Лазерная сварка металла

Что такое лазерная сварка? Принцип работы

Процесс высокотемпературной сварки подразумевает соединение нескольких деталей посредством локального плавления (сваривания) материала по примыкающим поверхностям. Лазерный луч направлен на систему фокусирующих линз и фокусируется в пучок — источник нагрева. Показатель его плотности мощности составляет 105 — 107 Вт/см². Аппарат лазерной сварки нагревает и расплавляет металл, формируя шов за счет кристаллизации веществ. Отсутствие перегрева позволяет материалам не деформироваться и сохранять геометрию.

Волоконную сварку производят полным или частичным проплавлением поверхностей с помощью постоянного излучения. При меньшей толщине от 0.5 до 1.0 мм луч расфокусируют для получения герметичного шва.

Для сварки активно используют воблинг шов. Данный тип шва можно получить с применением сварочной головы со сканатором. В качестве присадочного материала используется проволока толщиной 1,5 мм, что позволяет увеличить сечение сварного шва. Подача проволоки осуществляется на автоподатчиках с возможность регулировки скорости подачи.

Лазерную сварку можно разделить на три вида:

• микросварка (глубина проплавки до 100 мкм);
• мини-сварка (от 0,1 до 1 мм);
• макросварка (более 1 мм).

Оборудование

Аппараты, предназначенные для сварочных работ, могут иметь различные характеристики выполняемых ими операций и внешние параметры. Лазерная сварочная установка бывает исполнена в формате мини или занимает довольно большое пространство. Каждый аппарат имеет в своём составе основные компоненты:

• генератор лазера;
• устройство для передачи лазерного излучения;
• блок сварочной головки, снабжённый линзой фокусирования;
• блок, отвечающий за фокусирование лазерного луча;
• зеркальная система, выполняющая роль резонатора;
• система, приводящая в движение саму заготовку и лазерную сварочную головку;
• программный блок управления аппаратом;
• блок электропитания;
• устройство охлаждения;

В настоящее время существует три типа лазерного оборудования для выполнения сварки.

Твердотельное

Это самая серьёзная аппаратура, которая работает в диапазоне мощности от нескольких десятков до нескольких тысяч ватт. Суть технологии этого сварочного устройства заключается в следующем:

• в качестве источника лазерного излучения используется стержень прозрачного вида, сделанный из натурального рубина либо иттриевого граната, который для прочности легируют неодимовым компонентом;
• твёрдый стержень заключён в специальном блоке;
• вспышка специальной лампы генерирует излучение, которое передаётся стержневому элементу.

Газовое

Данный тип сварочного лазерного оборудования считается наиболее высокопроизводительным. Установка выполняет сварочные работы под защитой газов. Мощность таких аппаратов колеблется от десятков до тысяч киловатт. Принцип работы устройства состоит в следующем:

• в качестве излучателя лазерного пучка применяется трубка из прозрачного материала, которая содержит внутри себя газовую смесь, состоящую из гелия, азота, кислорода с углекислотой;
• газовая смесь находится в трубке под давлением, и при подаче электрического импульса в виде разряда излучатель приходит в активное состояние;
• под действием электрического разряда, исходящего одновременно от нескольких электродов, гелий и азот сообщают свою энергию углекислому газу, и в результате получается лазерный импульс;
• лазерный импульс с помощью отражения в множественных зеркалах многократно усиливается и через оптическую систему выходит в область своего применения при сварке.

Гибридное

Этот тип лазерной сварки основан на применении сочетания электрической дуги и мощного луча энергии. Дуговая методика применяется с целью выполнения ровных швов. Достоинством подобных лазерных аппаратов считается хорошее соединение любых материалов без предварительного цикла подготовительных работ. Энергетический луч в сочетании с электрической дугой может выполнять в автоматическом режиме на больших скоростях сварку толстостенных заготовок, проявляя при этом низкий уровень теплообмена. Готовый сварочный шов при такой процедуре отличается точностью и надёжностью.

Используемое оборудование и процесс сварки

Установки, позволяющие варить лучом усиленного света, независимо от размеров оборудования, бывают двух типов: твердотельные и с использованием газа. Их принцип работы с металлом похож, но отличаются способы преобразования света в энергию. Разнятся они и по КПД, что влияет на их применение в жизни.

Твердотельные установки

На видео можно заметить, что одни аппараты варят лазером беспрерывно, а другие импульсно. Первый вид сварки выполняется устройствами, в основе которых находится твердый стержень. Часто используют розовый рубин. При пропуске света через который ионы высвобождают свой запас энергии. Концы стержня напыляются серебром, которое активно отражает свет. В результате такого зеркального эффекта ионы направляются по спирали, вокруг стержня. Их движение закручивается и к нему продолжают подключаться новые ионы. Преобразованный свет с усиленной энергией проходит через ряд стекол и фокусируется линзой в пучок. Головка аппарата направляет этот луч на свариваемые поверхности. Подача лазера ведется непрерывно, что позволяет сваривать тонкие элементы. Но для соединения более толстых деталей требуется концентрация энергии. Поэтому были изобретены другие установки.

Газовые аппараты

Для сварки лазером, где требуется глубокая проплавка, разработали альтернативный способ преобразования света. Первоначальным источником в них служит трубка с газом. С каждой стороны резервуар закрыт зеркалами. Находящиеся внутри электроды производят разряд, который высвобождает электроны в газе. Происходит копирование фотонов с усилением энергии атомов. Линзы направляют поток света на изделие. Подача напряжения импульсом содействует максимальной концентрации энергии на выходе. Благодаря этому возможна сварка металлов толщиной до 10 мм.

Гибридные установки

Чтобы проводить сваривание толстых деталей и изделий с зазором, требуется дополнительный присадочный материал. Для этого используют подачу проволоки, которая зажигает электрическую дугу. Это позволяет заполнить пространство между пластинами и создать высокий сварочный шов. Ванна защищается обдувом инертного газа через закрепленное рядом с лазерной головкой сопло. На видео заметно, что процесс осуществляется очень слажено: проволока плавится по линии соединения, а лазер формирует из нее шов.

Сварка лазерными установками выполняется на столе или подставках от аппарата, в следующей последовательности:

металл важно очистить от окалин, масла или воды;
детали необходимо подогнать в стык плотно;
выполняется химическое травление металла;
головка аппарата подносится к линии начала соединения и запускается кнопка;
требуется постоянное слежение за попаданием луча в зону стыка.

Сваривание усиленной и преобразованной световой энергией позволяет получать прочные и красивые швы, что особенно важно на тонких металлических изделиях. При этом обеспечивается высокая скорость работы и безопасность сварщика. Именно поэтому данный вид сварки получил широкое применение в промышленности и ремонтных мастерских

Именно поэтому данный вид сварки получил широкое применение в промышленности и ремонтных мастерских.

Область применения

Лазерная сварка металлов, в частности нержавеющих сталей, применяется на крупных производствах. Из-за своей сложности, технология оказывается не самой востребованной в широком применении. Но когда нужно работать с тонкими листами и прочими сложными вещами, то здесь лазерная установка будет весьма кстати. Лазерная сварка нержавейки применяется практически для всех марок данного металла и его сплавов. Уникальная методика обеспечивает хорошее качество даже при соединении его с другими разновидностями. Производство нержавеющих корпусов, мелких деталей и прочих вещей нередко использует лазерные установки для сварки.

Виды лазеров

Лазерная сварка алюминиевых сплавов, меди, нержавейки и других металлов, материалов может осуществляться разными лазерами. Устройства бывают твердотельного и газового вида. Каждый тип выбирается в соответствии с целью применения оборудования. Но при этом не стоит забывать про важные характеристики каждого вида.

Твердотельный

Лазерная сварка меди, алюминия, нержавейки, серебра, пластмассы и даже стекла осуществляется твердотельным лазером. Для нее необходим главный компонент — рубиновый стержень, также он может быть выполнен из стекла с неодимом. Обычно этот элемент находится внутри осветительной камеры.

В момент, когда в камеру с определенной частотой подается свет с большой мощностью, в кристалле в этот момент возникает возбуждение атомов. Все это приводит к излучению света, которое имеет волны с одинаковой длиной. Торцевые части стержневого элемента состоят их отражающих зеркал. Одно из них является частично прозрачным. Через него выходит энергия в виде лазерного излучения.

Стоит отметить! Лазеры твердотельного вида имеют небольшую мощность. Этот показатель может варьироваться от 1 до 6 кВт.

Газовый

Лазеры газового типа считаются более мощными и производительными устройствами, в который в качестве активного тела выступает газовая смесь. Однако лазерная сварка титана, меди, алюминия, нержавейки, которая проводится с использованием данных приборов, имеет важные особенности:

1. Прокачивание газа из баллонов производится насосом. Для этого применяется газоразрядная труба.
2. Между электродами возникает разряд электрического тока, который вызывает энергетическое возбуждение газовой смеси.
3. В торцевых зонах газоразрядной трубы имеются специальные зеркала, через которые пропускаются лучи лазера.
4. При выполнении лазерной сварки оправ, кузова автомобиля и других изделий электроды соединяются с источником питания.
5. Процесс охлаждения лазерных устройств проводится водяной системой.

Но все же у газовых устройств имеется существенный недостаток — большие габариты. А вот лазерные агрегаты, имеющие поперечную прокачку газа, обладают небольшими размерами. Общие мощностные показатели оборудования начинаются от 20 кВт и выше. Благодаря этому может производиться сваривание металлов с толщиной до 2 см на скорости до 60 метров в час.

Лазерная сварка серебра, меди, алюминия, титана, нержавейки и других металлов производится в атмосферных условиях. Для нее необходим вакуум, но при этом должна быть защита расплавленного металла от влияния воздуха. Для этого используются газы, обычно аргон. В связи тем, что наблюдается высокая тепловая мощность луча на поверхности свариваемого элемента, происходит усиленное испарение металла. Пары ионизируются, в результате этого возникает рассеивание и экранизация лазерного луча.

Лазерная сварка стекла, пластмасс и изделий из разных металлов, во время которой применяются газовые смеси, характеризуется тем, что в область сваривания помимо защитного газа проникает плазмоподавляющий газ. В качестве него применяется гелий, который намного легче аргона, он не будет рассеивать лазерный луч. Для упрощения процесса многие опытные сварщики часто применяют комбинированные газовые смеси, которые обладают плазмоподавляющими и защитными свойствами.

Особенности газодинамических лазеров

Газодинамические агрегаты обладают высокими мощностными показателями. В качестве активного тела выступает окись углерода. Она нагревается до 3000 К и пропускается через сопло Лаваля. На выходе из сопла наблюдается быстрое снижение давления, и постепенное охлаждение газовой смеси.

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.

Типы лазеров

В настоящее время в аппаратах лазерной сварки алюминия применяются два основных типа лазеров:

• твердотельный;
• газовый.

Кроме того, проводятся исследования возможности применения для сварочных работ полупроводниковых лазерных генераторов. Промышленных образцов достаточной мощности пока не разработано.

Твердотельный

Установки с твердым активным телом развивают меньшую мощность по сравнению с газовыми и работают обычно в импульсном режиме. Принцип их работы следующий:

• Цилиндрическое активное тело, изготовленное из смеси окиси алюминия и ионизированного хрома , располагается внутри камеры. Торцы стержня отполированы и являются зеркалами. Одно из них полупроницаемое- свет может проходить через него при достижении определенной интенсивности пучка.
• Рядом с активным телом находится лампа накачки, периодически облучающая стержень импульсами света.
• Ионы хрома, входящие в состав стержня, переходят в активное состояние и переизлучает свет в продольном направлении.
• Импульсы светы, попеременно отражаясь от торцевых зеркал, увеличивают свою интенсивность, поскольку накачка продолжается.
• Когда интенсивность превышает определенный порог, световой импульс проходит через полупроницаемое зеркало и уходит в оптическую систему направления и фокусировки и через нее- в рабочую зону.

Твердотельный лазер

Длина волны таких аппаратов равна 0,69 микрона, мощность может достигать нескольких сотен ватт.

Газовый

Установки сварки алюминия лазером, использующие газообразное активное тело, конструктивно совпадают с твердотельными за исключением двух особенностей:

• Активное тело является заключенной в стеклянную колбу  смесью углекислого газа, гелия и азота.
• Излучение возбуждается электрическим разрядом в газовой среде.

Зеркала (сплошное и полупроницаемое) на торцах колбы такие же, как  в случае твердотельного лазера. Так же происходит усиление импульса и его проход в систему фокусировки.

Газовая смесь находится под давлением от 2 до 14 килопаскалей, в результате электрического разряда возбуждается световое излучение с длиной волны около десяти микрон.

Газовый лазер

Коэффициент полезного действия газовых установок доходит до 15%, мощность — до десятков киловатт.

Колоновидная слива: фото, описание сортов, как ухаживать за колоновидной сливой

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.

Сферы применения

Наиболее распространены лазерные сварочные устройства в современном промышленном производстве. Инновационное оборудование используют в электронике, при создании точных приборов, в области авиации и космической сферы, на предприятиях атомной отрасли, в сфере автомобильного производства. С использованием лазерных установок изготавливают микросхемы и платы, соединяют между собой детали из пластика или металла, толщина которых находится в диапазоне нескольких микрон. Лазер даёт возможность выполнить пайку элементов, поверхность рядом с которыми не должна подвергаться нагреванию.

В сфере самолётостроения и автомобильной промышленности вес машин снижают за счёт применения облегчённых материалов: алюминия, пластика, тончайшей стали. Без использования лазерной аппаратной сварки соединить детали из таких материалов раньше не представлялось возможным.

При строительстве морских судов, а также в сфере оборонного комплекса, атомного сектора и авиакосмического моделирования происходит использование не только металлических форм, но и деталей, выполненных из титана, а также его сплавов. Осуществить сварку титана в обычных условиях довольно непросто, так как этот металл обладает чувствительностью к молекулам водорода и кислорода, которые при нагревании насыщают расплавленный при сварке металл газом и тем самым способствуют образованию в нём глубоких растрескиваний. Применение лазерной сварки, выполняемой под защитой газовой смеси гелия с аргоном, позволяет получить качественный шов даже на титановых деталях.

Аппараты для сварки с применением лазера дают возможность соединять, казалось бы, не сочетаемые между собой материалы, например, медь с алюминием. Новые технологии в сварочной сфере дали возможность соединять металлы различных текстур и свойств, а также цветные сплавы, высоколегированную сталь и чугун. Сегодня благодаря лазерным технологиям стало возможным выполнение сложных элементов запорной арматуры, узлов, шестерён и других деталей, которые раньше изготавливались с большими затратами сил, средств и времени.

Сварочные лазерные аппараты используются в медицине для изготовления расходных материалов, оправ для оптики, ортезов и протезов, искусственных суставов, скелетных штифтов и других изделий. Точность и высокая производительность лазера применяется и при изготовлении ювелирных изделий.

О том, какие особенности лазерной сварки, смотрите в следующем видео.