Газ для лазерной сварки

Обновлено: 02.07.2024

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:

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.

Для плазменной дуги характерны крайне высокая температура (до 30000 °С) и широкий диапазон регулирования технологических свойств.

Газопламенная обработка металлов — это ряд технологических процессов, связанных с обработкой металлов высокотемпературным газовым пламенем.

Электронно-лучевая сварка использует кинетическую энергию потока электронов, движущихся с высокими скоростями в вакууме.

Сварка трением это разновидность сварки давлением, при которой нагрев осуществляется трением, вызванным перемещением (вращением) одной из соединяемых частей свариваемого изделия.

При сварке токами высокой частоты (ТВЧ) изделие перед сварочным узлом формируется в виде заготовки с V-образной щелью между свариваемыми кромками.

Холодная сварка — способ соединения деталей при комнатной (и даже отрицательной) температуре, без нагрева внешними источниками.

Какой защитный газ следует использовать для лазерной сварки? Боковой удар или коаксиальный удар?

При лазерной сварке защитный газ будет влиять на формирование сварного шва, качество сварного шва, глубину сварного шва, ширину сварного шва и т. Д. В большинстве случаев продувка защитного газа будет оказывать положительное влияние на сварной шов, но неправильное использование может также приносят неблагоприятные последствия.

Положительное влияние защитного газа на лазерную сварку

● Правильная продувка защитного газа будет эффективно защищать сварочную ванну от окисления и даже избегать окисления;

● Правильная продувка защитного газа может эффективно уменьшить брызги, образующиеся в процессе сварки, и защитить фокусирующее зеркало;

● Правильная продувка защитного газа может способствовать равномерному распределению сварочной ванны во время затвердевания, так что сварной шов будет равномерным и красивым;

● Правильная продувка защитного газа может эффективно уменьшить пары металлов или эффект экранирования плазменного облака на лазере, так что энергия лазера достигает поверхности заготовки, и, таким образом, увеличить эффективный коэффициент использования лазера;

● Правильная продувка защитного газа может эффективно снизить пористость сварного шва.

Если тип газа, скорость потока газа и способ продувки выбраны правильно, можно получить идеальный эффект. Однако неправильное использование защитного газа также может отрицательно сказаться на сварке.

Неблагоприятные последствия неправильного использования защитного газа при лазерной сварке

● Неправильная продувка защитного газа может привести к ухудшению сварного шва;

● Выбор неправильного типа газа может вызвать трещины в сварном шве, а также может привести к снижению механических свойств сварного шва;

● Выбор неправильного типа газа может привести к тому, что сварной шов будет более окисленным (независимо от того, является ли поток слишком большим или слишком маленьким), или это может вызвать серьезное нарушение металла сварочной ванны под действием внешней силы, что приведет к разрушению сварного шва. или формируется неравномерно;

● Выбор неправильного метода продувки газом приведет к тому, что сварной шов не достигнет защитного эффекта или отрицательно повлияет на формирование сварного шва;

● Инсуффляция защитного газа будет иметь определенное влияние на проницаемость сварного шва, особенно, когда тонкая пластина сваривается, проникновение сварного шва будет уменьшено.

Типы защитного газа

Обычно используемым лазерным сварочным защитным газом является в основном N2 (азот), Ar (аргон), He (гелий), и их физико-химические свойства различны, поэтому влияние на сварной шов различно.

●Азот N2 --- можно использовать для сварки защитных газов из нержавеющей стали

Энергия ионизации N2 умеренная, выше, чем у Ar, ниже, чем у He, а степень ионизации под действием лазера является общей, что может лучше уменьшить образование плазменного облака, тем самым увеличивая эффективное использование лазера. Азот может реагировать с алюминиевым сплавом и углеродистой сталью при определенной температуре с образованием нитридов, что улучшит хрупкость сварных швов и уменьшит ударную вязкость, а также окажет большое отрицательное влияние на механические свойства сварного соединения. Поэтому не рекомендуется использовать азот для защиты сварного шва из алюминиевого сплава и углеродистой стали.

Нитрид, полученный в результате химической реакции между азотом и нержавеющей сталью, может улучшить прочность сварного соединения и улучшить механические свойства сварного шва. Поэтому азот можно использовать в качестве защитного газа при сварке нержавеющей стали.

●Аргон Ar --- высокая производительность, самый обычный защитный газ

Энергия ионизации Ar относительно мала, а степень ионизации высока под действием лазера, что не способствует контролю образования плазменного облака и будет иметь определенное влияние на эффективное использование лазера. Однако активность Ar очень низкая, и с обычными металлами трудно реагировать, а стоимость Ar невысока. Кроме того, плотность Ar велика, что способствует погружению над сварочной ванной и может лучше защитить сварочную ванну. Следовательно, Ar можно использовать в качестве обычного защитного газа.

●Гелий Он --- лучший, но и самый дорогой защитный газ

Он обладает самой высокой энергией ионизации и низкой ионизацией под действием лазера. Он может очень хорошо контролировать образование плазменного облака, и лазер может хорошо работать на металле. Более того, активность He очень низкая, и он не вступает в химическую реакцию с металлами, поэтому является хорошим защитным газом при сварке. Однако стоимость He слишком высока, чтобы подходить для массового производства продуктов. Он обычно используется для научных исследований или продуктов с очень высокой добавленной стоимостью.

Метод продувки защитным газом

Существует два основных способа продувки защитного газа: один из них представляет собой параллельную сторону продувки защитного газа, как показано ниже:

Другой - это коаксиальный защитный газ, как показано ниже:

Выбор двух методов обдува представляет собой комплексное рассмотрение различных аспектов. Рекомендуется использовать боковой продувочный защитный газ.

Принцип выбора метода продувки защитным газом заключается в следующем: прямолинейный сварной шов хорош с боковым валом, а плоский замкнутый рисунок является коаксиальным.

Прежде всего, должно быть ясно, что так называемый сварной шов «окислен» - это только общее название, теоретически означает, что материал, который должен реагировать с кислородом, азотом, гелием при высоких температурах.

Предотвращение «окисления» сварного шва заключается в уменьшении или предотвращении контакта таких вредных компонентов с металлом сварного шва при высоких температурах. Эти высокотемпературные условия представляют собой не только расплавленный металл ванны, но и весь период от того момента, когда металл сварного шва расплавляется, до расплавленного металла ванны, и его температура падает ниже определенной температуры.

Например, титановый сплав может быстро поглощать водород, когда температура выше 300 ℃, кислород может быстро поглощаться, когда он выше 450 ℃, и азот может быстро поглощаться, когда он выше 600 ℃. Следовательно, сварной шов из титанового сплава после затвердевания подвергается эффективной защите, а температура снижается до уровня ниже 300 ℃, в противном случае он будет «окислен».

Из вышеприведенного описания нетрудно понять, что продувка защитного газа не только должна защищать сварочную ванну в нужное время, но также защищает вновь затвердевшую область, которая была сварена. Следовательно, в качестве защитного газа для выдувания с параллельной стороны обычно используют, потому что защитный газ для выдувания с параллельной стороны имеет более широкий диапазон защиты, чем режим коаксиальной защиты, особенно для области, где сварной шов только что затвердел.

Для технических применений не все продукты могут использовать защитный газ с боковой продувкой. Для некоторых конкретных продуктов может использоваться только коаксиальный защитный газ. В частности, он должен быть выбран из структуры продукта и формы соединения.

Выбор конкретного метода продувки защитного газа

● Прямая сварка

Как показано на рисунке, форма сварного шва изделия является линейной, а форма соединения представляет собой стыковое соединение, кольцевое соединение, охватывающее угловое соединение или сварное соединение. Этот тип продукта предпочтительно обеспечивается боковой продувкой защитным газом.

●Плоский закрытый графический шов

Как показано на чертеже, форма сварного шва изделия представляет собой замкнутый рисунок, такой как плоская круговая форма, плоская многоугольная форма и плоская многосегментная линия. Форма соединения представляет собой стыковое соединение, кольцевое соединение, пакетное сварное соединение и т. Д. Этот тип продукта должен использовать метод коаксиального защитного газа.

Выбор защитного газа влияет на качество, эффективность и стоимость сварочного производства. Однако из-за разнообразия сварочных материалов выбор сварочного газа также затруднен в процессе сварки. Необходимо всесторонне рассмотреть сварочный материал, метод сварки, положение сварки и требуемые результаты сварки. Сварочный тест можно использовать для выбора более подходящего сварочного газа для улучшения результатов сварки.

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:

Газ для лазерной сварки

Ручная технология лазерной сварки в основном использует лазерный луч в качестве источника энергии для воздействия на сварочное соединение для достижения цели сварки.

Это новый метод сварки с хорошими сварочными характеристиками и небольшой деформацией, который широко используется при обработке и сварке различных металлов.

Ручной лазерный сварочный аппарат имеет преимущества простой работы, красивого шва, быстрой скорости сварки и отсутствия расходных материалов.

Сварка тонкого листа нержавеющей стали, стального листа, оцинкованного листа и других металлических материалов может прекрасно заменить традиционную аргонодуговую сварку, электросварку и другие процессы.

Ручной сварочный аппарат лазера можно широко использовать при производстве шкафов, кухонь, лестниц, лифтов, полках, печей, дверей и дверных коробок, окон, шитков распределения и других индустриях с сложным нерегулярным процессом сварки. Скорость ручной лазерной сварки быстрая, в 2-10 раз быстрее, чем традиционная сварка, машина может сэкономить не менее 2 сварщиков в год.

Сварочный шов после сварки гладкий и красивый, что сокращает последующий процесс шлифования, зачитски, сатинирования и экономит время и затраты. Заготовка для лазерной сварки не имеет деформации, сварочного щлама и прокалки шва. Расходные материалы для лазерной сварки меньше, и с большим сроком службы. Графика сварки включает в себя: точку, линию, круг, квадрат или любую плоскую графику, нарисованную программным обеспечением AutoCAD.

Аппарат прост в эксплуатации и может использоваться обычными сотрудниками без высоких затрат на обучение.

Аппарат преимущества высокой эффективности, большого размера сварки, быстрой скорости сварки, деликатного и красивого шва, а также уменьшает последующий процесс шлифования.

Аппарат можно широко использовать для сваривания листов и плит из нержавеющей стали, черной стали, гальванизированной стали, алюминиевых листов и других металлов.

Сварочное пятно невелико, зона теплового воздействия мала, сварочный верстак не нужен, а площадь пола для размещения не значительна.

Портативное лазерное сварочное оборудование может проводить сварочные операции до тех пор, пока оно оснащено портативным лазерным сварочным соединением, а стоимость замены аксессуаров весьма низкая.

Ручная технология лазерной сварки имеет преимущества простой эксплуатации, красивого сварного шва, быстрой скорости сварки и отсутствия расходных материалов.

Кроме того, сварка тонких листов из нержавеющей стали, стальных л, оцинкованных пластин и других металлов может прекрасно заменить традиционную аргонодуговую сварку, электросварку и другие процессы.

Принципиально говоря, портативная конструкция лазерного сварочного аппарата играет очень важную роль в применении производственной практики!

Для участка цеха, который занимается мелкомасштабной обработкой или не крупномасштабной сваркой, портативная лазерная сварочная система является лучшим выбором

Ключевым моментом является то, что сварочные изделия небольших мастерских разнообразны, а форма изделий гибка. Ручная лазерная сварка может полностью удовлетворить этот спрос.

Ручной лазерный сварочный аппарат использует ручной сварочный пистолет (держак, держатель, горелку) вместо ранее фиксированного светового пути, который опрокидывает предыдущий рабочий режим лазерного сварочного аппарата.

Этот режим работы удобен не только для сварки пресс-форм, рекламных слов, кухонной посуды и других изделий, но и для наружной лазерной сварки.

Лазерная сварка незаменима на толщинах сварки менее 1 мм, там где важна герметичность шва, высокая плотность шва без пор и рытвин, там где необходим удерживать минимальный (локальный) прогрев зоны свароченого шва, к примеру по 1,5 мм влево и вправо от шва.

По сравнению с традиционным методом сварки, каковы преимущества портативного лазерного сварочного аппарата?

Быстрый и эффективный, широкий диапазон обработки: концентрация энергии лазерного сварочного аппарата, высокая эффективность и высокая скорость сварки, гладкий и красивый сварной шов, сокращение последующего процесса зачитски и шлифования.

Широкий спектр свариваемых материалов: для сваривания листов и плит из нержавеющей стали, черной стали, гальванизированной стали, алюминиевых листов и других металлов.

Прорыв в ограниченных пространствах участка и сохранения окружающей среды: небольшое паяное соединение, небольшая зона теплового воздействия: нет необходимости устанавливать сварочный верстак, небольшое занятие пространства, гибкая обработка, быстрая скорость сварки, подвижная для работы на большие расстояния, не ограниченная экологическим пространством.

Низкие эксплуатационные расходы: до тех пор, пока портативное лазерное сварочное оборудование оснащено портативным лазерным сварочным соединением, сварочная операция может быть завершена, а стоимость замены аксессуаров низка.

Высокозатратное представление: ручной ручной сварочный аппарат лазера может не только производить ручную сварочную операцию лазера, но также включиться в деятельность ремонта наплавки металла в прессформах высокоточно через более позднюю платформу раскрытия.

Это предпочтительное дорогостоящее сварочное производственное оборудование для более мелких производителей.

Различные способы лазерной сварки и их преимущества

Лазерная сварка имеет много преимуществ, таких как высокая глубина и узкая ширина шва, при этом сварной шов яркий и красивый.

Кроме того, благодаря высокой плотности лазерного луча, быстрому плавлению и низкому подводу тепла к заготовке, скорость сварки высокая, тепловая деформация и зона термического влияния малы.

Кроме того, благодаря высокой точности лазерной сварки, расплавленный бассейн постоянно перемешивается, а газ легко выходит наружу, в результате чего образуется непористый проникающий сварной шов обладающий высокой прочностью, вязкостью и комплексными свойствами.

При лазерной сварке происходит поглощение компонентов неметаллического материала, за счет чего производится эффект очистки, уменьшается содержание примесей, изменяется размер включений и их распределение в расплавленной ванне, не используются электроды или присадочные проволоки, а зона нагрева меньше повреждается, так что прочность и вязкость сварного шва по меньшей мере эквивалентны или даже выше, чем у исходного металла.

Современные лазерные сварочные аппараты просты в эксплуатации. Благодаря небольшому фокусному пятну, сварной шов может быть расположен с высокой точностью, а луч легко передавать и управлять им.

Она не требует частой смены сварочной горелки и сопла, что значительно сокращает вспомогательное время отключения, обеспечивает высокую эффективность производства, не обладает легкой инерцией, а также может останавливаться и перезапускаться на высокой скорости.

И это бесконтактная сварочная работа в атмосферной среде. Поскольку энергия поступает от лазера, заготовка не имеет физического контакта, поэтому к заготовке не прикладывается сила. Кроме того, магнитное поле не оказывает никакого влияния на лазерную сварку.

Кроме того, благодаря низкой средней теплопроводности и высокой точности обработки стоимость обработки может быть снижена.

Кроме того, эксплуатационные расходы на лазерную сварку низкие, что позволяет снизить стоимость заготовки. Аналогичным образом, легко реализовать автоматизацию и можно эффективно управлять интенсивностью луча и точным позиционированием.

Различные способы лазерной сварки

В соответствии с рабочим режимом лазерной сварки, ее можно разделить на:

Гальванометрическая сварка

Гальванометрическая сварка использует функцию быстрого сканирования гальванометра для предварительной настройки пути сварки, манипуляции лазерной энергией и других параметров на компьютере. Она имеет более высокую скорость сварки, высокую точность и хороший режим луча. Она относится к типу тонкой сварки.

Сварка внахлест/сварка сращиванием

Это метод сварки, который соединяет две пластины. Толщина и материалы пластин могут быть одинаковыми или разными. Данный метод широко используется в производстве автомобилей, корпусов контейнеров, металлических рам и картотечных шкафов.

Точечная лазерная сварка

При этом методе используется высокоэнергетический лазерный импульс, генерируемый лазером, для мгновенного нагрева металла с образованием короткой расплавленной ванны. Расплавленный слой застывает перед следующим импульсом. Она имеет преимущества более высокой скорости, высокой эффективности, малой деформации и малой зоны термического влияния. Она часто используется для изготовления ювелирных изделий, сварки рекламных стендов и т.д.

Проникающая сварка

Существует два способа проникающей сварки.

Первый - через теплопроводность. Тепло передается на нижнюю контактную поверхность через верхние материалы, чтобы сварить два материала вместе. Второй метод заключается в том, что лазер нагревает нижний материал через верхний прозрачный материал (например, пластик), чтобы сварить верхний и нижний материалы вместе.

Сварка с колебаниями

В процессе сварки лазерный луч качается вдоль траектории сварного шва, чтобы улучшить требования к допуску сварного шва и уменьшить влияние пор при сварке.

При лазерной сварке тонкая манипуляция мощностью лазера очень важна для качества сварного соединения, особенно в начале и конце шва. На разных стадиях плавления поглощательная способность и отражательная способность металла для лазера совершенно разные. Результаты экспериментов показывают, что хорошее качество сварки может быть получено при использовании сегментированного управления мощностью в начале и конце сварки.

Если вам понравилась статья, то ставьте лайк, делитесь ею со своими друзьями и оставляйте комментарии!

Читайте также: