Сварка лазером: Лазерная сварка — цены, подбор по отзывам и характеристикам – интернет-магазин ВсеИнструменты.ру

Содержание

Сварка лазерной резкой: виды и особенности

Сварка лазерной резкой – инновационный и эффективный вариант соединения металлов. Технология предполагает нагрев и последующее плавление материала под воздействием лазерного луча, продуцируемого квантовым генератором. Аппарат для лазерной сварки обеспечивает высокую точность соединения без физического контакта с материалом. Когда между металлами полностью образован стык, их кристаллическая решетка преобразуются, формируя единую систему.

Технические особенности сварки лазерным лучом

Сварка и лазерная резка металла – это сложный термический процесс, вызывающий местное плавление и последующую кристаллизацию. Энергия лазерного излучения, которая выступает источником тепловой энергии для расплава, оказывает мощное воздействие на различные виды металла и остальные материалы, подверженные термической деформации.

Преимущества лазерной сварки в сравнении с другими технологиями:

  • Отличная фокусировка оптическими линзами благодаря монохроматичности лазерного луча.
  • Высокая когерентность потока или способность лазерного луча к резонансу, увеличивающего мощность.
  • Направленность узкого луча лазера обеспечивает сосредоточение тепловой энергии в одном месте, благодаря чему шов получается тонким и аккуратным.
  • Управляя лазерным лучом специальными отражателями и системой зеркал, можно достичь труднодоступных участков.
  • Легко дозировать энергию в широком диапазоне, создавая соединения высокого качества на любых поверхностях.
  • Даже при большой глубине оплавления термическое повреждение имеет локальный характер – не расходится в ширину. Это экономит материал и минимизирует количество отходов.
  • Виды лазерной сварки

    Сварка лазерным лучом востребована при изготовлении полупроводниковых и электровакуумных приборов, сложных интегральных схем, приборов точной механики. После появления технологии сварки металлов лазерной резкой произошло условное разделение на следующие направления:

  1. Мини-сварка – методика востребована в производстве разнообразных предметов обихода, меблировки, интерьера. Характеристики: глубина и толщина плавления от 0.1 до 1 мм.
  2. Макро-сварка лазерной резкой – предполагает грубую работу. При этом способе воздействия глубина плавки составляет 1 мм. Оборудование для данной разновидности технологии используется редко и находится на этапе проработки эффективности.
  3. Микросварка – технология применяется для изготовления высокоточных изделий. Основные характеристики: глубина и толщина плавления до 100 мкм.

Технология лазерной сварки высокоэффективна и позволяют в пять раз повысить производительность процесса обработки листового металла.

Информация о методе лазерная сварка

Лазерная сварка предполагает использование специального луча (лазера) в качестве энергетического источника для расплавления свариваемого материала. Лазерный луч испускается специальным источником света и отличается монохромностью и одинаковой длиной волны всех фотонов в потоке. Благодаря этому лазерный луч легко настроить с помощью специальной оптической системы для увеличения мощности. В результате в процессе сваривания легко расплавляются любые материалы.

Лазерная сварка имеет ряд преимуществ по сравнению с другими видами сварки:

  • формирование очень узкого и высокого шва,
  • обеспечение глубокого провара изделия без наплывов с обратной стороны,
  • сваривание без перегрева изделия для сохранения его целостности и формы,
  • возможность работы с очень тонкими материалами, а также с высокоточным оборудованием и конструкциями,
  • работа без дополнительной обработки после сварки или правок,
  • высокая производительность и скорость проведения сварочных работ,
  • высокая безопасность работы сварщика при ведении лазерной сварки, а также повышенная экологическая безопасность,
  • простое обучение процессу.

Существенным недостатком лазерной сварки может быть высокая стоимость оборудования. Также лазерная сварка имеет более низкий КПД по сравнению с другими методами.

Область применения лазерной сварки

Лазерная сварка применяется для работы с различными видами материалов:

  • производство изделий из цветных металлов,
  • работа с различными видами нержавеющих сталей,
  • сварка пластика и пластиковых деталей,
  • работа с чугунными заготовками,
  • сварка алюминиевых деталей и изделий из титана и многие другие.

Одним из главных достоинств лазерной сварки является возможность работы с очень тонкими или небольшими изделиями. В зависимости от толщины изделия может использоваться лазерная микросварка, мини-сварка или макросварка. Виды сварки отличаются глубиной проплавления: до 100мкм, от 0,1 до 1мм и более 1мм соответственно.

Возможность работы с небольшими деталями позволяет применять лазерную сварку в таких областях:

  • производство устройств высокой точности,
  • оборонная промышленность,
  • авиакосмическая отрасль,
  • производство и ремонт ювелирных украшений, 
  • автомобильная промышленность и многие другие.

Техника проведения лазерной сварки

Для лазерной сварки используется специальный квантовый генератор. Генератор излучает и направляет пучок лазерного излучения фокусируется с помощью системы зеркал и оптических линз. Сфокусированное лазерное излучение попадает на свариваемые изделия, где частично поглощается металлом. Металл нагревается и плавится, образуя сварной шов. Шов может формироваться за счет сваривания кромок изделия или с использование присадочной проволоки.

Существует также гибридный вариант лазерной сварки. В гибридном варианте присадочный материал формирует электрическую дугу. Дуга плавит кончик присадочной проволоки. Сфокусированный лазер укладывает расплавленную проволоку в сварной шов.

Лазерная сварка может проводиться импульсным или непрерывным излучением. При импульсной сварке лазерное излучение подается импульсами в моменты достижения энергией пиковых значений. В случае непрерывной лазерной сварки излучение подается меньшими значениями, но постоянно.

Лазерная сварка проводится с использованием инертных газов для защиты сварочной ванны от попадания воздуха. В качестве защитного газа может использоваться гелий или смесь гелия с аргоном.

В состав оборудования для лазерной сварки обязательно входит лазерная установка с системой перемещения лазера, оптическая система для фокусировки лазерного луча, газовый баллон и система подачи защитного газа, система для крепления и перемещения изделия.

В зависимости от технологии сварки могут использоваться твердотельные лазеры, газовые лазеры или гибридные установки. Твердотельные лазеры предназначены для непрерывной сварки. Газовые лазеры позволяют выполнять импульсную лазерную сварку. Гибридные лазерные установки используются для сварки с использование присадочной проволоки.


Лазерная сварка: сущность и принцип технологии

Лазерная сварка — это метод сваривания металла, которые предназначен для особо точного соединения изделий. Часто его применяют при наличии сложной конфигурации соприкосновения элементов, которые свариваются. Данная технология применяется не так часто, но все же она обладает массой положительных особенностей.

При помощи нее можно получить эстетичный, ровный и гладкий шов без деформированный, искривлений. Сварка подходит для соединения изделий из нержавейки, алюминия и даже серебра. Конечно, это не все характерные качества этого вида сварки, имеются другие особенности, которые заслуживают отдельного внимания.

Общая характеристика

Лазерная сварка металлов производится при помощи специального оборудования. Этот метод появился не так давно, но он успел завоевать высокую популярность. Его используют в разных областях промышленности для создания прочного неразъемного соединения. Данный способ сваривания имеет высокую точность, хорошую производительностью и отличное качество соединения.

Нагревание и плавление в рабочей области происходит при помощи лазерного луча. Световой поток, который генерируется лазером, обладает монохромностью. Все волны имеют одинаковые показатели длины. Именно это намного упрощает контролирование потоков, которое производится при помощи фокусирования линз и отклонений призм. В лазере проявляется явление волнового резонанса, что во много раз повышает мощность пуска.

Все эти свойства помогают понять, что такое лазерная сварка. Во время этой технологии могут применяться разные сварочные аппараты — полуавтоматические, автоматические и даже роботизированные, которые осуществляют работу без присутствия человека. Каждое из них подает лазерный луч, который нагревает и расплавляет выбранную область металлического изделия.

Технология лазерной сварки

Принцип работы лазерной сварки основывается на следующих свойствах:

  • когерентностью. В основе этого показателя лежит взаимосвязь фаз теплового поля луча лазера в разных зонах;
  • монохроматичностью. Данное свойство характеризуется небольшой шириной спектральных линий, которые излучаются источником;
  • направленностью. При проведении сварочного процесса не происходит рассеивание луча при его движении от источника к свариваемому изделию.

Благодаря этим показателям повышается мощность лазерного луча, он обеспечивает точное размеренное плавление и испарение металлов в зоне сваривания. Источник может быть на некотором расстоянии от свариваемой зоны, а в области сварочной лазерной ванны не требуется присутствия вакуума.

Так как работает лазерная сварка? При соединении изделий с применением лазерного луча наблюдаются следующие процессы:

  1. Элементы, которые подготовлены для соединения, плотно соединяются друг с другом вдоль линии будущего соединения.
  2. Далее на область стыка наводится лазерный луч.
  3. Включается генератор. Во время этого начинается равномерное разогревание, плавление и испарение частиц на кромках.
  4. В связи с тем, что сечение лазерного луча имеет небольшие размеры, расплавленный металл заполняет все микронеровности и дефекты изделий, которые попадают в зону действия лазерного луча.

Важно! Сварка лазером имеет положительную особенность — во время нее образуется сварное соединение с большой плотностью. А вот пористость, и прочие дефекты, которые присущи другим методам сварки, во время этой технологии отсутствуют.

В связи с тем, что лазерный луч перемещается по соединяемым поверхностям с высокой скоростью, в ходе сварочного процесса не возникает окисления металла. При помощи луча можно делать два вида шва — сплошной и прерывистый. При помощи первого варианта сваривают трубы из нержавеющей стали, где необходима высокая герметичность. Второй вид используется при сваривании небольших конструкций, которые имеют поверхностные повреждения.

Преимущества и недостатки

Преимущества лазерной сварки сделали данную технологию популярной и востребованной. Но она также как и другие сварочные работы имеет негативные стороны, которые обязательно нужно предварительно рассмотреть.

Среди преимуществ сварки можно выделить:

  1. Сварка лазерным лучом может использоваться для разнообразных материалов — от металлов и магнитных сплавов до термопластов, стекла, керамики.
  2. Наблюдается высокая точность и стабильность траектории пятна нагревания.
  3. Небольшой размер сварного соединения. Именно это делает его незаметным.
  4. Отсутствует нагревание околошовной области. Вследствие этого наблюдается минимальная деформация свариваемых деталей.
  5. При проведении нагревании не образуются продукты сгорания, не проявляется рентгеновское излучение.
  6. Высокая химическая чистота сварочного процесса. Это связано с тем, что во время сварки не используются присадки, флюсы, электроды.
  7. Подходит для сваривания в труднодоступных местах, может применяться на большом удалении от зоны расположения лазера.
  8. Может применяться для сварки элементов, которые находятся за прозрачными материалами.
  9. Быстрая перенастройка при переходе на изготовления нового изделия.
  10. Сварные швы имеют высокое качество и прочность.

Несмотря на то, что лазерная сварка является востребованным методом, который отлично подходит для ремонта кузова автомобиля, для работы с различными конструкциями, металлическими изделиями, все же стоит рассмотреть плюсы и минусы технологии. Как мы поняли достоинств у нее достаточно много, но не стоит забывать про недостатки.

Особое внимание стоит обратить на следующие негативные качества:

  • оборудование лазерной сварки имеет высокую стоимость. Также комплектующие, запасные части стоит достаточно дорого. По этой причине эта технология применяется только на производствах, предприятиях. А некоторые умельца прибегают к изготовлению лазерной сварки своими руками, но это требует некоторых знаний, а также необходимо иметь схемы, чертежи, инструкции;
  • лазерно-дуговая сварка обладает низким показателем КПД. Для твердотельных сплавов он составляет 1 %, а для газовых он может составлять 10 %;
  • зависимость эффективности сварочного процесса от отражающей способности заготовки;
  • высокие требования к квалификации обслуживающего персонала;
  • особые требования к помещениям, в которых размещается лазерное оборудование. Это относится к показателям вибрации, влажности и запыленности.

Условия и способы сварки лазером

Лазерная сварка нержавеющей стали, сплавов и материалов должна проводиться в соответствии с определенными особенностями. Чтобы получить повышенную мощность луча требуется его точная фокусировка. В момент, когда показатели интенсивности пучка становятся выше максимального значения, он пропускается через центральную область переднего зеркала и далее через систему направляющих призм к рабочей области.

Лазерная сварка нержавейки и других металлов может осуществляться при разном нахождении свариваемых изделий. Глубина проплавления металлической структуры может регулироваться в широком диапазоне — от поверхностного до сквозного. Рабочий процесс может проводиться непрерывным лучом или прерывистыми импульсами.

Обратите внимание! Лазерная импульсная сварка подходит для соединения и обработки изделий из тонкого листового проката. Кроме этого данная технология может с легкостью сваривать профили со сложной конструкцией и детали с большой толщиной.

Стоит учитывать, что лазерная сварка алюминия, меди, нержавейки и других металлов может проводиться несколькими способами:

  1. Стыковой метод. Не требует наличия присадок, флюса. Между металлическими изделиями может присутствовать стык, но его размер должен быть не более 0,2 мм. Этот же показатель считается предельным для фокусировки лазерного луча на стык. Сварочный процесс осуществляется при помощи «кинжальной» проплавления металлических поверхностей на всю толщину, при этом наблюдается интенсивность лазерного излучения до 1 мВт/см2. В данных ситуациях шов требуется защищать от окисления, для этого подойдет аргон или азот. А вот гелий сможет предотвратить пробои лазерного излучения.
  2. Нахлесточный метод. Во время сваривания листы накладываются друг на друга, их соединение производится мощным излучением. Во время сварки применяется локальный прижим изделий. Предельный зазор между поверхностями металлических изделий при работе должен составлять не более 0,2 мм.

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.

Применение гибридных установок

Лазерная сварка кузова автомобиля, различных конструкций с толстыми элементами и компонентами с зазором проводится с использованием дополнительных присадочных материалов. Для этих целей применяют подачу проволоки, которая зажигает электрическую дугу. Благодаря этому осуществляется заполнение пространства между пластинами и создается соединение с высокой прочностью.

Важно! При проведении лазерной сварки автомобиля, толстых металлических конструкций осуществляется защита сварочной ванны при помощи обдува инертным газом, который подается через сопло, закрепленное рядом с лазерной головкой.

Лазерная сварка кузова и других изделий с высокой толщиной производится на столе или подставках от оборудования. Процесс осуществляется в несколько этапов:

  1. На начальном этапе металл очищается от окалин, масляных пятен, признаков воды, влаги.
  2. Затем детали плотно подгоняются встык.
  3. Производится химическое травление поверхности металлического изделия.
  4. Выполняется настройка лазерной сварки с выставлением требуемых параметров в зависимости от типа свариваемого металла.
  5. Далее головка от сварочного оборудования пододвигается к линии начала соединения, нажимается кнопка запуска сварки.
  6. Во время сварочного процесса необходимо постоянно следить за попаданием луча в область стыка.

Особенности сварки тонкостенных изделий

Главное преимущество лазерной сварки состоит в ее многообразии. К каждому виду работ можно подобрать подходящие приборы и устройства. Но все при их выборе стоит опираться на вид и особенности материалов, которые будут свариваться. Обычно для тонкостенных изделий применяются твердотельные лазеры и аппараты на основе газа. Но все первый вариант считается наиболее предпочтительным.

Лазерная сварка малых толщин всегда выполняется при помощи твердотельных лазеров. Она подходит для работы с небольшими изделиями. Зачастую это элементы микроэлектроники, к примеру, тонкие выводы из проволоки с диаметром от 0,01 до 0,1 мм.

Часто твердотельной установкой выполняется точечная лазерная сварка с применением твердотельного лазерного устройства. Но она подходит для изделий из фольгированной структуры с диаметром точки 0,5-0,9 мм. При помощи этого способа производится герметичное катодное соединение на кинескопах современных телевизоров.

Соединение маленьких и тонкостенных изделий проводится на минимальной мощности. Если сваривание выполняется в импульсном режиме, то обязательно нужно будет повысить скважность импульса и сократить его длительность. А вот в непрерывном режиме необходимо повысить скорость лазера.

Применение лазерной сварки для изделий из стекла и пластмассы

Лазерная сварка пластмасс, стекла производится при помощи твердотельных установок. Они обладают простым устройством — в отражательной трубке установлены два электрода, а в пространстве между ними имеется смесь из ионизирующих газов.

Обратите внимание! Твердотельное оборудование часто применяется при ремонте очков из пластика и стекла. Особую популярность оно приобрело при сваривании оправ, это связано с тем, что для этого процесса не требуется применения припоя.

Сварка изделий из пластика и стекла производится в той же последовательности, как и соединение металлических элементов:

  • поверхности деталей, которые будут свариваться, тщательно очищаются от пыли, пятен, различных загрязнений;
  • затем производится подготовка установки и электрода к последующим работам;
  • настраивается фокусирующая линза. Если будет применяться расфокусированная линза, то лазерный луч будет смазанным и не получится создать локальное расплавление металла. Правильно сфокусированный пучок должен иметь круглую форму;
  • устанавливается необходимое значение мощности сварки.

Модели станков для лазерной сварки

Что такое лазерная сварка металла и как она проводится, мы рассмотрели, но все же необходимо знать модели устройств, которые используются для ее осуществления. Для нее может применяться оборудование мобильного и компактного типа.

В промышленности часто применяют следующие лазерные устройства:

  1. Квант-15 лазерная сварка. Прибор является самым дорогостоящим и многофункциональным. Его применяют в шовной и точечной сварочной технологии для соединения различных металлов и сплавов с глубиной проплавления до 2-3 мм. Также используется при разрезании инструментальных, конструктивных, высоколегированных сплавов.
  2. ЛАТ-С. Эта установка применяется для проведения лазерной сварки и наплавки металлов. Имеет высокую мощность и производительность. Оборудование может быть укомплектовано координатными столами, именно за счет этого можно производить обработку сложных изделий.
  3. МУЛ-1. Это малогабаритное оборудование, которое применяется для лазерной сварки и наплавки металлов. При помощи него может производиться пайка изделий из серебра и золота. Применение лазерной сварки в ювелирном деле позволяет легкое сваривание с соблюдением высокой точности. Допускается даже соединение оправ пластиковых очков.

Ручная лазерная сварка осуществляется с применением приборов:

  • WELD-WF. Портативное устройство, подходящее для сваривания труднодоступных мест. В его устройство входит манипулятор, который соединяется с волокном. Мощность составляет 1,5 кВт;
  • CLW120. Ручной агрегат с небольшой мощностью. Он подходит для ювелирной области, которая требует максимальной точности. Также при помощи него может производиться точечная лазерная сварка. Мощность составляет 10 кВт.

Как сделать лазерный резак для гаража

Многие интересуются, как сделать лазерную сварку самостоятельно? Поскольку оборудование достаточно дорогое и его может себе позволить не каждый можно попробовать самому изготовить простой режущий аппарат с использованием лазера. При помощи него можно будет вырезать разнообразные узоры на прочных сталях, разрезать металлические компоненты или соединять простые стальные изделия.

Для изготовления потребуется лазерная указка. Также будут нужны дополнительные компоненты:

  • фонарик, который работает на батарейках;
  • старый DVD-ROM, из которого нужно будет извлечь матрицу с лазерным приводом;
  • паяльник и отвертки для закручивания.

На начальном этапе необходимо провести полную разборку привода старого дисковода для компьютера. Именно из него нужно извлечь прибор. Все следует делать осторожно и аккуратно, что не повредить основное устройство. Привод дисковода должен быть пишущим.

После вынимается диод красного цвета, именно он прожигает диск во время записи информации на него. При помощи паяльника распаиваются крепления диода. Этот элемент очень чувствительный, его не нужно бросать.

Далее разбирается лазерная указка, как это делается можно посмотреть по видео в интернете. Диод из указки заменяется красной лампочкой из привода. Корпусная часть делается из фонарика. А аккумуляторные батарейки будут нужны для запитки лазерного резака.

Возможные дефекты шва

На производствах часто проводятся тесты по лазерной сварке, которые позволяют предотвратить возможные дефекты швов. Но все же даже правильная подготовка не всегда защищает от деформаций, непроваров и других неприятных ситуаций.

Выделяют следующие дефекты лазерной сварки:

  1. Непроваривание шва.
  2. Образование пор и трещин.
  3. Наплывы, кратеры, сварные раковины.
  4. Посторонние включения.
  5. Прожоги.

Данные явления часто образуются при несоблюдении технологии. Сварщик обязательно должен правильно выставлять настройки в оборудовании в зависимости от свариваемого металла. Кроме этого он должен четко контролировать процесс и следить за движением лазерного луча по свариваемой области.

Лазерная сварочная технология — востребованный метод соединения разных металлов, а также изделий из стекла, пластика и драгметаллов, который позволяет получить качественное и прочное соединение. Но все же перед тем как к нему приступать, необходимо тщательно рассмотреть важные особенности, принципы технологии, от которых зависит итоговый результат. Кроме этого чтобы процесс был проведен правильно, обязательно нужно иметь опыт и навыки.

Интересное видео

Лазерная сварка металла в Санкт Петербурге

Лазерная сварка в отличие от других видов сварочных работ применяется там, где необходимо соединить заготовки из тонких, сложно-обрабатываемых металлических сплавов с высокой точностью. Применяется в таких областях, как оптическая техника и ювелирное искусство.

Лазерная сварка осуществляется по следующему алгоритму:

  • Сначала, детали, предназначенные для сварки, очищаются и подготавливаются в местах будущего соединения.
  • После этого, они стыкуются друг с другом, и к месту соединения подается лазерный луч, который в импульсном или постоянном режиме производит нагрев стыка.
  • Сварка лазером производится с высокой скоростью, потому что температура достигает несколько тысяч градусов по Цельсию. Диаметр лазерного луча может быть менее миллиметра, поэтому в месте сварки не требуется никакого дополнительного заполнения, плавящийся металл заполняет все дефекты и возможные неровности в месте стыка деталей. 

Сварочный шов, полученный в результате лазерной сварки, не требует никакой дальнейшей обработки, а высокая скорость сварки исключает возможность окисления металла в процессе воздействия высоких температур.

Лазерная сварка с применением газового лазерного оборудования используется как для соединения труб с толщиной стенок до нескольких сантиметров, так и для высокоточного соединения тонких деталей сложной конфигурации.

Такое оборудование обладает:

  • высокой производительностью,
  • высокой стоимостью,
  • используется на крупных промышленных производствах.

Сварочные установки с твердотельным лазерным излучателем, обычно обладают более скромными размерами, и могут быть использованы в частных ювелирных или ремонтных мастерских, например, по ремонту оправ для очков.

При помощи лазерной сварки можно соединить не только детали из различных металлических сплавов, но и соединять разные материалы. Например, металлические и стеклянные заготовки.

Во время работ на оборудовании для лазерной сварки металла (которое требует участия человека в процессе) необходимо строго следовать технике безопасности и пользоваться специальными очками с инфракрасными фильтрами.

Лазерную, как и плазменную сварку, отличают высокая точность выполнения шва. Однако, плазменная сварка имеет ряд особенностей и отличий.

Фотоника — научно-технический журнал — Фотоника

Сплавы алюминия применяются в различных отраслях промышленности благодаря уникальному сочетанию свойств: низкой плотности при высоких значениях удельной прочности, коррозионной стойкости и теплопроводности. По показателям отношения прочности и текучести к плотности высокопрочные алюминиевые сплавы значительно превосходят низкоуглеродистые и низколегированные стали, чистый титан и уступают лишь высоколегированным сталям повышенной прочности и сплавам титана [1]. Наши исследования касались вопросов лазерной сварки следующих систем алюминиевых сплавов: Al-Mg(Амг6), Al-Mg-Si-Cu (АД37), АL-Mg-Li (01420,1424), АL-Mg-Sc (01570, 01545К), AL-Cu (1201), AL-Cu-Li-Sc (01421) и AL-Cu-Li-Sc (01460) и Al-Cu-Li (1461).

Известно, что лазерная сварка характеризуется наименьшим тепловложением в сравнении с другими методами сварки [2]. Поэтому ее применение должно быть целесообразно как с точки зрения остаточных напряжений и деформаций, так и с позиции уменьшения размеров зоны разупрочнения в термоупрочняемых сплавах. Преимущества лазерной сварки алюминиевых сплавов в следующем:

* снижение коробления деталей после сварки;
* повышение технологичности изготовления деталей;
* высокая степень автоматизации;
* отсутствие требования применения вакуумных камер (в отличие от электронно-лучевой сварки), что особенно важно для крупногабаритных конструкций.

Процесс сварки плавлением алюминиевых сплавов связан с рядом особенностей, которые сказываются на технологии, выборе метода, режимов и свойствах сварных соединений [3]. Металлургические особенности сварки алюминиевых сплавов определяются взаимодействием их с газами окружающей среды, интенсивностью испарения легирующих элементов, а также особенностями кристаллизации в условиях сварочного процесса. В частности, алюминиевые сплавы достаточно чувствительны к влиянию окружающей среды с образованием окисных включений и пор при взаимодействии с атмосферой воздуха [3]. В связи с этим при разработке технологии их сварки лазерным лучом требуется более тщательная защита шва от воздействия окружающей среды. Для защиты сварного шва от окисления и воздействия на плазму можно использовать различные защитные газы — He, Ar, CO2, N2, а также их смеси. С точки зрения газовой защиты в зоне лазерного излучения целесообразно применять газы с высоким потенциалом ионизации. Мы рекомендуем следующую схему газовой защиты сварного шва: защита поверхности шва He с расходом 8-10 л/мин, а корня — Ar (5-8 л/мин).

Помимо этого возможна флюсовая защита поверхности и корня шва. Для этой цели мы разработали специальные составы флюсов, которые наносим на поверхность стыка и на его корневую часть путем окрашивания перед сваркой. Применение флюсовой защиты позволяет снизить требования к сборке за счет увеличения возможного зазора в 2-3 раза.

Для лазерной сварки алюминиевых сплавов толщиной более 1,0 мм требуется достаточно высокая мощность лазерного излучения, что влияет на выбор соответствующего оборудования, способного работать в непрерывном режиме с мощностью более 2,0 кВт. Отличительной особенностью лазерной сварки алюминиевых сплавов является пороговый характер проплавления. Он заключается в том, что расплавление металла начинается только при определенном уровне плотности мощности (около 106 Вт/см2).

Этот эффект объясняется сочетанием высокого коэффициента отражения, теплопроводности и теплоемкости алюминия. После начала процесса плавления коэффициент отражения резко снижается и происходит интенсивное проплавление металла с образованием парогазового канала. Указанный порог плотности мощности зависит от длины волны излучения, параметров фокусировки, скорости сварки, толщины и состояния поверхности пластин, а также от состава материала.

В качестве промышленных источников для лазерной сварки и резки обычно используются два основных типа лазерных установок: это быстропроточные газовые СО2-лазеры и мощные твердотельные лазеры на основе Nd:YAG-кристаллов [2]. Для сварки алюминия и его сплавов с точки зрения их поглощающей способности твердотельные лазеры с длиной волны λ = 1,064 мкм более предпочтительны, чем газовые (λ = 10,6 мкм). В настоящее время активное применение в промышленности находит новейший тип лазеров — волоконный [4]. Для проведения исследований по сварке волоконным лазером мы использовали комплекс на основе волоконного иттербиевого лазера фирмы «ИРЭ-Полюс» ЛС-3,5 мощностью 3,5 кВт. Исследования показали, что уровень плотности мощности, необходимой для начала проплавления, при применении волоконного лазера примерно в 2 раза меньше, чем СО2-лазера (рис.1). В табл.1 показаны режимы сварки сплава 01570 волоконным и СО2-лазером. Из таблицы видно, что погонная энергия, необходимая для сварки листа толщиной 2,0 мм волоконным лазером, на 30% ниже, чем при сварке СО2-лазером.

Сваренные соединения, полученные излучением СО2-лазера и волоконного лазера, практически не отличаются по внешнему виду и по макроструктуре. На всех исследованных сплавах наблюдалась малая ширина шва и объем сварочной ванны. Как видно из рис. 2а, при сварке материала толщиной 2,0 мм достигается проплавление с практически параллельными кромками при ширине шва около 2,0 мм, занижение и провисание шва находятся в допустимых пределах. В сравнении с аргонно-дуговой сваркой (АрДС) объем расплаленного материала при лазерной сварке в 2-3 раза меньше (рис.2б).

Анализ внешнего вида сварных соединений показывает, что на всех режимах сварки наблюдается так называемая «чешуйчатость». Это связано с тем, что процесс лазерной сварки сопровождается кипением, испарением и резким волнообразным охлаждением материала в сварочной ванне. Результаты экспериментов показали, что на медленной скорости сварки (до 1,0 м/мин) чешуйчатость менее выражена, чем на высокой (2,0-8,0 м/мин) скорости. Варьирование режимами сварки не дает полного устранения чешуйчатости ни на одном из исследованных сплавов. Одним из эффективных технологических приемов является повторный проход по поверхности шва расфокусированным лучом, что позволяет загладить шероховатость поверхности.

Для устранения занижения шва и снижения шероховатости был применен метод сварки с присадочной проволокой. Внешний вид типичного шва, полученного с присадочной проволокой, показан на рис.3а поперечный шлиф этого соединения на рис.4. Применение присадочной проволоки позволяет снизить требования по сборке стыков. Мы получили качественные сварные соединения с присадочной проволокой при зазорах в диапазоне от 0,1 до 1,0 мм.

Диаметр и скорость подачи проволоки подбирается исходя из толщины свариваемого материала и скорости сварки, диаметр проволоки при лазерной сварке составляет 0,6-1,2 мм. Оптимальный угол подачи лежит в пределах 25-35°. При сварке с присадкой принципиально возможны два способа подачи проволоки — перед излучением и за ним. Направление подачи проволоки может существенно повлиять на эффективность и стабильность процесса. На скоростях подачи свыше 4 м/мин сварочная ванна более стабильна, когда подача проволоки осуществляется в хвост ванны. На рис.5 показан процесс сварки с присадочной проволокой.

Кристаллическая структура металла шва определяет его механические свойства. При сварке алюминиевых сплавов кристаллическая структура и механические свойства металла швов изменяются в зависимости от состава сплава, способов и режимов сварки. Проведенное нами исследование микроструктуры полученных сварных соединений указывает на наличие в центре сварного шва дендритного строения литого металла, который к периферии становится несколько более грубым, затем следует зона рекристаллизованных зерен, переходящая в волокнистую структуру основного материала. Шов и зона сплавления имеют довольно мелкозернистое строение (величина зерна ~50 мкм). В литой зоне сварного шва не наблюдаются грубые интерметаллидные фазы, что объясняется высокими скоростями кристаллизации при лазерной сварке (рис.6).

Подобная структура считается благоприятной для обеспечения достаточного уровня механических свойств и предотвращения образования кристаллизационных трещин.

Структурные изменения в зоне термического влияния при лазерной сварке происходят на участке, в 3-5 раз меньшем, чем при аргонно-дуговой сварке. Увеличение размера зерен в этой области не наблюдалось.

Указанные структурные особенности обеспечиваются высокими скоростями сварки и высоким уровнем плотности мощности, что дает возможность получать жесткие термические циклы со скоростями охлаждения, существенно превышающими соответствующие значения для дуговых методов сварки.

Свойства сварных соединений зависят также от процессов, протекающих в околошовных зонах. При сварке чистого алюминия и сплавов, не упрочняемых термической обработкой, в зоне теплового воздействия наблюдается рост зерна и некоторое его разупрочнение, вызванное снятием нагартовки. Это зависит от способа сварки, режимов и степени предшествующей нагартовки. Свариваемость сплавов системы Аl-Мg осложняется склонностью к образованию пористости и вспучиванию в участках основного металла, непосредственно примыкающих к шву при наличии в полуфабрикатах большого количества молекулярного водорода.

При сварке сплавов, упрочненных термической обработкой, в околошовной зоне происходят изменения, приводящие к разупрочнению участков соединения. Независимо от способа сварки и исходного состояния металла в непосредственной близости от шва наблюдается зона оплавления границ зерен. Ширина этой зоны меняется в зависимости от режимов сварки.

Значения микротвердости в шве и зоне термического влияния при лазерной сварке существенно, на 20-25%, выше, чем при АрДС. Зона разупрочнения при лазерной сварке практически отсутствует, в то время как при АрДС она распространяется на расстояние до 1,0-1,2 мм от зоны сплавления и снижение микротвердости в ней по отношению к основному металлу составляет 13-14%. Твердость участков околошовной зоны при сварке нагартованного материала снижается по отношению к основному металлу. Однако участок разупрочнения по протяженности при лазерной сварке в 3-4 раза меньше, чем при дуговой. Изменение микротвердости поперечного сечения сварного соединения показано на рис.7.

Предел прочности сварных соединений составляет не менее 0,8-0,9 от прочности основного металла. Разрушение соединений, сваренных без присадки, происходит преимущественно по шву, а сваренных с присадкой — по переходной зоне. На механические свойства сварных соединений в сравнении с основным металлом влияет испарение легирующих элементов из сварочной ванны, особенно летучих, таких как магний, литий, цинк и др. Снижение процентного содержания этих элементов в шве после сварки достигает от 1,0 до 1,5%.

Использование оптимальных режимов лазерной сварки алюминиевых сплавов, особенно в диапазоне скоростей выше 1,5-2,5 м/мин, позволяет существенно снизить деформации деталей. Как показали исследования поперечной усадки сварных соединений, эта величина в 5-6 раз меньше, чем при автоматической аргонно-дуговой сварке.

Проведенные исследования позволяют сделать заключение о том, что лазерная сварка широкой номенклатуры алюминиевых сплавов позволяет получить качественные сварные соединения. Соединения, полученные излучением СО2- и волоконного лазера, практически не отличаются по внешнему виду и по макроструктуре, однако погонная энергия, необходимая для полного проплавления волоконным лазером, на 30% ниже, чем при сварке СО2-лазером. Объем расплавленного металла при лазерной сварке меньше, чем при аргонно-дуговой. Для устранения занижений шва, увеличения допустимого сборочного зазора и повышения механических свойств необходимо использовать присадочную проволоку. Лазерная сварка обеспечивает минимальную зону разупрочнения при соединении термообработанных алюминиевых сплавов и меньшие деформации сварных соединений.

Литература
1. Фридляндер И.Н. Алюминиевые сплавы — перспективный материал в машиностроении. — Машиностроение и инженерное образование, 2004, №1.
2. Григорьянц А.Г., Шиганов И.Н., Мисюров А.И. Технологические процессы лазерной обработки. -М.: МГТУ им.Н.Э.Баумана, 2008.
3. Никифоров Г.Д. Металлургия сварки плавлением алюминиевых сплавов. — М.: Машиностроение, 1972.
4. Курков А.С. и др. Высокоэффективный волоконный лазер с накачкой в оболочку на основе иттербиевого световода и волоконной брэговской решетки. — Квантовая электроника, 1999, №3.

Лазерная сварка

СПЕЦИАЛЬНЫЕ СПОСОБЫ СВАРКИ И РЕЗКИ

В отличие от электронного луча, обеспечивающего высокую концентрацию энергии и используемого для сварки ответствен­ных деталей, узлов и конструкций, лазерная сварка не требует вакуумных камер. Процесс лазерной сварки осуществляется на воздухе или в среде защитных газов, благодаря этому лазерную сварку можно применять для соединения элементов крупногаба­ритных конструкций. Лазерный луч с помощью оптических сис­тем легко транспортировать и направлять в труднодоступные мес­та сварных соединений. При этом обеспечивается надежное и опе­ративное управление процессом сварки с регулируемыми энерге­тическими характеристиками. Магнитные поля свариваемых дета­лей и приспособлений для сборки и сварки (технологической ос­настки) воздействуют на электрическую дугу, плазму и элект­ронный луч, но не влияют на лазерный луч. Это способствует по­лучению устойчивого формирования сварного соединения по всей его протяженности. Для сварки металлов используют твердотель­ные и газовые лазеры импульсного и непрерывного действия. Ла­зерную сварку осуществляют в широком диапазоне режимов, обес­печивающих высокую производительность процесса сварки дета­лей толщиной от нескольких микрометров до десятков миллимет­ров. Сварка лазером дает шов «кинжального» типа с незначитель­ными деформациями свариваемых деталей. Импульсные твердо­тельные лазеры применяют для сварки малых размеров деталей в изделиях микроэлектроники и приборостроения, где важно полу­чать швы с малым объемом расплавленного металла и незначи­тельными размерами околошовной зоны термического влияния. Сварку можно производить как отдельными точками, так и гер­метичными швами при последовательном наложении точек с их перекрытием.

Мощные газовые лазеры позволяют проплавлять за один про­ход детали толщиной более 10 мм. При этом имеются некоторые особенности: так для стали глубина проплавления до 5 мм требует 1 кВт мощности излучения на один миллиметр толщины металла. При дальнейшем увеличении мощности лазерного луча глубина проплавления увеличивается незначительно и для сварки металла толщиной 20 мм и более требуются очень мощные лазеры, по­требляющие из сети сотни киловатт электрической энергии. Элек — тронно-лучевая сварка позволяет сваривать за один проход гораз­до большие толщины (до 200 мм) при значительно меньшем по­треблении энергии от сети. Сварка лазером неметаллических ма­териалов, таких как стекло и керамика, основана на том, что излучение лазера на углекислом газе с длиной волны 10,6 мкм хорошо поглощается этими материалами и может быть использо­вано для их нагрева, плавления, сварки и резки. По сравнению с газопламенным нагревом, традиционно используемым для свар­ки стекла, лазерный луч позволяет увеличить интенсивность на­грева места сварки или пайки (но не более 80… 100 К/с из-за опасности термического растрескивания стекла). Для успешного соединения свариваемых деталей необходимо уменьшить зону на­грева, что позволит создавать миниатюрные сварные конструк­ции из стекла.

Все способы лазерной сварки можно классифицировать по трем группам признаков — энергетическим, технологическим и техни­ко-экономическим.

Энергетические признаки. Наиболее общими энергетическими признаками, характеризующими метод сварки, являются длитель­ность воздействия излучения т, с, и плотность мощности Е лазер­ного излучения, Вт/см2. Под длительностью воздействия понимают продолжительность времени экспозиции при непрерывном излуче­нии и длительность импульса при импульсном излучении. Плотность мощности, необходимая и достаточная для осуществления процесса сварки, лежит в диапазоне 105… 107 Вт/см2. Нижний предел ограни­чивается плотностью мощности менее 105 Вт/см2, так как лазерное излучение в этом случае теряет свое основное достоинство — высо­кую концентрацию энергии. В этом случае более эффективны и эко­номичны традиционные методы сварки плавлением — дугой или газовым пламенем. Верхний предел ограничивают процессы интен­сивного объемного кипения и испарения, приводящие к выбросу металла и дефектам сварного шва. Для осуществления различных по мощности процессов лазерной съархи необходимо определен­ное сочетание плотности мощности с длительностью воздействия излучения на материал. Возможны три основные группы сочетаний, охватывающие весь диапазон режимов лазерной сварки.

Первая группа — плотность мощности Ех = 105…106 Вт/см2 и длительность воздействия т> 10’2 с. Этот диапазон относят к мето­дам сварки с использованием непрерывного излучения лазера с различными длинами волн. Длительность воздействия т представ­ляет собой отношение диаметра d сфокусированного излучения к скорости сварки vcn:

т d/vCR.

Варьирование сочетанием плотности мощности Ех с временем воздействия т в указанных пределах позволяет осуществлять свар­ку плавлением разнообразных конструкционных материалов как малых, так и больших толщин.

Вторая группа — Ех = 106… 107 Вт/см2; т < 10_3 с. В эту группу входят методы сварки импульсно-периодическим лазерным излу­чением. Режимы сварки характеризуют высокая плотность мощ­ности и кратковременное (повторяющееся) воздействие, обеспе­чивающие большую эффективность проплавления. Частота следо­вания импульсов составляет десятки и сотни герц, а длительность импульсов значительно ниже оптимальных значений. Суммарное воздействие импульсов достаточно для получения глубокого про­плавления. Режимы этой группы можно использовать для сварки материалов различных толщин при значительно меньших энерго­затратах, чем при сварке непрерывным излучением.

Третья группа — Ех = 105… 106 Вт/см2; 10“3< т < 10 2 с. Длитель­ность импульсов указанного диапазона превышает соответствую­щие значения во второй группе. Проплавление на всю глубину осуществляется в процессе воздействия импульса. При действии импульса формируется точечное сварное соединение. Сочетание плотности мощности Е и времени воздействия обеспечивает про­плавление малых толщин.

Технологические признаки. Эти признаки делят на две группы (применительно к двум основным видам проплавления при ла­зерной сварке): сварка с глубоким проплавлением (толщина ма­териала 8 > 1 мм) и сварка малых толщин (незначительное про­плавление при 8 < 1 мм). Сварку с глубоким проплавлением вы­полняют как в импульсно-периодическом, так и в непрерывном режимах излучения. При сварке малых толщин, выполняемой не­прерывным или импульсным излучением, используют более «мяг­кие» режимы, обеспечивающие расплавление металла в шве без перегрева до температур интенсивного испарения. При лазерной сварке с присадочным материалом, используемым в целях легиро­вания металла шва или снижения жестких требований по точности сборки под сварку, применяют сварочную проволоку диаметром

1.. . 1,5 мм и менее или порошок. Главная задача при этом — обес­печение точной подачи проволоки в зону плавления. Лазерную сварку с глубоким проплавлением производят как правило с за­щитой шва. Вид защиты зависит от свариваемого материала. Свар­ку деталей малых толщин из низкоуглеродистой стали можно вы­полнять без дополнительной защиты зоны сварки, чем значительно упростить технологический процесс.

В ответственных конструкциях используют сварку со сквозным проплавлением. Для соединения тонких деталей с массивными или получения герметичных соединений применяют сварку без сквоз­ного проплавления. Лазерную сварку можно легко выполнять в любом пространственном положении, что обеспечивает высокую степень концентрации энергии, высокую скорость сварки, малый объем сварочной ванны, высокую скорость кристаллизации ме­талла шва. Это существенно расширяет технологические возмож­ности процесса. Формирование монолитного соединения при ла­зерной сварке металлов малых толщин основано на тепловом эф­фекте от воздействия излучения лазера на непрозрачные среды. Длительность лазерного импульса, гарантирующая эффективное проплавление металла, должна соответствовать тепловой посто­янной времени для свариваемого металла:

х = 82/(4 а),

где а = кг/(ср) — коэффициент температуропроводности; к, — коэффициент теплопроводности; ср — удельная теплоемкость материала; р — плотность материала.

Значения х для тонких деталей (8 = 0,1 …0,2 мм) сопоставимы с длительностью импульсов лазера в режиме свободной генера­ции, составляющей несколько миллисекунд. При увеличении тол­щины свариваемых деталей (8 > 1 мм) длительность х значительно возрастает и превосходит реально достижимые длительности ла­зерных импульсов. Вследствие этого лазерная сварка металлов тол­щиной 8 = 1 мм импульсным излучением затрудняется.

Значительно сложнее механизм формирования сварного соеди­нения при сварке с глубоким проплавлением. При лазерном излу­чении плотностью мощности выше критической нагрев материа­ла осуществляется со скоростью, значительно превышающей ско­рость отвода теплоты за счет теплопроводности. При этом проис­ходят процессы локального плавления и испарения материала. Вследствие этого формируется углубление на поверхности, кото­рое при достаточной мощности источника развивается и приво­дит к образованию канала, заполненного парами материалов и окруженного жидким металлом. Давление паров металла оказыва­ется достаточным для поддержания канала. Полость канала не за­полняется жидким металлом под действием гидростатического давления и сил поверхностного натяжения. На передней стенке канала происходит плавление материала, а на задней — затвер­девание. Наличие канала способствует поглощению лазерного из­лучения в глубине материала, а не только на его поверхности. При этом формируется «кинжальное» проплавление, обеспечивающее образование узкого шва с большим отношением глубины про­плавления к ширине шва (10:1). Обобщенная схема формирова­ния сварного соединения следующая: ьв головной части ванны расположен канал или кратер, заполненный парами металла. Эта область наиболее яркого свечения. На передней стенке канала су­ществует слой расплавленного вещества, который испытывает постоянные возмущения. Здесь наблюдается характерное искрив­ление передней стенки в виде ступеньки, которая периодически перемещается по высоте канала. Расплавленный материал с пе­редней стенки удаляется при перемещении ступеньки сверху вниз. Перенос расплавленного металла из головной части в хвостовую происходит преимущественно по боковым стенкам канала в го­ризонтальном направлении. Кроме того, наблюдаются восходя­щие потоки по мере углубления канала. В хвостовой части ванны расплавленный металл завихряющимися потоками поднимается вверх и частично выносится на поверхность сварочной ванны. В процессе лазерной сварки на поверхности сварочной ванны наблюдается ярко светящееся облако — плазменный факел, раз­меры и яркость свечения которого периодически изменяются с частотами порядка сотен герц. При значительных скоростях лазер­ной сварки факел отклоняется в сторону, противоположную на­правлению сварки, на 20…60°. Процессы переноса массы расплав­ленного металла в сварочной ванне существенно влияют на фор­мирование шва, образование дефектов и механические свойства металла сварного соединения. Основной силой, воздействующей на расплавленный металл и обеспечивающей его перенос, явля­ется сила реакции паров. Под действием этой силы жидкий ме­талл перемещается как сверху вниз по передней стенке канала, так и в горизонтальном направлении вокруг канала. Перенесенный расплавленный металл обнажает участки металла с более низкой температурой на передней стенке канала, после чего процессы плав­ления и переноса повторяются. Скорость переноса жидкого метал­ла существенно превышает скорость сварки (при скорости сварки

2.. . 5 мм/с скорость переноса составляет 1 ООО…2 ООО мм/с). Пере­нос жидкого металла в канале проплавления носит дискретный характер. Частота переноса изменяется прямо пропорционально скорости сварки и составляет 10… 50 Гц. Продольное сечение сва­рочной ванны имеет особую форму: поверхность фронта кристал­лизации отличается наличием выступа твердой фазы, который де­лит ванну на две характерные части. Нижняя часть ванны заглублена и имеет малую протяженность в продольном и поперечном сече­ниях, тогда как верхняя часть — более широкая и вытянута вдоль шва.

Подобная форма продольного сечения сварочной ванны выз­вана наличием двух процессов проплавления при лазерной сварке. Первый процесс определяет эффект глубокого проплавления и заключается в образовании парогазового канала при воздействии лазерного излучения высокой плотности мощности. Это условие обеспечивает локальное заглубление сварочной ванны в месте воздействия лазерного излучения. Второй процесс представляет собой поверхностное плавление за счет теплофизических свойств металла. Преимущественное развитие одного из указанных про­цессов определяет очертание сварочной ванны и зависит в основ­ном от режимов сварки. Большое влияние на проплавляющую спо­собность лазерного излучения оказывают условия фокусировки.

Импульсно-периодическая лазерная сварка, осуществляемая импульсами с длительностью от 10 3 до 10_6 с и частотой следова­ния 0,1 …1 кГц при плотности мощности 106…107 Вт/см2, имеет характерные особенности: глубокое проплавление осуществляет­ся как при непрерывном излучении в процессе формирования парогазового канала, который не закрывается после действия оче­редного импульса. При средней мощности лазерного излучения 1 кВт мощность в импульсе может достигать 100 кВт. За короткое время действия импульса металл быстро нагревается до темпера­туры кипения. Возникающая сила реакции паров перемещает объем расплавленного металла с передней стенки канала на заднюю. Происходит циклическое перемещение расплавленного металла в парогазовом канале с частотой импульсов — это принципиально отличает импульсно-периодическую лазерную сварку от сварки непрерывным излучением. При высокой частоте следования им­пульсов поверхность канала не успевает остыть, поэтому мини­мальная глубина проплавления оказывается выше, чем при дей­ствии непрерывного излучения.

Лазерная сварка деталей малых толщин ведется как в импульс­ном режиме излучения лазера, так и с использованием непре­рывного излучения. Параметрами импульсной сварки, определя­ющими качество сварного соединения, являются энергия и дли­тельность импульсов, диаметр сфокусированного излучения, час­тота следования импульсов, положение фокального пятна отно­сительно поверхности свариваемых деталей.

Длительность импульса ти определяет время нагрева и расплав­ления металла. Диапазон длительности импульса зависит от свойств и толщины свариваемого металла. Точные значения ти устанавли­вают экспериментально. Большое значение имеет форма импуль­са излучения. Лучшее качество сварного соединения обеспечива­ют трапецеидальная или треугольная формы импульса с крутым передним и пологим задним фронтами. Диаметр сфокусированно­го излучения d определяет площадь нагрева и плотность мощно­сти излучения:

Е = 4WJ(nd),

ще WH — энергия импульса лазерного излучения; пd2 — площадь нагрева; ти — длительность импульса.

Диаметр d выбирают из условия обеспечения требуемой плот­ности мощности излучения (Е] ~ 105..Л06 Вт/см2). Для сварки ди­апазон изменения d составляет 0,05… 1 мм. Регулирование d и Е осуществляют расфокусировкой излучения. Для этого поверхность свариваемых деталей располагают выше или ниже фокальной плос­кости, где сфокусированный лазерный луч имеет наименьший диаметр. Сварной шов при импульсном излучении образуется на­ложением сварных точек с некоторым перекрытием (0,3…0,9) в зависимости от типа сварного соединения, его заданной прочно­сти и герметичности. Скорость шовной импульсной сварки опре­деляется диаметром сварной точки, приблизительно равным диа­метру лазерного излучения d, коэффициентом перекрытия К и частотой следования импульсов F„:

2,св = dFH( 1 — К).

Промышленные сварочные установки с твердотельными лазе­рами позволяют вести шовную сварку со скоростью до 5 мм/с при частоте следования импульсов до 20 Гц. Увеличить производитель­ность можно повышением частоты следования импульсов. При импульсной лазерной сварке сварное соединение имеет малое се­чение шва и малый размер литой зоны. С учетом кратковременно­сти воздействия импульса это приводит к высокой скорости ох­лаждения металла шва и околошовной зоны. Скорость охлажде­ния в литой зоне шва составляет 105… 106 К/с, что является при­чиной образования мелкодисперсных и дендритных структур с раз­витой междендритной микронеоднородностью. Размеры зоны термического влияния незначительны и не превышают 150 мкм. Структура металла в этой зоне неоднородна. Введение в свароч­ную ванну присадочного металла позволяет в широких пределах изменять химический состав металла шва и регулировать его струк­туру и свойства. Кроме того, использование присадочного метал­ла дает возможность регулировать геометрические размеры шва, увеличивать его сечение в целях устранения одного из самых рас­пространенных дефектов — ослабления шва. Присадочный металл используют в виде проволоки, ленты или порошков. Легировать сварной шов можно также элементами, предварительно нанесен­ными на поверхность свариваемых кромок напылением, обмаз­кой и другими способами.

Наиболее распространена лазерная сварка импульсным излу­чением в электронной и электротехнической промышленности — это стыковые (рис. 5.2, а, б), нахлесточные и угловые соедине­ния, сварка тонких деталей с массивными. Последняя является специфической для лазера: качественные соединения получают в различных вариантах. Существует прием сварки по отверстию в тон­кой детали (рис. 5.2, в). В процессе сварки кромки отверстия тонкой детали оплавляют совместно с примыкающими поверхностными участками массивной детали с образованием сварного соединения. Качественные сварные соединения тонких деталей в виде фоль­ги, ленты с массивными деталями получают по специальным тех­нологическим проточкам в массивной детали (рис. 5.2, г). Лазерное излучение в этом случае направляется по кромке технологичес­кой проточки, расплавляя кромку массивной детали и края тон­кой детали с образованием общей сварочной ванны.

Перед лазерной сваркой тонких тел вращения обычно обраба­тывают кромки. Если свариваемые детали значительно отличают­ся по толщине, то в процессе сварки лазерный луч смещается на

Рис. 5.2. Швы сварных соединений деталей при лазерной сварке:

а — стыковой; 6 — стыковой на остающейся подкладке; в — по отверстию в тонкой детали; г — по кромке выточки в массивной детали; д — по буртику на массивной детали и отбортовке на тонкой детали; е — угловой разнотолщинных деталей; ж — прорезные коробчатых конструкций

более толстую деталь для выравнивания температурного поля в соединяемых деталях и достижения равномерного проплавления обеих деталей. Тавровое соединение тонкой детали с массивной выполнять сложнее из-за необходимости использования допол­нительной технологической отбортовки (рис. 5.2, д). Угловые швы разнотолщинных деталей сваривают по схеме (рис. 5.2, ё). Короб­чатые конструкции сваривают прорезными швами (рис. 5.2, ж).

Одним из важных условий при сварке стыкового соединения является соблюдение минимально допустимых зазора и превыше­ния кромок. Сварку металлов малых толщин можно выполнять с использованием твердотельных и газовых лазеров непрерывного излучения мощностью до 1 кВт. Типы сварных соединений, полу­чаемых непрерывными лазерами, такие же, как и при сварке им­пульсными лазерами.

Лазерная сварка металлов с глубоким проплавлением характери­зуется такими основными параметрами, как мощность лазерного излучения, скорость сварки, параметры фокусирующей системы. Мощность излучения влияет на проплавляющую способность и процесс формирования шва. Наряду с мощностью излучения на процесс сварки оказывают воздействие и другие характеристики лазерного излучения: поляризация, интенсивности мощности в сечении луча, расходимость. Поэтому при смене модели лазера оптимальное значение мощности для сварки может меняться. При
данном значении мощности минимальное значение скорости ог­раничено отсутствием «кинжального» проплавления, а максималь­ное — нарушением формирования шва и появлением дефектов — подрезов, непроваров, пор. Для получения качественного сварно­го соединения лазерный луч фокусируют в пятно диаметром 0,5… 1 мм. При меньшем диаметре происходит значительный пе­регрев расплавленного металла, его испарение, в шве возникают дефекты. При диаметре сфокусированного луча более 1 мм эф­фективность процесса снижается. Геометрические параметры шва зависят от режима лазерной сварки. Оптимальной для сварки с глубоким проплавлением является форма поперечного сечения с коэффициентом формы шва значительно больше единицы. Мак­симальная глубина проплавления достигается при расположении фокуса под поверхностью материала. Положение фокуса зависит от свойств металла, толщины свариваемых деталей и режимов сварки. Расчет основных параметров лазерной сварки, обеспечи­вающих большую производительность с высоким качеством свар­ного соединения, затруднен сложным характером их взаимосвязи. Поэтому при назначении режимов в основном используют экспе­риментально полученные зависимости и справочные данные. Прин­ципиальной особенностью лазерного источника нагрева является высокая концентрация энергии, обеспечивающая сварку на по­вышенных скоростях по сравнению с другими источниками, на­пример дуговыми. Этим достигают незначительного теплового воз­действия на околошовную зону, высоких скоростей нагрева и ох­лаждения металла сварного соединения.

Рассмотренные особенности лазерной сварки решающим об­разом влияют на технологическую прочность, под которой в тео­рии сварочных процессов понимают сопротивляемость металла сварного соединения образованию горячих и холодных трещин. Сварка на скоростях не менее 30 мм/с обеспечивает для боль­шинства конструкционных материалов значительное повышение технологической прочности и возможность получения высокока­чественных сварных соединений из металлов, плохо свариваемых дуговыми источниками теплоты. Выполнение лазерной сварки на скоростях 25…30 мм/с обеспечивает снижение в 3—10 раз оста­точных деформаций по сравнению с традиционными способами дуговой сварки. Вследствие малой ширины зоны пластических де­формаций при лазерной сварке значения сжимающих напряже­ний в околошовной зоне на 40… 70 % ниже, чем при дуговой сварке. Поэтому они не вызывают трудноустранимых деформаций и по­тери устойчивости листовых элементов.

Металл шва при лазерной сварке необходимо защищать от окис­ления, используя газовую, флюсовую или газофлюсовую защиту. Газовая защита происходит через сопло непосредственно в зону воздействия лазерного луча. При сварке со сквозным проплавле — ниєм для ряда высокоактивных металлов требуется защита обрат­ной стороны шва. В качестве защитных газов используют те же газы, что и при дуговой сварке. При этом газы, имеющие более высокий потенциал ионизации и высокую теплопроводность, обеспечивают максимальную эффективность проплавления.

Экспериментально установлены такие расходы газов, обеспе­чивающие качественную защиту шва, м3/с: (50…60)• 10“5 Не, (15…20)- 10~5Аг, (45…50)• 10’5смеси 50% Не и 50% Аг. Наряду с газовой защитой шва при лазерной сварке можно использовать флюсы в виде обмазок того же состава, что и при дуговой сварке.

Важным технологическим приемом при лазерной сварке с глу­боким проплавлением является использование присадочного ме­талла. Это дает возможность регулировать в широких пределах хи­мический состав шва, обеспечивать требуемые свойства сварных соединений, исключать такие дефекты, как неравномерность про­плавления, поры в корне шва, горячие и холодные трещины, снизить требования к точности сборки деталей под сварку. Лазер­ная сварка с присадочным металлом выполняется аналогично приемам, используемым при дуговой сварке. Особенность заклю­чается в использовании присадочной проволоки малого диаметра (менее 1 мм) и точной подаче ее под лазерное излучение с помо­щью специальных механизмов. При сварке с глубоким проплавле­нием наиболее распространенными дефектами являются нерав­номерность проплавления корня шва. Уменьшение пористости в шве достигают отклонением лазерного луча от вертикали на 15… 17° по направлению движения луча. При сварке со сквозным про­плавлением неравномерность формирования сварного шва можно устранить путем вывода проплавления на остающиеся или удаля­емые подкладки.

Технико-экономические признаки. Одним из важных направле­ний в разработке технологии лазерной сварки является повышение эффективности процесса.

Перспективным направлением является использование импуль­сно-периодических режимов сварки. При частоте следования им­пульсов 0,4… 1 кГц и длительности 20…50 мс глубина проплавле­ния может быть увеличена в 3 — 4 раза по сравнению с непрерыв­ным режимом. Оценка термического КПД процесса проплавле­ния при сварке показывает, что при имцульсном воздействии эта величина в 2—3 раза выше, чем при непрерывном излучении. Однако следует учитывать, что импульсно-периодическая сварка требует точного наведения луча на стык, высокого качества под­готовки кромок свариваемых деталей. Процесс возможен только на малых скоростях, в несколько раз меньших, чем при сварке непрерывным излучением.

Повышения эффективности сварки непрерывным излучением достигаются за счет осциллирования (от лат. oscillo — качаюсь, этот термин используют для любой системы, совершающей коле­бания) сфокусированного лазерного излучения. В этом способе сфокусированный луч периодически заглубляется в сварочную ванну вследствие колебания фокальной плоскости относительно поверхности обрабатываемой детали. Суть этого способа лазерной сварки состоит в том, что при увеличении скорости перемещения фронта плавления и испарения на передней стенке канала про­плавления увеличивается глубина проникновения излучения в материал. Повысить скорость перемещения фронта плавления и испарения можно увеличением плотности мощности на передней стенке канала. Однако при фиксированном положении фокуса луча относительно поверхности свариваемых деталей с углублением канала плотность мощности по его высоте снижается. В результате снижается скорость перемещения фронта плавления и испарения в глубине канала. Необходимо создать такие условия, при которых плотность мощности лазерного излучения оставалась бы постоян­ной по глубине канала. Это возможно за счет увеличения скорости движения фронта и позволяет увеличить глубину проплавления. Для достижения этой цели предлагают осциллирование сфокусиро­ванного излучения по высоте канала. Осциллирование осуществ­ляют специальными механическими или пьезоэлектрическими системами (объектива, линзы), обеспечивающими изменение ча­стоты колебания в диапазоне 0… 150 Гц с амплитудой колебания, равной толщине свариваемых деталей. Осциллирование сфокуси­рованного излучения позволяет обеспечить при сварке основных конструкционных материалов (сталей, алюминиевых и титановых сплавов) увеличение глубины проплавления на 40 %. Ширина шва при этом возрастает примерно на 30%, а коэффициент формы шва увеличивается на 10… 15 %. Наряду с этим эффектом осцил­лирование сфокусированного излучения снижает колебания по глубине проплавления и улучшает формирование шва и его внеш­ний вид. Осциллирование существенно повышает термический КПД на 60…80% по сравнению с общепринятой схемой лазер­ной сварки с неизменным расположением фокуса излучения по отношению к поверхности свариваемых деталей. Эффективность проплавления может быть увеличена подачей непосредственно в зону сварки дополнительного потока газа под определенным дав­лением. Дополнительный поток влияет на параметры плазмы в области взаимодействия излучения с металлом и гидродинами­ческие процессы в канале проплавления. При этом в качестве дополнительного можно использовать любой газ: например, аргон обеспечивает тот же эффект, что и гелий. Эффекта увеличения глубины проплавления достигают при определенном давлении и расходе дополнительного газа. Дальнейшее увеличение расхода приводит к ухудшению формирования шва, появлению в нем крупных пор и раковин. Увеличенный расход газа вызывает вы­дувание жидкого металла, процесс сварки может перейти в про­цесс резки.

Разработан способ лазерной сварки с применением импульс­ной подачи дополнительного газа, обеспечивающий повышение эффективности проплавления. Характер изменения расхода газа определяет перемещение плазмы с поверхности свариваемой де­тали в глубь канала, а развитие приповерхностной плазмы огра­ничивается наличием постоянной составляющей газового потока. Оптимальная частота подачи газа зависит от мощности лазерного излучения, скорости сварки и свойств свариваемого металла. При этом способе обеспечивают повышение глубины проплавления на

30.. .40% и значительную стабилизацию проплавления, что явля­ется важным фактором, в особенности при сварке с несквозным проплавлением. Эффективность лазерной сварки может быть по­вышена совмещением лазерного источника нагрева с другими, менее дорогостоящими источниками теплоты, например с элек­трической дугой. Суммарный эффект проплавления при этом ока­зывается выше, чем сумма эффектов воздействия каждого ис­точника в отдельности. При мощности дуги, сопоставимой с мощ­ностью лазерного излучения, достигают максимального эффекта. В частности, скорость сварки при этом может быть повышена в несколько раз.

. Следует отметить экономичность лазерно-дуговой сварки по сравнению с лазерной, так как повышение эффективности про­цесса сварки достигают дополнительным введением относитель­но дешевого источника энергии в виде электрической дуги. Уси­ливается внимание к разработкам по исследованию процессов сварки, основанным на сочетании лазерного источника теплоты с другими — дешевыми и менее дефицитными. Такое сочетание может обеспечить сохранение и усиление положительных сторон лазерной сварки наряду с увеличением энергетической эффек­тивности и улучшением технико-экономических показателей про­цесса. Повышение эффективности проплавления при лазерной сварке возможно за счет тщательной подготовки поверхности и кромок свариваемых деталей.

На рис. 13.3 представлена одна из наиболее распространенных функциональных схем магнитно-импульсных установок. Установ­ка состоит из накопителя энергии /, зарядного устройства 2, за­датчика напряжений 3, блока поджига 4, коммутирующего уст­ройства 5, …

Установки для МИС аналогичны и отличаются только конст­рукцией рабочего органа — индуктора. Индуктор — это основной инструмент при МИС, который со­стоит из токопроводящей спирали, токоподводов, изоляции и элементов механического усиления. …

Подготовка поверхностей под сварку включает в себя механи­ческую обработку металлическими щетками или наждачной шкур­кой, химическую очистку свариваемых поверхностей — обезжи­ривание. С увеличением шероховатости поверхности прочность сварного соединения возрастает, но появдяется …

Лазерная сварка азотом. Область применения продукции ЧЗМЭК

Лазерное оборудование для сварки азотом сегодня часто применяется для резки и сварки труб из нержавеющей стали, прокатных профилей, для изготовления рам и других деталей в автомобилестроении и во многих других областях. Азот используется в качестве вспомогательного газа для повышения качества кромок перед началом процесса сварки и для резания сложных геометрических конфигураций и продувки стали.

Преимущества лазерной сварки азотом

Популярность лазерной сварки при помощи чистых газов, в том числе и азота, обоснована рядом преимуществ этого способа – высокая скорость сваривания, небольшая ширина разреза, отсутствие значительных деформаций поверхности металла и др. Лазерная сварка и резка азотом имеет следующие качественные характеристики:

  • низкая погонная энергия позволяет снизить деформацию металла при сварке и получить прочную и лёгкую конструкцию;
  • азот выступает в качестве стабилизатора аустенитной фазы, обеспечивает быстрое охлаждение металла и способствует сужению зоны термического влияния;
  • при резке азотом устраняются оксидные поверхностные плёнки и загрязнения – это делает стальную деталь подготовленной для сварки и последующего, а также повышает коррозийную стойкость материала;
  • высокий показатель силы сварочного тока способствует увеличению скорости лазерной резки азотом, тем самым многократно увеличивая производительность сварочных работ;
  • использование азота высокой чистоты гарантирует получение ровных срез без скосов и конусных искажений;
  • стабильность парогазового канала при осуществлении лазерной сварки азотом способствует уменьшению таких негативных факторов, как образование брызг, подрезов, пор и прочих показателей, снижающих качество сварного шва.

Использование генератора азота при осуществлении лазерной сварки

Регулярное использование в работе лазерного оборудования для сварки чистыми газами неизбежно влечёт множество технических и финансовых издержек. Лучшим разрешением данной проблемы послужит приобретение генератора азота для производства данного газа прямо из окружающего воздуха.

Такая установка с лёгкостью устранит следующие проблемы, связанные с традиционными методами газоснабжения: неизменная доступность газа в любых количествах; отсутствие дополнительных расходов, связанных с доставкой и арендой азота; повышение уровня безопасности в связи с отсутствием ручного труда.

Компания «ЧЗМЭК» более 7 лет занимается производством мобильных энергоустановок и конструкций. Мы предлагаем изготовить адсорбционный или мембранный генератор азота для нужд Вашего бизнеса в короткие сроки с последующей установкой и введением в эксплуатацию.

Что такое лазерная сварка? Как это работает?

0

Последнее обновление

Лазерная сварка — это процедура, при которой металлы или термопласты соединяются для создания сварного шва с использованием лазерного излучения. Благодаря концентрированному источнику тепла лазерная сварка может выполняться на высоких скоростях сварки в метрах в минуту в тонких материалах.

В более толстых материалах он может создавать тонкие, глубокие сварные швы между деталями с прямыми кромками. Лазерная сварка работает в двух основных режимах: сварка с замочной скважиной и сварка с ограничением проводимости.

То, как луч лазера будет взаимодействовать со свариваемым материалом, зависит от плотности мощности луча, попадающего на заготовку. В этой статье мы обсудим все, что вам нужно знать о лазерной сварке. Давайте прыгать прямо в!


Как это работает?

  • Источник насоса снабжает среду энергией. Он стимулирует лазер таким образом, что электроны в молекулах временно поднимаются в более высокое энергетическое состояние.
  • Электроны в возбужденном состоянии не могут там оставаться, так как резко падают на более низкий энергетический уровень.
  • Они испускают фотон, теряя избыточную энергию, полученную от насоса. Это известно как импровизированное излучение, и фотоны, созданные в результате этого процесса, являются основой для производства лазера.
  • Фотоны испускаются импровизированным разрядом. Наконец, они сталкиваются с другими электронами, находящимися в состояниях с повышенной энергией. Когда приближающийся фотон «выбивает» электрон из возбужденного состояния на более низкий уровень энергии, образуется еще один фотон. Эти фотоны непротиворечивы.Это означает, что они находятся в фазе, имеют одинаковую длину волны и движутся в одном направлении. Процедура называется стимулированной эмиссией.
  • Фотоны испускаются во всех направлениях. Тем не менее, некоторые из них движутся в продольном направлении, чтобы попасть в зеркала вибратора, которые отскакивают назад через среду. Зеркала вибратора определяют предпочтительное направление усиления возбуждающего разряда. Для того, чтобы усиление имело место, в стимулированной форме должен быть больший процент атомов, чем на более низких энергетических уровнях.Эта инверсия населенности избыточных атомов в стимулированном состоянии создает несколько условий, необходимых для генерации лазера.
  • Пятно концентрации лазера направлено на поверхность свариваемой детали. Концентрация световой энергии переходит в тепловую (тепловую) энергию на поверхности. Тепло заставляет материал таять. Он продвигается по поверхности посредством процедуры, известной как поверхностная проводимость. Уровень энергии свечения остается ниже температуры испарения материала заготовки.Идеальная толщина свариваемых материалов должна составлять 20 мм. Энергия лазера концентрируется. Это преимущество, если вы работаете с материалами с высокой теплопроводностью.

Компоненты систем лазерной сварки

Включает в себя направляющую с электроприводом, лазерную оптику и, при необходимости, рабочий стол. Заготовки, которые вы свариваете, должны быть надежно закреплены, чтобы обеспечить точное соединение.

Таким образом, существует разница между стационарными и мобильными системами лазерной сварки.Когда дело доходит до мобильной системы лазерной сварки, устройство перемещается рядом с товаром. Неподвижные аппараты для лазерной сварки поставляются с рабочим столом с крепежным приспособлением.

Крепление и вставка стационарных систем лазерной сварки может быть автоматической или моторизованной. Тем не менее, размер вашего рабочего стола ограничивает размеры обрабатываемого товара.

Помимо точно функционирующих сервоприводов руки робота и сварочной оптики, важной частью этой сварочной системы является система регулирования.Он помогает направить руку в заданные точки и контролирует интенсивность и продолжительность лазерного излучения.

Система резки является прекрасным дополнением к системе лазерной сварки. Идеальные формы, вырезанные в этой системе, обеспечивают точную геометрию, которую может использовать аппарат для лазерной сварки для достижения оптимальных результатов.

Каковы свойства лазерной сварки?

  • Лазерная сварка имеет высокую плотность мощности порядка 1 МВт на квадратный сантиметр.Из-за этой высокой плотности энергии у него мало областей теплового воздействия. Процедура также имеет высокую скорость нагрева и охлаждения.
  • Лазерные лучи слипаются. Они также имеют одинаковую длину волны (монохроматические).
  • Для сварки точек меньшего размера можно использовать лазерную сварку. Однако размеры пятен различаются от 2 до 13 мм.
  • Глубина провара при сварке лазерным лучом зависит от мощности источника питания и расположения точки концентрации.Он соизмерим с мощностью источника питания. Если точка концентрации находится немного ниже поверхности заготовки, глубина проникновения максимальна.
  • При лазерной сварке можно использовать постоянные или импульсные лазерные лучи. При лазерной сварке тонких материалов вы будете использовать миллисекундные импульсы, а если вам нужны глубокие сварные швы, используйте постоянные лазерные лучи.
  • Лазерная сварка — универсальная процедура, поскольку ее можно использовать для сварки нержавеющей стали, алюминия, стали HSLA, углеродистой стали и титана.Однако при лазерной сварке углеродистой стали у вас возникнут проблемы с растрескиванием из-за высокой скорости охлаждения.

Какие существуют типы лазерной сварки?

Вы можете выполнять лазерную сварку двумя способами: сварка с отверстием и сварка теплопроводностью.

Термическая (тепло) кондуктивная сварка

В этой процедуре материал нагревается выше точки плавления металла. Однако не до такой степени, чтобы он испарялся. Вы можете использовать эту процедуру для сварных швов, которые не требуют высокой прочности сварного шва.

Одним из преимуществ теплопроводной сварки является то, что последний сварной шов получается эстетичным и очень гладким. Для сварки теплопроводностью используется маломощный лазер мощностью от 500 Вт.

Сварка замочной скважины

При этой процедуре луч лазера нагревает металл таким образом, что его контактная поверхность испаряется и проникает глубоко в металл.

Он образует замочную скважину, в которой создается плазмоподобное состояние с повышением температуры до более чем 10 000 К.Для этой процедуры необходимы мощные лазеры с выходной мощностью более 105 Вт/мм2.

Изображение предоставлено: Aumm graphixphoto, Shutterstock

Какая максимальная скорость при лазерной сварке?

Помимо точности и минимального подвода тепла, скорость срабатывания является одной из важных характеристик лазерной сварки. При идеальных обстоятельствах вы можете лазером сварить длинный прямой бесконечный шов со скоростью 60 метров в минуту.

Интенсивность лазерного луча отличается.Следовательно, влияние используемого материала на рабочую скорость системы лазерной сварки с проплавлением менее убедительно. Вы также можете точно соединить толстые листы в течение нескольких секунд.

Какие температуры возникают при лазерной сварке?

Если вы свариваете материал, используйте температуру немного выше точки оттаивания материала. Температура оттаивания материала является ограничивающим фактором, когда речь идет об обычной сварке.

Вы не можете использовать каждую процедуру сварки для сварки любого материала.Только в электросварке есть возможность определить, насколько интенсивным является точечное тепло и может ли оно выделяться на катодах. Лазерная сварка отличается. Во всех процедурах он обладает наибольшей гибкостью, когда речь идет о температуре, используемой при сварке.

В приведенном ниже обзоре показаны некоторые широко используемые материалы и точки их оттаивания. Там же указаны металлы, которые можно сваривать с помощью лазерной сварки в просвете

.
  • Пластмассы: От 150 до 350 градусов Цельсия
  • Алюминий: 600 градусов Цельсия
  • Стекло: Диапазон рабочих температур от 600 до 800 градусов Цельсия
  • Медь: Начинается с 1085 градусов Цельсия
  • Сталь: 1400 градусов Цельсия

На практике можно достичь более высоких температур при лазерной сварке флюсом.Однако этот призрак указывает на то, насколько изменчива эта процедура подключения.

Где используется лазерная сварка?

Лазерная сварка находит все более широкое применение в различных отраслях промышленности. Некоторые из распространенных областей, где используется лазерная сварка:

  • Строительные инструменты
  • Автомобильная промышленность
  • Стальное здание
  • Судостроение

Благодаря своей точности лазерная сварка широко используется в производстве инструментов.Поэтому он конкурирует с эрозионной процедурой. Изготовление точных штамповочных, литейных и прессовочных устройств с помощью субтрактивной или аддитивной лазерной сварки является решением проблем, с которыми сталкиваются отрасли.

В автомобильной промышленности используется лазерная сварка, так как она не требует инструментов. В отличие от электронно-лучевой сварки, лазер не требует частой протирки или замены головок.

С точки зрения точности и производительности стальная конструкция приобретает совершенно новые размеры благодаря лазерной сварке.Благодаря лазерной сварке быстрая обработка листов высокой прочности стала реальностью.

То же самое относится и к судостроению: здесь все дело в точности — изготовленные детали, такие как рули, приводные винты и органы управления, достигают требуемых допусков с помощью лазерной сварки. За счет этого корабли развивают более высокие скорости и потребляют меньше топлива.

Изображение предоставлено: Мистер 1, Shutterstock

Преимущества лазерной сварки

Это точно

Лазерная сварка обеспечивает высокий уровень точности и контроля.Это означает, что вы можете использовать его для сварки даже самых мелких деталей, не приводя к их повреждению.

Может производить гофрированные соединения

С помощью лазерной сварки можно сваривать различные материалы. Кроме того, вы можете сваривать области, до которых было бы слишком трудно добраться, если бы вы использовали более традиционные подходы к сварке.

Потребляет меньше тепла

Уменьшает деформацию деталей, так как нагревается меньше. Вот почему это наиболее предпочтительный метод, когда речь идет о производстве предметов роскоши, таких как ювелирные изделия на заказ.

Позволяет получать повторяющиеся и однородные сварные швы

Это более быстрый метод сварки по сравнению с другими традиционными методами. Это также более универсально. Вы также можете использовать лазер для сверления и резки. Его воспроизводимость и универсальность помогают предприятиям значительно снизить себестоимость единицы продукции.

Обеспечивает прочные сварные швы

Лазеры

обеспечивают высококачественные прочные сварные швы, поэтому производители предпочитают их.

Недостатки лазерной сварки

  • Зубчатое колесо, используемое для лазерной сварки, дорогое, и начальная стоимость также высока
  • Толщина сварки ограничена 19 мм
  • Лазерная сварка имеет низкую эффективность преобразования энергии.Обычно это менее 10%
  • Для проведения лазерной сварки требуется высококвалифицированная рабочая сила

Изображение предоставлено: Aumm graphixphoto, Shutterstock

Часто задаваемые вопросы

Как сваривать лазером?

При лазерной сварке энергия достигает детали только за счет теплопроводности. Глубина сварки, необходимая для этой процедуры, обычно составляет менее 2 мм.

Лазерный луч размораживает материалы, которые вы соединяете вдоль стыка.Затем расплавы перетекают друг в друга, и затвердевший расплав прочно связывает материалы.

Эффективна ли лазерная сварка?

При лазерной сварке вы получите более точные сварные швы, а отделка будет исключительной. Сварные швы тоже крепкие. Таким образом, эта производственная процедура отлично подходит для тонких компонентов. Вы также можете использовать его в местах с ограниченным доступом.

Можно ли сваривать алюминий лазером?

Лазерная сварка обычно используется для соединения алюминия и его амальгам.

Можно ли использовать наполнитель при лазерной сварке?

Можно выполнять лазерную сварку с присадочным материалом. Это можно сделать с помощью проволоки или порошка. Тем не менее, в большинстве случаев промышленной лазерной сварки используется проволока.

Где чаще всего используется лазерная сварка?

Лазерная сварка обеспечивает концентрированный источник тепла и формирует мощный шов на высокой скорости. Его процедуры и приложения в основном используются в автомобильной промышленности. Именно здесь лазеры повышают производительность при низких затратах, если вы выполняете лазерную сварку автомобильных компонентов, таких как дверь, крыша или фильтр в сборе.

Почему мы используем лазеры для сварки?

Высокосфокусированный источник тепла, создаваемый лазером, может образовать замочную скважину. В результате лазерная сварка создает наплавленный металл в небольших объемах. Он передает только ограниченное количество тепла окружающему материалу, и, следовательно, образцы меньше деформируются по сравнению со сваренными с использованием многочисленных процедур.

A Краткое справочное руководство

Электронно-лучевая сварка

  • Использует сфокусированный луч света для воздействия на сварной шов
  • Используется наполнитель
  • Он имеет большую скорость сварки и универсален, так как его можно использовать с роботизированными системами
  • Проводится в вакууме.Это гарантирует, что не останется никаких примесей

Лазерная сварка

  • Вы можете использовать его на движущейся электронной сварочной горелке с автоматическим отслеживанием соединения. У него нет проблем с радиацией
  • Без использования наполнителя
  • Он используется в более ответственных областях, где обеспечивает более высокую скорость сварки и меньшую деформацию по сравнению со сваркой лазерным лучом
  • Вы можете выполнять лазерную сварку на воздухе, так как это не представляет опасности радиации

Заключение

Вы можете использовать лазерную сварку в просвете для высокоточных сварных швов.Поскольку электрод не используется, окончательный сварной шов получается легким, но прочным. Конечно, первые инвестиции являются дорогостоящими.

Тем не менее, качество и свойства лазерной сварки не могут быть легко воспроизведены. Поскольку лазеры становятся все более энергоэффективными и мощными, это означает, что будущее лазерной сварки, безусловно, светлое!


Авторы избранных изображений: Aumm graphixphoto, Shutterstock

Лазерная сварка в руке

Изображения: IPG Photonics

Популярность автоматизированной лазерной сварки за последние несколько лет возросла, поскольку владельцы магазинов увидели, насколько эффективным может быть этот процесс при правильном применении.Из-за уменьшенной зоны термического влияния, достигаемой с помощью лазера, и возможности производить качественные сварные швы без использования сварочной проволоки, это было естественным соображением для всех, кто работает с тонкими материалами, такими как нержавеющая сталь, где качество продукта часто имеет первостепенное значение. До недавнего времени экспорт этой технологии в ручные приложения казался маловероятным из-за сложности и стоимости традиционного лазерного оборудования и проблем со здоровьем и безопасностью, связанных с плохо спроектированными продуктами.

В конце 2020 года IPG Photonics решила эти проблемы, представив свою ручную систему лазерной сварки LightWELD 1500, и в этом году в сварочном зале FABTECH Chicago она представила свою новую модель XC, включающую функция очистки.

Основные сведения о аппарате

Внешний вид источника сварочного тока IPG представляет собой коробчатую конструкцию, к которой привык сварщик, размером 12,4 на 25,2 на 21 дюйм и весом 118 фунтов. Он включает в себя панель управления, которая позволяет оператору регулировать мощность лазера в диапазоне от 150 до 1500 Вт, обеспечивая быструю сварку материала толщиной до 4 мм простым поворотом ручки. Система может хранить до 74 предустановленных режимов, включающих рецепты сварки, рекомендованные производителем, с местом для разработанных пользователем.Система дает оператору возможность настраивать эти предустановленные режимы для конкретных материалов и конфигураций деталей.

Несмотря на то, что сварочная горелка работает как горелка GMAW, но выглядит как горелка GTAW, источник питания не создает дугу. Вместо этого для создания ванны расплава используется очень сильно сфокусированная световая энергия, генерируемая источником волоконного лазера (так называемый потому, что он использует полностью твердотельную технологию оптоволокна для повышения эффективности и надежности). При полной мощности 1500 Вт возможна толщина шва до 4 мм при одностороннем сварке нержавеющей стали, оцинкованной стали, низкоуглеродистой стали и алюминия и 10 мм при двустороннем сварке.В меди возможны толщины шва до 1 мм при использовании импульсного режима для одностороннего шва и 2 мм для двустороннего шва.

Лазеры, конечно, довольно точны, поэтому для получения достойного сварного шва на деталях с далеко не идеальной посадкой требуется настройка качания.

«IPG и другие производители лазеров используют термин «колебание» для описания функции оборудования, при которой положение луча сканируется на небольших расстояниях, — сказал Дэвид Фишер, директор по корпоративному маркетингу IPG.«В этом случае луч качается или сканируется из стороны в сторону, чтобы увеличить ширину ванны расплава».

С помощью функции качания оператор может установить ширину шва до 5 мм. Для точной настройки внешнего вида и качества сварного шва можно использовать дополнительный элемент управления, известный как частота колебания.

«Частота и ширина колебаний уже установлены в предустановленных программах», — сказал Фишер. «Вы его не видите, но он на заднем плане. Если вам нужно больше или меньше этого, вы можете набрать его, чтобы приспособиться к вашим потребностям.

В дополнение к основному режиму сварки, известному как режим CW, поскольку лазерный луч работает в непрерывном режиме, машина также оснащена режимом прихватки, режимом стежковой сварки и импульсным режимом, все различные настройки оптимизированы для конкретных приложений. Машина поставляется с матричной диаграммой для различных материалов и толщин, чтобы помочь оператору выбрать наилучший режим обработки. Для применений с менее точными деталями, требующими некоторого металлического наполнения, к горелке может быть прикреплен дополнительный автоматический механизм подачи проволоки.Опять же, предустановленные настройки режима доступны для получения хороших результатов прямо из коробки.

Комбинированная сварка и очистка

На выставке FABTECH 2021 компания IPG представила модель 1500 XC. В дополнение ко всем функциям сварки, описанным выше, XC включает функцию высокочастотного импульсного лазера, которую можно использовать для очистки деталей.

Здесь мы видим, как модель XC используется для очистки материала перед сваркой.

«Работа режимов уборки аналогична воблингу.Модель XC обеспечивает более широкое расстояние сканирования и обеспечивает очистку до 15 мм с помощью высокочастотного импульсного луча», — сказал Фишер. «Эти режимы можно использовать как для пред-, так и для послесварочных операций. Таким образом, независимо от того, удаляете ли вы ржавчину на деталях или удаляете сажу или мусор после сварки, это позволяет вам добиться этого без шлифовки или химикатов».

Для переключения со сварки на функцию очистки на XC требуется только выключение сопла и выбор режима, поэтому задача занимает менее 20 секунд.

Безопасность прежде всего

Компания Fisher отметила, что в дополнение к тем же мерам безопасности и СИЗ, которые применяются к стандартному сварочному аппарату, операторы, использующие лазерную систему, должны соблюдать несколько дополнительных мер безопасности. Во-первых, система должна работать в так называемой зоне лазерного контроля; обычно светонепроницаемое закрытое помещение или помещение с защитными блокировками и визуальными индикаторами на дверях для предотвращения проникновения незащищенных лиц в помещение и воздействия лазерного луча.Во-вторых, каждый, кто находится в зоне, контролируемой лазером, должен носить предоставленные поставщиком защитные очки и защитный шлем, когда работает лазер.

В качестве дополнительной защиты для операторов лазера машина также оснащена другими предохранительными устройствами. Как и все лазерные изделия, переключатель с ключом позволяет заблокировать его, если он не используется обученным оператором.

Подобно аппаратам GMAW, ручная лазерная система должна быть заземлена для работы, поэтому она оснащена заземляющим кабелем, который создает петлю сигнала от сварочной горелки, контактирующей с деталью на столе и аппаратом.Если сварочная головка не соприкасается со свариваемой деталью, мощность лазера отключается и машина не работает.

Аппарат также имеет двухступенчатый пусковой механизм сварочного пистолета – активация и затем срабатывание – для преднамеренного срабатывания.

«Мы создали обучающие видеоролики по технике безопасности и вводные видеоролики, которые наши клиенты должны просмотреть перед запуском машины, — сказал Фишер. «Очень важно, чтобы пользователи прочитали и поняли руководство оператора и все инструкции по технике безопасности перед использованием оборудования», — подчеркнул он.

Расходные материалы

Аппарат оснащен четырьмя типами насадок, каждая из которых оптимизирована для различных типов сварки, конфигураций и геометрии деталей: раздвоенные насадки, подходящие для внешних угловых точек, и более узкие насадки для внутренних швов.

«Машина поставляется с матрицей, которая рекомендует, какие наконечники использовать с какой геометрией», — сказал Фишер.

Самым большим изменением, которое, по словам Фишера, пользователи замечают при первом знакомстве с лазерным сварочным аппаратом, является скорость.

«Операторы откалиброваны для работы со сварными швами с определенной скоростью», — сказал он.«У них есть мышечная память. Задача для них изначально состоит в том, чтобы понять, что, хотя оборудование может быть настроено в соответствии с их скоростью, процесс легко может быть в два или четыре раза быстрее, чем то, к чему они привыкли с GMAW и GTAW. Из опыта и свидетельств клиентов мы пришли к выводу, что люди могут быстро создавать однородные высококачественные сварные швы благодаря знакомству с конструкцией пистолета и легкости выбора сохраненного режима применения в соответствии с материалом и толщиной».

С редактором Робертом Колманом можно связаться по адресу [email protected]ком.

IPG Photonics, www.ipgphotonics.com

Что такое лазерная сварка и как она работает?

Опубликовано 27 октября 2020 г.

Лазерная сварка — это метод использования мощного лазерного луча для плавления и соединения материалов, таких как металлы или термопласты, для создания сварного шва. Тонкие материалы можно сваривать с помощью лазера, потому что он использует такой концентрированный источник тепла. Концентрированный источник тепла позволяет сваривать тонкие материалы с высокой скоростью, составляющей несколько метров в минуту.Это также позволяет более плотным материалам создавать узкие и глубокие сварные швы между сегментами с прямоугольными кромками.

Существует два разных режима, используемых для описания результата расплавления металла во время лазерной сварки. Эти режимы включают сварку с ограниченной проводимостью и сварку с замочной скважиной. Режим, в котором лазерный луч будет взаимодействовать с сегментом, который он сваривает, зависит от плотности мощности луча, падающего на заготовку.

При сварке с ограниченной проводимостью удельная мощность достаточно велика, чтобы заставить металл расплавиться, что приводит к широкому и неглубокому сварному шву.Этот сварной шов происходит, когда плотность мощности меньше 105 Вт/см2. Лазерный луч поглощается внешней стороной материала и не проникает в него.

Как правило, при лазерной сварке используется более высокая плотность мощности через аппараты с замочной скважиной. Сварка с замочной скважиной испаряет металл, создавая глубокий и узкий шов. Лазерные лучи мощностью около 106-107 Вт/см2 нагнетаются на крошечную площадь. Этот сфокусированный лазерный луч проникает глубоко в заготовку, создавая узкую и глубокую полость или замочную скважину, которая заполняется парами металла.В некоторых случаях этот металлический пар может быть ионизирован с образованием плазмы. Распухающая плазма играет ключевую роль в предотвращении обрушения расплавленных стенок замочной скважины.

Кроме того, этот сварной шов с глубоким проплавлением выполняется путем перемещения соединения в тандеме с лазерным лучом, в результате чего получается сварной шов с превосходным соотношением глубины и ширины. Кроме того, пока мощность лазера достаточно велика, а скорость перемещения не слишком высока, отверстие останется открытым.

Поверхностное натяжение заставляет часть расплавленного материала в передней части замочной скважины течь вокруг полости замочной скважины к задней части, охлаждаться, а затем затвердевать, образуя сварной шов.Этот метод позволяет получить наплавленный колпачок с шевронным узором, указывающим на начальную точку сварного шва сзади.

Достижения в технологии лазерной сварки

За последние 30 лет в лазерной технологии произошло много изменений. С каждым достижением приходят новые вызовы и возможности. Лазер CO 2 с длиной волны 10 микрон был лучшим на протяжении многих из тех лет, потому что он был универсальным, от резки тонких до толстых листов и быстрой сварки при сохранении высокого качества сварных швов.Чуть более 10 лет назад на рынок с большими надеждами вышли высокояркие волоконные и дисковые лазеры с длиной волны 1 микрон. Все считали, что более высокое поглощение в стали (от ~5% до ~40%) (рис. 1) было святым Граалем для более быстрой, лучшей и большей гибкости в лазерной обработке с увеличением энергоэффективности на 200%.

Рис. 1. Кривая поглощения на длине волны

Хотя лазеры были очень энергоэффективными и могли резать даже сталь толщиной 1/8 дюйма намного быстрее, мы начали замечать проблемы.Резка толстых пластин была сложной задачей, потому что новая длина волны поглощалась намного лучше, а это означало, что на дно толстой пластины попадало меньше энергии. С тех пор эти проблемы были преодолены с помощью новой режущей оптики, фокусирующей оптики с более крутым углом и конструкции режущего сопла.

Рис. 2. Работа технологии BrightLine

Одним из инструментов, разработанных и запатентованных компанией TRUMPF, был BL (BrightLine), использующий оптоволокно 2-в-1, или двухжильный, для доставки (Рис. 2). Эта концепция, наряду с некоторыми особенностями конструкции нашей системы, позволяет нам направлять лазерную энергию в центральный сердечник при резке тонколистовой стали.При резке более толстого листа он может активировать переключатель в лазере, чтобы направить свет на внешнее ядро, увеличивая размер пятна для более толстого листа без необходимости менять оптическую настройку. Это дает быстрый и простой способ переключения с одной работы на другую без изменения динамики управления движением системы. В настоящее время мы можем легко разрезать фольгу на листовую сталь толщиной 1,0 дюйма с помощью дисковых лазеров.

Рисунок 3. Сравнение C0 2 и 1 мкм HAZ

Это было первое препятствие, с которым столкнулась лазерная промышленность, поскольку около 80% или более проданных лазеров используются для резки, а не для сварки.Однако в последние годы лазерная сварка значительно расширилась. Многие детали, свариваемые сегодня, представляют собой небольшие и тонкие материалы, для которых традиционные процессы MIG и TIG не подходят. Как и в случае резки, длина волны 1 микрон против 10 микрон поставила новые задачи. Основное преимущество более высокого поглощения заключалось в том, что деталь значительно меньше нагревалась, уменьшая ЗТВ (зону термического влияния), что позволяет нам выполнять сварку быстрее и использовать более тонкие материалы (рис. 3).

Рис. 4. (слева) Брызги с оптимизированным одиночным лучом.(справа) BLW с той же скоростью

Однако, из-за более высокого поглощения в сварном шве, образование лужи/замочной скважины было гораздо более сильным, вызывая значительное разбрызгивание (рис. 4 и 5). Сильное разбрызгивание приводит к ослаблению сварных швов с вылетом части материала, движущиеся части и шестерни могут заклинить или повредиться из-за обломков, а в электронике это может вызвать короткое замыкание. Затраты на техническое обслуживание увеличиваются, так как требуется более частая очистка инструментов/креплений, а также защитных защитных стекол для линз, которые могут быть быстро повреждены.

Рисунок 5. Сравнение количества брызг между стандартным и BLW

На рисунке 5 показано сравнение количества брызг между стандартным и BLW. Мы скорректировали размеры пятна и нашли оптимальные скорости подачи, чтобы уменьшить разбрызгивание, но они, как правило, ограничивают время обработки. Кроме того, многие внедрили методы механического экранирования для защиты деталей и облегчения очистки. Компания TRUMPF представила новую новую концепцию, расширив свой режущий механизм Bright-Line и предложив теперь BLW (BrightLine Weld).BL позволяет подавать мощность лазера в одно ядро ​​или в другое; в BLW мы разделяем мощность лазера на оба ядра одновременно, что позволяет варьировать мощность между двумя ядрами на 10–90 % для достижения оптимальных результатов (рис. 6). Одной из уникальных особенностей TRUMPF TruDisk является конфигурация оптики в свободном пространстве перед запуском в технологическое волокно; мы используем всю мощность лазера и сокращаем сращивание нескольких волоконных модулей в сердцевине. Это позволяет нам в некоторых случаях использовать лазер BLW мощностью 2 или 4 кВт вместо конструкции со сращиванием волокон мощностью 7 или 8 кВт для достижения той же производительности.

Рис. 6. (слева направо) Увеличение мощности лазера во внешней сердцевине волокна

Первым рассматриваемым применением была сварка силовых агрегатов автомобилей. Приложение имеет контролируемые прессовые соединения, стабильное качество материала и требования к быстрой сварке, малой деформации от подводимого тепла и практически полному отсутствию образования брызг при попадании в коробку передач с множеством движущихся шестерен. Технология BrightLine Weld обеспечивает очень гибкий диапазон параметров для оптимизации энергоэффективности или производительности машины.Если для оптимизации энергоэффективности используется BrightLine Weld, как показано на рис. 7 слева, деталь можно сваривать с обычными скоростями подачи, например v = 5 м/мин, с мощностью лазера P = 2 кВт и глубиной проплавления. глубина около 3 мм. Образование брызг низкое, поэтому не требуется выхлоп, что снижает затраты. С другой стороны, можно повысить производительность за счет увеличения скорости подачи в сочетании с использованием более высокой мощности лазера. Этот случай показан в правой части рис. 7. Тот же высококачественный сварной шов с низким разбрызгиванием и одинаковой глубиной провара может быть получен при трехкратном увеличении скорости сварки при v = 16 м/мин и P = 5 кВт.

Рис. 7. Скорость ДУ или меньшая мощность лазера

Увеличение скорости подачи приводит к более высокой скорости охлаждения расплавленного материала. Испытания проводились на осевом шве между валом и диском. Вал изготовлен из 20MnCr5, диск толщиной 5 мм из 16MnCr5. Дальнейшее исследование поперечных сечений сварных швов показало тонкий V-образный шов. Шов с BrightLine Weld более узкий по сравнению с современным оборудованием. Точно так же ЗТВ уже. Площадь поперечного сечения равна 1.08 мм 2 для шва (сравнение 1,70 мм 2 ) и для ЗТВ всего 0,79 мм 2 с обеих сторон (сравнение 1,76 мм 2 ). Средняя глубина сварки составляет 3,6 мм.

Структурные изменения в околошовной зоне аналогичны процессу сварки BrightLine Weld с обеих сторон шва. В мелкозернистом материале, а не в крупнозернистой стали, только бывшие зерна перлита превращаются в мартенсит.Бывшие зерна феррита не преобразованы или только вблизи границ зерен. Более высокая скорость сварки BrightLine Weld означает меньше времени для диффузии углерода и меньшей конверсии феррита.

Рис. 8. Поперечные сечения и кривые твердости для современного и испытательного образца BrightLine Weld

Кривые твердости на рис. 8 показывают, что зоны упрочнения для процесса BrightLine Weld уже по сравнению с современным сварным швом без формирования луча. Это отражает описанные ширины и площади сварных швов и околошовных зон.По величине упрочнения оба метода примерно равны. Твердость сварных швов составляет от 450 до 470 HV0,1. В зонах термического влияния измеренная твердость зависит от того, затрагивают ли отпечатки твердости ферритные или мартенситные зерна. Упрочнение происходит в мартенситных зернах до 650 HV0,1. В среднем, в процессе сварки BrightLine, ЗТВ содержит меньшую долю сильно закаленных участков, что связано с большей долей остаточного ферритного зерна

, технология BLW позволила уменьшить разбрызгивание на 90–95%, при этом обеспечивая ту же или лучшую твердость, ЗТВ и растрескивание.Кроме того, если производительность не является серьезной проблемой, вы можете купить менее дорогой лазер с меньшей мощностью. Если производительность является основным фактором, аналогичная мощность однолучевого лазера может увеличить скорость подачи до 300%.

После того, как технология оправдала себя в этом приложении, мы обратились к другим сварочным материалам и конфигурациям соединений. Нержавеющая сталь показала резкое снижение образования брызг на 90–95 %, но увеличение скорости составило лишь около 100 % по сравнению с 300 % для мягкой стали. Это важно, так как многие виды сварки нержавеющей стали предназначены для косметического сварного шва, поэтому сочетание BLW с защитным газом может решить косметические проблемы.Другие конструкции сварных соединений также были оценены, и BLW показал такое же уменьшение разбрызгивания, но изменения в процессе включают увеличение размеров пятна или колебания луча. Это необходимо, поскольку BLW довольно узкий при использовании оптики с коэффициентом изображения 1: 1 и прочности сварного шва при сварке внахлестку. При угловой сварке прочность сварного шва измеряется зоной сопряжения двух кусков материала, а не глубиной сварного шва при стыковом сварном шве.

Рисунок 9. Сварка алюминия

В настоящее время очень активным рынком являются электромобили с батареями и двигателями, а также электроника, общая электротехника и отрасли по хранению энергии, которые активно используют медь и алюминий.BLW значительно улучшает качество и скорость сварки этих материалов, а также уменьшает разбрызгивание. В этих отраслях вам необходимо поддерживать высокое качество электропроводности и минимальный импеданс, сводя к минимуму хрупкость в зоне сварки и придавая сварному шву хороший внешний вид. На рис. 9 показан пример сварки алюминия односердцевинным волокном по сравнению с двужильным волокном BLW, а на рис. 10 показаны сварные швы меди. Тестирование этих материалов продолжается.

Таким образом, формирование луча с помощью ДУО при лазерной сварке с помощью коаксиально наложенных лучей было успешно применено при сварке зубчатых колес на высоких скоростях.В этом случае сварка проводилась с трехкратной скоростью сварки по сравнению с современным уровнем техники. Испытания на выносливость высокоскоростных сварных швов показывают, что типичная для лазерных сварных швов прочность на выносливость обеспечивается.

Рис. 10. Поверхность и поперечное сечение сварки меди

При сварке материалов с низкой вязкостью в жидкой фазе, таких как медь, формирование луча BrightLine Weld показало дополнительные положительные эффекты. При сварке шпоночного отверстия с глубоким проплавлением достигается значительное предотвращение разбрызгивания.Сварка алюминия серии 6000 страдает от явления горячих трещин в условиях сварки внахлестку с малыми размерами фланцев. Путем применения формы луча были получены хорошо контролируемые сварные швы с частичным проплавлением без брызг. Это открывает новые возможности для сварки навесных деталей автомобилей благодаря высокой скорости подачи, которая возможна при линейной сварке.

Эта статья была написана Трейси Риба, менеджером OEM Lasers N.A., TRUMPF (город Плимут, Мичиган). Для получения дополнительной информации свяжитесь с г.Рыба на Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра. или посетите здесь  .


Еще от SAE Media Group

Журнал Photonics & Imaging Technology

Впервые эта статья была опубликована в выпуске журнала Photonics & Imaging Technology Magazine за май 2019 года.

Читать больше статей из этого номера здесь.

Больше статей из архива читайте здесь.

ПОДПИСАТЬСЯ

Все, что вам нужно знать о лазерном сварочном аппарате

Роботизированная сварка деталей никогда не могла бы стать реальностью, если бы не технологии лазерной сварки.Лазерный луч выравнивается по шву свариваемых деталей. Затем эти блоки проходят через лазерную сварку на конвейерной ленте.

Таким образом, скорость, с которой происходит процесс, позволяет быстро производить сварные изделия. Эта технология нашла применение в бесчисленном количестве отраслей. Почти каждая обрабатывающая промышленность, использующая металлические детали, использует этот вид сварки. Таким образом, применение лазерной сварки широко распространено во всех видах металлургической и неметаллической промышленности, использующих сварку деталей.

Еще одним важным применением лазерной сварки является ювелирная промышленность. Когда вам нужно изготовить сложные и ажурные детали украшения из двух разных материалов, которые необходимо сварить между собой, то лучшим вариантом для их сварки является технология лазерной сварки.

По данным twi-global, почти 15% всех производственных процессов в отрасли так или иначе связаны с применением лазера. Сварка CO2 широко применяется в автомобильной промышленности.Основное применение сварки находит в производстве зубчатых колес, деталей трансмиссии, силовых передач.

Для большинства этих изделий также требуются круговые и кольцевые сварные швы. Таким образом, круговые сварные швы также хорошо обрабатываются лазерной сваркой. Кроме того, Nd:YAG находит широкое применение при сварке кузовных деталей и конструкций автомобилей.

Лазерная сварка добилась больших успехов в автомобильной промышленности, в первую очередь благодаря скорости работы, точности, эффективности и более низкой стоимости в долгосрочной перспективе.Подробнее о применении лазерной сварки в автомобильной промышленности можно узнать здесь.

Если вы начнете перечислять отдельные отрасли, в которых используется лазерная сварка, то у вас не хватит времени и места для записи, но вы не исчерпаете отрасли, в которых используется лазерная сварка. Точно так же в медицинской промышленности широко применяются методы лазерной сварки.

Наибольшее количество применений метода лазерной сварки в медицинской промышленности – это сварка разнородных металлов.Медицинские средства обычно состоят из различных типов электронных частей, которые дополнительно оснащены несколькими полупроводниками.

Основная проблема в сценарии возникает, когда необходимо сварить вместе разные металлы и материалы, обладающие разными химическими и физическими свойствами. Но сварочные аппараты с волоконным лазером успешно справляются со своей задачей.

Некоторые твердые металлы и материалы, такие как нержавеющая сталь, 440C или 430, а также титановые сплавы, также широко используются в медицинской промышленности.Эти материалы должны быть сварены вместе с надежной системой, обеспечивающей здоровье пациента.

В других устройствах, таких как кардиостимуляторы, автоматические наружные дефибрилляторы, помпы для лекарств, также используются технологии лазерной сварки.

Prima Power Laserdyne Лазерная сварка

Хотя начало линейки продуктов LASERDYNE® можно отнести к лазерной сварке, большинство ассоциирует LASERDYNE с лазерной резкой и сверлением для аэрокосмических применений. За более чем 37-летнюю историю того, что сейчас называется Prima Power Laserdyne, мы поставляли системы лазерной сварки для аэрокосмической промышленности (двигатель и планер), электроники, гидравлических муфт и медицинских устройств с использованием источников CO2, Nd:YAG и волоконных лазеров.

Этот раздел содержит ссылки на статьи нашей группы Application Engineering, которые помогут вам оценить и применить лазерную сварку металлов.

Для ознакомления с лазерной сваркой запросите экземпляр Laser Welding 101, написав по адресу [email protected], просмотрите глоссарий по лазерной сварке.

Руководство по процессу

Выбор и подача защитного газа при лазерной сварке
Минимизация пористости при сварке волоконным лазером
Лазерная сварка с колебанием
Зачем использовать присадочный металл при лазерной сварке?
      Разработка процессов для лазерной сварки с подачей проволоки
      Как определить оптимальную сварку и скорость проволоки при лазерной сварке с подачей проволоки
Руководство по проектированию и сборке соединений для лазерной сварки
Новые возможности лазерной сварки от Prima Power Laserdyne

Сварка металлов и сплавов

Рекомендации по сварке авиакосмических сплавов на основе титана
Лазерная сварка Ti-6Al-4V с использованием присадочной проволоки
Рекомендации по сварке аэрокосмических сплавов на основе никеля Алюминиевые сплавы и разнородные металлы
Лазерная сварка аустенитных металлов (серия 300) Нержавеющая сталь
      Как быстрое охлаждение влияет на структуру лазерных сварных швов нержавеющей стали?
Влияние защитного газа и параметров сварки при лазерной сварке конструкционной стали A36

Сварка разнородных металлов и сплавов

Лазерная сварка нержавеющей стали 304 со сталью с цинковым покрытием
Лазерная сварка алюминиевых сплавов и разнородных металлов
Лазерная сварка комбинаций меди и никеля
Лазерная сварка разнородных металлов — Ti-6Al-4V с инконелем 718

Калькулятор процесса

Использование калькулятора процессов для разработки процессов лазерной сварки

Лазерная сварка медицинских изделий

Предоставление решений для лазерной сварки высочайшего качества

Cadence предлагает неизменно точные, надежные и высококачественные сварные швы для широкого спектра материалов, включая прецизионную лазерную сварку для медицинских устройств и аэрокосмических компонентов и узлов, а также для многих других применений.Наш опыт и знания в сочетании с новейшими технологиями позволяют нам выполнять точную лазерную сварку с высокой скоростью и эффективностью, а также с повторяемостью. Некоторые из преимуществ лазерной сварки по сравнению с традиционными методами сварки включают:

Преимущества лазерной сварки

  • Более прочные и надежные соединения
  • Малая зона термического влияния (ЗТВ)
  • Глубокое проплавление точных узких сварных швов
  • Узкий сварной профиль
  • Низкое тепловложение
  • Минимальная деформация детали
  • Нет для минимальной вторичной обработки
  • Высокая повторяемость
  • Значительно более высокая скорость сварки

Процессы лазерной сварки Cadence позволяют соединять аналогичные металлы, а также разнородные металлы с помощью точечной или шовной сварки.В результате получаются сварные швы, обеспечивающие превосходную прочность и внешний вид. Наши возможности лазерной сварки отличаются широким спектром инноваций и уникальными технологическими характеристиками, в том числе:

Уникальные технологические характеристики

  • Технология микросварки – используются точки сварки наименьшего диаметра для самых тонких применений
  • Двухлучевая технология — возможность одновременной сварки на противоположных сторонах детали
  • Управление мощностью с двойным замкнутым контуром. Стабильность между импульсами менее 1 % обеспечивает лучшее соединение и меньшую вариацию между частями
  • 5-осевое управление для самых сложных требований лазерной сварки
  • Лазерная сварка в чистых помещениях, при необходимости

Наша передовая сварочная лаборатория TM  предоставляет бесконечные возможности для удовлетворения всех ваших самых сложных потребностей в области сварки.

ПРАВИЛЬНЫЙ ЛАЗЕР

Обычный и оптоволоконный. Выбор лазера определяется типом и толщиной материала, временем цикла и требованиями к проплавлению сварного шва. При сварке обычно используются два типа подачи луча: обычная доставка луча и оптоволоконный кабель. Обычная подача луча, подходящая как для Nd:YAG, так и для CO2-лазеров, идеально подходит для 5-осевых систем позиционирования при резке, где гибкость и движение осей станка не могут быть затруднены или ограничены.

ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКАЯ СВАРКА

Оптоволоконная подача подходит только для сварки лазерами Nd:YAG. Преимуществом использования волокна для сварки является возможность установки концевого эффектора на робота, что создает очень гибкую и недорогую платформу для сварки больших сложных трехмерных деталей. Наряду с 5-осевой резкой также доступны услуги 3D-лазерной резки.

ОТЛИЧНАЯ СВАРКА

Эти преимущества являются результатом использования небольшого размера пятна фокусировки, от 0,001″ до 0,04″, соответствующей газовой защиты, хорошо спроектированной конструкции соединения и обеспечения повторяемости подгонки деталей.Успешная лазерная сварка также зависит от контроля переменных процесса, таких как выбор правильного типа лазера для материала и толщины. Отражательная способность и проводимость влияют на качество сварки. Подготовка детали и чистота также очень важны, так как любое загрязнение в соединении может привести к образованию пустот и пористости в сварном шве. Правильное сочетание этих элементов имеет решающее значение для достижения оптимальной лазерной сварки.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.