Лазерная сварка металла: принцип работы, виды, возможные дефект

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.

Читайте также:

• С какой толщиной металла можно работать на аппарате лазерной сварки
• Как выбрать мощность аппарата лазерной сварки

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.

В статье подробно рассмотрели как работать на аппаратах лазерной сварки.

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.

Подробнее о видах швов при лазерной сварке читайте в статье.

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 сварки лазером

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.
• Точность. Траектория, по которой происходит сварка отличается наибольшей стабильностью. К тому же, шов получается небольшого размера, что делает его незаметным.
• Минимальное тепловое воздействие. Участки вокруг шва почти не нагреваются, что предотвращает их деформацию.

Недостатками технологии являются:

• Стоимость. Приобретение и обслуживание лазерного оборудования требует значительных финансовых вложений, поэтому его использование целесообразно только при массовом или серийном производстве. В статье сравнили выгоду от лазерной сварки и полуавтоматической.
• 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.