Импульсная лазерная сварка сталей

Обновлено: 01.05.2024

Лазерная сварка — это один из видов сварки плавлением с нагревом рабочей зоны энергией лазерного излучения. Она относится к термическому классу сварочных технологий и входит в одну группу с плазменной, дуговой и электронно-лучевой сварками.

Технология

Физические характеристики

Лазерная сварка металлов отличается от других видов сварочных технологий высокой плотностью энергии в пятне нагрева — до 1 МВт на кв.см. Это обеспечивает высокую скорость разогрева и охлаждения зоны сварного шва, что значительно уменьшает тепловое воздействие на околошовную зону. Поэтому сварочный процесс не вызывает структурных изменений материала, приводящих к разупрочнению, деформации и образованию трещин.

Размер пятна фокусировки промышленной установки может изменяться в пределах от 0,2 до 13 мм. Глубина проплавления материала прямо пропорциональна энергии излучения лазера, но также зависит от расположения фокальной плоскости луча. Во время сварочной операции зона расплавленного материала перемешается по заданной траектории вместе лазерным лучом, создавая по линии движения сварной шов. Он получается узким и глубоким, поэтому по своей форме принципиально отличается от сварных швов других сварочных технологий.

Виды и режимы лазерной сварки

Технология лазерной сварки включает два вида сварочного соединения: точечное и шовное. При этом промышленные установки могут генерировать два типа лазерного излучения: непрерывное и импульсное. При точечном соединении обычно применяют только импульсное излучение, а при шовном — как непрерывное, так и импульсное. Во втором случае сварной шов образуется путем перекрытия зон импульсного нагрева, поэтому скорость сварки зависит от частоты импульсов. Точечную сварку обычно применяют для соединения тонких металлических деталей, а шовную – для формирования глубоких сварных швов.

Гибридная лазерная сварка относится к сварочным технологиям, при проведении которых применяют присадочные материалы. В этом случае сварочное оборудование дополняется механизмами подачи проволоки, ленты или порошка. Присадочные материалы подаются в зону плавления синхронно с движением сварочной головки, а их толщина соответствует ширине сварного шва и диаметру пятна.

Технологические особенности

Скорость перемещения и энергетические режимы сварочного процесса зависят от ширины сварного шва, а также от вида и толщины свариваемых материалов. Например, стальные листы толщиной 20 мм свариваются газовым лазером со скоростью несколько сот метров в час. Этот показатель на порядок выше предельных характеристик электродуговой сварки.

Лазерная технология особенно эффективна при работе с легированными сталями, чугуном, титаном, медью, медными сплавами, термопластами, стеклом и керамикой. Высокая плотность энергии в пятне нагрева разрушает поверхностные окисные пленки, препятствуя образованию новых окислов. Это позволяет сваривать лазерным лучом титан, алюминий и нержавеющую сталь, не применяя флюсы или защитной среды инертных газов.

Особенностью сварки лазером тонкостенных металлов является очень высокая плотность энергии в сварочной ванне объемом в доли кубического миллиметра. Поэтому сваривание листовых материалов толщиной 0.05-1.0 мм ведется с расфокусировкой лазерного луча. Такой режим снижает КПД сварочного процесса, но при этом исключает сквозное прожигание заготовки.

Состав и принцип работы сварочного оборудования

Все установки лазерной сварки состоят из следующих функциональных модулей:

технологический лазер;
система транспортировки излучения;
сварочная головка с фокусирующей линзой;
блок фокусировки луча;
механизмы перемещения сварочной головки и заготовки;
система управления перемещениями, фокусировкой и мощностью лазера.

В сварочном оборудовании в качестве генераторов излучения применяют два типа лазеров: твердотельные и газовые. Мощность первых лежит в диапазоне от десятков ватт до 6 кВт, а вторых – от единиц до 25 кВт. В твердотельных установках излучатель — это прозрачный стержень из рубина или алюмо-иттриевого граната, легированного неодимом. А в газовых аппаратах — прозрачная трубка, заполненная углекислым газом или газовыми смесями.

Кроме излучателя в состав любого лазера входит система накачки, оптический резонатор, блок питания и система охлаждения. Генерируемый световой поток попадает через переднее зеркало оптического резонатора на систему зеркал, которая передает его на фокусирующую линзу сварочной головки.

Установки лазерной сварки выпускаются в разных компоновках: от традиционных портальных или консольных станков с рабочими столами и до роботов-манипуляторов с пятью степенями свободы. Управление сварочным оборудованием может выполняться в ручном или автоматическом режиме. Если установка имеет систему ЧПУ, то выполнение сварочного процесса осуществляется в автоматическом режиме по заданной программе. В случае ручной лазерной сварки оператор с выносного пульта задает перемещения, скорости и параметры сварочного процесса.

Применение лазерной сварки

Основная область применения лазерной сварки — это передовые производства с инновационными технологиями. Наиболее широко ее применяют в микроэлектронике, приборостроении, авиакосмической отрасли, атомной энергетике и автомобильной промышленности.

В приборостроении и микроэлектронике с помощью лазера соединяют разнородные и разнотолщинные материалы диаметром от микронов до десятых долей миллиметра. Кроме того, лазерная технология позволяет сваривать элементы, расположенные на близком расстоянии от кристаллов микросхем, а также других чувствительных к нагреву элементов.

Применение лазера в автомобильной промышленности не ограничивается точеной сваркой кузовных элементов из тонколистовой стали. Для снижения веса в современных автомобилях все чаще применяют детали из алюминиевых и магниевых сплавов. Характерная особенность этих материалов — наличие у них поверхностной оксидной пленки с высокой температурой плавления. Поэтому для их соединения чаще всего применяют лазерную сварку.

В судостроении, оборонной промышленности, атомной энергетике и авиакосмической отрасли широко используются комплектующие из титана и титановых сплавов. Сварка титана — это одна из самых сложных задач для сварочного производства. В расплавленном состоянии титан обладает высокой химической активностью к кислороду и водороду, что ведет к насыщению зоны расплава газами и образованию холодных трещин. Лазерная сварка успешно справляется с этой проблемой при работе в защитной среде из газовой смеси на основе из аргона и гелия.

Лазерные установки применяют для сварочного соединения металлов с разными физическими свойствами. С их помощью сваривают сталь и медь с алюминиевыми сплавами, а также разнотипные цветные металлы. Новым направлением сварочных технологий является сварка лазером чугуна, которую применяют при производстве корпусов, элементов шестерен, запорной арматуры и других узлов и компонентов.

Стоимость лазерного оборудования снижается с каждым годом. Сейчас небольшие установки импульсной лазерной сварки доступны даже малому бизнесу и частным лицам. Они имеют небольшую мощность и их обычно применяют для резки, сварки и гравировки листовых материалов.

Преимущества и недостатки

Лазерная сварка обладает рядом неоспоримых достоинств, но, как и все сварочные технологии, имеет свои недостатки. Первые являются следствием уникальных характеристик лазерного луча, а вторые в основном связаны с высокой стоимостью и сложностью оборудования.

Главные преимущества:

возможность сварки разнообразных материалов: от металлов и магнитных сплавов до термопластов, стекла и керамики;
высокая точность и стабильность траектории пятна нагрева;
наименьший размер сварного шва среди всех сварочных технологий;
отсутствие нагрева околошовной зоны, следствием чего является минимальная деформация свариваемых деталей;
отсутствие продуктов сгорания и рентгеновского излучения;
химическая чистота сварочного процесса (не применяются присадки, флюсы, электроды);
возможность сварки в труднодоступных местах и на большом удалении от места расположения лазера;
возможность сварки деталей, находящихся за прозрачными материалами;
быстрая переналадка при переходе на изготовление нового изделия;
высокое качество сварных соединений.

Основные недостатки:

высокая стоимость оборудования, запасных частей и комплектующих;
низкий КПД (для твердотельных лазеров — около 1%, для газовых — до 10%);
зависимость эффективности сварочного процесса от отражающей способности заготовки;
высокие требования к квалификации обслуживающего персонала;
особые требования к помещениям для размещения лазерного оборудования (в части вибрации, запыленности и влажности).

Заключение

Лазерная сварка является самой молодой из сварочных технологий — в промышленности она применяется только с конца семидесятых годов XX века. Сразу после своего появления она начала активно замещать традиционные методы сварки. Наибольшее распространение лазерная сварка получила в передовых производствах с инновационными технологиями.

В наше время лазерная сварка вышла далеко за пределы своего первоначального применения. Сейчас она используется не только в промышленности, но и в часовом производстве, при изготовлении и ремонте ювелирных украшений и даже при создании рекламных конструкций.

Лазерная сварка

Лазерная сварка основана на использовании высокопроизводительного лазера, генерирующего энергоемкий пучок света с выходной мощностью в несколько киловатт. Это процесс термического соединения металлов (и пластмасс) с использованием лазеров. Лазерная сварка обычно означает глубокое проплавление и метод сварки с глубоким проплавлением. Лазерный луч фокусируется и направляется на поверхность или точку чуть ниже толщины материала. Генерируемый световой пучок собирается в фокусирующую линзу и направляется в фокусное пятно диаметром от 0,2 до 0,3 мм. Высокая плотность энергии лазерного луча обеспечивает быстрое плавление материала в определенных точках. Из-за чрезвычайно высокой плотности мощности сфокусированного луча металл плавится, и расплав заполняет сварочный шов по мере прохождения луча по стыку, затем металл затвердевает и образует прочный сварной шов.

Лазерная сварка — это метод сварки с низким тепловыделением, при котором сварные швы с полным проплавлением обеспечивают эстетичный конечный результат. При соединении тонких широких листов лазерная сварка во многих случаях является единственным методом сварки, позволяющим предотвратить термическую деформацию конечного изделия. Лазерная сварка — лучший метод сварки, позволяющий свести к минимуму потерю основных свойств металла, таких как твердость и прочность.

При чисто лазерной сварке присадочный материал не используется. Существенной характеристикой чисто лазерной сварки при соединении металлов является то, что сварной шов имеет почти те же свойства материала, что и основной металл. В некоторых случаях к лазерному шву может быть добавлена сварочная проволока - это может быть подача холодной проволоки или проволока с индукционным нагревом для снижения теплового воздействия ванны расплава. Другим распространенным методом является гибридная сварка, которая сочетает в себе процессы лазерной и MAG-сварки. При гибридной сварке подвод тепла выше, чем при чистой лазерной сварке, но намного меньше, чем при обычной сварке MAG. Гибридная сварка обеспечивает более высокие скорости сварки и подходит для более толстых свариваемых поверхностей.

Процесс лазерной сварки зачастую используется для процессов автоматизациии, требующей скорости сварки 1-5 м/мин. Традиционный Co2-лазер по-прежнему используется, в основном, в системах сварки листов, но волоконные лазеры становятся все более распространенными в недавно устанавливаемых системах лазерной сварки и являются единственным вариантом современных передовых роботизированных систем 3D-сварки. Лазерная сварка и лазерная гибридная сварка являются стандартными рабочими методами в автомобильной, судостроительной и железнодорожной промышленности, с быстрорастущей тенденцией в сельскохозяйственном оборудовании, кузовах самосвалов и контейнерах.

Заготовки из листового металла, сваренные лазером, уже много лет присутствуют в каждом произведенном автомобиле с разной толщиной и разными марками стали в таких компонентах, как подрамник, подвеска и многих других деталях.

Лазерная сварка может использоваться не только для соединения металлических материалов. С помощью этого процесса также можно обрабатывать термопласты и керамические заготовки.

Импульсная лазерная сварка

Сварка импульсным методом представляет собой перемещение лазерного излучателя по траектории соединения деталей с кратковременным периодическим включением лазера в точках. При включении лазера на период 3-5 мс происходит формирование полусферической сварной ванны, излучатель перемещается к следующей точке, находящейся на небольшом расстоянии от предыдущей. Следующая сварная ванна формируется частично из материала предыдущей сварной ванны с добавлением нового материала из соединяемых деталей. Сварные ванны формируются с наложением друг на друга с определенным смещением, обычно составляющем 10-30% от диаметра сварной ванны. Это смещение называется перекрытием. От величины процентного перекрытия зависит степень герметичности изделия, прочность шва и производительность процесса сварки.

Преимуществами импульсной сварки являются:

минимальное термическое воздействие на изделие, возможность сваривать изделия с наполнением (например, корпуса микросборок с содержащимися внутри микросхемами) без ущерба для содержимого;
отсутствие перегрева шва;
полная защита агроном, так как обеспечить защиту сварной точки до 1.5 мм в диаметре не представляется проблемой даже с локальной подачей защитного газа.

При этом сварка импульсным методом более требовательна к качеству подготовки изделий, зазорам, а также химическому составу свариваемых изделий.

Преимущества лазерной сварки

Большой интерес к лазерной сварке обусловлен специфическими достоинствами, которые выгодно отличают ее от других методов сварки:

Лазерная сварка может осуществляться в любой среде и любых условиях, не требует наличия вакуума.
Зона термического влияния при лазерной сварке очень мала, при этом сохраняются свойства исходного материала.
Лазерная сварка практически не вызывает деформации обрабатываемых изделий, так как зона теплового влияния минимальна.
Высокая точность и производительность процесса лазерной сварки достигается при сварке любых марок сталей.
Лазерная сварка – один из немногих типов сварки, допускающих соединение разнородных материалов.
При лазерной сварке обеспечивается значительная глубина провара при небольшой ширине сварного шва.
Лазерная сварка не требует дополнительных расходных материалов (например, присадочных электродов или флюсов и пр.) под различные свариваемые металлы, переналадка под другие материалы определяется только параметрами лазерного излучения, которые просто и гибко настраиваются.
Лазерная сварка возможна по месту, без дополнительного закрепления изделий, поэтому возможна обработка изделий крупных габаритов.
Лазерная сварка возможна и в труднодоступных местах за счет средств доставки лазерного излучения к месту сварки.
Лазерная сварка является бесконтактным методом обработки, позволяя осуществлять процесс сварки в том числе через кварцевое стекло вакуумной камеры.
Оборудование и расходы на эксплуатацию для лазерной сварки требуют гораздо меньших капиталовложений, чем для ближайшего аналога – электронно-лучевой сварки.

Подготовка изделий к лазерной сварке

Как уже было отмечено выше, лазерная сварка более требовательна к условиям сварки и подготовке изделий к сварке.
В случае импульсной сварки подготовка изделий и общие условия сварки регламентируются ГОСТ 28915-91 («Лазерная сварка импульсная. »). В случае непрерывной лазерной сварки условия регламентируются отраслевыми стандартами.
В случае несоблюдения требований к подготовке изделий к сварки можно не только не получить готовое изделие с заданными характеристиками, но и привести его в негодность, без возможности дальнейшего восстановления.
Примеры несоблюдения требований и соответствующие последствия приведены ниже:

Большой зазор между изделиями (более 1/10 от ширины шва или толщины свариваемых изделий для импульсной сварки)

Вместо образования общей сварной ванны лазер оплавил обе кромки изделий, расплав стёк по краям, увеличив зазор между изделиями еще больше. Более того, как уже отмечалось, при импульсной сварке большую часть материала сварная ванна может брать из предыдущей. Если в какой-то момент импульс не смог сформировать сварную ванну, для следующего импульса материала тоже не хватит.

Иногда незначительные участки можно вручную заплавить с присадочным материалом, создав стенку искусственно. Однако это требует куда больше времени, чем обычная лазерная сварка. Более правильным решением будет исправление техпроцесса для более точной подготовки изделий по зазорам.

В случае импульсной сварки разнородные материалы, обладающие разными свойствами (в том числе коэффициентом температурного расширения) могут вести себя различно в процессе остывания. Из соединяемой пары металлов один металл остывает быстрее и быстрее сжимается, чем другой – и мы получаем сквозную трещину на всю глубину шва. В таком случае шов будет и хрупким, и негерметичным.

По возможности при разработке изделия желательно не прибегать к выбору разнородных материалов в местах соединения сварным методом. Выполнить обе детали из более дорогого материала, но сэкономить на затратах их сварке – иногда более выгодно.
Нужно отметить, что некоторые пары материалов не позволяют получить рабочеее соединение даже с применением присадочных материалов. При проектировании изделий с сварным соединением необходимо проконсультироваться со специалистами по лазерной сварке и заранее подобрать свариваемую пару материалов с подходящими свойствами.

Большое количество примесей

Материалы типа Д16 (конструкционный алюминий) отличаются легкостью и прочностью, хорошо обрабатываются механически. Это достигается большим количеством легирующих элементов и присадок. Однако при импульсной сварке это является значительным препятствием для получения прочного шва. При резком застывании сварной ванны после импульса имеющиеся в материале присадки не дают материалу нормально сжиматься при остывании. Возникают сильные внутренние напряжения, приводящие к образованию трещины.

Решением может быть использование непрерывного лазера, при работе которого сварная ванна остывает медленнее, и напряжения в шве успевают перераспределиться. При импульсной сварке тонкостенных изделий мы рекомендуем обратить внимание на более пластичные сплавы, например АМЦ, которые возможно сваривать с применением присадочных проволок из чистого алюминия. Иногда удачным решением является изготовление одной детали из примесных сплавов типа АМЦ, а другой детали из чистого алюминия (АД1, А0-А5), таким образом все напряжения по деформации сможет на себя забрать более мягкий материал.

Наличие инородных включений (грязь, масло, сож)

Любые примеси и инородные включения в шве реагируют на лазерное излучение гораздо быстрее, чем свариваемые материалы. При импульсном режиме сварки грязь в шве детонирует, разрывая шов и разбрызгивая металл вокруг, что приводит к образованию дырки. Особенно требовательна к чистоте соединяемых изделий сварка цветных металлов, так как в таком случае энергии для сварки требуется гораздо больше, и детонация грязи в шве происходит гораздо сильнее.

Для качественной сварки соединяемые изделия должны быть зачищенны от грязи, масла, жира и пр. Образованные грязью дырки в материале можно заплавить с присадкой, однако обычно затраты на заплавку таких последствий больше, чем на промывку детелей перед сваркой.

Недостаточная подача аргона

В случае нарушения защиты шва можно получить окислы в самом шве или образование оксидной пленки на поверхности шва. Это сказывается на хим.составе шва и его прочностных характеристиках. В большинстве случаев, особенно в случае сварки конструкционных сталей, изменения будут незначительны, однако есть материалы (например, титан), для которых нормальная защита инертным газом крайне необходима.

В большинстве случаев защита аргоном обеспечивается локально. В некоторых случаях необходима защита как с лицевой стороны шва, так и с обратной. Оператор лазерной установки имеет возможность настройки давления защитного газа, предзадержки импульса для достаточного поступления газа в зону обработки перед первым импульсом. Также большое значение имеет направление подачи, которое регулируется суставчатым шлангом.

Использование тонколистового материала

Для тонколистового материала требования по ГОСТ 28915-91 по сути остаются те же самые, а это означает, что для приварки листового материала тлщиной 50 мкм зазор между изделиями должен быть не более 5 мкм. Это довольно сложно обеспечить в обычных условиях, поэтому например сварка тонкостенных сильфонов может представлять значительную проблему: любой импульс в условиях больших зазоров будет оставлять дырку в стенке, которую заплавить уже не представится возможности.

Сварка тонкостенных изделий должна производиться грамотными специалистами с соблюдением всех требований по зазорам. При этом должно обеспечиваться хорошее прижатие тонколистового материала к основе. Иногда правильным решением является обвальцовка тонкостенного изделия на основе. В любом случае, подготовка таких изделий к сварке гораздо более трудоемкая, однако остается вполне реализуемой.

Сфера применения лазерной сварки

Точечная импульсная лазерная сварка в микроэлектронике

В приборостроительной промышленности широкую популярность приобрела технология лазерной сварки точечным методом. Зачастую лазерная сварка может использоваться для получения прочных и герметичных соединений проводников между собой или приварки их к печатной плате, к элементам микросхем, для соединения токопроводящих элементов. В данном случае показывает высокую эффективность и качество лазерная сварка разнородных материалов: никель-бор, вольфрам-никель и др.

Методы лазерной сварки проводников имеют несомненное преимущество в виду того, что для лазерной сварки нет необходимости в подготовке поверхностей для сварки и зачистке изоляционных слоев (полиуретан, тефлон и др.). Лазерная сварка позволяет удалить изоляцию в месте воздействия непосредственно в процессе сварки.

Лазерная сварка выводов обмотки якоря с коллектором

Один из примеров – лазерная сварка статора с соединением выводов обмотки якоря с коллектором электродвигателя. Для этого медные выводы должны располагаться в пазах для соединения в коллекторе. Применение технологии лазерной сварки для получения токопроводящего соединения медных выводов с коллектором выполняется без удаления изолирующего слоя.

Фиксация зубчатых колес на оси с помощью лазерной сварки

В приборостроении зачастую важна не механическая прочность изделия под силовыми нагрузками, а необходима качественная фиксация изделий друг с другом, герметичность шва, отсутствие деформаций деталей в процессе сварки. Из-за небольших размеров изделий различные традиционные методы соединений (резьбовые, шпоночные, клепаные, посадки с натягом) не подходят для данных изделий. Другие методы сварки, дающие большой неравномерный нагрев изделий, также не подходят для данной задачи т.к. теряется аккуратного самого сварного шва. Примеры сварных работ: сварка цилиндрических изделий по поверхности одного из них, круговая сварка по торцу, точечная прихватка деталей перед дальнейшей обработкой.

Изготовление датчиков давления с помощью лазерной сварки

Большое распространение получила технология лазерной сварки датчиков высокого давления. Внедрение лазерной сварки позволило повысить надежность работы датчика, увеличить диапазон рабочего давления и циклическую прочность. Лазерная импульсная сварка гарантирует высокое качество сварного соединения и обеспечивает технологическую воспроизводимость сварочного процесса.

Ремонт очковых оправ

Лазерная сварка широко применяется не только в промышленности и серийном производстве, но и для точечной сварки применяемых в быту изделий (очковые оправы, кухонная утварь, ювелирные изделия). Лазерная сварка позволяет надежно скреплять детали из конструкционных сплавов, титана, нержавеющей стали, в том числе применяемой при изготовлении в пищевой промышленности (пищевая нержавейка). Для ремонта подобных изделий обычно применяют лазерные установки малой мощности, сварка производится вручную.

Как работает сварка пластика лазером?

При лазерной сварке пластмасс методом просвечивающей сварки соединяются между собой два вида термопластичных пластмасс: прозрачный пластик облучается лазером, а поглощающий нагревается. Абсорбирующий пластик расплавляет прозрачную область соединения. Соединяемые элементы должны быть спрессованы с помощью подходящего устройства, чтобы обеспечить достаточную теплопередачу. Зазор должен быть меньше 150 мкм, если это возможно. Для прочного соединения расплавленный пластик должен полностью затвердеть. Таким образом, устройство прижимает оба соединительных элемента друг к другу в течение определенного времени выдержки даже после фактического процесса сварки.

Какие пластмассы можно сваривать лазером?

Если пластик содержит большое количество стекловолокна, могут легко возникнуть хрупкие сварные соединения. Поэтому рекомендуется не превышать содержание стекловолокна в 40%. Лазеропрозрачный материал со стекловолокном не должен быть толще 2 мм.

Что нужно учитывать при лазерной сварке пластмасс?

Поскольку многие свариваемые термопласты поглощают лишь небольшую часть лазерного излучения твердотельных лазеров, в них добавляют такие добавки, как сажа. В результате термопласты можно плавить и сваривать лазерным излучением. Чтобы обеспечить воспроизводимость сварочных процессов, подходящее приспособление должно также позиционировать компоненты воспроизводимым образом. Усилие соединения создается за счет прижатия детали к близлежащей к контуру прижимной маске или специальному стеклу. Стекло должно пропускать лазерный свет с высокой механической стабильностью.

Сравнение трех процессов лазерной просвечивающей сварки

Контурная сварка лазером

В частности, при контурной сварке круглые детали вращаются под лазерным лучом со скоростью до 25 м/мин. Свариваемый контур трассируется лазерным лучом и нагревается. Помимо круглых деталей, для контурной сварки также идеально подходят крупные трехмерные детали. Самая большая проблема этого процесса: в очень объемных компонентах могут возникать напряжения, потому что контур свариваемого компонента не нагревается одновременно.

Одновременная сварка лазером

При одновременной сварке лазерный луч формируется таким образом, чтобы он оптимально адаптировался к детали. Таким образом, одновременно нагревается свариваемый контур. Результат: очень короткое время обработки всего около 100 мс. Компоненты, которые не очень сложны и производятся в больших количествах, особенно подходят для этого процесса. Однако, если геометрия компонента изменяется, форма луча также должна быть скорректирована.

Квазисинхронная сварка лазером

Сканирующий лазерный луч нагревает сварочный контур при квазисинхронной сварке. Поскольку лазерный луч вращается со скоростью до 15 м/с (900 м/мин), он настолько быстр по сравнению с охлаждением, что контур нагревается практически одновременно. Благодаря программируемой фокусирующей оптике можно быстро реагировать на изменение контуров сварки, что является явным преимуществом по сравнению с одновременной сваркой.

Видео применения лазерной сварки на нашем оборудовании

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.

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.

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:

Читайте также: