Интернет журнал о промышленности и технологиях
Лазерная сварка металла
Опубликовано: 06.09.2018
Лазерная сварка металла — один из самых новых методов создания неразъемных соединений. Он отличается исключительной точностью, производительностью и высоким качеством сварного шва. Нагрев и плавление металла в рабочей зоне проводится лазерным лучом. Метод позволяет сваривать разнородные материалы. Несмотря на высокую стоимость и сложность оборудования, популярность этого метода постоянно растет. Для домашних мастерских становятся доступны аппараты бытового уровня.
Лазерная сварка металла
Лазерная сварка
Технология лазерной сварки
Световой поток, генерируемый лазером, отличается монохромностью. Все волны потока, в отличие от солнечного спектра, имеют равные длины волн. Это облегчает управление потоком с помощью фокусировки линзами и отклонения призмами. В лазере возникает явление волнового резонанса, что многократно увеличивает мощность пуска.
Лазерная сварка и пайка в автомобилестроении
Принцип действия лазерной сварки базируется на поглощении энергии пучка лазера металлом в рабочей зоне. При этом происходит сильный локальный нагрев.
Технология сварки лазером напоминает технологию газовой сварки. Подготовительные операции заключаются в механической обработке и химическом обезжиривании зоны соединения. Далее луч лазера направляется в начало шва, происходит нагрев металла, его плавление и образование сварочной ванны. Луч перемещается вдоль линии шва, за ним движется сварочная ванна и зона кристаллизации.
Схема лазерной сварки
После кристаллизации шов проводится зачистка шва от окалины и шлаков.
Лазерная сварка позволяет получить однородный, прочный и долговечный шов.
Условия и методы проведения процесса
Для достижения высокой мощности луча необходима его фокусировка. Она проводится в ходе серии последовательных отражений от переднего и заднего полусферических зеркал. Когда интенсивность пучка превышает пороговое значение, он проходит через центр переднего зеркала и далее, через систему направляющих призм, к рабочей зоне.
Лазерная сварка металлов может проводиться при различном взаиморасположении соединяемых заготовок. Глубину проплавления металла в рабочей зоне можно регулировать в широком диапазоне — от поверхностного до сквозного. Работу также можно вести непрерывным лучом или прерывистыми импульсами.
Способ позволяет сваривать как детали из тонкого листового проката, так и сложные профили и детали большой толщины.
Различают следующие виды процесса:
В стык. Проводится без присадочных материалов и флюсовых порошков в защитной газовой атмосфере. Внахлест. Свариваемые кромки накладываются одна на другую. Требуется обеспечить прижим заготовок друг к другу.
Лазерная сварка в стык
Компактные аппараты бытового класса позволяют проводить лазерную сварку своими руками.
Аппараты лазерной сварки металлов
Для проведения точечной или сплошной лазерной сварки необходимо:
лазер с источником питания ; блок оптической фокусировки; механизм перемещения луча в рабочей зоне; приспособления для подачи инертных газов для защиты рабочей области.По конструкции активного излучателя все аппараты лазерной сварки разделяют на два типа:
газовые; твердотельные.Оба типа могут работать как в импульсном, так и в непрерывном режиме.
Лазеры с твердым активным элементом
Такие установки могут излучать световой поток как непрерывно, так и дискретными импульсами. Активный излучатель делают из розового искусственного рубина, смешивая оксид алюминия и ионы хрома. Торцы стрежня полируют, создавая на них зеркальные поверхности, отражающие свет. Ионы хрома, облучаемые излучением лампы накачки, переизлучает свет на частоте работы лазера.
Функционирование их проходит следующим способом:
Стержнеобразный активный элемент помещен вместе с лампой накачки внутри рабочего корпуса. Энергия периодических вспышек лампы накапливается в активном элементе, фокусируясь и отражаясь от торцевых зеркал. По достижении порогового значения интенсивности светового пучка он проходит излучение рабочего импульса.
Лазер с твердым активным элементом
Аппараты с твердым активным телом работают на волне длиной 0,69 микрон. Мощность их достигает нескольких сотен ватт.
Аппараты с элементами на основе газовой среды
Установки с газообразным активным телом потребляют более высокое напряжение, и позволяет развивать большую мощность — до десятков киловатт. Лампа накачки облучает в таких приборах не твердотельный стержень, а газовую смесь в колбе. Для смеси используют углекислый газ, азот и гелий. Она находится под давлением в несколько атмосфер. Два (или более) электрода периодически инициируют электрический разряд в газовой смеси. Импульс так же усиливается многократным отражением от торцевых зеркал. Когда интенсивность достигает порогового значения, когерентный импульс проходит через полупроницаемое зеркало и сквозь оптическую систему направляется в рабочую зону.
Схема аппарата с элементом на основе газовой среды
Газовые установки работают с длинами волны около 10 микрон. Практический коэффициент полезного действия доходит до 15%
Особенности работы с тонкостенным металлом
При сваривании заготовок средней и большой толщины необходимо проплавление материала на всю толщину. Для этого используют излучение высокой интенсивности. Особенностью сварки лазером тонкостенных металлов является высокий риск прожигания листа. Чтобы избежать этого, необходимо строго контролировать следующие характеристики:
мощность излучения; скорость движения луча; фокусировка рабочего пятна.Сваривание тонкостенных заготовок проводят на минимальной мощности. При непрерывном режиме повышают скорость движения рабочего пятна. В импульсном режиме сокращают длительность импульса и повышают их скважность.
Лазерная сварка тонкостенных металлов
Если же на минимальной мощности плотность потока все равно слишком высока — используют преднамеренную расфокусировку луча. Это снижает КПД, но исключает прожигание листа и разбрызгивание металла.
Различия в технологии для разных металлов
Существуют отличия в технологическом процессе для различных металлов и их сплавов.
При сваривании заготовок из стали требуется провести механическую зачистку от ржавчины и других загрязнений. Детали должны быть тщательно обезжирены и высушены. Присутствие в зоне шва влаги может привести к повышенной гидратации материала шва и снижению его прочности и долговечности.
Аналогичная механическая подготовка и обезжиривание требуется для большинства цветных металлов и сплавов.
Нержавеющие сплавы сваривать допускается только встык. Нахлест может привести к возникновению тепловых напряжений в материале.
Благодаря высокой скорости ведения луча в рабочей области не успевают образоваться окислы. Это позволяет сваривать нержавеющие и титановые сплавы без применения флюсовых порошков и атмосферы защитных газов. Эта уникальная способность делает лазерный метод незаменимым при сваривании особо ответственных конструкций атомной, аэрокосмической и оборонной индустрии.
Ручная сварка
Технический прогресс последних лет позволил создать компактный аппарат для ручной лазерной сварки. На рынке представлено множество моделей с различными параметрами и функциональностью.
Они позволяют провести:
починку малогабаритных и миниатюрных конструкций; точечную сварку; наплавочные операции; ремонт небольших пресс-форм; пайку электронных компонентов; дезинфекцию медицинских изделий.
Ручная сварка
Стоимость таких аппаратов все еще значительная. Окупится он при условии большого объема работ.
Применение сварки лазером
Метод применяется для соединения особо ответственных конструкций либо в том случае, когда другими методами соединить заготовки не удается. Наиболее распространен метод в таких областях, как:
Устройства высокой точности. Изделия из легких цветных металлов. Соединение чугунных заготовок. Сваривание пластика.Весьма важная область применения лазерной сварки — оборонная промышленность
Плюсы и минусы лазерной сварки
Основные достоинства метода следующие:
ограниченная зона нагрева снижает риск коробления материала; при использовании гибких световодов возможна работа в узкостях и труднодоступных местах; сварочный аппарат без дополнительных модификаций применим для резки конструкций и раскроя листового металла; исключительное качество и долговечность швов; высокая производительность; отсутствие расходных материалов.Минусы, как и у любой действующей технологии, также присутствуют:
высокая стоимость аппарата; малый коэффициент полезного действия; высокие требования к образованию и опыту работника.В конечном счете, сопоставляя преимущества и недостатки сварки лазером, все больше предприятий и даже небольших мастерских принимают решение о переходе на новую технологию.
Используемое оборудование
Несмотря на различные габариты и мощность, оборудование для лазерной сварки относится к одному из основных типов: с твердым или с газообразным рабочим телом. Они различаются лишь методом возбуждения светового излучения. С металлом оба типа станков лазерной сварки работают одинаково.
Твердотельные установки
Такие приборы чаще используются в режиме непрерывного излучения. Они характеризуются более высокими рабочими частотами и ограниченным КПД и мощностью. Твердотельные агрегаты чаще используют для сваривания малогабаритных и тонкостенных изделий.
Импульсный твердотельный лазер
Газовые аппараты
Если требуется соединять заготовки большой толщины, применяют устройства с газообразным рабочим телом. Излучение возбуждается в газовой среде электрическим разрядом. Такие аппараты сваривают детали до 20 миллиметров. Такой способ позволяет достичь высоких мощностей в луче и более высоких значений КПД. Однако устройство прибора более сложное, в нем используется хрупкая стеклянная колба.
Газовый лазер
Гибридные установки
Для сложных конфигураций свариваемых деталей и листов большой толщины были разработаны гибридные сварочные установки. Рядом с лазерной головкой в них располагается горелка электродугового полуавтомата.
Гибридный лазерно-дуговой процесс сварки в среде защитного газа
Проволока используется в качестве присадочного материала и заполняет сварочный зазор, участвуя в формировании шовного материала.
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.