Лазерная сварка металлов и ее особенности

Для тонкого металла

Лазерная резка тонкого металла зачастую является единственным способом получить заготовку с заданными параметрами по точности соблюдения размеров и качеству поверхности.

Разрезание тонких листов механическими способами приводит к искривлению кромок, а тепловыми методами — еще и к тепловым деформациям.

Современное оборудование с программным управлением позволяет резать тонкий металл быстро, с высокой точностью и постоянной скоростью, не допуская перегрева и деформации материала. Гибкая настройка мощности луча, ширины луча и расстояния его фокусировки позволяют раскраивать без искажений даже фольгу.

Оборудование для лазерной сварки

Оборудование для лазерной сварки металлов может быть мобильным и компактным, но также возможно приобретение полноразмерных станков для сваривания крупногабаритных деталей.

К первой категории относятся следующие модели:

• ЛАТ-С — станок применяется для лазерной сварки и наплавки металлов. Установка обладает высокими мощностными характеристиками, благодаря которым удаётся добиться хороших показателей производительности оборудования. Станок «ЛАТ-С» может оснащаться автоматическими координатными столами, что позволит выполнять сварку сложных конструкций с высокой скоростью. Лазерный станок состоит из двух модулей. В первом модуле располагается источник питания, а также специальное охлаждающее лазер устройство. Второй модуль представляет собой подвижной каркас, на котором устанавливается лазерный излучатель. Оба модуля могут легко перемещаться благодаря установленным колёсам в основании. При стационарной работе станка для обеспечения его неподвижности колёса блокируются специальным механизмом.
• МУЛ-1 — малогабаритный станок для лазерной сварки и наплавки металлов. Возможна также пайка таких драгоценных металлов, как золото и серебро. Сварка ювелирных изделий при помощи данного устройства выполняется легко и с высокой точностью, поэтому станок «МУЛ-1» может быть эффективно использован для ремонта и изготовления ювелирных украшений. Благодаря тому, что удаётся сварить небольшие по размеру металлические части без чрезмерного их нагрева, данный аппарат лазерной резки может быть использован, когда необходима сварка оправ очков. Лазерный станок «МУЛ-1» удобен тем, что для его работы достаточно обычной домашней сети напряжением 220 В. При этом потребляемая мощность устройства, в зависимости от используемого режима, составит от 1,8 до 2,5 кВт.

ЛАТ-400 — станок используется для лазерной сварки крупногабаритных деталей. Данная система состоит из мощного твердотелого лазера, устройства питания и охлаждения. Благодаря большой мощности и производительности лазера удаётся выполнять даже сложные сварочные работы с высокой скоростью. Для подключения оборудования необходима трёхфазная сеть 380 В. Потребляемая мощность аппарата при пиковой нагрузке составит около 13 кВт. Установка лазерной сварки металлов «ЛАТ-400» оборудована механизированной системой, приводимой в движение двигателями постоянного тока. Благодаря такай конструкции удаётся легко перемещать лазерную головку в трёх плоскостях.

Для ручной лазерной сварки металлов используются следующие устройства:

• WELD-WF — портативный лазерный сварочный аппарат, который отлично подходит для выполнения работ в труднодоступных местах. Устройство состоит из манипулятора, который соединяется с волокном. По волокну передаётся сгенерированное лазерное излучение. Благодаря наличию обратной связи удаётся, при использовании аппарата » WELD-WF», получить более качественный шов, чем при использовании оборудования не оснащённого такими дополнительными опциями. Аппарат подключается к сети 220 В и имеет мощность всего 1,5 кВт, поэтому его можно будет использовать практически в любом электрифицированном помещении. Ручной аппарат лазерной сварки по металлу отлично подходит для выполнения различных ремонтных работ, когда демонтаж конструкций затруднителен либо занимает слишком много времени.
• CLW120 — ручной лазерный сварочный аппарат небольшой мощности, который идеально подходит для выполнения работ ювелирной точности. Точечная лазерная сварка также может быть выполнена с помощью данного устройства. Применяется аппарат для сварки цветных и чёрных металлов, нержавеющей стали и титановых сплавов. Аппарат предназначен для работы от сети 220 В. Мощность устройства — 10 кВт, поэтому в домашних условиях использовать «CLW120» можно только подключив напрямую к электрическому щитку.

Практически все перечисленные аппараты как промышленного применения, так и ручного имеют бинокуляр, который позволяет защитить зрение от вредного воздействия лазерного луча, и одновременно с этим увеличить в несколько раз объект пайки или сварки для выполнения качественной и точной работы. Купить аппарат лазерной сварки не составит большого труда. Специализированные магазины предоставляют возможность приобрести или заказать необходимый станок или аппарат лазерной сварки, а на различных интернет-площадках осуществить покупку можно в один клик.

Технология сварки лазером

Основными технологическими параметрами процесса считается качество лазерного луча. Оно определяется:

1. Когерентностью — взаимосвязанностью фаз теплового поля луча лазера в различных точках.
2. Монохроматичностью — чрезвычайно малой шириной спектральных линий, излучаемых источником.
3. Направленностью — отсутствием рассеивания луча при его движении от источника к свариваемому объекту.

По совокупности этих параметров лазерный луч превышает электронный, обеспечивая точное размерное плавление и испарение металлов в зоне сварки. Одновременно достигаются и определенные технологические преимущества. В частности, источник может находиться на расстоянии от места сваривания, а наличия вакуумной среды в зоне лазерной сварки не требуется.

При соединении деталей с использованием луча лазера последовательно происходит следующее. Подготовленные к соединению изделия плотно присоединяются друг к другу вдоль линии будущего сварного шва. Затем на место стыка наводится лазерный луч. При включении генератора начинается нагрев, размерное плавлении и испарение частиц на кромках. Поскольку сечение лазерного луча крайне мало, то расплавляемый металл заполняет собой все микронеровности и дефекты деталей, которые попадают в зону действия лазера. Поэтому плотность сварного шва — наибольшая, а пористость и прочие дефекты, присущие традиционным способам неразъемных соединений, отсутствуют. Ввиду высокой скорости перемещения лазерного луча по соединяемым поверхностям, окисления металла в ходе такой процесса не происходит.

В соответствии с ГОСТ 19521 для лазерной сварки металла используется оборудование двух типов — твердотельное и газовое. Оборудование для лазерной сварки с использованием газовой струи отличается повышенной мощностью излучения и могут работать как в непрерывном, так и в импульсном режимах. Нагрев газов, возникающих в процессе работы лазерного луча, обеспечивает чрезвычайно высокую концентрацию тепловой мощности в зоне сварки. Поэтому такими установками можно сваривать изделия толщиной до 15-20 мм. Твердотельные лазеры более компактны. Излучение в них активирует стеклянный стержень, который находится в камере, освещаемой лампой накачки. Лампа работает единичными импульсами — вспышками, поэтому твердотельные лазеры в непрерывном режиме не функционируют.

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.

Плюсы и минусы

Типы лазеров

При сваривании металлов применяют лазеры двух типов:

• твердотельные;
• газовые.

Тот или иной тип лазера подбирается в зависимости от цели использования оборудования.

Твердотельный

В данном случае активным телом выступает рубиновый стержень со стеклом и примесью неодима или же алюмо-иттриевого граната, который легирован неодимом или иттербием. Стержень располагается в осветительной камере. Чтобы возбудить атомы активного тела, применяют лампу накачки, которая создает мощные световые вспышки.

На торцах активного тела находятся два зеркала:

• частично прозрачное;
• отражающее.

Лазерный луч будет выходить сквозь частично прозрачное зеркало, заранее оно многократно отражается в рубиновом стержне и усиливается. Твердотельные лазеры не слишком мощны, их мощность составляет от 1 до 6 кВт.

С помощью данных лазеров свариваются только мелкие и не толстые детали, чаще всего — это объекты микроэлектроники, например, тонкие проволочные выводы с диаметром 0,01−0,1 мм на основе нихрома, золота или тантала. Допускается и точечная сварка изделий на основе фольги с диаметром точки порядка 0,5−0,9 мм. Таким же способом выполняется герметичный катодный шов на кинескопах современных телевизоров.

Катод — это трубка с длиной в 2 мм, диаметром 1,8 мм и толщиной стенки 0,04 мм. К такой трубке приваривают дно толщиной в 0,12 мм на основе хромоникелевого сплава. Такие мелкие изделия варят благодаря высокой степени фокусировки луча, а также точной дозировке энергии посредством регулирования длительности импульса в определенных рамках.

Газовый

Газовые лазеры — более мощные, активным телом в них выступает газовая смесь. Газ прокачивается из баллонов с помощью насоса посредством газоразрядной трубы. Энергетическое возбуждение газа происходит за счет электрического разряда между электродами. По торцам газоразрядной трубы находятся зеркала. Электроды подключают к источнику питания, а сам лазер охлаждается с помощью водяной системы.

Основной минус оборудования с продольной прокачкой газа — это его габариты. А вот лазеры с поперечной прокачкой газа более компактные. Общая мощность может составлять от 20 кВт и больше, благодаря чему можно соединять металлы с толщиной до 20 мм на большой скорости — порядка 60 м/ч.

Самые мощные конструкции — газодинамические. В них для работы применяют газы, которые нагреваются до температуры от 1000 до 3000 К. Газ в них быстро истекает через сопло Лавля, в итоге происходит адиабатическое расширение, а затем газ охлаждается в зоне резонатора. При охлаждении возбужденные молекулы переходят на более низкий энергетический уровень, при этом испускается когерентное излучение. Накачка может происходить с применением другого лазера или прочих мощных энергетических источников. Мощные конструкции позволяют сваривать на скорости около 200 м/ч стали толщиной в 35 мм.

Сварка с помощью лазера осуществляется в атмосферных условиях, вакуум создавать не нужно, нужно при этом защищать от воздуха расплавленный металл. Обычно используются газы, например, аргон. Процесс характеризуется тем, что из-за высокой тепловой мощности луча на поверхности свариваемого изделия металл интенсивно испаряется. Пары ионизируются, вследствие чего луч рассеивается и экранизируется.

Поэтому в условиях применения высокомощного оборудования в зону сварки, кроме защитного газа, также подают и плазмоподавляющий газ. Им обычно выступает гелий, который намного легче аргона и не будет рассеивать луч. Чтобы упростить процесс нужно, использовать специальные газовые смеси, обладающие плазмоподавляющей и защитной функцией. В таком случае горелка должна подавать газ так, чтобы он мог сдувать ионизированный пар.

Во время работы луч медленно углубляется в деталь и оттесняет жидкий металл сварочной ванны на заднюю стенку кратера. Это обеспечивает «кинжальное» проплавление при условии большой глубины и малой ширине шва.

Большая концентрация энергии в луче позволяет достичь высокой скорости работы, а также обеспечивает хороший термический цикл и высокую прочность металла шва.

https://youtube.com/watch?v=u1GKNo9wa1w

Применение сварки лазером

Различие лазерной пайки и лазерной сварки.

Лазерные сварочные аппараты используются все чаще из-за качества, экологичности и скорости процесса.

Аппарат для лазерной сварки применяется:

Для соединения стали. Такая сварка стали обеспечивает высокую прочность соединений, аккуратность швов, минимизацию коррозий, высокую скорость охлаждения. Перед началом сваривания конструкций необходимо подготовить кромки деталей: очистить от ржавчины окалины и удалить влагу. Подгоняют детали и части конструкции под сварку с наибольшей точностью. Как защитный газ используют чистый гелий или его смесь с аргоном.
Для спайки металлических конструкций. Лазерная осуществляется с глубоким проплавлением. Важным приемом для этого является применение присадочного материала, что обеспечивает возможность регулировать состав шва, а также снизить требования к точности сборки частей конструкции под спайку. Особенность в том, что используется присадочная проволока в диаметре до 1 мм и правильная подача ее при помощи специальных механизмов под лазерное излучение. Если работать со скоростью 25-30 мм/с, то снижается количество деформаций, по сравнению с дуговой спайкой металлов. Основные достоинства соединения металла с глубоким проплавлением – мощное излучение, необходимая скорость сварки. Такое сильное излучение увеличивает способность проплавлять и формировать качественный шов

Обратите внимание, что лазерное излучение в диаметре должно быть от 0.5 до 1 мм. Если луч меньше указанного диаметра, это может привести к перегреву металла шва, частичному испарению его и образованию дефектов

Если же луч более 1 мм, то эффективность снижается в несколько раз, что может привести к преломлению шва.
Для ремонта очков. Лазерная сварка очков – оптимальный способ починить оправы из различных металлов и сплавов. Место соединения получается крепким и однородным благодаря тому, что в сварке не используется припой. Процедура ремонта длится не более 20 минут, шов не загрязнен частицами припоя или электродов, а в месте соединения остается небольшой шов, который незаметен после шлифовки. Для ремонта очков необходимо выбрать правильное оборудование с нужной мощностью, так как маломощные лазеры не могут пропаять материалы с высокой теплопроводностью.
Для ремонта ювелирных изделий. Лазерная пайка предоставляет возможность ремонта серебряных и золотых изделий максимально аккуратно, без деформации. Украшение не нагревается полностью при проведении работы, а только частично, в местах, которые необходимо соединить. Еще один плюс в том, что не нужно извлекать драгоценные камни из изделия, ведь при использовании лазерного излучения не нарушится целостность украшения.
Для соединения алюминиевых, магниевых и титановых сплавов. выбираются для обеспечения нужной геометрии шва, предотвращения формирования холодных трещин и создания хорошего шва.

Обзор производителей

Справка по давлению. Виды давления. Единицы измерения. Конвектор величин давления. Общие данные о манометрах. Калькуляторы давления.

Особенности лазерной сварки металлов

Среди распространённых источников энергии, применяемых для сварки, лазерное излучение обладает наиболее высокой степенью концентрации энергии в отдельном небольшом участке. Лазерное излучение по концентрации превосходит другие источники теплоты в десятки раз. Такие высокие показатели концентрации определяются уникальными характеристиками лазерного луча, прежде всего, его монохроматичностью и когерентностью.

Электронно-лучевая сварка, также как и лазерная, тоже обеспечивает высокую концентрацию энергии, но преимущество последней заключается в том, что для неё не требуется специальных вакуумных камер. Лазерную сварку можно проводить как на воздухе, так и в среде защитных газов. Это сварка в среде аргона, гелия, либо сварка в среде углекислого газа СО2 и других. Этот вид сварки подходит для соединения заготовок любых габаритов.

Благодаря когерентности и монохроматичности лазерного луча, он обладает малой расходимостью, что позволяет достичь высокой степени фокусировки энергии большой величины на малом участке. В результате этого, на свариваемых поверхностях происходит локальное нагревание, обеспечивающее высокую скорость нагрева и охлаждения. Эти параметры оказываются гораздо выше, чем при других способах дуговой сварки.

Другими особенностями лазерной сварки являются малый объём расплавленного металла и малые размеры зоны термического влияния, а также эффективное расплавление металла на больших скоростях сварки, порядка 20-40 мм/с, что обеспечивает высокую производительность.

Технология

Физические характеристики

Лазерная сварка металлов отличается от других видов сварочных технологий высокой плотностью энергии в пятне нагрева — до 1 МВт на кв.см. Это обеспечивает высокую скорость разогрева и охлаждения зоны сварного шва, что значительно уменьшает тепловое воздействие на околошовную зону. Поэтому сварочный процесс не вызывает структурных изменений материала, приводящих к разупрочнению, деформации и образованию трещин.

Размер пятна фокусировки промышленной установки может изменяться в пределах от 0,2 до 13 мм. Глубина проплавления материала прямо пропорциональна энергии излучения лазера, но также зависит от расположения фокальной плоскости луча. Во время сварочной операции зона расплавленного материала перемешается по заданной траектории вместе лазерным лучом, создавая по линии движения сварной шов. Он получается узким и глубоким, поэтому по своей форме принципиально отличается от сварных швов других сварочных технологий.

Виды и режимы лазерной сварки

Технология лазерной сварки включает два вида сварочного соединения: точечное и шовное. При этом промышленные установки могут генерировать два типа лазерного излучения: непрерывное и импульсное. При точечном соединении обычно применяют только импульсное излучение, а при шовном — как непрерывное, так и импульсное. Во втором случае сварной шов образуется путем перекрытия зон импульсного нагрева, поэтому скорость сварки зависит от частоты импульсов. Точечную сварку обычно применяют для соединения тонких металлических деталей, а шовную – для формирования глубоких сварных швов.

Гибридная лазерная сварка относится к сварочным технологиям, при проведении которых применяют присадочные материалы. В этом случае сварочное оборудование дополняется механизмами подачи проволоки, ленты или порошка. Присадочные материалы подаются в зону плавления синхронно с движением сварочной головки, а их толщина соответствует ширине сварного шва и диаметру пятна.

Технологические особенности

Скорость перемещения и энергетические режимы сварочного процесса зависят от ширины сварного шва, а также от вида и толщины свариваемых материалов. Например, стальные листы толщиной 20 мм свариваются газовым лазером со скоростью несколько сот метров в час. Этот показатель на порядок выше предельных характеристик электродуговой сварки.

Лазерная технология особенно эффективна при работе с легированными сталями, чугуном, титаном, медью, медными сплавами, термопластами, стеклом и керамикой. Высокая плотность энергии в пятне нагрева разрушает поверхностные окисные пленки, препятствуя образованию новых окислов. Это позволяет сваривать лазерным лучом титан, алюминий и нержавеющую сталь, не применяя флюсы или защитной среды инертных газов.

Особенностью сварки лазером тонкостенных металлов является очень высокая плотность энергии в сварочной ванне объемом в доли кубического миллиметра. Поэтому сваривание листовых материалов толщиной 0.05-1.0 мм ведется с расфокусировкой лазерного луча. Такой режим снижает КПД сварочного процесса, но при этом исключает сквозное прожигание заготовки.

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.