и глубины проплавления. Соединение формируют точечно или непрерывно.

Сварочный процесс имеет некоторые особенности, которые могут привести к травмированию мастера при несоблюдении техники безопасности:

На пути луча не должно быть посторонних предметов. Если в рабочую область попадает рука сварщика, человек получает глубокий ожог.
Перед началом сварки нужно проверять целостность и исправность основных элементов установки. В противном случае качество шва снижается, мастер рискует получить травму.
На рабочем месте не должны находиться легковоспламеняющиеся предметы.

Общая технология

Процесс сварки мало чем отличается от такового при использовании электродугового метода. Общий алгоритм действий включает следующие этапы:

Предварительная зачистка и обработка поверхностей обезжиривающим составом.
Сопоставление краев соединяемых деталей.
Нагрев металла путем направления лазерного луча в начальную точку шва.
Формирование сварочной ванны.
Перемещение головки аппарата вдоль линии соединения.
Охлаждение и заключительная обработка шва (рабочую область очищают от шлака и наплавов).

Нюансы для разных материалов

Технологии сварки некоторых металлов имеют особенности.

Стальные листы

Перед соединением заготовок из этого материала поверхности очищают от коррозии и окалины. После этого детали тщательно просушивают. Расстояние между краями листов должно быть минимальным – не более 7% ширины сварочной ванны. Лучший вариант – использование стыкового способа сварки. При применении замковых и нахлесточных методов повышается вероятность деформации шва. Сварка ведется в среде аргона, смешанного с углекислым газом в соотношении 3:1.

Алюминий и магний

Формирование сварного соединения осложняется высокой активностью металлов. Края деталей быстро покрываются оксидным налетом, имеющим высокую температуру плавления. Использование концентрированного лазерного луча устраняет эту проблему. Подготовку выполняют, как при электродуговой сварке.

Поверхности очищают от налета, протравливают, промывают водой. Сварка ведется в среде инертного газа.

Сплавы из титана

Металл и содержащие его материалы при нагреве становятся чрезмерно активными. Сварочный шов нередко покрывается холодными трещинами. Перед началом сварки кромки обрабатывают механическим способом, протравливают химическими реагентами, повторно очищают. В качестве защитной среды используют чистый гелий. Процесс кристаллизации шва протекает в аргоне.

Стекло

Технология подразумевает применение стандартных газовых смесей. Дополнительно в рабочую зону подают гелий, обладающий плазмоподавляющими свойствами. Газ характеризуется меньшей, чем у аргона, плотностью. Поэтому он не изменяет параметры лазерного луча. Некоторые сварщики используют комбинированные газовые смеси, обладающие защитными и плазмоподавляющими свойствами.

Пластиковые элементы

Температура плавления полимеров низкая, поэтому при работе с такими материалами важна регулировка мощности излучения. В остальном процесс не отличается от сварки стеклянных элементов.

Если материал очень тонкий

Особенностью работы с такими листами является высокая вероятность прожога. Снизить риск появления дефекта помогает контроль следующих параметров сварочной установки:

мощности генерируемого луча;
скорости перемещения головки;
фокусировки рабочей точки.

Соединяя тонкие детали, устанавливают минимальную мощность. При использовании непрерывной технологии сварочную головку перемещают с большей скоростью. В точечном режиме уменьшают длительность импульсов. Если плотность потока не меняется при снижении мощности, применяют принудительную расфокусировку луча. КПД падает, однако риск образования прожога сокращается.

Достоинства и недостатки метода

К положительным качествам рассматриваемой технологии относятся:

возможность соединения разных материалов: от нержавейки до стекла и термопластов;
повышенная точность воздействия луча, стабильность траектории сварочной ванны;
отсутствие нагрева прилегающих к шву участков (это снижает риск деформации соединяемых деталей);
минимальная ширина сварного соединения;
химическая чистота рабочего процесса (объясняется отказом от использования электродов и флюсов);
отсутствие токсичных продуктов горения и опасного излучения;
возможность создания сложных конструкций, работы в труднодоступных местах;
быстрая перенастройка установки при переходе к сварке другого материала;
высокая прочность соединения;
возможность сварки элементов, расположенных за прозрачными материалами.

К отрицательным сторонам лазерной сварки относят:

высокую стоимость аппарата, запасных частей, расходных материалов;
низкий коэффициент полезного действия (у твердотельных агрегатов он составляет 1%, у газовых – до 10%);
зависимость качества сварного шва от отражающих свойств соединяемых металлов;
особые требования к организации рабочих мест (отсутствие пыли, низкая влажность).

Какие дефекты могут оставаться

На производственных площадках ведется контроль лазерной сварки, предотвращающий образование недостатков швов. Однако даже при соблюдении технологии и правильной подготовке деталей могут появляются такие дефекты:

непровары;
пустоты и трещины;
наплавления, кратеры, раковины;
шлаковые включения;
сквозные отверстия.

Вероятность образования недостатков снижается при правильной настройке установки, постоянном контроле процесса.

Читайте также: