Лазерная сварка металла — оборудование, технология, методы, аппараты

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.

Общая информация

Лазерный сварочный аппарат назван так, поскольку для соединения металлов используется лазер. Он выступает в роли источника энергии, нагревая и плавя металлическую заготовку. С помощью лазера можно соединять даже разнородные металлы. Сварка лазером часто используется в радиоэлектронике, поскольку позволяет выполнять даже самые мелкие работы.

Существует три разновидности сварки лазером:

• Микросварка лазером (глубина проплавления металла не превышает 100 мкм);
• Минисварка лазером (глубина проплавления находится в пределах 0.1-1 мм);
• Маркосварка лазером (глубина проплавления металла от 1 мм и более).

Приведем более детальное описание технологии, чтобы вы лучше понимали суть лазерных аппаратов. Аппарат генерирует лазерный луч, который направляется в специальную систему фокусировки, где излучение сужается в пучок меньшего диаметра.

После сужения лазерный луч направляется на металлическую заготовку. Там излучение частично проникает внутрь металла, но и частично отражается от него. В месте, где излучение поглотилось, металл начинает нагреваться и плавиться. Если производится работа с очень тонким металлом, то луч наоборот необходимо немного расфокусировать.

Как видите, технология проста и понятна. Но для ее осуществления необходимы технологичные дорогие аппараты. Сварка лазером может быть частичной или сквозной, пространственное положение шва не играет никакой роли. Это значит, что вы можете сформировать соединение в любом пространственном положении и не испытаете при этом трудностей.

Иногда сварка производится в сочетании с присадочными материалами. Это может быть проволока, порошок или специальная лента.

Достоинства и недостатки

У лазерной технологии есть несколько ключевых достоинств, которые позволяют ей быть востребованной. Прежде всего, отметим высокую точность выполнения работ. Как уже говорилось выше, возможна сварка даже самых тонких заготовок. При этом металл не деформируется и не нуждается в дополнительной механической обработке.

Второе достоинство — это высокая скорость работы. Лазерные установки способны варить до 100 метров шва в час. Тогда как классическая ручная дуговая сварка позволяет сварить до 15 метров шва за час, с учетом постоянной смены электродов. И все это при сварке стального листа толщиной до 20 мм.

Также лазерный метод очень экологичный. На многих предприятиях остро стоит вопрос экологии, и в данном случае традиционные методы сварки проигрывают, поскольку в ходе той же РДС сварки образуется много отходов в виде огарков. И их нужно как-то утилизировать.

У лазерных аппаратов всего один недостаток, но он очень существенный. И во многом благодаря ему лазерный метод не завоевал большую популярность.

Лазерная технология проста в теории, но на деле для ее осуществления необходимы высокотехнологичные аппараты.  На данный момент оборудование для лазерной сварки стоит очень и очень дорого. Поэтому его применяют только при мелких работах, где важна точность. На крупных производствах предпочитают контактную сварку, полуавтоматическую или ручную дуговую.

Условия и способы осуществления сварочного процесса

Для обеспечения эффективности энергии луча нужно его сфокусировать. Для этого используют отражающие и фокусирующие лазерный луч зеркала. Когерентные лучи имеют минимальный разброс и оказывают действие на точно определенные участки сварной области.

Такой вид сварки можно проводить:

• в разных положениях и при любом расположении свариваемых кромок;
• с помощью сплошного и частичного расплавления сплавляемой области металла;
• непрерывно или импульсами.

При помощи такого метода можно соединять, как тонкостенные металлические листы, так и изделия, имеющие большие габаритные размеры.

Чем точнее сфокусирован лазерный луч, тем выше мощность его излучения.

Особенности и применение

Разделение на технические, технологические и физические особенности сваривания металлов прописано в ГОСТ 19521-74.

В свою очередь, характеристики физического характера делятся по классам:

1. Термический класс — подразумевает процесс сваривания металлов с использованием тепловой энергии и плавления;
2. Термомеханический – процесс осуществляется под давлением и с применением тепловой энергии;
3. Механический – используется механическая энергия и давление.

Лазерное сваривание также имеет свой ГОСТ, относится к первому классу.

Ее особенности в большей мере зависят от особенностей лазерного луча, таких, как направленность, монохроматичность, когерентность.

Благодаря этому луч может концентрироваться точечно и обрабатывать небольшие по площади поверхности. С помощью оптических систем происходит управление лазером.

Лазерная сварка имеет некоторые сходства со сваркой электронными лучами, перед которой имеет определенные преимущества, например, вакуумная среда для более эффективной работы не создается, а цена работ сваривания металла с помощью лазера сопоставляется с классическими способами.

Такой метод сваривания металлов нашел свое применение в автомобильном производстве, поскольку лазерная сварка позволяет экономить материалы, а также обеспечивает герметичность алюминиевого корпуса машины.

Также широко распространено сваривание труб лазером, благодаря своей точности и обеспечению герметичности труб.

Сваривание труб удобно в том плане, что установка сварки может находиться удаленно от непосредственного места соединения.

Чаще всего, лазер используется для сваривания проблемных металлов: нержавейки и алюминия.

Потому что при сваривании нержавеющих материалов и алюминия происходит их быстрое окисление, что в последствии ведет к образованию некачественных швов.

Лазерные лучи не допускают подобных дефектов, поскольку отличаются скоростью обработки поверхности.

Сваривание лазером подразделяется на точечное и шовное (см. видео).

Точечная сварка позволяет обрабатывать даже очень мелкие детали (менее 100 мкм), отвечает требованиям ГОСТ 28915-91. Точечная сварка применяется в создании электронной аппаратуры.

Видео:

Тонкие материалы также подвергаются именно такому методу сваривания, но при этом необходимо выставить определенные параметры для того, чтобы плавление нержавеющих сталей не было глубоким.

Точечная сварка производится очень быстро.

Шовная – классический способ сваривания нержавеющих материалов, труб.

Как уже говорилось выше, шов при лазерной обработке получается очень аккуратным и небольшим. Дефектность шва проверяется по ГОСТ Р ИСО 5817-2009.

Оборудование, которое применяется для сваривания труб, нержавейки и других материалов, имеет свои разновидности и принципиальные отличия.

Промышленную сварку труб см. на видео.

Область применения лазерной сварки

Как уже говорилось, лазерной сваркой можно соединять детали с любыми габаритами, но наиболее хорошо отработана сварка деталей малой и средней толщины (5-10мм). На практике широкому внедрению этого способа сварки препятствуют соображения экономической целесообразности вследствие высокой цены технологических лазеров и другого оборудования. Экономически целесообразно применение этого вида сварки лишь в тех случаях, когда применение других видов невозможно, или сопряжено с какими-либо трудностями.

Лазерную сварку целесообразно применять в тех случаях, когда форма и размеры свариваемой конструкции не должны существенно изменяться в процессе сварки, из чего следует, что применение этого процесса способно обеспечить минимальные деформации и напряжения при сварке.

Также данный вид сварки значительно упрощает технологию изготовления изделия, т.к. сварка выполняется как заключительная операция, обеспечивая необходимую точность, и последующие операции правки или механической обработки отсутствуют. А учитывая, что лазерная сварка является высокопроизводительным процессом, выполняемым на скоростях 100-200 м/ч, что превышает скорость обычной дуговой сварки в несколько раз, это делает её применение целесообразным при изготовлении крупногабаритных конструкций, не обладающих большой жёсткостью и со сварными швами, расположенными в труднодоступных местах.

Также этот вид сварки хорошо подходит для соединения трудносвариваемых материалов, в том числе и разнородных, при этом, в отличии от электронно-лучевого вида сварки, не требуется наличия вакуумных камер.

Оборудование для сварки

Комплект оборудования состоит из устройства, генерирующего лазерный луч, системы фокусировки излучения, а также системы, перемещающей сам луч и металлическую заготовку. Установка лазерной сварки может быть стационарная и мобильная (переносная).

Со стационарной все понятно, она устанавливается в цеху и неподвижна. А если используется переносная установка, то такой метод принято называть ручным, или ручная лазерная сварка. На самом деле, мобильные установки с трудом можно назвать переносными, поскольку они весят очень много и зачастую не переносятся, а перевозятся на специальных тележках. Также модель аппарата может быть по умолчанию оснащена колесами для транспортировки.

Все оборудование, а именно сами лазеры, делятся на два типа: твердотельные и газовые. Чаще всего используются газовые установки. Они мощнее и проще в применении. Для их применения необходима смесь газов. А твердотельные лазеры нуждаются в стекле с присадкой ионов или в рубине.

Согласитесь, газовую смесь гораздо проще найти и приобрести. Особенно, если учесть, что газовые установки мощнее и способны варить толстый металл. Чего нельзя сказать о твердотельных установках.

Также существуют газодинамические лазеры, но они настолько дорого стоят, что редко встречаются на отечественных заводах. Также они являются самыми мощными, а такие показатели нужны только на специфических производствах.

Особенности применения

Мы будем говорить об особенностях применения именно газовых лазерных установок, поскольку они используются чаще всего.

Как вы могли догадаться, для сварки используется не только луч лазера, но и газ. Он необходим для защиты сварочной ванны от окисления. А металл будет активно окисляться, поскольку сварка производства в обычных атмосферных условиях. В качестве защитного газа чаще всего используют обычный аргон.

Помимо защитного газа дополнительно подается плазмоподавляющий газ. Он необходим, если применяются лазеры высокой мощности. Такие установки могут интенсивно испарять металл. Плазмоподавляющий газ позволяет справиться с этой проблемой. Для этих целей можно использовать гелий.

Естественно, аргон и гелий подаются не по очереди, а в виде газовой смеси. Рекомендуется смешить их в равной степени (50 на 50), чтобы и защитная, и плазмоподавлящая функция выполнялись в равной степени.

Виды лазерной сварки

Лазерная сварка выполняется 2 способами:

• Стыковая — сварка осуществляется без применения флюса и присадок. Стык между металлами возможен минимальный, не более 0,2 мм. Фокусировка лазерного луча на стык также не превышает значения 0,2 мм. Сварка осуществляется «кинжальным» проплавлением металла на всю толщину, при этом интенсивность лазерного излучения не превышает 1 мВт/см2. При соединении металлов стыковой лазерной сваркой необходимо предохранять шов от окисления с помощью азота или аргона, а для защиты от пробоя лазерного излучения применяется гелий.
• Нахлёсточная — принцип лазерной сварки этого типа заключается в наложенных друг на друга металлических листов, которые могут быть соединены мощным излучением. Процесс сварки осуществляется с локальным прижимом свариваемых деталей. Зазор между металлическими поверхностями при сварке не должен превышать 0,2 мм. Если необходимо повысить качество соединяемых деталей, то при выполнении нахлёсточной сварки применяется двойной шов.

Технология лазерной сварки

Соединение деталей из нержавейки с легкостью осуществляется аргоновой сваркой или полуавтоматами. Однако в задачах формирования швов на достаточно тонком металле отмеченные методы оказываются малоэффективными. Высокая температура, возникающая в аргоновой сварке, способна попросту расплавить изделие или же деформировать его.

В данном случае наиболее эффективной является лазерная сварка металлов. С ее помощью удается сформировать тонкий шов, а дефекты, связанные с действием температуры, будут минимальны.

Итак, каков же принцип работы и в чем преимущества лазерной технологии?

Суть метода заключается в расплавлении тонких кромок металла с помощью лазера. Он формируется посредством испускания фотонов атомами. Такое явление называется индуцированным излучением.

Полученный световой поток позволяет плавить кромки материала и соединять их между собой. Кроме того свечение можно подавать в зону сварки импульсно с высокой энергией или же постоянно с меньшей силой воздействия.

Фокусировка излучения осуществляется с использованием специальной оптики. Сварочные работы по этой технологии можно проводить как с применением присадочного материала, так и без него.

В гибридных версиях сварки присадочная проволока может также создавать дугу, расплавляющую ее кончик. Световой пучок, в свою очередь, будет укладывать расплавленный присадочный материал в шов.

Обычно сварочную ванну защищают инертным газом. В этих целях применяется гелий или аргон. Однако тут есть и некоторые особенности. Взаимодействие лазера с металлом приводит к его нагреву и испарению. В результате луч может экранироваться и преломляться.

Избежать подобной ситуации позволяет гелий. Газ принудительно поступает к сварному соединению, снижая испарение металла.

Технология лазерной сварки.

Данная технология нашла широкое применение в различных отраслях промышленности и производства. Она используется для соединения изделий из алюминия, титана, меди лазером. Сфокусированный луч позволяет расплавлять кромки деталей толщиной от 0,1 мм до 10 мм.

Благодаря возможности формирования тонких аккуратных швов эта технология получила широкое распространение в ремонте ювелирных изделий и оправ очков. В этих целях используются специальные малогабаритные настольные установки.

Место воздействия пучка в оборудовании отмечено точкой, под которую мастер подносит соединяемые детали и включает прибор. В результате происходит точечная сварка.

В промышленных целях метод используется в соединении различных деталей машин и коррозионно-устойчивых труб. Для отмеченных задач делают специальные большие приборы, которые монтируются на кронштейнах.

В случае необходимости создания шва на круглых изделиях, они вращаются с помощью специального оборудования во время сварки.

Данная технология сварки имеет ряд преимуществ. Благодаря им она выделяется на фоне других методов.

К основным достоинствам следует отнести следующие:

• возможность получения узкого и высокого шва, чего невозможно добиться полуавтоматами;
• глубокий провар без наплывов с другой стороны изделия;
• маленькая область взаимодействия света с деталью позволяет ей не перегреваться во время сварки, что исключает появления дефектов, связанных с термическим воздействием;
• высокая скорость работы и производительность;
• возможность соединения тонких деталей;
• безопасность;
• простота использования.

К недостаткам метода следует отнести его высокую стоимость. В связи с этим данная технология оказывается наиболее эффективной на производстве, где она достаточно быстро окупается.

Достоинства и недостатки

Как и любая технология лазерная сварка имеет свои достоинства и недостатки. Основными преимуществами такой такого вида сварки перед другими вариантами соединения металлов являются:

• Минимальный нагрев площади металла, что значительно уменьшает его коробление во время сварки.
• Благодаря способности передаваться по волоконной оптике лазерный луч может доставляться в самые труднодоступные места.
• Лазерный аппарат может применяться не только для сварки, но и для резки металлов.
• Высокое качество сварного шва.
• Хорошая производительность и лёгкий контроль за процессом сваривания металлов.

Среди основных недостатков такой технологии можно назвать:

• Высокую стоимость оборудования.
• Малое КПД сварочного аппарата.
• Требуется высокая квалификация оператора установки.

Несмотря на перечисленные недостатки в случае, когда необходимо выполнить очень точную сварочную операцию либо соединить легкоплавкие материалы, применение лазера является единственно возможным способом соединения металлов.

Классификация по признакам

По энергетическим

Методы сварки лазером классифицируют по нескольким признакам. Разновидность отличаются по техническим характеристикам и экономическим аспектам. Эти особенности учитываются при выборе конкретной установки.

Каждый вид различается плотностью мощности. Проводится процесс при Е=1-10 МВт/см2. Если уменьшить этот показатель, то другой вид сварки будет более экономически пригодным, к одному из таких относится электродуговая. Применяют три главных режима, которые отличаются по нескольким параметрам:

1. t>10-2 c, Е=1-10 МВт/см2. Данный режим подразумевает под собой применение лазеров непрерывного действия. Он подходит для обработки сталей конструкционного типа.
2. t<10-3 c, Е=1-10 МВт/см2. Эта разновидность использует установки импульсно-периодического вида. Комбинация высокой мощности и продолжительности процесса действует на металлы с меньшим расходом энергии, в сравнении с предыдущим видом.
3. t=10-3 -10-2 c, Е=1-10 МВт/см2. Для режима также применяется импульсно-периодическая установка, он подходит для обработки материала незначительной толщины.

Схема рабочей области включает в себя несколько важных элементов. Лазерный луч выходит из сопла, присадочная проволока обеспечивает усиление шва, а защитный газ противостоит негативным условиям окружающей среды.

Рациональный метод выбирается по конкретным условиям, что позволит получить желаемый результат с минимальными экономическими затратами.

Важно! Режимы сварки конструкционных сталей лазером выбираются индивидуально, это напрямую зависит от конкретных условий и поставленных задач.

По экономическим

Первым экономическим аспектом считается скорость сваривания. Он регулирует производительность. Использование лазерных установок непрерывного типа осуществляется на скоростных режимах, которые в 15 раз интенсивнее, чем у простых видов сварки.

Следующий экономический фактор – сокращение затрат металла. Например, обработку детали толщиной 30 мм реализуют за 1 проход без подготовительных мероприятий и использования присадок. Для сварки ручного вида требуется пару заходов.

Концентрированный лазерный луч локального действия – это последний фактор. Благодаря такому действию есть возможность получить сварное закрепление в области с небольшой площадью и сложно доступных местах.

По технологическим

По первому сварка лазером разделяется на метод небольших толщин и обработку глубокого действия. Последнюю разновидность, как правило, используют без присадок, хотя для улучшения степени проплавления и повышения качества свариваемости в зону воздействия подают присадочный материал.

Глубокое проплавление реализуют в защищенной среде.

Объекты незначительной толщины сваривают установками непрерывного и импульсно-периодического типа. Первые хорошо себя зарекомендовали в шовной сварке, а вторые – для точечной.

Присадки и специальную среду использовать не обязательно, поскольку на проплавление малых толщин они не оказывают большого влияния. Обработку проводят в газовой среде, если нужно уменьшить вероятность окисления швов.

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.

Отличия в технологии сваривания деталей из разных металлов

Различные металлы сваривают в соответствии с различными технологическими нормами. Работа с заготовками из стали требует предварительной зачистки от загрязнений, включая ржавчину. Также изделие должно быть тщательно обезжирено и высушено.

Технология сварки металла большой толщины.

Наличие влаги в области соединения деталей может привести к повышенной гидратации и, как следствие, к снижению его прочности и долговечности.

Благодаря высокой скорости движения луча, станки лазерной сварки позволяют формировать шов без окислов. В результате становится возможным осуществлять соединение нержавеющих и титановых сплавов без флюса и инертных газов.

Эта уникальная способность делает подобные установки незаменимыми при сваривании особенно ответственных конструкций.

Развитие технологий за последние годы позволило создать компактный прибор для ручной лазерной сварки. На сегодняшний момент существует множество моделей, представленных в магазинах. Все они могут похвастаться различными параметрами и функциональностью.

Конечно, стоимость подобных установок остается достаточно высокой. Тем не менее покупка данного прибора, несомненно, быстро окупится. Особенно, если речь идет о большом объеме работ.

Условия и методы проведения процесса

Высокая концентрация луча достигается за счет ряда отражений от зеркал, которые имеют полусферическую форму. При достижении критического показателя, пучок преодолевает центральную зону первого зеркала и проникает через призмы непосредственно в рабочий участок.

Лазерная резка и сварка металлов производятся при различной локализации заготовок. Глубина плавления корректируется в широком спектре, начиная от поверхностной, заканчивая сквозной. Обработка проводится постоянным либо прерывистым лучом. КПД лазерной технологии небольшой и требует высокой квалификации от рабочего.

Процесс делится на несколько разновидностей:

• Стыковая. Применяется без присадок и порошков, но для обработки требуется защитная среда.
• Внахлест. Соединяемые кромки устанавливаются одна поверх другой. Необходимо обеспечить надежное закрепление заготовок.

Существуют компактные модели для бытового использования, которые позволяют сваривать металлические изделия своими руками.

Итог

Лазерная сварка металла – уникальная технология, позволяющая соединять тонкие материалы, нержавеющие и титановые сплавы. Главной особенностью данной технологии является формирование качественного, аккуратного шва без каких-либо дефектов, связанных с деформациями деталей.

Благодаря указанным преимуществам такой тип сварки получил широкое распространение на различных производствах.

Видео: лазерная гибридная сварка

Дополнительные материалы по теме:

Поделитесь в соц.сетях:

Оцените статью: (Пока оценок нет) Загрузка...