Контактная или лазерная сварка

Обновлено: 09.05.2024

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

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

Виды лазеров используемых в лазерной сварке

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

Твердотельный лазер для сварки

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

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

Газовый лазер

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

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

Методы лазерной сварки

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

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

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

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

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

Гибридные сварочные установки и методы сварки

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

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

Лазерная сварка против сварки: сравнительный анализ различных характеристик

В этой статье обсуждается лазерная сварка против сварки. Сварка здесь относится к различным типам сварочных процессов, используемых в промышленности. Сварку можно определить как процесс соединения двух или более металлов.

Что такое лазерная сварка?

Само название предполагает, что лазерная сварка использует лазеры для сварки. Лазеры обеспечивают очень узкий и концентрированный источник тепла.

Узкий и концентрированный источник тепла освобождает место для более глубоких сварных швов и более высокой скорости сварки. Этот тип сварки может использоваться в автоматизации, где необходимо производить большие объемы одного и того же продукта. В промышленности в основном роботы выполняют лазерную сварку.

Виды сварки

Существует множество видов сварки. тип сварки зависит от источника тепла, тип используемых электродов, способ нагрева нужной области и многое другое.

Типы сварки обсуждаются в разделе, приведенном ниже.

Газовая сварка - Газовая сварка использует газ для получения пламени, отсюда и название газовой сварки. Основным преимуществом использования газовой сварки является то, что мы можем контролировать температуру зоны сварки, изменяя температуру пламени, что осуществляется путем регулирования потока газа.
Твердое состояниесварка – в этом процессе не используется присадочный металл. Коалесценция происходит при температурах ниже точки плавления свариваемых основных материалов.
Сварка сопротивлением – Электрическое сопротивление используется для выработки тепла при сварке. Электрический ток пропускается через металлы, которые необходимо сварить. Сопротивление, создаваемое в этом процессе, генерирует достаточно тепла для сварки металлов.
Дуговая сварка – Между заготовкой и электродом возникает электрическая дуга. Этот электрод генерирует дугу, достаточную для производства тепла для сварки.
Новая сварка– Быстро движущиеся объекты создают тепло за счет трения, которое используется для сварки.

Лазерная сварка против дуговой сварки

Изображение: Дуговая сварка защищенным металлом

Лазерная сварка и сварка TIG

Лазерная сварка против сварки MIG

MIG означает металлический инертный газ. В таблице ниже показано сравнение лазерной сварки и сварки MIG.

Электронно-лучевая сварка против лазерной сварки

Оба этих метода сварки являются современными и дорогими по своей природе. Оба они имеют схожие характеристики сварки.

Лазерная сварка против ультразвуковой сварки

Точечная сварка против лазерной сварки

Точечная сварка, как следует из названия, содержит сварной шов в виде небольшого валика или точки. В таблице ниже показано сравнение точечной сварки и лазерной сварки.

Лазерная сварка против плазменной сварки

Лазерная сварка против контактной сварки

Обзор

В этой статье мы сравнили лазерную сварку с другими методами сварки. Мы могли ясно видеть, что лазерная сварка в значительной степени превосходит другие методы сварки из-за ее высокой проникающей способности и способности генерировать большое количество тепла в одном месте.

Привет . Я Абхишек Хамбхата, получил степень бакалавра технических наук в области машиностроения. В течение четырех лет моей инженерной деятельности я проектировал и пилотировал беспилотные летательные аппараты. Моя сильная сторона — гидромеханика и теплотехника. Мой проект четвертого года обучения был основан на повышении производительности беспилотных летательных аппаратов с использованием солнечной энергии. Хотелось бы пообщаться с единомышленниками.

Последние посты

Гидроксид калия или едкий калий является неорганическим компонентом. Его молярная масса составляет 56.11 г/моль. Давайте резюмируем структуру КОН Льюиса и все факты в деталях. КОН представляет собой простой гидроксид щелочного металла.

Слово «еще» в основном служит в значении «до сих пор» или «тем не менее» в предложении. Проверим употребление слова «пока» в значении «союз». Слово "пока" можно обозначить как "координационное.

О НАС

Мы являемся группой профессионалов отрасли из различных областей образования, таких как наука, инженерия, английская литература, и создаем универсальное образовательное решение, основанное на знаниях.

Что такое лазерная сварка. Преимущества и недостатки

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. Часть Первая. Плюсы и минусы

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

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

Зачем нужна сварка лазером?

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

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

Технологические свойства лазерной сварки

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

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

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

Плюсы и минусы лазерной сварки

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Что будет дальше?

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

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: