Лазерная сварка: принципы, преимущества, плюсы и минусы

Лазерная сварка эффективна для создания неразъемного соединения металлов и сплавов. Она отличается точностью, повышенной производительностью, высоким качеством сварочного шва. Автоматизированное оборудование сокращает участие человека в технологическом процессе, что повышает скорость работ и ведет к снижению брака. Автоматические лазерные установки дорогие, но они быстро окупаются в условиях крупных предприятий и небольших ремонтных мастерских.

Зачем нужна лазерная сварка?

Лазерной сваркой называется технология соединения материалов плавлением за счет разогрева рабочей зоны лучом лазера. Такую методику применяют для высокоточной сварки, соединения деталей со сложной конфигурацией, мелких и крупногабаритных объектов, изделий с разной толщиной. Метод позволяет сваривать металлы, их сплавы, стекло, пластмассы, керамику.

Общая характеристика

Лазерную сварку широко используют в промышленности и народном хозяйстве для формирования неразъемных соединений. От других технологий этот метод отличает максимальная плотность энергии в пятне нагрева — до 1 МВт на см2. За счет этой особенности происходит быстрый разогрев и охлаждение области сварного шва, что ведет к сокращению теплового воздействия. В итоге материал не изменяет структурных качеств, поэтому снижение его прочности и растрескивание исключены.

Для лазерного соединения металлов потребуются специальные станки. Они бывают полуавтоматическими, автоматическими и роботизированными. Любые типы установок обладают схожим принципом работы. Они создают лазерный луч, который при контакте с материалом приводит к его моментальному разогреву и расплавлению.

Технология и свойства

При лазерной сварке источником энергии выступает лазер. Формируемое квантовым генератором излучение фокусируется оптической системой, преобразуется в узконаправленный пучок и устремляется в рабочую область. При попадании луча на заготовку выделяется тепловая энергия, которая греет и плавит кромки — так образуется шов.

Лазерный луч обладает такими свойствами:

1. Направленностью — концентрацией энергии на небольшой площади. Фокусированный луч точно направляется в нужную область, что обеспечивает высококачественную сварку.
2. Монохромностью, для которой характерна фиксированная длина и частота волны, высокая энергетическая плотность луча с постоянным углом преломления.
3. Когерентностью — согласованностью волновых процессов во времени, способных к резонансу, что повышает мощность светового потока.

Как работает лазерная сварка?

Лазерная сварка позволяет получить шовное или точечное соединение. Промышленные модели лазеров генерируют импульсные и непрерывные лучи. Непрерывные используют для точечных и шовных соединений, импульсные — только для точечных. Шовная сварка подходит для соединения деталей большой толщины и позволяет получить надежный шов без использования дополнительных присадочных материалов. При точечной используется лазерный луч, который фокусируется на маленькой области.

Как проходит процесс сваривания?

Последовательность действий при выполнении лазерной сварки:

• плотное примыкание соединяемых элементов друг к другу по линии предполагаемого шва;
• наведение лазера на область сварки;
• активизация квантового генератора, равномерный разогрев и плавление кромок заготовок.

Лазер создает прочный, плотный и долговечный шов без пустот, изъянов и других дефектов.

Преимущества и недостатки

Лазерному соединению присущи определенные плюсы и минусы. Преимущества:

1. Возможность работы с разными материалами. В их числе углеродистая, высокопрочная, нержавеющая, легированная сталь, чугун, титан, алюминий, латунь, медь, серебро, термопласты. Можно соединять пластиковые, стеклянные, керамические заготовки и разнородные материалы.
2. Стабильное движение луча и высокая точность. Шов обладает минимальной толщиной, он тонкий, аккуратный, практически незаметный.
3. Минимальный нагрев околошовной области, что позволяет избежать деформации свариваемых элементов.
4. Производительность. Сваривание выполняется за один проход, что по сравнению с электродуговой сваркой дает возможность значительно ускорить работы.
5. Использование лазерного луча для сварки в любых пространственных положениях, в труднодоступных для других технологий местах, на большом удалении изделий от лазера. Возможно сварить детали сквозь прозрачные перегородки.
6. Безопасность для здоровья работников. В процессе работ не выделяется ультрафиолетовое излучение, не образуются токсичные продукты горения и газы. Обрабатываемые элементы почти не нагреваются за зоной сварки, поэтому работать с оборудованием можно без перчаток.
7. Химическая чистота сварной области, поскольку во время работ не потребуется использования флюсов, электродов и присадок.

Оборудование можно встроить в любую производственную линию. У современных устройств предусмотрено множество рабочих режимов, есть возможность быстрой перенастройки системы при переходе на обработку новых изделий.

Недостатки:

1. Высокая стоимость установок и комплектующих к ним, из-за чего использование этой технологии целесообразно при условии массового или серийного производства.
2. Небольшой КПД при работе с материалами с низкой отражающей способностью, высокая энергоемкость.
3. Повышенный уровень квалификации персонала. Мастера без теоретических знаний и опыта не смогут работать с лазерными установками.

Особые условия предъявляют к помещению, в котором будут выполняться работы. Важно соблюдать оптимальную температуру, влажность, запыленность, частоту электромагнитных излучений и другие параметры.

Условия и методы лазерной сварки

Условия лазерной сварки определяются многими факторами: типом лазера, настройками системы, характеристиками материалов, положением и толщиной свариваемых элементов. Точное позиционирование сфокусированного волоконного излучения обеспечивает выход мощного луча. Глубина сварного шва может быть сквозной, предельной или поверхностной, режим — непрерывным или импульсным. Мощность лазера и скорость его движения будут зависеть от размеров шва, типа и толщины материала.

Для обработки легированных сталей требуется высокая мощность потока, которая позволит уничтожить окисные пленки на поверхности. Титановые, вольфрамовые, алюминиевые изделия соединяют без присадок и защиты инертными газами. Для соединения тонких металлических листов используют расфокусировку луча для предотвращения сквозного выжигания.

Методы лазерной сварки:

1. Внахлест. Металлические листы накладывают друг на друга, прижимают, чтобы зазор не превышал 0,2 мм, и сваривают лучом.
2. Встык. Методику применяют для сварки узких и длинных конструкций по краю. Работы выполняют с защитой шва от окисления с помощью азота или аргона.

Иногда прибегают к комбинированной сварке, при которой в рабочую подают присадочную проволоку. Ее толщина должна быть равна размеру лазерного луча и ширине сварного соединения.

Виды лазеров

Производители выпускают два типа аппаратов — газовый и твердотельный. Они различаются конструкцией, функционированием и применением.

Твердотельные

В них предусмотрен стержень из рубина или неодимового стекла, который расположен в осветительной камере. Лампа накачки создает вспышки света, что приводит к возбуждению атомных частиц. Луч выходит через прозрачное зеркало, многократно отражается внутри рубинового стержня, за счет чего происходит его усиление. Твердотельные установки характеризуются небольшой мощностью, ее значения находятся в пределах от 1 до 6 кВт. Из-за такой особенности они применяются для соединения небольших деталей с малой толщиной или точечной сварки.

Газовые

Их отличие от твердотельных моделей — повышенная мощность. В качестве активного компонента в них выступает смесь газов, обычно СО2+N2+Не. Она находится внутри трубки, на концах которой находятся параллельные зеркала. Одно из них непрозрачное, другое — пропускает свет. Работа газовых аппаратов заключается в создании электрических разрядов внутри трубки, в результате чего образующиеся электроны возбуждают молекулы газа — так появляется лазерный луч.

Мощность газовых моделей составляет 15-20 кВт и выше. Они позволяют сваривать металлические изделия толщиной до 2 см при скорости 1 метр в минуту. Их недостаток — большие размеры.

Популярные модели

Представим несколько востребованных лазерных станков.

RAYLOGIC FBW 2000

Многофункциональный высокоточный станок мощностью 20 кВт с жидкостным охлаждением источника. Оборудование с интуитивно понятным интерфейсом отличается простым и удобным управлением. Обеспечивает быстрое соединение металлов благодаря автоматизированной системе управления и настройки. Преимущества установки — простота эксплуатации, встроенные системы безопасности, стабильная работа. Raylogic FBW позволяет получить высокое качество швов и сэкономить материалы.

RAYLOGIC FBW 1500

Ручной аппарат мощностью 15 кВт, длиной волны 1060-1080 нм с водяным типом охлаждения. Оборудование долговечное — срок службы его источника энергии составляет до 100 000 ч. Поддерживает два режима работы — непрерывный или импульсный. Характеризуется высокой точностью регулировки рабочих параметров, надежностью, удобным использованием и эффективностью.

RAYLOGIC CWC 2000

Многофункциональный аппарат для сварки, резки, чистки металлических изделий от ржавчины. Установка мощностью 2000 Вт работает в ручном или автоматическом режиме. Может обрабатывать детали разных конфигураций, форм толщиной до 2 см. Имеет функцию изменения траектории луча. Отличается высокой скоростью, гибкостью настроек, универсальностью.

RAYLOGIC CWC 1500

Многофункциональная установка мощностью 1500 Вт, которая поддерживает три функции:

• удаление ржавчины, жировых пятен, защитных покрытий с поверхности металлов;
• сваривание изделий;
• резка труб, листового металла.

Установка характеризуется высокой точностью и скоростью выполнения работ.

Лазерная сварка в промышленности

В промышленности особо востребованы два типа установок — газодинамические и гибридные.

Газодинамические

Установки с самыми высокими показателями мощности от 100 кВт и более. Для работы используют окись углерода, которая разогревается до 3 000 градусов. Поле нагревания газ проходит через сопло Лаваля, постепенно охлаждаясь. Такие модели характеризуются низким КПД, поскольку в лазерное излучение преобразуется лишь часть энергии, другая — рассеивается в виде тепла.

Гибридные установки

На основе лазерных приборов разработаны комбинированные установки. Они включают элементы индукционной, дуговой, плазменной и иных технологий традиционной сварки. При сваривании конструкций с толстыми кромками в сварочную зону подается присадочная проволока. Она создает огненную электрическую дугу, чтобы заполнить пространство между деталями и создать надежное герметичное соединение.

Достоинство гибридных лазерных технологий — возможность объединения двух источников нагрева в один, за счет чего удается нивелировать минусы каждого из методов по отдельности. Они позволяют снизить себестоимость метра шва, увеличить качество сварки и скорость выполнения работ.

Дефекты при неправильной сварке

Несоблюдение технологии сварки может привести к разным дефектам, например:

1. Пористости. Это пузырьки воздуха, образующиеся в металле из-за недостаточной защиты сварочной зоны. Они уменьшают прочность сварного соединения и могут привести к его разрушению.
2. Растрескиванию. Трещины возникают из-за низкого качества металла, неправильных настроек аппарата. Они снижают прочность шва, ведут к его преждевременному разрушению.
3. Получению неравномерного шва. Проблема возникает при неправильной настройке агрегата, чрезмерной скорости перемещения лазерной головки. Из-за неравномерного соединения на поверхности могут образоваться микротрещины.
4. Поверхностным дефектам. Это могут быть шлаковые включения, коррозия, загрязнения, наплывы, кратеры, которые разрушают сварное соединение.

Чтобы исключить ошибки, важно тщательно следить за выполнением всех технологических процессов и правильно настраивать оборудование. Для корректной работы с лазерными установками нужно иметь опыт и знания.

Бесшовная сварка металлов

Сталь

Лазерная технология применима для соединения разных видов стали, включая углеродистую, нержавеющую, тугоплавкую и сплавы. При сварке возможно образование закалочных структур в области термического влияния, возникновение трещин, пор в металле шва.

Алюминий

Лазеры используют для сварки алюминия и сплавов на основе этого металла. Работы усложняет высокая теплопроводность и низкая плавность металла, что нередко приводит к деформациям, появлению пор. Для нивелирования проблем важно правильно отрегулировать настройки и рабочие параметры устройств.

Титан

Лазерная сварка дает возможность получить надежные швы без деформаций. Технология позволяет обрабатывать титан быстрее по сравнению с традиционными методами.

Медь

Сварку используют для соединения медных деталей, проводов, сплавов. Медь хорошо проводит тепло и электричество, что усложняет обработку этого цветного металла.

Латунь

Для латуни и ее сплавов важно правильно отрегулировать настройки, иначе на поверхности появится оксидная оболочка, приводящая к возникновению пустот.

Никелевые сплавы

Лазер позволяет получить герметичные соединения при сварке никелевых сплавов.

Лазерная чистка металлов

Это бесконтактная обработка поверхности, достойный конкурент пескоструйному методу. Позволяет очистить металлические изделия от ржавчины, старых лакокрасочных покрытий, сажи, жира и следов окисления.

Преимущества очистки металла лазером:

• безопасность работ, поскольку в процессе не выделяются токсические и вредные для здоровья вещества;
• отсутствие шума, что отличает эту методику от механической аппаратной обработки;
• возможность применения для деталей из комбинированных материалов;
• отсутствие расходных компонентов;
• возможность выполнения работ в ручном режиме с использованием пульта ДУ.

Принцип работы заключается в воздействии светового потока на металл. При отсутствии загрязнений луч отразится от поверхности. Поврежденные коррозией участки поглотят энергию, в результате чего окислы утратят прочность, разрушатся и легко отойдут от основы.

Лазерная резка

Это эффективная технология раскроя труб и листового металлопроката. Лазеры подходят для резки любых металлов, включая тугоплавкие. При воздействии узконаправленного пучка энергии частички металла плавятся, испаряются и выдуваются потоком газа. В результате получаются узкие резы с малой областью нагрева, что исключает деформацию заготовок.

Преимущества лазерной резки:

• высокая скорость выполнения работ — скорость может достигать 60 метров в час;
• отсутствие отходов;
• точность реза благодаря ЧПУ;
• получение качественного реза без заусениц, за счет чего не потребуется дополнительная металлообработка.

К недостаткам относят ограничение по толщине металла и высокую цену на установки.

Области применения

Лазерные установки для сварки металлов востребованы в разных отраслях. Их применяют в электронике для изготовления микросхем, плат, соединения элементов, толщина которых измеряется в микронах. Аппараты позволяют спаивать элементы, которые не должны подвергаться высоким температурам.

Установки используют в авиации, автомобильной промышленности, медицине, атомной энергетике. Их применяют для:

• производства и ремонта кузовов машин, соединения кузовных элементов из тонколистовой стали;
• изготовления металлоконструкций: мостов, зданий, ангаров и других объектов;
• производства деталей и механизмов для оборонной, судостроительной отрасли.

Лазеры используют для производства оправ для оптики, протезов, искусственных суставов, скелетных штифтов и других конструкций. Благодаря точности лазерные установки применяют для производства ювелирных изделий.

Заключение

Развитие электронной промышленности и машиностроения неразрывно связано с внедрением в производственный процесс инновационных технологий, основанных на новейших достижениях науки. К их числу относят лазерную обработку. Лазерные установки просты в эксплуатации, легко управляемы, эффективны. Лазером можно выполнить любые манипуляции: сварку, резку, чистку. С помощью оборудования соединяют материалы разных толщин, обрабатывают нержавейку, тугоплавкие металлы.