Что такое лазерная сварка
Информация о методе лазерная сварка
- Главная
- |
- Азбука сварки - Справочный раздел
- |
- Другие методы сварки
Лазерная сварка предполагает использование специального луча (лазера) в качестве энергетического источника для расплавления свариваемого материала. Лазерный луч испускается специальным источником света и отличается монохромностью и одинаковой длиной волны всех фотонов в потоке. Благодаря этому лазерный луч легко настроить с помощью специальной оптической системы для увеличения мощности. В результате в процессе сваривания легко расплавляются любые материалы.
Лазерная сварка имеет ряд преимуществ по сравнению с другими видами сварки:
- формирование очень узкого и высокого шва,
- обеспечение глубокого провара изделия без наплывов с обратной стороны,
- сваривание без перегрева изделия для сохранения его целостности и формы,
- возможность работы с очень тонкими материалами, а также с высокоточным оборудованием и конструкциями,
- работа без дополнительной обработки после сварки или правок,
- высокая производительность и скорость проведения сварочных работ,
- высокая безопасность работы сварщика при ведении лазерной сварки, а также повышенная экологическая безопасность,
- простое обучение процессу.
Существенным недостатком лазерной сварки может быть высокая стоимость оборудования. Также лазерная сварка имеет более низкий КПД по сравнению с другими методами.
Область применения лазерной сварки
Лазерная сварка применяется для работы с различными видами материалов:
- производство изделий из цветных металлов,
- работа с различными видами нержавеющих сталей,
- сварка пластика и пластиковых деталей,
- работа с чугунными заготовками,
- сварка алюминиевых деталей и изделий из титана и многие другие.
Одним из главных достоинств лазерной сварки является возможность работы с очень тонкими или небольшими изделиями. В зависимости от толщины изделия может использоваться лазерная микросварка, мини-сварка или макросварка. Виды сварки отличаются глубиной проплавления: до 100мкм, от 0,1 до 1мм и более 1мм соответственно.
Возможность работы с небольшими деталями позволяет применять лазерную сварку в таких областях:
- производство устройств высокой точности,
- оборонная промышленность,
- авиакосмическая отрасль,
- производство и ремонт ювелирных украшений,
- автомобильная промышленность и многие другие.
Техника проведения лазерной сварки
Для лазерной сварки используется специальный квантовый генератор. Генератор излучает и направляет пучок лазерного излучения фокусируется с помощью системы зеркал и оптических линз. Сфокусированное лазерное излучение попадает на свариваемые изделия, где частично поглощается металлом. Металл нагревается и плавится, образуя сварной шов. Шов может формироваться за счет сваривания кромок изделия или с использование присадочной проволоки.
Существует также гибридный вариант лазерной сварки. В гибридном варианте присадочный материал формирует электрическую дугу. Дуга плавит кончик присадочной проволоки. Сфокусированный лазер укладывает расплавленную проволоку в сварной шов.
Лазерная сварка может проводиться импульсным или непрерывным излучением. При импульсной сварке лазерное излучение подается импульсами в моменты достижения энергией пиковых значений. В случае непрерывной лазерной сварки излучение подается меньшими значениями, но постоянно.
Лазерная сварка проводится с использованием инертных газов для защиты сварочной ванны от попадания воздуха. В качестве защитного газа может использоваться гелий или смесь гелия с аргоном.
В состав оборудования для лазерной сварки обязательно входит лазерная установка с системой перемещения лазера, оптическая система для фокусировки лазерного луча, газовый баллон и система подачи защитного газа, система для крепления и перемещения изделия.
В зависимости от технологии сварки могут использоваться твердотельные лазеры, газовые лазеры или гибридные установки. Твердотельные лазеры предназначены для непрерывной сварки. Газовые лазеры позволяют выполнять импульсную лазерную сварку. Гибридные лазерные установки используются для сварки с использование присадочной проволоки.
Лазерная сварка
- Описание технологии лазерной сварки
- Лазерная сварка непрерывным лучом
- Импульсная лазерная сварка
- Преимущества лазерной сварки
- Подготовка изделий к лазерной сварке
- Сфера применения лазерной сварки
- Особенности сварки для изделий из пластмассы
- Видео применения лазерной сварки на нашем оборудовании
Описание технологии лазерной сварки
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:
|
Причина | Последствия | Возможные решения |
1 |
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. |
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. |
2 |
Разнородные материалы |
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. |
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. |
3 |
Большое количество примесей |
Материалы типа Д16 (конструкционный алюминий) отличаются легкостью и прочностью, хорошо обрабатываются механически. Это достигается большим количеством легирующих элементов и присадок. |
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. |
4 |
Наличие инородных включений (грязь, масло, сож) |
Любые примеси и инородные включения в шве реагируют на лазерное излучение гораздо быстрее, чем свариваемые материалы. |
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. |
5 |
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. |
6 |
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. |
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. 
В таком случае шов будет и хрупким, и негерметичным. 
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.
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. 
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
Оборудование для ручной и автоматической лазерной сварки.
Автоматизированная лазерная установка ALFA-Auto
Лазерная сварочная установка ALFA
Автоматизированная установка для лазерной сварки ALFA-400/600A
Лазерная установка для ручной сварки ALFA-WT
Ручная лазерная установка LaserFlex-M
Автоматизированная лазерная установка ALFA-Fiber с волоконным лазером
Роботизированный сварочный комплекс ALFA-R
Автоматизированная лазерная установка LaserFlex-A
Что такое лазерная сварка и как она работает?
Лазерная сварка — это процесс, используемый для соединения металлов или термопластов с использованием лазерного луча для образования сварного шва. Будучи таким концентрированным источником тепла, в тонких материалах лазерная сварка может выполняться с высокой скоростью сварки, измеряемой метрами в минуту, а в более толстых материалах может производиться узкие и глубокие сварные швы между деталями с прямоугольными кромками.
Лазерная сварка работает в двух принципиально разных режимах: сварка с ограниченной проводимостью и сварка с замочной скважиной. Режим, в котором лазерный луч будет взаимодействовать со свариваемым материалом, будет зависеть от плотности мощности поперек луча, падающего на заготовку.
Сварка с ограниченной проводимостью происходит, когда удельная мощность обычно меньше 105 Вт/см2. Лазерный луч поглощается только поверхностью материала и не проникает сквозь нее. Сварные швы с ограниченной проводимостью часто имеют высокое отношение ширины к глубине.
Лазерная сварка обычно выполняется с использованием более высокой плотности мощности с помощью механизма с замочной скважиной. Когда лазерный луч фокусируется в достаточно маленьком пятне, чтобы обеспечить плотность мощности, как правило, > 106-107 Вт/см2, материал на пути луча не только плавится, но и испаряется до того, как значительное количество тепла может быть отведено за счет теплопроводности. . Затем сфокусированный лазерный луч проникает в заготовку, образуя полость, называемую «замочной скважиной», заполненную парами металла (которые в некоторых случаях могут даже ионизироваться, образуя плазму).
Этот расширяющийся пар или плазма способствует предотвращению обрушения расплавленных стенок замочной скважины в эту полость.
Кроме того, за счет образования этой замочной скважины значительно улучшается попадание лазерного луча в заготовку. Сварка с глубоким проплавлением достигается путем прохождения замочной скважины вдоль свариваемого стыка или перемещения стыка по отношению к лазерному лучу. Это приводит к сварным швам с высоким отношением глубины к ширине.
Под действием поверхностного натяжения часть расплавленного материала на передней кромке замочной скважины течет вокруг полости замочной скважины к задней части, затем охлаждается и затвердевает, образуя сварной шов. Это оставляет наварной колпачок с шевронным рисунком, направленным назад к начальной точке сварного шва.
Услуги лазерной сварки
Лазерная сварка в TWI
Компания TWI имеет значительный опыт успешной разработки и квалификации процедур лазерной сварки для различных областей применения.
Лазерная обработка
TWI находится в авангарде использования лазеров для обработки материалов с середины 1960-х годов и оказывает ведущую в мире поддержку во многих отраслях промышленности.
Если вам нужна дополнительная информация или у вас есть вопросы, свяжитесь с нами.
Связанные часто задаваемые вопросы (FAQ)
Каковы распространенные дефекты при лазерной сварке конструкционных сталей и как их избежать?
Как процесс сварки плавлением, как и дуговая сварка, лазерная сварка конструкционных сталей может содержать дефекты.
Можно ли использовать лазерную сварку для сборки сложных трехмерных деталей, вырезанных лазером?
Сложные трехмерные детали, вырезанные лазером, можно сваривать лазером.
Какие системы мониторинга в процессе сварки доступны для лазерной сварки?
Лазерная сварка все чаще используется в промышленности из-за ее преимуществ, таких как высокая скорость, высокая точность, низкое тепловложение и низкий уровень искажений...
Могу ли я использовать системы отслеживания швов для лазерной сварки?
Из-за относительно низких допусков лазерной сварки к положению стыка, смещению стыка и/или зазорам стыка, системы отслеживания стыка обладают потенциалом...
Что такое лазерная сварка (LBW)? & Как это работает?
Технологии дали нам несколько невероятных изобретений, и многие из них, кажется, пришли прямо из кино. Например, лазерная резка доступна уже много лет, а лазерная сварка не только жизнеспособна, но и уже используется.
Этот «высокотехнологичный» вид сварки является новым или незнакомым для многих сварщиков.
В этой статье представлен процесс лазерной сварки, описано, как он работает, где его можно использовать, а также подробно описаны плюсы и минусы.
Что такое лазерная сварка?
Лазерная сварка, также известная как сварка лазерным лучом («LBW»), представляет собой производственный метод, при котором два или более куска материала (обычно металла) соединяются вместе с помощью лазерного луча.
Это бесконтактный процесс, требующий доступа к зоне сварки с одной стороны свариваемых деталей.
Тепло, создаваемое лазером, расплавляет материал с обеих сторон соединения, и по мере того, как расплавленный материал смешивается и затвердевает, он сплавляет детали.
Сварной шов образуется, когда интенсивный лазерный луч быстро нагревает материал – обычно это измеряется в миллисекундах.
Лазерный луч представляет собой когерентный (однофазный) свет одной длины волны (монохроматический). Лазерный луч имеет малую расходимость и высокое содержание энергии, что создает тепло при попадании на поверхность
Как и при всех видах сварки, при использовании LBW важны детали. Вы можете использовать разные лазеры и различные процессы LBW, и бывают случаи, когда лазерная сварка не лучший выбор.
Итак, давайте углубимся в типы лазерной сварки, как они работают и где обычно используются.
Типы лазерной сварки
Существует 3 типа лазерной сварки:
- Режим проводимости
- Режим проводимости/проникания
- Режим проникновения или режим замочной скважины
Эти типы лазерной сварки сгруппированы по количеству подаваемой энергии металл. Думайте об этом как о низком, среднем и высоком энергетическом уровне лазерной энергии.
Режим проводимости
В режиме проводимости к металлу подводится низкая энергия лазера, что приводит к малому проплавлению при неглубоком сварном шве.
Подходит для соединений, не требующих высокой прочности, так как получается непрерывный точечный шов. Токопроводящие сварные швы гладкие и эстетически привлекательные, и обычно их ширина превышает глубину.
Существует два типа режима проводимости LBW:
- Прямой нагрев: Поверхность детали нагревается непосредственно лазером.
Затем тепло передается металлу, и части основного металла плавятся, сплавляя соединение при повторном затвердевании металла.
- Передача энергии : Сначала на поверхность сустава наносится специальная впитывающая краска. Эти чернила поглощают энергию лазера и выделяют тепло. Затем нижележащий металл проводит тепло в тонкий слой, который плавится и снова затвердевает, образуя сварное соединение.
Режим проведения/проникновения
Некоторые могут не признать это одним из режимов. Они считают, что есть только два типа; вы либо проводите тепло в металл, либо испаряете небольшой металлический канал, позволяя лазеру проникать в металл.
Но режим проводимости/проникновения использует «среднюю» энергию и обеспечивает большее проникновение. Но лазер недостаточно силен, чтобы испарить металл, как в режиме замочной скважины.
Режим проплавления или замочной скважины
В этом режиме создаются глубокие узкие сварные швы. Некоторые называют это режимом проникновения. Сделанные сварные швы обычно глубже, чем в ширину, и прочнее, чем сварные швы в режиме проводимости.
При этом типе LBW сварки мощный лазер испаряет основной металл, создавая узкий туннель, известный как «замочная скважина», который уходит в стык. Это «отверстие» служит каналом для глубокого проникновения лазера в металл.
Типы лазеров, используемых при сварке и резке
Основными типами лазеров, используемых при сварке и резке, являются:
- Газовые лазеры : используют смесь газов, таких как гелий и азот. Существуют также лазеры на CO2 или углекислом газе. В этих лазерах используется слаботочный высоковольтный источник питания для возбуждения газовой смеси с помощью лазерной среды. Работают в импульсном или непрерывном режиме. Лазеры на углекислом газе
используют смесь углекислого газа высокой чистоты с гелием и азотом в качестве среды генерации. Лазеры CO2 также используются при двухлучевой лазерной сварке, когда луч разделяется на два луча равной мощности. - Твердотельные лазеры : (типа Nd:YAG и рубиновые лазеры) Работают на длине волны 1 микрометр. Они могут быть импульсными или работать непрерывно. Импульсный режим позволяет получать соединения, аналогичные точечной сварке, но с полным проплавлением. Энергия импульса от 1 до 100 Дж. Длительность импульса составляет от 1 до 10 миллисекунд.
- Диодные лазеры : используются для материалов, которые трудно сварить другими методами, для труднодоступных мест и для очень мелких деталей. Для более реакционноспособных материалов требуется межгазовая защита.
Suitable Metals for LBW
Laser welding works with many metals, like:
- Carbon Steel
- Aluminum
- Titanium
- Low alloy and stainless steel
- Nickel
- Platinum
- Molybdenum
- Kovar
Типовые соединения LBW
Четыре соединения, где хорошо работает лазерная сварка:
- Сварка встык
- Сварка внахлестку
- Сварка внахлест
- Сварка кромки фланца
Как работает лазерная сварка?
Лазерная сварка путем введения тепла в соединение с помощью мощного лазерного луча. Материал плавится с каждой стороны соединения и сплавляет детали при повторном затвердевании.
Как минимум, вам нужен лазер и оптика, чтобы сфокусировать его туда, куда вы хотите, способ точного перемещения луча по стыку и рабочий стол для подгонки и удержания деталей.
Фактический процесс очистки или «организации» световых волн с помощью оптики в узкий высокоэнергетический пучок довольно сложен. Итак, механика работы лазера выходит за рамки этой статьи. Но вы можете найти более подробную информацию, если вы заинтересованы в этой статье.
Существует множество типов лазеров с разной мощностью. Но правильный луч может быстро нагреть металл с обеих сторон стыка до высоких температур.
Лазер быстро использует необходимую энергию. В зависимости от вашего лазера и обрабатываемых деталей вам может потребоваться направлять луч на металл импульсами, которые длятся всего несколько миллисекунд. Или, непрерывный луч может быть лучше. Это зависит от того, сколько энергии требуется, и у вас есть достаточный контроль над тем, как установка LBW подает тепло на детали.
Конечно, расплавленному металлу потребуется несколько секунд, чтобы остыть и снова затвердеть. Но в целом это быстрый процесс сварки, что делает его очень продуктивным способом соединения деталей.
По этой причине LBW популярен там, где требуется высокая скорость сварки, например, на производственных линиях.
Для чего используется лазерная сварка?
Во многих местах, где можно найти лазерную сварку, основное внимание уделяется высокой производительности чистых, красивых сварных швов. К ним относятся:
- Автомобильное производство
- Изучение ювелирных изделий
- Гидравлические и жидкие контрольные детали
- ИСКЛЮЧЕНИЯ КРИТИЧЕСКАЯ ТОНА ТОННА
Примеры применения лазерной сварки в производстве
Вот короткий ролик, показывающий робототехнику, использующую лазерную сварку в автомобилестроении:
Вот короткий ролик о лазерной сварке стальных труб:
Во многих процессах лазерной сварки используются роботы или альтернативные формы автоматического перемещения лазера или заготовки для обеспечения точности.
Но некоторые портативные лазерные системы выходят на рынок. Например:
Лазерная сварка против.
Дуговая сварка
Основное различие между лазерной и дуговой сваркой заключается в способе нагрева соединения. Лазерная сварка использует мощный луч света, а дуговая сварка использует электрическую дугу.
Итак, лазер сам по себе сообщает металлу тепло с LBW. Ничто не соприкасается с основным металлом в месте соединения, кроме лазерного луча, и луч может распространяться на большие расстояния, что позволяет ему проникать в места, недоступные для дуги.
Кроме того, большинство из нас хорошо знакомы с дуговой сваркой (например, MIG, TIG, электродуговой, порошковой). Но это не так верно для лазерной сварки. Обычная сварка существует уже некоторое время, и она более широко известна.
Arc & Filler
Первое, что бросается в глаза, — это отсутствие дуги или электрода при лазерной сварке.
Кроме того, поскольку во многих лазерных швах не используется присадочный материал, в результате LBW получаются плоские и гладкие швы. При дуговой сварке вы получаете выступающие валики, которые часто имеют заусенцы.
Подгонка
Еще одно важное отличие заключается в необходимой подгонке. Для лазерной сварки требуется плотная и чистая посадка, иначе сварной шов будет нарушен.
Подгонка LBW должна быть почти «идеальной». Подгонка должна быть хорошей при обычной дуговой сварке, но не идеальной, как при лазерной сварке. Таким образом, дуговая сварка более терпима к несовершенствам схемы соединения, так как при этом также используется присадочный материал.
Инвестиции
Первоначальные инвестиции в аппараты для сварки TIG, MIG, электродов и порошковой проволоки значительно меньше, чем в лазерную сварку. Для многих мастерских первоначальная стоимость лазерной сварки непомерно высока.
Лазерная сварка также является сложным и дорогостоящим процессом. Таким образом, в целом, более традиционная дуговая сварка более доступна с точки зрения стоимости и настройки.
Скорость
Но когда дело доходит до скорости, лазерная сварка ускоряет работу после настройки.
Скорость — одно из самых сильных преимуществ LBW, если не самое сильное.
Но имейте в виду, что лазерные сварочные аппараты требуют тщательного обслуживания, включая время простоя и дополнительные расходы.
Технология
Другим большим отличием является оптика, применяемая при лазерной сварке. Они высокотехнологичны и «круты». Но они также чувствительны и недостаточно долговечны для таких мест, как строительные площадки. Таким образом, дуговые сварщики более полезны в суровых условиях.
Нагрев
И последнее, LBW передает меньше тепла основному металлу, в некоторых случаях на 85% меньше, чем дуговая сварка. Таким образом, лазерную сварку трудно превзойти при использовании тонкой заготовки и фольги.
Вы можете получить хорошие сварные швы без сквозняков, даже с фольгой. С дуговой сваркой это сделать сложно.
Для толстого металла дуговая сварка может иметь преимущество. Для толстого материала вам нужен сильный лазер, а это означает очень высокую стоимость и мощный, опасный лазер.
По этим причинам лазерные сварщики часто ограничены в толщине, с которой они могут работать.
Жестко контролируемые промышленные операции в безопасном пространстве необходимы для безопасного использования лазера, достаточно мощного для действительно толстых материалов.
Лазерная сварка по сравнению с дуговой сваркой: преимущества и недостатки
Дуговая сварка:
Плюсы
- Использование наполнителя позволяет устранить некоторые дефекты или небольшие зазоры в сборке
- Быстрая установка, проще в использовании вручную
- Более низкие первоначальные инвестиции
- Может лучше обрабатывать очень толстый материал в большем количестве применений
- Никакие чувствительные детали, такие как оптика, не могут использоваться на строительных площадках или в других суровых условиях
Минусы
- Фольга и тонкие листы могут сгореть или деформироваться
- Большая зона термического влияния («ЗТВ») и детали, подверженные большему нагреву
- ВИГ может привести к загрязнению вольфрамом, а включения возможны при большинстве дуговых сварок из таких материалов, как шлак
- Медленнее, меньше производительности
- Оставляет выпуклый валик и заусенцы, а также брызги
- Более высокая стоимость фута сварного шва
Лазерная сварка:
Pros
- Очень точные, воспроизводимые сварные швы (могут управляться с помощью CAD или CAM программы)
- Гладкие, чистые сварные швы без шлака или брызг
- Меньшая зона термического влияния («ЗТВ») и в целом меньший нагрев деталей загрязнения или включения вольфрама
- Сварка металлов, стекла и пластмасс
- Сварка магнитных металлов без дугового разряда
- Более низкая стоимость за фут
- Может использоваться на открытом воздухе для некоторых применений (т.
е. без защитного газа)
- Хорошо сваривает разнородные металлы
- Для большинства применений не требуется наполнитель
- Можно сваривать мелкие детали и труднодоступные места
Минусы
- Нуждается в «идеальной» подгонке и правильном выравнивании лазера 9007 Использование наполнителя, когда это необходимо, более сложно и дорого
- Требуются большие первоначальные инвестиции
- Сложность настройки и подключения
- Автоматизация во многих случаях сложнее
- Невозможно легко сваривать толстые материалы
- Алюминий и медь могут быть неприхотливыми из-за их высокой теплопроводности
- Высокие требования/затраты на техническое обслуживание
- Быстрое охлаждение вызывает растрескивание некоторых металлов
- Оптика хрупкая и легко повреждается, не подходит для более жестких условий эксплуатации среды
- В некоторых случаях требуется защитный газ
Часто задаваемые вопросы
Что такое лазерный луч?
Усиление света за счет стимулированного излучения (или «ЛАЗЕР») относится к устройству, которое синхронизирует световые волны для движения в одном направлении с одной и той же длиной волны. Синхронизация называется когерентными волнами, и сфокусированный когерентный луч может перемещаться на большие расстояния и доставлять большое количество энергии.
Лазерная сварка так же надежна, как MIG?
Надлежащий сварной шов с замочной скважиной прочнее сварки MIG из-за меньшего размера ЗТВ и узкого глубокого провара. Но токопроводящая сварка слабее. Это зависит от типа используемой лазерной сварки.
Лазерная сварка прочнее, чем TIG?
Надлежащая лазерная сварка с замочной скважиной имеет более высокую прочность на растяжение и изгиб, чем сварка TIG. Но сварка с помощью кондуктивного лазера может быть слабее, поскольку она больше похожа на точечную сварку, чем на сварку TIG. Это зависит от типа используемой лазерной сварки.
Какую толщину может сваривать лазерный сварочный аппарат?
Мощность лазера определяет максимальную толщину, с которой может справиться конкретный сварщик. Например, портативный прибор мощностью 1000 Вт может проникнуть в нержавеющую сталь на 2-3 мм. Более мощный лазер означает, что он может сваривать более толстый материал. Другой вариант - лазерная сварка с обеих сторон, что удваивает толщину, которую вы можете сварить. Но с достаточно мощным лазером можно сваривать толстые заготовки.
Подведение итогов
Короче говоря, лазерные сварщики работают быстро и производят большое количество сварных швов в футах в час, поэтому они обычно используются в тех случаях, когда основным приоритетом является высокая производительность. Но они также имеют небольшую ЗТВ и производят чистые, эстетически привлекательные, прочные сварные швы. Лазерные сварщики также лучше подходят для хрупких деталей и металлической фольги, поскольку они нагревают основной металл меньше.
Однако лазерные сварочные аппараты требуют плотной, очень плотной посадки, и их покупка стоит дорого. Плюс LBW требует постоянного обслуживания, а оптика хрупкая и легко повреждается.
В отличие от этого, первоначальные затраты на традиционные аппараты для дуговой сварки ниже, а различные процессы дуговой сварки просты в использовании.
