Лазерная сварка: определение, принцип работы, процесс, виды и преимущества

Лазерный луч генерируется автономным лазерным источником и направляется на резак стационарного или ручного типа, из которого попадает на заготовку. Направленный пучок энергии нагревает и расплавляет заготовки (и присадочный пруток, если требуется), а образовавшаяся ванна расплавленного металла соединяет детали вместе, образуя сварной шов.

Ключевыми преимуществами лазерной сварки являются высокая точность и тонкий контроль применяемой энергии. Энергия может быть точно направлена в нужное место сварного шва практически без лишнего рассеивания. Это позволяет добиться чрезвычайно точного расплавления с гораздо меньшей зоной термического влияния, нежели при любом другом методе сварки. Это приводит к меньшему повреждению окружающих областей заготовки, снижает объемный нагрев и связанную с ним деформацию.

Происхождение лазерной сварки

Лазерная сварка была разработана в 60-х годах прошлого века, почти параллельно с развитием самих лазеров. Первые эксперименты по лазерной сварке были проведены исследователями из Bell Telephone Laboratories в США.

Первые лазерные швы были сделаны с помощью рубинового лазера, применявшего короткие импульсы высокоинтенсивной энергии в когерентных пучках. Когда импульсы фокусировались на небольшом участке на стыке металлических деталей, металлы плавились и сливались вместе.

Даже в этих ранних экспериментах получались очень узкие и точные сварные швы, с минимальными ЗТВ (зонами термического влияния) и искажениями. Лазер даже продемонстрировал некоторую способность соединять разнородные материалы.

Как работает лазерная сварка?

Луч для лазерной сварки обычно генерируется твердотельным, волоконным или CO2-лазером, каждый из которых имеет свои преимущества.

В точке фокусировки луча металл достигает температуры плавления и образует локальную ванну, в которую (при необходимости) может быть вплавлен присадочный пруток.

Затем лазерный луч перемещается вдоль поверхности соединения. При этом расплавляется передний край, а расплавленный задний край ванны остывает и затвердевает.

В успешно выполненном сварном шве остывший металл сплавляется с обеими свариваемыми поверхностями примерно в одинаковой степени без образования окислов.

Какие материалы можно сваривать с помощью лазерной сварки?

Ниже перечислены наиболее распространенные материалы, которые можно сваривать лазером.

Металлы

Примеры: алюминий, медь, латунь, сталь, титан и никель. Процесс может использоваться для соединения деталей, значительно отличающихся по толщине, что расширяет сферу его применения до более широкого спектра задач, чем традиционные методы термической или электрической сварки.

Пластмассы

Лазеры можно использовать для сварки некоторых термопластов, включая поликарбонат, нейлон и ABS. Низкий нагрев и высокая локализация плавления позволяют получить качественные сварные швы.

Керамика

Некоторые виды керамики (в частности, глинозем и цирконий) можно сваривать лазером. При сварке этих и некоторых других видов керамики с помощью лазера можно добиться качества шва, недоступного обычным термическим способам.

Композиты

Пластмассы, армированные углеродным волокном (CFRP), поддаются этой технике. Также ведутся исследования и достигнуты первые успехи в лазерной сварке металлических деталей с композитами из углеродного волокна.

Пригодность материала для лазерной сварки зависит от его физических свойств, таких как температура плавления, отражающая способность, теплопроводность и склонность к плавлению без обугливания. Для высокоотражающих материалов может потребоваться проведение большого количества испытаний и тщательный выбор частоты лазера.

Что представляет собой процесс лазерной сварки?

Вот основные этапы процесса лазерной сварки:

• Очистите свариваемые детали и точно расположите их. Линия контакта должна быть закрытой и не иметь зазоров для достижения наилучшего результата.
• Используйте ручные зажимы или автоматические приспособления, чтобы удерживать детали на месте и сохранять стабильность их позиционирования во время процесса сварки.
• Настройте точку фокусировки луча на область сварки. Оптический механизм сварочной горелки обычно обеспечивает легкую настройку фокуса.
• Отрегулируйте мощность луча и проверьте ее на обрезках материала и пробных деталях. Прежде чем переходить к заготовке, убедитесь, что луч излучает энергию, достаточную для расплавления материала, но недостаточную для чрезмерного нагрева деталей.
• Приложите луч к началу зоны сварки. Как только образуется подходящая ванна расплава, ее необходимо перемещать вдоль сварного шва непрерывным движением. Традиционные методы сварки (такие, как сварка с колебательными движениями) будут способствовать хорошему проплавлению и улучшению качества шва.
• После завершения сварки охладите деталь естественным образом. Вы также можете закалить ее в воде или использовать другие методы охлаждения.

Какие проблемы связаны с лазерной сваркой тонких материалов?

Вот общие проблемы, возникающие при лазерной сварке:

Выбор материала

Некоторые материалы, такие как металлы с высокой отражательной способностью, трудно сваривать лазером, поскольку свет естественным образом отражается от их поверхности. Аналогично, некоторые пластики и композиты также трудно сваривать из-за их низкой теплопроводности.

Подготовка шва

Правильная подготовка шва имеет решающее значение для успешной лазерной сварки. Поверхности шва должны быть свободны от загрязнений и правильно выровнены. Любое несоответствие или зазоры в шве могут привести к прерыванию сварного шва или слабому соединению.

Контроль процесса

Лазерная сварка — это высокоавтоматизированный процесс, и поддержание жесткого контроля процесса необходимо для получения стабильных и высококачественных сварных швов. Мощность, скорость и фокус лазера должны тщательно контролироваться для достижения желаемых характеристик сварного шва.

Безопасность

Лазерная сварка может представлять риск для безопасности, если ее не контролировать должным образом. Интенсивный свет и тепло, генерируемые лазером, могут вызвать повреждение глаз и кожи. Меры безопасности, такие как надлежащая защита глаз, должны быть приняты для защиты оператора и любого находящегося рядом персонала.

Стоимость

Первоначальная стоимость оборудования для лазерной сварки может быть высокой, что делает его менее доступным для небольших предприятий. Кроме того, расходы на обслуживание и ремонт также могут быть значительными, что может существенно увеличить общую стоимость лазерной сварки.

Каковы типы лазерной сварки?

Вот наиболее распространенные методы лазерной сварки:

Кондуктивная сварка

В этом методе используется самая низкая мощность среди всех лазерных методов. Сварка соединяет расплавленные кромки только за счет расплавления основного металла, без присадки. Этот метод лучше всего подходит для сварки точно подогнанных кромок тонких материалов.

Сварка с глубоким проплавлением

Этот метод подходит для сварки более толстых материалов. В нем используется лазер высокой мощности для создания широкой и глубокой зоны нагрева материала. В общем случае лазер сначала используется для вырезания отверстия, которое проникает сквозь материал (обеспечивая сварку на всю толщину). Затем полученное отверстие закрывается расплавленным присадочным прутком на его заднем крае, по мере продвижения лазера вдоль шва.

Точечная лазерная сварка

Этот метод лучше всего подходит для небольших сложных деталей. Лазер создает небольшие, локализованные сварные швы. Эти швы могут создавать точечные соединения между кромками или проплавлять одну деталь для соединения с расположенной ниже деталью.

Лазерная сварка швов

Этот метод позволяет получить длинные непрерывные швы. При этом часто используется присадочный пруток для создания точечного шва с помощью движений, аналогичных движениям для контроля сварочной ванны, как при использовании традиционных методов сварки.

Гибридная лазерная сварка

В этом методе смешиваются лазерная и другие виды сварки, такие как MIG и TIG. Комбинируя процессы таким образом, вы получаете преимущества обеих систем.

Какие типы лазеров используются при лазерной сварке?

Ниже перечислены типы лазеров, используемых в лазерной сварке:

Лазеры CO2 (диоксид углерода)

Лазеры на углекислом газе являются основными в сварочном оборудовании благодаря высокой выходной мощности и небольшому размеру пятна при фокусировке. Они работают в среднем инфракрасном диапазоне излучения и способны сваривать большинство материалов, хотя отражение лазерного луча может замедлить начало плавления нержавеющей стали, титана и некоторых других отражающих металлов.

CO2-лазеры возбуждают молекулы углекислого газа, заставляя их испускать излучение. Затем оно может быть передано через систему зеркал или световую трубку, а затем коллимировано или сфокусировано другим способом для формирования выходного лазерного луча.

Лазерные аппараты CO2 недороги и работают на относительно высоких уровнях мощности, обеспечивая высокую скорость сварки и производительность. Они могут сваривать широкий спектр материалов. Высокая мощность и плотная фокусировка CO2-лазера позволяет выполнять сварку с глубоким проплавлением. Однако они имеют относительно короткий срок службы и требуют опыта для правильной работы. Они лучше работают с дополнительным вспомогательным газом, что увеличивает стоимость эксплуатации.

Nd:YAG (лазеры на иттрий-алюминиевом гранате, легированном неодимом)

Твердотельные лазеры Nd:YAG (легированный неодимом иттриево-алюминиевый гранат) обычно используются для сварки. Этот тип лазера генерирует мощный инфракрасный свет с длиной волны 1,064 микрометра. Это хороший вариант, потому что металлические материалы поглощают эту длину волны лучше, чем другие в инфракрасном спектре.

Таким образом, установки Nd:YAG особенно полезны при сварке алюминия, нержавеющей стали и титановых сплавов. Благодаря сочетанию высокой энергоотдачи и хорошей фокусировки с минимальными требованиями к обслуживанию, эта система широко используется в промышленности, например, в автомобильной и аэрокосмической.

Волоконные лазеры

Волоконные лазеры являются хорошим вариантом для лазерной сварки, обеспечивая высокую мощность, превосходное качество луча и эффективность использования электроэнергии. Энергия лазера поступает от лазерного диода. Она передается по оптоволоконному кабелю на коллимирующую/фокусирующую горелку, которую можно легко направить к месту сварки.

Этот тип лазерного сварочного источника хорошо интегрируется в автоматизированное оборудование. Он имеет длительный срок службы и не требует особого обслуживания.

Дисковые лазеры

Дисковые лазеры — это альтернативные формы твердотельных лазеров, которые начинают использоваться для сварки.

В дисковом лазере лазерная среда представляет собой тонкий, охлаждаемый жидкостью диск из возбуждаемого лазером полупроводникового материала, который накачивается несколькими лазерными диодами.

Выходной луч может передаваться по жесткому отражателю или через световую трубку на коллиматор/фокусировочный резак. Они ценны благодаря высокой мощности, хорошему качеству луча, эффективному охлаждению, низкой потребности в обслуживании и длительному сроку службы.

Какие ключевые параметры влияют на качество лазерной сварки?

Параметры, определяющие качество и эффективность лазерной сварки, следующие:

Мощность лазера: это количество энергии, подаваемой лазером на деталь. Более высокая мощность лазера обеспечивает более быструю сварку и большее проплавление, но хороший контроль уровня мощности имеет решающее значение для получения качественных сварных швов.

Для достижения хороших результатов необходимо строго контролировать настройки мощности. Для больших и глубоких сварных швов требуется большая мощность. Очень низкая и жестко контролируемая мощность является преимуществом некоторых лазерных сварочных аппаратов, позволяя сваривать тонкие и небольшие детали без широкого распространения зоны термического влияния и короблений, даже в очень тонких материалах.

Размер пятна: более качественный луч, лучшая коллимация и качественная фокусирующая оптика приводят к уменьшению лазерной точки на сварном шве. Это обеспечивает более высокую эффективную мощность и более контролируемое продвижение расплава/сварки.

Скорость подачи: скорость (и траектория движения) лазера при прохождении вдоль шва определяет качество сварки, размер ЗТВ и уровень коробления в деталях.

В сочетании с фокусировкой и мощностью лазера скорость перемещения лазера определяет качество сварки. Лазерный луч должен нагревать материал достаточно долго, чтобы добиться его расплавления, но не так долго, чтобы началось его испарение.

Как только будет образована сварочная ванна, необходимо начать подачу, иначе в зоне начала сварного шва образуется большая ЗТВ. Подача (и колебание луча) должны быть отрегулированы таким образом, чтобы передний край зоны расплава перемещался вдоль шва, а задний — охлаждался должным образом для формирования шва.

Слишком высокая скорость подачи не позволит обеспечить равномерное плавление и сделает сварной шов слабым и склонным к образованию зазоров. Если скорость подачи слишком медленная, зона расплава будет расширяться, и вы рискуете создать подтеки расплавленного материала или прожечь отверстия в деталях.

Защитный газ: инертные газы используются для предотвращения окисления сварного шва. Тип и расход защитного газа должны соответствовать сварному шву и материалам.

Толщина материала: это критический параметр, поскольку существуют ограничения толщин, сварку которых может обеспечить любой конкретный лазерный сварочный аппарат. При увеличении толщины деталей мощность лазера должна возрастать, а скорость подачи — падать. В конце концов, вы достигаете предела возможностей сварочного аппарата.

Конструкция соединения: конструкция соединения существенно влияет на качество сварки. Тесное соответствие/подгонка деталей и доступные места сварки существенно влияют на качество сварки.

Каковы области применения лазерной сварки?

Лазерная сварка используется в самых разных отраслях промышленности:

Автомобильная промышленность. Кузовные панели, компоненты двигателя, детали подвески, топливные форсунки и датчики могут быть соединены или изготовлены с помощью лазерных сварочных аппаратов.

Аэрокосмическая промышленность. Лазерная точность помогает при изготовлении авиационных двигателей, шасси и других компонентов. Она также ценна при производстве ракет и космических кораблей.

Медицина. Медицинские устройства, такие как кардиостимуляторы, зубные имплантаты, хирургические инструменты, хирургические имплантаты и протезы, нуждаются в точной сварке.

Электроника. Маленькие, точные сварочные аппараты важны для производства печатных плат, сложных компонентов, датчиков, смартфонов, ноутбуков и многого другого.

Ювелирные изделия. Ручная и автоматическая лазерная сварка используются в производстве ювелирных изделий для создания сложных конструкций.

Инструменты и штампы: Инструменты и штампы, используемые в производственных процессах, бывает сложно отремонтировать. Минимальное избыточное тепло, создаваемое лазерной сваркой, означает, что после ремонта требуется меньше отделочных работ.

Каковы преимущества лазерной сварки?

Преимущества лазерной сварки перечислены ниже:

Точность

Лазерная сварка — это технология сварки, которая позволяет создавать небольшие, сложные сварные швы с высокой точностью. Энергию луча можно регулировать очень точно, что позволяет минимизировать зону термического воздействия и свести к минимуму коробление и появление отходов материала.

Скорость

Технология отличается быстротой. Поскольку энергия очень концентрирована, она быстро нагревает материал. Тепло не успевает распространиться так далеко, как это происходит при других методах сварки.

Универсальность: Лазерная сварка может использоваться для соединения широкого спектра материалов, включая металлы, пластики и даже некоторые виды керамики. Этот процесс также можно использовать для сварки разнородных материалов, что обычно невозможно при использовании других методов сварки.

Качество

В результате лазерной сварки получаются высококачественные швы с неизменными механическими свойствами. Если присадочный пруток не требуется, сварные швы обычно соответствуют свойствам соединяемых материалов с точки зрения прочности, долговечности и коррозионной стойкости. В сварных швах, как правило, отсутствуют такие дефекты, как пористость, включения и трещины.

Автоматизация

Лазерная сварка легко поддается автоматизации, обеспечивая крупносерийное производство и стабильное качество, к которому раньше можно было приблизиться только с помощью точечной сварки. Это особенно важно в автомобильной, аэрокосмической и электронной промышленности, где точность и повторяемость имеют ключевое значение.

Каковы ограничения лазерной сварки?

Основными ограничениями лазерной сварки являются:

Стоимость оборудования

Оборудование для лазерной сварки стоит дороже, чем оборудование для электрической или газовой сварки.

Безопасность

Лазеры могут быть опасными, поэтому они требуют тщательного управления и соблюдения правил безопасности для предотвращения ожогов или травм глаз.

Ограничения по материалам

Хотя лазерная сварка эффективна для широкого спектра материалов, многие пластмассы и керамика не поддаются сварке по термическим и химическим причинам.

Геометрия сварного шва

Лазерная сварка лучше всего подходит для тонких и точных заготовок с плотно прилегающими краями, к которым оптические головки могут легко приблизиться. В настоящее время она не очень хорошо приспособлена для тяжелых работ (например, судостроение).

Подготовка соединения

Этот процесс более требователен по отношению к загрязнениям, окислению поверхности и зазорам между деталями, чем традиционные процессы.

Подготовка кромок

Края материала должны быть плотно прилегающими и гладкими для достижения хороших результатов.

Обслуживание

Некоторые типы оборудования для лазерной сварки требуют интенсивного обслуживания и настройки, что увеличивает эксплуатационные расходы.

Стоит ли оборудование для лазерной сварки дороже, чем оборудование для лазерной резки?

На этот вопрос нет однозначного ответа. Такие факторы, как тип материала, толщина и производительность, могут влиять на стоимость и пригодность систем лазерной сварки и лазерной резки. Простые сравнения неинформативны, каждая ситуация должна оцениваться в отдельности.

Однако следует отметить, что небольшие лазерные резаки обычно имеют меньшую мощность и более простые системы управления, чем лазерные сварочные аппараты, что делает их приобретение менее дорогостоящим.

Не для всех видов лазерной резки требуются системы газового ассистирования, что позволяет отказаться от еще одной дорогостоящей системы.

Однако более крупные и мощные лазерные резаки имеют такую же или даже более высокую стоимость покупки, чем лазерные сварочные аппараты сопоставимой мощности.

Можно ли выполнять лазерную сварку без дополнительного защитного газа?

Это зависит от ситуации. Для большинства керамики и пластмасс влияние атмосферного окисления невелико, и защитным газом можно пренебречь. Для металлов требуется защитный газ, чтобы предотвратить окисление и ухудшение качества сварных швов. Ниже перечислены некоторые особенности защиты.

Азот не подходит в качестве защитного газа для алюминия, углеродистой стали и титана. Он увеличивает их хрупкость.

Гелий — отличный универсальный защитный газ, но его стоимость делает его непрактичным для многих задач.

Аргон — хороший компромисс, который подходит для большинства применений.

Какие меры предосторожности важны при лазерной сварке?

Применяются обычные меры предосторожности при сварке, но дополнительно следует учитывать вопросы защиты глаз.

Защита глаз

Высокоинтенсивные световые лучи могут быстро разрушить сетчатку глаза человека, поэтому подходящая защита глаз является обязательным условием.

СИЗ для горячих процессов

Как и все сварочные процессы, лазерные сварочные источники нагревают материал, который может обжечь кожу. Требуется соответствующее защитное снаряжение.

Вентиляция

Все сварочные процессы производят пары, которые могут быть вредны, поэтому вытяжка и вентиляция при лазерной сварке являются важными мерами предосторожности.

Обучение

Безопасная работа требует навыков и знания оборудования, поэтому правильное обучение просто необходимо.

Ограждение рабочего места

Лазерное излучение может повлиять не только на операторов, но и на посторонних людей. Примите меры предосторожности, чтобы оградить окружающих от риска.

Противопожарная защита

Держите рабочую зону свободной от горючих материалов, надевайте огнестойкие СИЗ и держите под рукой средства пожаротушения. Огнетушители должны быть проверены, иметь действующий срок годности и быть доступными.

Является ли лазерная сварка относительно быстрым процессом по сравнению с другими видами сварки?

Да, при правильной настройке и эксплуатации лазерная сварка является быстрой по сравнению с другими видами сварки.

В частности, при выполнении небольших и сложных работ, для которых она подходит лучше всего, лазерная сварка выполняется значительно быстрее, чем альтернативные методы. Отчасти это объясняется тем, что сами сварные швы требуют меньшей последующей обработки и очистки, чем после других видов сварки.

Является ли лазерная сварка контактным процессом?

Нет, лазерная сварка выполняется без непосредственного контакта оборудования с материалом. Луч должен пересечь небольшой промежуток между оптической головкой и заготовкой. Этот зазор является одним из настраиваемых параметров.

В чем разница между лазерной и традиционной сваркой?

Ниже перечислены основные различия между лазерной сваркой и традиционными методами сварки, такими как MIG, TIG, плазменная и газовая сварка:

Источник тепла

Традиционные методы сварки используют электрическую дугу, плазменную дугу или газовое пламя для расплавления материалов. Лазерная сварка использует когерентный световой луч для нагрева и создания сварных швов.

Качество сварного шва

Лазерная сварка более точна, контролируема и повторяема, чем традиционные методы, и при правильном выполнении обеспечивает более чистые и прочные сварные швы.

Скорость обработки

При правильном применении и настройке лазерная сварка выполняется быстрее, чем любой традиционный метод для получения сопоставимых по качеству сварных швов.

Совместимость материалов

Традиционная сварка ограничивается металлами, в то время как лазерная сварка, как было указано выше, также работает со многими типами пластиков, керамики и композитов.

Стоимость

Установка лазерной сварки обходится дороже, чем аналогичные традиционные методы. Эксплуатационные расходы аналогичны, и лазерная сварка лучше всего подходит для автоматизированных задач или тех, где требуется большая точность и большие объемы производства.

Вам необходимо оборудование для лазерной сварки?

Специалисты компании «ДельтаСвар» уже много лет занимаются оснащением производств оборудованием для разных видов сварки.

Мы готовы предоставить для вас решение, выгодное как с экономической, так и с технологической точки зрения, именно для вашей задачи.

Нужно сварочное оборудование? Позвоните нам по номеру +7 (343) 384-71-72 или напишите. Специалисты компании «ДельтаСвар» подберут подходящее сварочное оборудование и правильное решение для любой задачи!