Как работает лазерная сварка

Технология лазерной сварки позволяет соединять детали из различных материалов с помощью лазерного луча. Действие оборудования основано на том, что лазер высокой плотности передается через оптический кабель на поверхность заготовки и фокусируется с помощью линз. Этот процесс требует точного контроля параметров воздействия лазера, а именно — мощности и фокусного расстояния. Соблюдение нужных параметров обеспечивает качественный сварной шов.

Метод используют для высокоточной сварки элементов со сложной конфигурацией, а также микро- и крупногабаритных изделий разной толщины из оцинкованной, нержавеющей и углеродистой стали, алюминия и других цветных металлов. Также автоматизация производства позволяет сократить участие людей в выполнении задач и снизить человеческий фактор, связанный с риском получения бракованных объектов.

С какими материалами можно работать лазерной сваркой

Сталь

Оборудование эффективно соединяет углеродистую, оцинкованную и нержавеющую сталь. Однако при сварке деталей из стали с высокой углеродистостью нужно быть осторожным, поскольку на материале могут образоваться поры и окисление.

Алюминий и его сплавы

Материалы отличаются высоким коэффициентом отражения, теплоемкости и теплопроводности, поэтому требуют внимательной и тщательной настройки параметров оборудования. Выбор мощности и скорости движения лазера зависит от толщины деталей. Например, для заготовки в 1-5 мм подойдет источник на 2-3 кВт.

Титановые сплавы

Высокая теплопроводность титана обеспечивает равномерное распределение тепла по всей области соединения, что предотвращает перегрев отдельных участков детали. Для получения чистых и высококачественных сварных швов с минимальным термическим повреждением необходима мощность лазерного источника в диапазоне от 1,5 до 2,5 кВт. Главные сложности сварки титана связаны с высокой температурой плавления и проявлением активной химической реакции с кислородом, азотом и водородом при нагреве материала.

Сплавы меди

Повышенная теплопроводность и отражательная способность материалов затрудняют процесс классических методов сварки. Оптоволоконный лазерный излучатель мощностью более 2 кВт эффективно и качественно соединяет заготовки из меди и ее сплавов. А для увеличения их свариваемости используют различные присадочные материалы.

Сферы применения лазерной сварки

Автомобилестроение

В автомобильной промышленности лазерную сварку применяют для соединения различных металлических деталей: кузова, рамы и элементов подвески. Высокая точность и быстрая скорость оборудования создают прочные швы, что особенно важно для безопасности автомобилей. Оборудование также активно используют для сварки элементов шасси, дверей и крыш и при очистке выхлопных систем, порогов и кузова от ржавчины и въевшейся грязи.

Авиапромышленность

Лазерное оборудование помогает изготавливать качественные конструкции самолетов и других объектов воздушного транспорта. В этом процессе необходимы высокая прочность и минимальная деформация материала, а сварка быстро и четко соединяет изделия из легких сплавов, например, титана и алюминия. Это снижает вес изделия и, соответственно, расход топлива в движении. Высокая точность и небольшая зона термического воздействия лазерной техники упрощают строительные процессы и минимизируют вероятность получения брака.

Рекламное производство

В области изготовления наружной и интерьерной рекламы лазерное оборудования используется при создании различных конструкций: световых коробов, объемных букв, металлических табличек и других изделий. Встроенные функции резки и сварки используют для создания аккуратных элементов нестандартных форм и любой сложности. Технологии позволяют оказывать минимальное воздействие на материал и минимизировать вероятность брака.

Энергетика

В этой отрасли лазерная сварка необходима при изготовлении теплообменников, трубопроводов, турбин и генераторов. Технология позволяет создавать надежные и долговечные соединения, устойчивые к экстремальным температурным и механическим нагрузкам, которые характерны для энергетических установок. Также лазерное оборудование используют для сборки элементов солнечных панелей, ветряных мельниц и прочих возобновляемых источников энергии.

Кроме этого, методы лазерной сварки применяют в судостроении, металлургии, строительстве, мебельном производстве и изготовлении светового оборудования.

Как работает лазерная сварка

Процесс лазерной сварки включает следующие этапы:

• Фокусировка лазера. Сначала луч направляется на рабочую поверхность с помощью элементов оптической системы (линзы и зеркал), чтобы достичь высокой плотности энергии на малой площади. Максимальная плотность энергии в пятне нагрева составляет до 1 МВт на см2, что обеспечивает мгновенный разогрев и быстрое охлаждение сварного шва, а также сокращает тепловое воздействие на материал.
• Плавление материала. Лазерный луч вызывает локальное плавление металлической поверхности, что создает расплавленную зону. Важно, чтобы температура не была слишком высокой, чтобы избежать чрезмерного испарения материала или перегрева.
• Формирование шва. После воздействия луча расплавленный металл застывает и постепенно затвердевает, образуя сварной шов. При охлаждении молекулы металла способствуют образованию прочных соединений с минимальной деформацией материала.

Виды и режимы лазерной сварки

По виду конечного соединения лазерная сварка может быть шовной и точечной, а создают их установки с непрерывными и импульсными лучами. Оборудование, способное генерировать непрерывные лучи, часто применяется в промышленности, поскольку может создавать как шовные, так и точечные сварные швы. С помощью импульсного излучения можно добиться только точечного соединения, поэтому такие станки используют для ручных работ или при сварке тонких металлических элементов. А шовная технология зачастую реализуется аппаратным методом и используется для формирования глубоких сварных соединений.

По типу оборудования и используемых материалов лазерная сварка разделяется на твердотельную, газову и гибридную.

Твердотельная

Активный элемент твердотельных лазеров — рубиновый или неодимовый стержень, расположенный в осветительной камере. Материалы и кристаллы используются в качестве активной среды для генерации излучения, а активизирует их световой поток криптоновых светильников повышенной мощности. Это оборудование, как правило, не слишком мощное — показатель варьируется от 1 до 6 кВт, поэтому его применяют при соединении небольших элементов малой толщины или для точечной сварки.

Газовая

В газовых аппаратах активной средой для генерации лазерного излучения являются азотный, гелиевый и углекислый газ. Использование смесей позволяет получить луч с длиной волны около 10,6 мкм. Вещества попадают в рабочую область под определенным давлением, а активизируются с помощью электрического разряда. Такой лазер имеет высокую проникающую способность, поэтому подходит для работы с большими мощностями (15-20 кВт и выше) и сваривания металлических изделий толщиной до 2 см при скорости 1 метр в минуту. Однако главным недостатком оборудования являются крупные габариты.

Гибридная

Технология сочетает два метода сварки: лазерную и дуговую, где появляется дополнительный источник тепла в виде металлического электрода в активном или в инертном газе. Наличие дугового разряда позволяет сваривать более толстые материалы, например, высокопрочную сталь за счет компенсации недостатка тепловой мощности, возникающего в других методах.

Условия и методы лазерной сварки

На результаты процесса влияет несколько факторов: тип лазера, настройки системы и характеристики материалов, а также положение и толщина свариваемых элементов. Точная позиция сфокусированного волоконного излучения гарантирует высокую мощность лазерного луча, а глубина шва подразделяется на сквозную, предельную и поверхностную. При этом сила воздействия и скорость перемещения лазера зависят от размера шва и типа и толщины материала. Например, чтобы обработать элементы из легированной стали, необходима высокая мощность светового потока для уничтожения окисной пленки на поверхности. А вот изделия из титана, вольфрама и алюминия сваривают без присадок и защиты инертными газами. При соединении тонких металлических листов важно предотвратить сквозное выжигание с помощью расфокусировки луча.

Лазерная сварка может осуществляться двумя методами:

• внахлест — зазор между металлическими листами, наложенными друг на друга, не должен превышать 0,2 мм;
• встык — сварка узких и длинных конструкций происходит по краю, а шов защищают от окисления за счет использования азота или аргона.

Дефекты при неправильной сварке

Перед началом работы оператор должен правильно настроить параметры сварочного аппарата, исходя из типа обрабатываемого материала. При несоблюдении правил и технологий соединения заготовок могут возникнуть следующие дефекты:

• Неполное сплавление. В этом случае основной и присадочный материалы расплавляются не до конца и соединяются между собой, что создает шов низкой прочности и целостности. К причинам такого результата относят недостаток тепла или скорости и неправильное расположение фокуса.
• Пористость. Явление предполагает образование небольших пустот или газовых карманов внутри сварного соединения. Поры ослабляют качество шва и его устойчивость к коррозии и механическим нагрузкам. Чтобы предотвратить дефект, необходимо правильно очистить заготовку и выбрать защитный газ и подходящие параметры оборудования.
• Растрескивание. Чрезмерный нагрев, быстрое охлаждение и неправильная конструкция шва могут нарушить целостность сварного соединения, что приведет к повреждению заготовки.

Технология бесшовной сварки металлов

Метод можно реализовать при соединении любых металлических поверхностей. Бесшовная сварка исключает необходимость в дополнительной обработке деталей после завершения операций, а также повышает прочность швов в связи с равномерным перемешиванием обрабатываемых материалов. Процесс универсален и подходит для нержавеющей стали, алюминия, титана, меди, латуни и никелевых сплавов, поэтому может применяться во многих сферах деятельности: от промышленного производства до бытовых задач.

Как сваривать тонкостенные изделия

Для качественного соединения тонкостенных деталей важно учитывать их уникальные особенности, связанные со спецификой материалов.

• Во-первых, изделия имеют повышенную чувствительность к чрезмерному воздействию тепла и больше подвержены деформации.
• Во-вторых, нужно обеспечить полное проникновение лазера в шов для надлежащего провара, так как толщина заготовки ограничена.
• В-третьих, необходимо следить за динамикой сварочной ванны. Контроль за быстрыми циклами нагрева и охлаждения гарантирует чрезмерное вытекание расплавленной массы, что снижает качество сварного соединения.

Преимущества и недостатки технологии

Среди основных достоинств лазерной сварки выделяют:

• Универсальность. Оборудование позволяет работать с изделиями из углеродистой, высокопрочной, нержавеющей и легированной стали, чугуна, титана, латуни, серебра и термопласты, а также с заготовками из соединений разнородных материалов.
• Производительность. Технологический процесс осуществляется за один подход, что позволяет предпринимателям сократить время на изготовление деталей и значительно ускорить деятельность. Так, сварка металлического листа в 20 мм происходит со скоростью 100 метров в час.
• Функциональность. С помощью лазерной сварки можно получить сварные швы даже на изделии нестандартной формы или на небольшом расстоянии заготовки от лазера благодаря системе зеркал, которые управляют лучом и меняют его направление при необходимости.
• Безопасность. При работе оборудование не выделяет ультрафиолет, опасные продукты горения или токсичные газы, которые наносят вред здоровью человека или окружающей среде. Поэтому работники могут находиться рядом во время процесса и не использовать перчатки.

Недостатками технологии являются:

• Стоимость. Приобретение и обслуживание лазерного оборудования требует значительных финансовых вложений, поэтому его использование целесообразно только при массовом или серийном производстве.
• Квалификация. Работу с лазерными установками может вести персонал, обладающий теоретическими знаниями и опытом, а поиск специалистов бывает долгим и затруднительным.

Популярные модели

SUP23T Raycus на 1500 Вт

Многофункциональный высокоточный станок предназначен для для работ с низкоуглеродистым, легированным, нержавеющим, разнородным и оцинкованным металлом, а также алюминием, медью и другими сплавами толщиной от 2 до 6 мм. Оборудование имеет волоконный лазер, охладительную установку и механизм подачи сварочной проволоки.

SUP23T Raycus на 3000 Вт

Аппарат объединяет функции сварки, резки и очистки швов изделий классической или нестандартной формы из различных материалов. Это отличная альтернатива для замены традиционной аргонодуговой электросварки, выполняющей механическую очистку и резку. Также оборудование эффективно убирает ржавчину, имеет длительный срок службы и оказывает минимальное термическое воздействие на поверхность.

SUP23T Raycus на 500-2000 Вт

Станок обладает широкой областью применения, а наличие ручного режима работы позволяет выполнять сварку любых нестандартных изделий из металла и сплавов. Встроенная функция лазерной очистки гарантирует быстрое удаление минеральных и органических загрязнений, а технология резки обеспечивает работу в ручном режиме и быстрое раскраивание материала.