Сварка металла с использованием лазерной установки: Виды и Плюсы

Содержание

1. Особенности лазерной сварки металлов
2. Классификация методов лазерной сварки

• Классификация по энергетическим признакам
• Классификация по технологическим признакам
• Классификация по экономическим признакам

• Область применения лазерной сварки
• Технология лазерной сварки
• Сварка сталей
• Сварка алюминиевых и магниевых сплавов
• Сварка титана и титановых сплавов

Оборудование и установки для сварки лазером

• Твердотельные лазеры
• Газовые лазеры
• Системы транспортировки и фокусировки лазерного луча
• Система газовой защиты
• Система перемещения луча и изделия

Видео: Лазерная гибридная сварка

1 Лазерная сварка – суть процесса и его достоинства

При выполнении операции соединения материалов лазерным лучом используются разные по виду лазерные агрегаты:

• газовые;
• твердотельные;
• полупроводниковые.

Непосредственно процесс базируется на том, что при направлении энергии квантов на свариваемые изделия наблюдается поглощение ими этой самой энергии, приводящее к увеличению температуры поверхности деталей за счет образования теплоты.

Лазерная сварка позволяет выполнять соединение конструкций с весьма крупными габаритами, так как для ее выполнения не требуется вакуум. Кроме того, использование луча лазера характеризуется следующими важными достоинствами:

• получение в процессе сварки по-настоящему безупречного качества соединения изделий из таких материалов, которые иными сварочными методами свариваются очень и очень плохо (популярная стыковая сварка, например, по своим качественным показателям не идет ни в какое сравнение с лазерной);
• отсутствие на обрабатываемой поверхности холодных и горячих трещин за счет того, что лазер обеспечивает большие скорости охлаждения и нагрева металла (при этом на околошовный участок оказывается несущественное тепловое влияние);
• легкая регулировка и управление лучом лазера посредством оптических зеркальных комплексов дают возможность направлять тепловое воздействие в наиболее труднодоступные области конструкции, а значит, сварка может производиться практически в любом ее месте;
• лазерный луч гарантирует стабильное образование соединительного шва, так как на его характеристики не оказывают влияния магнитные поля, как это отмечается при выполнении сварочных работ при помощи электродуги либо электронного луча.

Также стоит отметить и то, что сварка изделий с применением лазерного оборудования обеспечивает минимальный уровень деформации конструкций, уникальную прочность (технологическую) полученных соединений.

Стандартный газовый лазер, используемый в настоящее время, представляет собой достаточно простой агрегат. Выполнен он в виде трубки, в которую накачивают газ. Данная трубка ограничивается параллельными зеркалами с обеих сторон (с одной стороны устанавливают полупрозрачное зеркало, с другой – полностью непрозрачное). В описанную конструкцию вводят электроды, между ними формируются так называемые “быстрые электроны”. Они-то и возбуждают молекулы газа, которые создают кванты света, возвращаясь в свое обычное состояние. Лазерные установки газового типа способны функционировать непрерывно.

Добавим – лазерная технология может выполняться по двум схемам:

• сварка в среде защитных газов;
• сварка на воздухе.

Первая из указанных технологий позволяет осуществлять соединение самых разных металлов, которые ранее считались непригодными для сваривания (сварка нержавеющей стали, металлов тугоплавкой группы и т. д.).

В чем разница между готовыми моделями

Стоимость является главной причиной, почему множество умельцев прибегают к изготовлению лазерного резака своими руками. А принцип работы заключается в следующем:

1. Благодаря созданию направленного лазерного луча происходит воздействие на металл
2. Мощное излучение заставляет материал испаряться и выходить под силой потока.
3. В результате благодаря малому диаметру лазерного луча получается высококачественный срез заготовки.

Глубина врезания будет зависеть от мощности комплектующих. Если заводские модели оборудуются высококлассными материалами, которые обеспечивают достаточный показатель углубления. То самодельные модели способны справиться врезаться на 1-3 см.

Благодаря таким лазерным установкам можно сделать уникальные узоры в заборе частного дома, комплектующие для декорирования ворот или ограждений. Существует всего 3 вида резаков:

1. Твердотельные. Принцип работы завязан на использовании специальных сортов стекла или кристалликов светодиодного оборудования. Это недорогие производственные установки, которые используются на производстве.
2. Волоконные. Благодаря использованию оптического волокна можно получить мощный поток и достаточную глубину врезания. Они являются аналогами твердотельных моделей, но благодаря своим возможностям и характеристикам по производительности лучше их. Но и дороже.
3. Газовые. Из названия понятно, что для работы используется газ. Это может быть азот, гелий, углекислый газ. КПД таких устройств на 20% выше, чем у всех предыдущих. Их используют для резки, сварки полимеров, резины, стекла и даже металла с очень большим уровнем теплопроводности.

В быту без особых затрат можно получить только твердотельный лазерный резак, но его мощности при грамотном усилении, которое было разобрано выше, хватает для выполнения бытовых работ. Теперь у вас есть знания относительно изготовления такого устройства, а дальше только действовать и пробовать.

А у вас есть опыт в разработке лазерного резака по металлу своими руками? Поделитесь с читателями, оставив под этой статьей комментарий!

Принцип действия установок для лазерной сварки

При облучении поверхности тела светом энергия квантов света поглощается этой поверхностью. Образуется теплота, температура поверхности повышается. Если световую энергию сконцентрировать на малом участке поверхности, можно получить высокую температуру. На этом основана сварка световым лучом оптического квантового генератора – лазера.

Термин «лазер» происходит от первых букв английской фразы: «Light amplification by the stimulated emission of radiation», что в переводе означает: «Усиление света посредством индуцирования эмиссии излучения».

Основные элементы лазера – генератор накачки и активная среда. По активным средам различают твердотельные, газовые и полупроводниковые лазеры.

Лазерную сварку производят на воздухе или в среде защитных газов (аргона, СО2). Вакуум, как и при электронно-лучевой сварке, здесь не нужен, поэтому лазерным лучом можно сваривать крупногабаритные конструкции. Лазерный луч легко управляется и регулируется, с помощью зеркальных оптических систем легко транспортируется и направляется в труднодоступные для других способов места. В отличие от электронного луча и электрической дуги, на лазерный луч не влияют магнитные поля, что обеспечивает стабильное формирование шва.

Из-за высокой концентрации энергии (в пятне диаметров 0,1 мм и менее) в процессе лазерной сварки объем сварочной ванны небольшой, малая ширина зоны термического влияния, высокие скорости нагрева и охлаждения. Это обеспечивает высокую технологическую прочность сварных соединений, небольшие деформации сварных конструкций.

Например, лазерная сварка вилки с карданным валом автомобиля по сравнению с дуговой сваркой увеличивает срок службы карданной передачи в 3 раза, потому что более чем вдвое уменьшается площадь сечения сварного шва, в несколько раз – время сварки. Деформации вилки, вызывающие преждевременный износ, практически отсутствуют.

Скорость лазерной сварки непрерывным излучением в несколько раз превышает скорости традиционных способов сварки плавлением. Например, стальной лист толщиной 20 мм электрической дугой сваривают со скоростью 15 м/ч за 5–8 проходов, получают ширину шва 20 мм. Непрерывным лазерным лучом этот лист сваривается со скоростью 100 м/ч за один проход, получают ширину шва 5 мм. Однако лазерная сварка импульсным излучением по скорости сопоставима с традиционными способами сварки.

Основные параметры режима импульсной лазерной сварки – энергия и длительность импульсов, диаметр сфокусированного излучения, частота следования импульсов, положение фокального пятна относительно поверхности свариваемых деталей.

Лазерная сварка целесообразна, когда она позволяет значительно упростить технологию изготовления сварных изделий, выполняя сварку как заключительную операцию, без последующей правки или механической обработки. Лазерная сварка экономически эффективна, когда необходимо существенно повысить производительность, поскольку скорость ее может быть в несколько раз больше, чем у традиционных способов.

При изготовлении крупногабаритных конструкций малой жесткости или с труднодоступными швами, а также при необходимости соединить трудно свариваемые, в том числе разнородные, материалы, лазерная сварка может оказаться единственным процессом, обеспечивающим качественные сварные соединения.

Лазерная сварка в промышленности осуществляется с помощью лазерных технологических установок.

В их состав входят следующие основные узлы:

• технологический лазер, а также системы транспортирования и фокусировки излучения;
• защиты зоны шва;
• зоны закрепления и относительного перемещения лазерного луча и свариваемого объекта.

Сейчас наиболее широкое применение находят два типа технологических лазеров: газовые и твердотельные.

Особенности сварки лазером тонкостенных металлов

Основное преимущество лазерной сварки – ее разнообразие. Каждому виду работы можно подобрать соответствующее оборудование. В зависимости от типа поставленных задач и материалов, которые предстоит сваривать, можно подобрать наиболее оптимальные устройства.

Так, например, соединение деталей маленькой и большой толщины необходимо осуществлять разными установками. Как уже было отмечено выше, в одном случае лучше воспользоваться твердотельным лазером, а в другом – аппаратами на основе газа.

Схема сварки лазерным лучом.

Особенно эффективной данная технология оказывается в сварке тонкостенных металлов. Использование других методов влечет за собой ряд рисков, связанных с прожиганием материала, а также с появлением различных термических дефектов.

Лазерная сварка позволяет избежать указанных проблем, однако для этого необходимо точно контролировать мощность излучения, скорость движения луча, а также фокусировку рабочего пятна.

Соединение тонкостенных деталей осуществляют на минимальной мощности

Если сваривание проводится в импульсном режиме, тогда повышают скважность импульса и сокращают его длительность. А в непрерывном режиме скорость движения лазера повышают

Если установка не позволяет понизить мощность до необходимого уровня, тогда луч следует расфокусировать. Это уменьшит производительность сваривания, зато исключит вероятность прожигания изделия.

Используемое оборудование и процесс сварки

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

https://www.youtube.com/watch?v=Q38MpPsrF_Q

Твердотельные установки

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

Газовые аппараты

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

Гибридные установки

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

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

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

Сваривание усиленной и преобразованной световой энергией позволяет получать прочные и красивые швы, что особенно важно на тонких металлических изделиях. При этом обеспечивается высокая скорость работы и безопасность сварщика

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

Технология

Физические характеристики

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

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

Виды и режимы лазерной сварки

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

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

Технологические особенности

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

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

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

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.

Типы лазеров

При сваривании металлов применяют лазеры двух типов:

• твердотельные;
• газовые.

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

Твердотельный

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

На торцах активного тела находятся два зеркала:

• частично прозрачное;
• отражающее.

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

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

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

Газовый

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

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

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

Советуем изучить — Системы телемеханики в энергетике

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

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

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

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

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