Волоконно лазерная сварка принцип работы

Обновлено: 17.05.2024

Лазеры существуют уже давно, но их использование в коммерческих целях началось совсем недавно. Инженерам потребовалось некоторое время, чтобы усилить возможности лазеров до такой степени, чтобы они могли конкурировать с традиционными методами производства с точки зрения стоимости, времени и простоты использования.

Например, технология волоконного лазера была впервые разработана еще в 60-х годах. В то время эта технология все еще находилась в зачаточном состоянии. Только в 1990-х он стал пригодным для коммерческого использования. С тех пор технология прошла долгий путь с точки зрения ее применения и эффективности. В 60-х годах можно было генерировать всего несколько десятков милливатт, сегодня у нас есть волоконные лазеры, которые могут генерировать более 1000 ватт с надежными конечными характеристиками.

В этой статье мы обсудим, как работает волоконный лазер, где он используется и почему он часто является оптимальным выбором по сравнению с альтернативами. Но сначала давайте разберемся, что это такое.

Что такое волоконный лазер?

Волоконный лазер — это тип твердотельных лазеров, в которых в качестве активной усиливающей среды используются оптические волокна. В этих лазерах волокно из силикатного или фосфатного стекла поглощает необработанный свет от лазерных диодов накачки и преобразует его в лазерный луч с определенной длиной волны.

Для этого оптическое волокно легируют. Легирование относится к практике подмешивания редкоземельного элемента в волокно. Используя различные легирующие элементы, можно создавать лазерные лучи с широким диапазоном длин волн.

Некоторые распространенные легирующие элементы в порядке возрастания длины волны излучения: неодим (780–1100 нм), иттербий (1000–1100 нм), празеодим (1300 нм), эрбий (1460–1640 нм), тулий (1900–250 нм), гольмий (2025–2200 нм). ) и диспрозия (2600-3400 нм).

Из-за такого широкого диапазона производимых длин волн волоконные лазеры идеально подходят для различных применений, таких как лазерная резка, текстурирование, очистка, гравировка, сверление, маркировка и сварка. Это также позволяет волоконным лазерам найти применение во многих различных секторах, таких как медицина, оборона, телекоммуникации, автомобилестроение, спектроскопия, электротехника, производство и транспорт.

Как работает волоконный лазер

Принципиальная схема волоконного лазера

Волоконный лазер назван в честь его активной усиливающей среды, которая представляет собой оптическое волокно. Любой волоконный лазерный станок, который производит хорошо коллимированный мощный лазер, делает это в пять основных этапов. Вот они:

Создание света накачки
Сбор и перемещение по оптоволокну
Свет накачки проходит через оптическое волокно
Стимулированное излучение в резонаторе лазера
Усиление необработанного лазерного света в лазерный луч

Создание света накачки

Именно здесь энергия лазерного луча поступает в систему. В волоконных лазерах мы используем электричество в качестве источника энергии. Диоды, известные как лазерные диоды накачки, преобразуют электрическую энергию в энергию света. В высококачественных диодах преобразование является надежным и эффективным и производит световую энергию только с определенной длиной волны.

Между прочим, некачественные лазерные диоды были одним из основных препятствий, сдерживавших развитие лазерной техники около 3 десятилетий.

В большинстве случаев этот свет накачки или луч накачки создается по частям несколькими лазерными диодами, а затем соединяется с оптоволоконным кабелем. Например, есть лазерные установки мощностью 20 Вт, которые объединяют свет накачки от 11 лазерных диодов в оптоволоконном кабеле.

Объединение и перемещение по оптоволокну

Ответвитель объединяет свет от нескольких лазерных диодов в один. Этот ответвитель является частью оптического волокна. Он имеет несколько точек входа с одной стороны, каждая из которых подключается к волокну от отдельного лазерного диода.

С другой стороны есть единственная точка выхода, которая соединяется с основным волокном. Как только весь свет собран, он направляется в лазерную среду или усиливающую среду.

Свет накачки проходит через оптическое волокно

На следующем этапе свет лазерного диода проходит через оптическое волокно в лазерную среду. Волокно состоит из двух основных компонентов: сердцевины и оболочки. Сердцевина изготовлена из кварцевого стекла и обеспечивает путь для света. Она покрыта оболочкой. Когда свет достигает оболочки, весь он отражается обратно в сердцевину.

Волоконные лазеры неизбежно теряют часть мощности из-за тепла, но отличное соотношение площади поверхности к объему способствует эффективному рассеиванию тепла, что приводит к очень небольшому износу, связанному с нагревом.

При дальнейшем прохождении через оптическое волокно свет в конце концов достигает легированной части волокна. Эта часть известна как лазерный резонатор.

Стимулированное излучение в резонаторе лазера

Когда свет лазерного диода достигает легированного волокна, он поражает атомы редкоземельного элемента и возбуждает его электроны до более высокого энергетического уровня. Со временем это приводит к инверсии населенностей, необходимой для производства стандартного лазера.

Инверсия населенностей в лазере относится к состоянию усиливающей среды, в котором большее количество электронов находится в возбужденном состоянии по сравнению с теми, которые не находятся в возбужденном состоянии. Это называется инверсией населенностей, потому что это противоположно нормальному состоянию, когда только несколько атомов имеют возбужденные электроны.

Когда некоторые из этих электронов естественным образом падают на более низкие энергетические уровни, они испускают фотоны только определенной длины волны. Эти фотоны взаимодействуют с другими возбужденными электронами, побуждая их излучать подобные фотоны и возвращаться на исходные более низкие энергетические уровни. Это физический процесс «стимулированного излучения», который является частью аббревиатуры LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation).

Электроны, которые возвращаются в исходное расслабленное состояние, повторно возбуждаются светом, поступающим от диодов накачки. В конце концов, процесс достигает равновесия между возбужденными и расслабленными электронами, давая нам постоянный поток необработанного лазерного света. Этот свет необходимо усовершенствовать, чтобы использовать его в различных приложениях.

Усиление необработанного лазерного света в лазерный луч

Прежде чем использовать необработанный лазерный свет из легированного волокна, его необходимо сначала укрепить. В волоконных лазерах это делается с помощью волоконных решеток Брэгга (ВБР). Эти решетки заменяют обычные диэлектрические зеркала, действуя как зеркала с различной отражательной способностью.

Свет скачет туда-сюда между решеткой Брэгга. Часть лазерного излучения проходит в одном направлении, а оставшийся свет отражается в резонатор лазера. Та часть, которая проходит через решетку, становится лазерным лучом. Затем этот луч проходит через генератор (а иногда и сумматор) для улучшения когерентности, а затем доставляется на выходе.

Применение волоконного лазера

Благодаря широкому диапазону возможных выходных мощностей волоконные лазеры эффективно используются во многих различных приложениях. Вот некоторые из них:

Лазерная маркировка

Как правило, волоконные лазеры, легированные иттербием, с длиной волны излучения 1064 нм считаются идеальными для лазерной маркировки. Эти лазеры могут наносить на пластик и металл стойкие высококонтрастные метки. OEM-производителям, а также поставщикам требуются машины для лазерной маркировки для идентификации деталей, таких как штрих-коды, логотипы или другие тексты.

Эти машины могут быть ручными или автоматизированными и могут быть адаптированы для выполнения коротких производственных циклов. Помимо маркировки, волоконно-лазерное оборудование может использоваться для отжига, травления и гравировки.

Лазерная чистка

Волоконные лазеры могут эффективно очищать металлические поверхности от краски, окислов, ржавчины и т. д. Этот процесс известен как лазерная очистка. Процесс может быть автоматизирован и адаптирован под различные параметры производственной линии.

Лазерная сварка

Еще одним важным применением этих лазеров являются услуги по сварке . Волоконно-лазерная сварка является одной из самых многообещающих технологий, которая быстро завоевывает рынок благодаря различным преимуществам, которые предлагает этот процесс. Лазерная сварка обеспечивает более высокие скорости, большую точность, меньшую деформацию, более высокое качество и эффективность по сравнению с традиционными методами.

Лазерная резка

Лазерная резка является одной из наиболее изученных областей применения волоконного лазера. Он может обрабатывать сложные разрезы с впечатляющим качеством кромки. Это делает его оптимальным для деталей с жесткими допусками. Его применение растет среди производителей благодаря длинному списку преимуществ. Давайте посмотрим, что это такое, в следующем разделе.

Преимущества волоконной лазерной резки

По сравнению с другими типами лазеров волоконный лазер имеет несколько характеристик, которые делают его идеальным для более широкого коммерческого использования. Мы разделили эти преимущества на четыре категории:

Волоконно лазерная сварка принцип работы

А. Г. Игнатов, С. Н. Смирнов, А. Н. Маханьков, С. Н. Мазаев, В. А. Миргородский, А. В. Лапин, С. Г. Наточев

Лазерная сварка волоконными лазерами обеспечивает высокое качество сварных соединений и соответствует международным нормативным требованиям в области термоядерной энергетики. Технология имеет ряд особенностей по сравнению со сваркой CО₂-лазерами.

В последнее десятилетие идет постепенная замена и вытеснение СО₂‑лазеров волоконными и дисковыми (а также диодными) лазерами. Продажа волоконных и диодных лазеров увеличивается, а СО₂‑лазеров, соответственно — уменьшается ~ до 5–10 %/год [1–4].
Волоконные лазеры имеют КПД в 3–4 раза больше, они значительно компактнее и легче, проще, надежнее и дешевле в эксплуатации, чем СО2‑лазеры, имеющие в свою очередь значительные преимущества в плане многолетнего, более богатого опыта разработки и промышленного применения.
В феврале 2010 года завершились уникальные работы по монтажу, наладке и запуску в НИИЭФА им. Д. В. Ефремова в поселке Металлострой под Санкт-Петербургом лазерного технологического комплекса (ЛТК, рис. 1). Комплекс был поставлен и смонтирован ООО НТО «ИРЭ-Полюс»/IPG на основе 15 кВт-го волоконного лазера собственного производства, антропоморфного робота фирмы «Motoman», технологической кабины Flex Lase производства США, сварочной головки YW50 фирмы «Precitec» (Германия), систем защиты сварных швов (ООО «ЛазерИнформСервис» и ООО «СП «Лазертех» (СПб) для отработки технологии и лазерной сварки узлов центральной сборки дивертора (ЦСД) для создания во Франции международного термоядерного реактора ИТЭР [5, 6].
Для отработки промышленной технологии лазерной сварки изделий необходимо было определить оптимальные параметры сварки. С этой целью были изготовлены клинья 150 х 150 мм, толщиной от 2 до 10 мм из коррозионной стали 316L, которые проплавлялись в нижнем положении вертикальным лазерным лучом волоконного лазера (с волокном D=200 мкм) на роботизированном ЛТК (рис. 1). Для фокусировки лазерного излучения использовалась сварочная головка YW50 фирмы Precitec с линзой, с фокусным расстоянием 320 мм и коллиматором 150 мм. D фокальной точки = 420 мкм. Газовая защита сварных/проплавных швов выполнялась подачей аргона с расходом ≥15 л/мин с лицевой и обратной стороны. Устройство для защиты лицевой стороны шва приведено на рис. 2.

а)

б)

в) г)

Рис. 1. Лазерный автоматизированный технологический комплекс: а) специалисты, принимавшие участие в монтаже, наладке и запуске, б) технологическая кабина, в) волоконный лазер, г) робот и сварочная головка

а) б)

Рис. 2. Устройства защиты прямолинейных (а) и криволинейных (б) сварных швов при лазерной сварке

После сварки клинья были разрезаны на электроэрозионном станке на заготовки шириной 15 мм, из которых были изготовлены макрошлифы. Измерение и фотосъемка макрошлифов выполнялись на микроскопе по программе «Welding Expert Standard & HR» («Clara Vision», Франция), табл. 1–3 (авторы выражают благодарность ООО НТО «ИРЭ — Полюс» за помощь в проведении металлографических исследований).
Формы сварного шва в случае проплавления и без проплавления, а также его основные геометрические размеры, рекомендуемые для фиксации, при проведении экспериментов и для контроля при лазерной сварке показаны на рис. 3 и 4.

Рис. 3. Сварной шов без сквозного проплавления: h (δ) — толщина свариваемой пластины; с (Hпр) — глубина проплавления; b — ширина лицевого валика сварного шва; a — наибольшая ширина средней части зоны проплавления; g — наименьшая ширина средней части зоны проплавления; f — усиление лицевого валика сварного шва; i — величина подреза с лицевой стороны шва

Рис. 4. Сварной шов со сквозным проплавлением: Hпр — глубина проплавления, равная толщине свариваемой пластины — h (δ); b, с — ширина лицевого и обратного валиков сварного шва; a — наибольшая ширина средней части зоны проплавления; g — наименьшая ширина средней части зоны проплавления; f, d — усиление лицевого и обратного валиков сварного шва; i, i2 — величина подреза с лицевой и обратной стороны шва

На основе результатов исследований, сведенных в табл. 1–3, были определены оптимальные диапазоны режимов сварки: скорость 2,5–4 м/мин, мощность излучения ~ 1 кВт/мм, фокусировка: от 0 до –5 мм («под поверхность»).

Таблица 1. Внешний вид макрошлифов лазерных сварных/проплавных швов, выполненных волоконным лазером на коррозионностойкой стали 316L, на клине № 8 в сечении δ = 9,2 мм, с переменной мощностью излучения Р. Скорость сварки: 3 м/мин. Фокусировка: — 2 мм (под поверхность)

Шов 8.1 Р = 2 кВт	Шов 8.2 Р = 3 кВт	Шов 8.3 Р = 4 кВт	Шов 8.4 Р = 5 кВт

Шов 8.5 Р = 6 кВт	Шов 8.6 Р = 8 кВт	Шов 8.7 Р = 9 кВт	Шов 8.8 Р = 10 кВт

Таблица 2. Внешний вид макрошлифов лазерных сварных/проплавных швов, выполненных волоконным лазером на коррозионностойкой стали 316L, на клине № 9 в сечении δ = 8 мм, с переменной скоростью сварки V_св. Фокусировка: — 2 мм (под поверхность)

V_св = 3,5 м/мин
Р = 8 кВт

V_св = 3 м/мин
Р = 8 кВт

V_св = 2,5 м/мин
Р = 8 кВт

Р = V_св = 2,0 м/мин
Р = 8 кВт

Р = V_св = 1,5 м/мин
Р = 8 кВт

V_св = 1 м/мин
Р = 8 кВт

V_св = 3,5 м/мин
Р = 7 кВт

V_св = 3 м/мин
Р = 7 кВт

Таблица 3. Внешний вид макрошлифов лазерных сварных/проплавных швов, выполненных волоконным лазером на коррозионностойкой стали 316L, на клине № 10 в сечении δ = 9,3 мм, с переменной фокусировкой. Р = 9 кВт, Vсв = 3 м/мин

Δ = — 6 мм
(«под поверхность»)

Δ = — 12 мм
(«под поверхность»)

Δ = — 9 мм
(«под поверхность»)

Δ = +12 мм
(«над поверхность»)

Δ = +9 мм
(«над поверхность»)

Δ = +6 мм
(«над поверхность»)

Δ = 0 мм
(«на поверхности»)

Δ = –4 мм
(«под поверхность»)

Зависимости глубины проплавления и ширины сварных швов от параметров сварки приведены на рис. 5–8. Интересная особенность — уменьшение ширины лицевой стороны шва при увеличении мощности излучения (рис. 8).

Рис. 5. Зависимость глубины проплавления Н от мощности излучения Р. Скорость сварки — 3 м/мин. Фокусировка: – 2 мм

Рис. 6. Зависимость глубины проплавления Н от положения фокальной точки относительно поверхности свариваемой детали Δ. Р = 9 кВт, V_св = 3 м/мин

Рис. 7. Зависимость максимальной (а) и минимальной (б) ширины зоны проплавления средней части сварного шва (без сквозного проплавления) от мощности излучения. Скорость сварки - 3 м/мин. Фокусировка: – 2 мм

Рис. 8. Зависимость ширины лицевого валика сварного/ проплавного шва от мощности излучения. Скорость сварки — 3 м/мин. Фокусировка: – 2 мм.

Как видно из табл. 2, уменьшение скорости сварки до 1 и 1,5 м/мин и даже до 2 м/мин приводит к неоптимальной форме зоны проплавления и может способствовать образованию внутренних дефектов, а также подрезов с обратной стороны шва. Безусловно, на формирование зоны проплавления, ее форму — оказывал влияние вес расплавленного металла (сварка выполнялась в нижнем положении вертикальным лазерным лучом).
Ширина средней части сварного шва имела минимальное значение 0,55–0,70 мм, а максимальное значение — 0,55–1,1 мм (рис. 7 и табл. 1–3).
При увеличении скорости сварки мощность излучения надо повышать, а при уменьшении скорости сварки — снижать.
Диапазон режимов, обеспечивающих максимальное проплавление при приемлемом формировании и качестве сварных швов следующий:
— мощность излучения ~ 1 кВт на 1 мм провариваемой толщины со сквозным проплавлением, с обратным валиком шириной около 1 мм;
— скорость сварки ~ 3 м/мин;
— фокусировка «на поверхности» или с небольшим заглублением — от 0 до –5 мм;
— защита сварного шва необходима как с лицевой, так и с обратной стороны.
Применительно к используемому оборудованию и технологии с учетом минимальной ширины сварного шва 0,75–1 мм суммарная погрешность сборки и оснастки, наведения на стык, перемещения по стыку должна составлять ≤ 0,5 мм, что может быть обеспечено только при прецизионной сварке заготовок после механической обработки, электроэрозионной или лазерной резки.
Чтобы увеличить ширину шва и снизить требования к качеству подготовки и выполнению сварных соединений, необходимо применять сканирование лазерного пучка [7, 8] или фокальное пятно в виде «баранки». Кроме того, как показали эксперименты [7, 8], сканирование может способствовать снижению вероятности образования подрезов и других дефектов, например трещин и раковин.
Повышению качества сварных соединений может способствовать также использование 2–3‑х компонентных газовых смесей: с использованием базовых газов: аргона или гелия, азота (для сварки аустенитных сталей) и добавок, например кислорода или двуокиси углерода (до 5–10 %) [7].
При сварке волоконными лазерами из-за особенностей физики процесса, их длины волны лазерного излучения ~ 1 мкм, при подаче аргона, в отличие от сварки СО₂‑лазерами с длиной волны ~ 10 мкм, экранирующий плазменный факел не образуется [11]. И нет возможности его использовать для устранения подрезов и улучшения формирования поверхности сварного валика [9–11]. В этом плане, сварка СО₂‑лазерами несколько технологичнее — рис. 9, 10. Таким образом, отсутствие экранирующего плазменного факела у «волоконников», с одной стороны, повышает их эффективность, но, с другой стороны, исключает возможность его использования в технологических целях для повышения качества сварных швов.

Рис. 9. Макрошлифы и внешний вид поверхности обратного валика сварных швов, выполненных СО₂‑лазером без его защиты (а), с защитой гелием (б) и аргоном (в). Сталь марки 08Х18 Н10 Т толщиной 10 (а, в) и 12 мм (б). Скорость сварки 0,72 м/мин, фокусировка на поверхности детали, мощность 9 (а, в) и 10,5 (б) кВт. Защитный газ со стороны лицевого валика — гелий [9–11]

Рис. 10. Зависимости глубины проплавления при лазерной сварке СО₂‑лазерами в различных защитных средах при изменении мощности лазерного излучения [11]

Возможно, для однопроходной лазерной сварки сталей и сплавов большой толщины будет целесообразно использовать комбинированное лазерное излучение от волоконного лазера мощностью 10–30 кВт для получения глубокого проплавления и СО₂‑лазера мощностью 3–5 кВт — для получения в парогазовом канале «плазменной шубы» [11] и стабилизации в нем процесса нагрева и переноса металла.
Из-за малой ширины сварного шва при сварке волоконными лазерами (особенно протяженных швов) рекомендуется повышать точность наведения лазерного пучка на стык за счет использования систем слежения по X, Y и по вертикали (Z), системы наведения с 5–10‑кратным увеличением, а также гибридных способов сварки [7, 8].
Необходимо также отметить исключительную повторяемость сварных швов, выполненных не только на одном волоконном лазере (по сравнению с СО₂‑лазерами отечественного производства), но и на разных излучателях: мощностью 10 (МИФИ, г. Москва), 15 (НИИЭФА, г. Санкт-Петербург), 30 кВт (г. Бурбах, Германия и г. Фрязино, Россия).
Наибольшее влияние на параметры и форму зоны проплавления волоконными лазерами оказывают параметры используемой оптики и в первую очередь — величина фокусного расстояния до поверхности детали. Необходимо также отметить большую их зависимость от качества поверхности обрабатываемой детали (степени загрязнения, величины шероховатости и коэффициента отражающей способности). При сварке СО₂‑лазерами такая зависимость была минимальна.
Таким образом, можно отметить большую разницу в теплофизических и технологических особенностях лазерной сварки волоконными лазерами по сравнению с СО₂‑лазерами. В обязательном порядке следует выполнять эксперименты по уточнению режимов сварки при переходе с СО₂‑лазеров на волоконные (или диодные).
В результате металлографических исследований, неразрушающих методов контроля и механических испытаний, выполненных в НИИЭФА им. Д. В. Ефремова, установлено, что лазерная сварка аустенитных сталей 316L и ХМ‑19 позволяет получать сварные соединения высокого качества, отвечающие международным требованиям, предъявляемым к оборудованию термоядерной энергетики (рис. 11, 12).

в)

Рис. 11. Корпусы отражающей мишени ЦСД из стали 316L: а) после лазерной сварки волоконным лазером, б) после механической обработки и рентгеновского контроля качества сварки, в) макрошлиф сварного шва толщиной 7 мм

Рис. 12. Коллекторы внешней отражающей мишени ЦСД из стали ХМ‑19: а) после лазерной сварки б) макрошлиф сварного шва толщиной 10 мм

ЛИТЕРАТУРА
1. Мировой рынок лазеров в 2016 г.: обзор и прогноз/перевод//Лазер-Информ. — 2017. — № 4. — С. 3–9//Where have all the lasers gone?/G. Overton, A. Nogee, D. Belforte, C. Holton/Laser Focus World. — 2017. — № 1. — P. 32–52.
2. Belforte D. Industrial lasers continue solid revenue growth in 2016//Industrial Laser Solutions. — 1917. — № 1–2. — P. 9–13.
3. Игнатов А. Г. Рынок лазерных технологий 2004–2015// Ритм машиностроения. — 2015. — № 7. — С. 28–35
4. Игнатов А. Г. Российские лазерные технологии: состояние и перспективы применения//Ритм машиностроения. — 2016. — № 1. — С. 16–30.
5. Лазерная сварка для термоядерной энергетики/А. Г. Игнатов, А. Н. Маханьков, С. Н. Мазаев и др.//Ритм машиностроения. — 2016. — № 6. — С. 20–25.
6. Лазерные сварные соединения из коррозионностойких сталей/Игнатов А. Г., Криворотов В. И., Миргородский В. А.//Фотоника. — 2010. — № 2. — С. 18–21.
7. Справочник по лазерной сварке/под ред. С. Катаяма. — М.: Техносфера, 2015. — 704 с.
8. Грезев Н. В., Шамов Е. М., Маркушов Ю. В. Сварка волоконными лазерами//Ритм машиностроения. — 2016. — № 7. — С. 34–40.
9. А. С. 1262837, СССР, МКИ В 23 2 К6100. Способ лазерной сварки/А. В. Сурков, А. Г. Игнатов, А. И. Скрипченко и др. — Приоритет от 05.02.85 г.
10. Лазерная сварка со сквозным проплавлением сталей различных классов//А. Г. Игнатов, А. В. Козлов, А. И. Скрипченко и др.//Автоматическая сварка. — 1987. — № 9. — С. 26–29.
11. Игнатов А. Г. Лазерная сварка сталей мощными СО₂‑лазерами. Часть 1. Особенности лазерной сварки//Фотоника. — 2008. — № 6. — С. 10–17.

Лазерный мир

Переход к принятию более легких и прочных материалов в повседневной продукции, от автомобилей до бытовой электроники, привел к ряду серьезных проблем при сварке этих конструкций, особенно в условиях больших объемов производства. Примеры в транспортной отрасли включают в себя электрическую транспортную инфраструктуру, где производство батарей часто требует соединения разнородных хорошо отражающих материалов, таких как алюминий и медь.

Еще одним связанным примером является дальнейшее применение высокопрочных сталей, а также алюминиевых и магниевых композитов для снижения веса автомобилей. В бытовой электронике требования к легким конструкциям с высокими индивидуальными тепловыми и электрическими свойствами постоянно вызывают потребность в более сложных конструкциях, часто с использованием тонкой фольги и требующих соединения разнородных металлов, а также алюминия и меди, являющихся сильно отличающимися материалами. Индустрия медицинских устройств также обуславливает необходимость соединения мелких металлических деталей, часто с разнородными материалами.

Рост лазерной сварки продолжается уже более десяти лет, а автомобильная промышленность — самая ранняя по применению технологии отрасль — первая, кто видит преимущества автоматизированного процесса сварки в сочетании с внутренними преимуществами технологии волоконных лазеров. Однако проблемы лазерной сварки многих из описанных ранее материалов оставались значительными и могли объяснить медленную скорость принятия лазерной сварки в некоторых приложениях.

В последнее время внедрение новой, экономичной и простой в использовании технологии, основанной на технике колебаний луча, помогает преодолеть некоторые из этих трудностей в сварочных материалах, таких как медь и алюминий, с мощными волоконными лазерами на длине волны 1 мкм. Этот метод помогает преодолевать пористость и проблемы с горячим растрескиванием при лазерной сварке некоторых материалов, помогая тем самым упростить требования к подгонке деталей при сборке в 3-X раза в некоторых примерах, обсуждаемых в этой статье. Благодаря возможности независимого контроля глубины проплавления, скорости колебания сфокусированного пятна, скорости сварки и ширины шва, техника имеет применение при сварке небольших, чувствительных к температуре узлов (для медицинских деталей), плохо подогнанных деталей, которые могут иметь затруднения при обычной лазерной сварке и могут быть косметически привлекательными при сварке с колебаниями без необходимости последующей обработки.

Технология сварочной головки с колебаниями

РИСУНОК 1 демонстрирует концепцию движения двумерного динамического луча или головки с технологией колебаний, где показаны четыре основные программируемые формы, доступные из стандартной сварочной головки, например, D30 из IPG Photonics. Независимый контроль амплитуды и частоты колебаний достигается с помощью контроллера гальво-зеркал, что обеспечивает большую гибкость в стабилизации расплава канала проплавления в процессе сварки с типичными частотами до 300 Гц, используемыми в большинстве приложений. Мощность обработки коммерческих сварочных головок с колебанием луча теперь доступна до 12 кВт.

РИСУНОК 1. Примеры форм колебаний из имеющихся в продаже сварочных головок с независимой регулируемой амплитудой и частотой до 300 Гц.

Стабильность расплава канала проплавления является критическим фактором, когда лазерная сварка затрудняет использование материалов с высокой отражающей способностью, таких как медь и алюминий. Это отчасти объясняется тенденцией к разбрызгиванию и, в случае некоторых алюминиевых сплавов, демонстрирует высокий уровень пористости из-за вязкости и поверхностного натяжения расплава, что делает эти материалы трудными для сварки с использованием более традиционных методов лазерной сварки. Недавние исследования 1 показали уменьшение или устранение этих проблем методом лучевого колебания, включая недавнее систематическое исследование как с использованием, так и без присадочной проволоки на автомобильных алюминиевых сплавах [2].

В целом, метод колебаний позволяет лучше регулировать температуру детали, поскольку луч проходит несколько раз в любой точке сварного шва. Градиент роста температуры и скорости охлаждения медленнее, чем при традиционной лазерной сварке, что помогает устранить дефекты и управлять брызгами. Кроме того, этот метод сварки совместим с типичными сварочными аксессуарами, такими как вспомогательные газовые порты и коаксиальные сопла, которые обеспечивают подавление плазмы и могут помочь контролировать разбрызгивание, которые не могут быть легко совместимы с сканирующими головами, используемыми при дистанционной сварке.

В дополнение к стабилизации расплава канала проплавления и уменьшению пористости в последующем шве метод качания луча оказался ценным для облегчения требований к подгонке деталей для лазерной сварки, как указано в ТАБЛИЦЕ. Используя одну из программируемых фигур (знак бесконечности в этом случае) и оптимизируя амплитуду и частоту колебаний, видно увеличение допустимого зазора шва 3X, которое достигается при обычной лазерной сварке.

ТАБЛИЦА. Краткое описание сварки вобуляционной головкой с колебаниями в окне процесса для зазора шва и смещения, где коэффициент 2-3 увеличения обоих параметров процесса может быть достигнут по сравнению с обычной лазерной сваркой.

Примеры реализации лазерной сварки

Пример качества сварного шва и его однородности, достигаемого с помощью головки с колебаниями, показан на фиг. 2 для сварки алюминия 6061-T6, качество шва, которое было бы невозможно при обычной лазерной сварке. Метод может устранить пост-обработку сварного шва для достижения косметической отделки конечной детали.

РИСУНОК 2. Примеры алюминиевых сварных швов 6061-T6 с использованием метода лучевых колебаний.

При дальнейших проверках уменьшение пористости, связанное с техникой колебаний луча, очевидно (рис. 3), где поперечное сечение сравнивается с обычной лазерной сваркой на алюминии 6061, показывая отсутствие пор при использовании процесса сварки головкой с колебаниями. Сообщалось об аналогичных улучшениях пористости [2, 4] с использованием техники колебаний с объяснением смешением ванны расплава во время вращения канала проплавления, что происходит при процессе колебаний луча.

РИСУНОК 4. Сварка разнородных металлов, таких как нержавеющая сталь и медь (а), обеспечивается техникой колебаний для управления зоной взаимопроникновения (интерметаллической областью между двумя материалами) (б).

Лазерная сварка разнородных металлов является еще одной сложной технологической областью, где технология головки с колебаниями обладает значительным потенциалом, таким как сварка нержавеющей стали и меди (РИС. 4а). Плавление и затвердевание интерметаллического слоя можно контролировать с помощью технологии колебаний, чтобы значительно улучшить качество сварки между двумя разнородными металлами, как показано на EDS-изображении на фиг. 4b. В этом сварном шве мы использовали образец кругового колебания, показанный в ТАБЛИЦЕ.

Головка с колебаниями для сварки меди

Некоторые из проблем, связанных со сваркой меди с использованием лазеров, работающих на 1 мкм, хорошо известны и описаны ранее [1]. В этом исследовании мы использовали одномодовый волоконный лазер и небольшой размер пятна, чтобы увеличить плотность мощности на заготовке и помочь стабилизировать расплав в канале проплавления. Это было подробно изучено при микросварке тонких фольг [5], но эти особенности применимы к сварке головкой с колебаниями, где мы используем небольшое пятно и более эффективную сварку с каналом проплавления . По нашему опыту, линейные скорости и общий ввод тепла (мощность от лазера) часто сравнимы с традиционной лазерной сваркой. Как правило, при более низких скоростях взаимодействие лазера с материалом более неустойчивое с явным выбросом брызг из канала проплавлениясвязано с высокой отражательной способностью меди и низкой вязкостью и поверхностным натяжением материала. Тенденция на более высоких скоростях — стабильный сварной шов, обеспечиваемый высокой текучестью и небольшим размером пятна от одномодового волоконного лазера. Однако это происходит за счет уменьшения глубины проплавления окончательного шва.

Технология колебаний — это полезный инструмент для преодоления этих проблем (рис. 5 и 6). Используя амплитудную функцию колебаний, верхняя ширина шва может быть систематически увеличена, а функция частоты колебаний используется для стабилизации канала проплавления. Результаты были получены с использованием одномодового волоконного лазера с одинаковой мощностью, а линейная скорость сварки и мощность лазера поддерживались во всем диапазоне параметров.

РИСУНОК 5. Использование одномодового волоконного лазера с независимым управлением функциями амплитудной и частотной регулировки колебаний позволяет использовать сварные швы на меди.

Технология головки с колебаниями полностью совместима с многомодовыми волоконными лазерами, и в наших тестах [1] были продемонстрированы медные швы с использованием мощного (5 кВт) волоконного лазера, работающего вместе с головкой с колебаниями. В случае более высоких уровней мощности достигается большая глубина проплавления (до 4 мм в данном случае), и, как и в предыдущем исследовании, дополнительная гибкость процесса, связанная с технологией колебаний луча, используется для управления каналом проплавления и стабилизации расплав во время процесса.

РИСУНОК 6. Поперечные сечения сварных швов меди с использованием метода колебаний и одномодового волоконного лазера.

Алюминиево-медная сварка для промышленности аккумуляторных батарей является последней заявкой, рассмотренной в этой статье. В этом случае глубина проплавления является критическим параметром для минимизации ширины интерметаллидной прослойки (в идеале менее 10 мкм), которая может контролироваться скоростью процесса при традиционной лазерной сварке. Однако в случае использования техники головки с колебаниями у нас есть дополнительная ширина контрольного шва и проникновение через амплитудные и частотные функции на головке с колебаниями.

В нашем исследовании мы видим эффект увеличения амплитуды колебания (от 0,2 до 1,2 мм). Это достигается за счет увеличения ширины сварного шва, минимизации глубины проплавления и последующего улучшения механических свойств сварного шва между элементами алюминия и меди.

Вывод

Трудности, связанные с лазерной сваркой таких материалов, как алюминий и медь с использованием 1 мкм-лазеров, в значительной степени могут быть преодолены за счет использования мощных волоконных лазеров вместе с новейшей двумерной технологией головки с колебаниями луча для дополнительного управления пучком расплава в канале проплавления во время процесса сварки. В свою очередь, это, как показано, помогает устранить пористость и разбрызгивание, связанные с лазерной сваркой этих материалов с использованием традиционных методов. Дополнительные степени свободы, достигаемые за счет независимой амплитуды и частоты колебаний колебательной головки, в сочетании с высокой мощностью, доступной для волоконного лазера, обеспечивают уровень контроля, необходимый для достижения качественной лазерной сварки в сложных материалах.

Примерами, представленными здесь, являются лазерная сварка сложных материалов, таких как алюминий и медь, а также сварка разнородных материалов, включая контроль области интерметаллического смешивания с технологией колебаний. Кроме того, технология предлагает значительные преимущества в частичной адаптации благодаря увеличенной толерантности к зазору шва и смещению в исследованиях, сравнивающих головку с колебаниями с традиционными процессами лазерной сварки. В исследовании также показана пригодность метода как с одномодовыми, так и с многомодовыми мощными волоконными лазерами. Наконец, технология совместима со стандартными сварочными аксессуарами, такими как вспомогательные порты подачи газа и коаксиальные сопла.

Ссылки

[1] T. Hoult et al., «Welding solutions for challenging metals with ytterbium fiber lasers,» ICALEO 2016 presentation, San Diego, CA (Oct. 2016).

[2] G. Barbieri et al., Mater. Sci. Forum, 879, 1057–1062 (2017).

[3] O. Berend et al., «High frequency beam oscillation to increase the process stability during laser welding with high melt pool dynamics,» Proc. ICALEO, 1041, 1032 (2005).

[4] G. Barbieri et al., Procedia Eng., 109, 427–434 (2015).

[5] I. Miyamoto et al., «Precision microwelding of thin metal foil with single-mode fiber laser,» Proc. SPIE, 5063, 297–302 (2003).

Системы лазерной сварки

Принцип работы лазерной сварки

Лазерная сварка – процесс, предполагающий соединение деталей при помощи лазерного излучения. На поверхности часть луча отражается, а часть проходит внутрь, что приводит к нагреву и плавлению материала, формированию сварного шва. В результате получается прочное соединение. Луч, сгенерированный квантовым лазерным генератором, попадает в фокусировочную систему установки, где перераспределяется в пучок меньшего сечения. По концентрации энергии воздействие лазера в десятки раз превосходит другие источники тепла (около 10^6 Вт/см2). Она позволяет соединять материалы толщиной от пары микрометров и до нескольких сантиметров.

Особенности лазерной сварки

Технология используется при работах с титаном, титановых, алюминиевых, магниевых сплавов, разных марок стали. Лазерный луч обладает точной направленностью, что выгодно выделяет его на фоне пучка света. Это обусловлено тем, что он монохроматичен и когерентен. Лазер сосредотачивает всю тепловую мощность, которая потребуется при соединении деталей непосредственно в пятно малого диаметра в месте обработки. Такие особенности лазерной сварки позволяют соединять элементы практически незаметным швом.

Работы не требуют наличия вакуума и могут выполняться в атмосфере. Зачастую защита сварочной ванны выполняется аргоном. Но этот газ при взаимодействии с металлами и лазером вызывает не только расплав металла, то и его испарение. В результате луч может экранировать, уходя от заданной траектории, заметно снижая точность и качество шва. Исключить такой процесс помогает дополнительная подача в рабочую область гелия. Этот газ подавляет потенциальное плазмообразование, предотвращая улетучивание металла. В результате лазерная сварка, описание процесса которой мы только что привели, позволяет получать идеально тонкий, ровный шов. Процесс автоматизирован и может проходить как с частичным, так и со сквозным проплавлением.

Виды и режимы лазерной сварки

Лазерная сварка предполагает получение двух разновидностей сварочного соединения: шовное и точечное. Установки промышленного уровня способны генерировать непрерывные и импульсные лучи. Первые применяются для получения как точечных, так и шовных соединений. При помощи импульсного излучения получают только точечные швы. При этом скорость работ пропорциональна частоте генерируемых лазером импульсов. Точечная технология получила распространение при соединении тонких металлических элементов и реализуется вручную. Шовная преимущественно выполняется аппаратным методом и позволяет формировать глубокие сварные соединения.

Исходя из используемого оборудования и материалов сварка лазером металла бывает:

Твердотельной.
Газовой.
Гибридной.

Твердотельная

В твердотельных лазерах активным элементом являются стекло или алюмоиттриевый гранат с добавлением неодима, рубина. Их работа активизируется под воздействием светового потока, излучаемого криптоновыми светильниками повышенной мощности. Предусмотрена возможность работы таких лазеров как в непрерывном, так и в импульсном режиме. В настоящее время наиболее популярны волоконные лазерные источники. Они обладают высокой мощностью и просты в эксплуатации.

Газовая

Здесь используют газовые смеси. Это соединения азота, гелия, углекислого газа. Смесь подается в рабочую область под давлением 2,6-13 кПа. Активизируются действующие вещества электрическим разрядом. Гелий и азот гарантируют стабильную передачу энергии частичкам углекислого газа, обеспечивая оптимальные условия для поддержания горения разряда.

Гибридная

Гибридная технология получения сварных швов объединяет дуговую сварку – сварку металлическим электродом в активном газе или в инертном газе с лазерной сваркой. При этом увеличивается подводимая тепловая мощность, что позволяет осуществлять сварку высокопрочных сталей, невыполнимую другими методами.

Преимущества и недостатки технологии

Лазерная сварка, как и другие технологии, имеет преимущества и недостатки.

К достоинствам сварки лазером относят:

Есть возможность дозировать поток энергии, подаваемого в рабочую зону. Диапазон регулировки достаточно широкий. Такая особенность позволяет получать качественные сварные соединения деталей разной толщины и конфигурации.
Большая глубина оплавления при минимальном горизонтальном распространении термического повреждения. Эта особенность технологии позволяет использовать ее при работах с очень мелкими деталями, в частности в радиотехнике.
Возможность использования для получения сварных швов в труднодоступных местах. Это достигается системой зеркал, способных управлять лазерным лучом, меняя его направление. Эта технология широко используется при работах на подземных или подводных коммуникациях. Внутрь трубопровода помещается специальный постамент, а управление процессом идет извне при помощи радиопередатчика.
Высокая точность и качество работ. Отклонения от допустимых размеров минимальные при соединении как мелких, так и крупногабаритных деталей. Сварка выполняется без правок и не требует финишной механической обработки. Процесс сопровождается минимальными температурными поводками и короблением материала.
Высокая эффективность и скорость работ. Сварной шов стального листа толщиной 20 мм выполняется со скоростью 100 м/час и за 1 подход. Для сравнения: аналогичный шов с использованием электрической дуговой сварки делают со скоростью 15 м/час за 5-8 подходов.
Экологическая чистота процесса. При работах не выделяется никаких опасных веществ, способных нанести вред человеку или окружающей среде.

Из недостатков отмечают невысокий КПД. Работы требуют высокой квалификации персонала.

Применение сварки лазером

Сваривать лазерным лучом можно детали разных габаритов, но наибольшее применение технология получила при работах с материалами небольшой и средней толщины: 5-10 мм. Область использования данного вида сварки:

соединение деталей, форма и размеры которых не должны существенно меняться в процессе;
изготовление крупный конструкций невысокой жесткости при наличии швов в труднодоступных местах;
при работах с трудносвариваемыми элементами, разнородными материалами; соединение тонких пластин, пленок, проводов и других легко деформирующихся деталей;
в работах с материалами, хорошо проводящими тепло.

Наибольшее распространение технология сварки лазером получила при производстве электронных изделий, в радиоэлектронике, приборостроении, машиностроении, часовом приборостроении, медицине, механике и пр.

Компания «ЛЛС» предлагает оборудование для лазерной сварки по хорошим ценам и с надежными гарантиями. А это залог высокого качества выполненных работ. За уточнением деталей сотрудничества обращайтесь к менеджерам по телефону или через онлайн-форму.

Роботизированная лазерная сварка: знакомимся с технологией

Роботизированная лазерная сварка – передовой, современный и наиболее технически совершенный способ соединения металлических заготовок. Технология позволяет получать неразъемный шов путем сплавления соприкасающихся поверхностей при помощи мощного луча лазера. Она может использоваться даже для соединения трудносвариваемых, разнородных материалов. Роботизированная сварка лазером широко применяется во многих производственных областях благодаря качеству и абсолютной автоматизации технологического процесса. Также ей характерна высокая скорость выполнения работ и хорошая прочность готового шва. Познакомимся с ее особенностями более подробно.

Виды сварочных роботов

По способу установки. Выделяют модели напольного, подвесного настенного и подвесного потолочного исполнения. Подвесные занимают меньше свободного пространства, отличаются более компактными размерами. Напольные сварочные роботы массивнее, но их производительность выше.
По сферам применения. Существует оборудование, предназначенное для выполнения сварки в автомобильной промышленности, литейном производстве, металлообработке, машиностроении и пр. Оно уже учитывает специфику предстоящих работ. Также есть универсальные модели.
По месту установки источника тока. Он может быть встроен в исполнительное устройство или в рабочий орган оборудования. Также может применяться отдельный блок, работающий совместно с отдельным исполнительным органом.
По размерам. Выделяют крупные, средние, микро- роботы. Их размеры, грузоподъемность, площадь действия разные.
По технологии сварки. Роботы, выполняющие сварочные работы при помощи лазера могут работать по классической, гибридной, клещевой, удаленной, роллерной технологии, использоваться для микросварки и пайки.

Принцип действия робота лазерной сварки

Все сварочные роботы, несмотря на их тип, имеет примерно одинаковое строение. Основа механизма – «рука». Конструктивно она состоит из нескольких металлических балок, соединенных между собой подвижными элементами. Чем больше таких звеньев, тем более сложную и точную работу сможет выполнять машина. На нижней части манипулятора предусмотрена рабочее сопло с оптическим наводчиком. Он обеспечивает высокую точность наложения сварного шва. Подключается сварочный робот к пульту управления с загруженным специальным программным обеспечением. Для каждой предстоящей задачи составляется своя рабочая программа. Это позволяет тонко кастомизировать возможности машины.

Работает техника, как и обычный лазерный станок. В источнике генерируется поток энергии. Проходя через оптическую систему, он преобразовывается в тонкий луч высокой мощности. Он направляется в точку воздействия, вызывая точечный нагрев материала в месте будущего шва до температуры его плавления. После остывания на месте воздействия формируется прочное, неразъемное соединение однородной структуры. Наибольшее применение при работе с металлическими заготовками получили станки с излучателем на основе оптического волокна.

стыковой шов;
внахлест;
заливной шов;
соединение кромки фланца.

Преимущества лазерной сварки роботом среди других технологий

Чтобы сохранить конкурентность на рынке, компаниям приходится снижать уровень затрат, повысить эффективность технологических процессов и качество готовых товаров. Именно поэтому применение роботизированных лазерных установок становится все более массовым среди различных предприятий. Традиционные методы требуют профессионализма от исполнителей и постепенно сдают свои позиции. Они уступают более передовым, высокотехнологичным решениям. Роботизация идет полным ходом и лазерная сварка – это очередная сфера, которую она затронула. Преимущества от ее применения на практике уже смогли оценить многие предприятия.

Среди достоинств, выгодно выделяющих лазерную сварку роботом перед традиционными методиками, стоит выделить:

Читайте также: