Лазерная сварка: сущность и принцип технологии

Что это такое?

Сварочные работы с использованием лазерной установки получили широкое распространение в различных отраслях промышленности и народного хозяйства. Суть процесса заключается в том, что искусственно созданный лазерный луч используется как источник тепловой энергии для выполнения работы. В основе лазерной сварки лежит направление излучения через систему фокусировки, которое собирается в пучок меньшего сечения и устремляется к рабочей поверхности деталей в точке их стыковки. Частично отражаясь, а частично попадая в толщу материала, луч приближается к рабочей поверхности. В этом случае поверхность заготовки мгновенно поглощает лазерный луч и при этом материал плавится, что обеспечивает формирование сварного шва.

Лазерная сварка может выполняться в любом положении деталей путем частичного плавления или плавления материала. Согласно ГОСТу этот вид сварки выполняется импульсным или непрерывным излучением. Если работа ведется с кусками небольшой толщины — от нескольких микрон до 1 мм — процесс сварки осуществляется с использованием размытия лазерного луча. Делается это для того, чтобы не прожечь рабочую поверхность детали.

В случае формирования сварного шва импульсным излучением лазерный луч реализует сварные точки и покрывает их от 30 до 90% в зависимости от настроек, установленных на приборе. Лазерные сварочные аппараты могут выполнять процесс формирования сварного шва со скоростью 5 мм за 1 секунду. Часто сварка производится сваркой в ​​виде проволоки, порошка или ленты, но чаще всего обходятся без нее. В некоторых случаях такая добавка позволяет увеличить плотность и толщину готового шва. В зависимости от глубины проникновения лазерного луча в толщу материала различают макросварку, при которой плавление происходит на глубине 1 мм, и мини-сварку с глубиной проплавления до 1 мм, и микросварка, где мы говорим о глубине 100 микрон.

Общие сведения

Сварка происходит на специальном оборудовании. Автоматический режим работает без вмешательства человека, полуавтоматический под наблюдением сварщика. Второе название этого метода — «лазерная сварка», так как луч нагревает и плавит металл.

У него есть параметры, которые позволяют связывать элементы вместе. Луч находится в определенной области. В маленьком кусочке концентрируется много энергии, и элемент тает.

этого достаточно для моментальной сварки очень толстых элементов. «Квантум 15» — один из лучших лазерных устройств. Его часто используют для сварки различных элементов толщиной до 3 мм.

Стоматологи используют это устройство для изготовления зубных протезов. С его помощью возможна сварка нержавеющей стали. Есть 2 типа бытовой техники: твердотельная и газовая. Существует также третий вид сварки, называемый лазерной дуговой сваркой.

Он имеет все функции обоих методов соединения металлов. Аппарат нечасто используется в быту, поэтому остановимся на двух видах сварки.

История

Лазерная сварка появилась после изобретения Басова Н.Г., Прохорова А.М., Таунса. H в 60-е годы ХХ века возникло создание мощных лазерных установок с непрерывным и импульсным воздействием.

Преимущество лазерного излучения — высокая концентрация энергии. Лазерная сварка осуществляется при плотности мощности лазерного излучения E = 106 — 107 Вт / см2, что позволяет сваривать различные материалы толщиной от нескольких микрометров до десятков миллиметров.

Достоинства и недостатки

Как и любой метод, процесс лазерной сварки имеет как положительные, так и отрицательные стороны.

Преимущества лазерной сварки:

• возможность соединять любые материалы: стекло, металл, пластик, керамику, драгоценные металлы и так далее;
• максимальная точность при выполнении работы;
• минимальная толщина сварного шва обеспечивает его максимальную прочность;
• участок рабочей поверхности возле формирующего шва не нагревается, поэтому детали не подвергаются деформации в процессе сварки;
• в процессе эксплуатации отсутствует рентгеновское излучение, не образуются вредные побочные продукты литейных материалов;
• для выполнения работ по сварке металлов необязательно использовать флюс, присадку, сварочные электроды;
• процесс сварки можно производить на любом участке детали, даже на труднодоступном, а также на значительном удалении от детали от самого лазера;
• сварку деталей можно производить даже в том случае, если они находятся за прозрачной перегородкой;
• сварочный аппарат можно быстро перепрограммировать и, выполнив один вид работы, переходить к другим действиям.

Недостатки метода лазерной сварки в основном связаны с финансовой составляющей и заключаются в следующем:

• стоимость оборудования, комплектующих и запчастей для лазерного устройства достаточно высока;
• эффективность процесса сварки напрямую зависит от светоотражающих характеристик материала детали;
• для работы с лазерным сварочным аппаратом необходимы специалисты с высоким уровнем образования и подготовки;
• помещение, в котором работает аппарат для лазерной сварки, должно быть чистым (без пыли), с нормальным уровнем влажности в воздухе и не подвергаться вибрации.

Несмотря на значительные требования и высокую стоимость, лазерная сварка стала очень популярной и применяется в отраслях, которые одними из первых освоили инновационные технологические процессы.

Применение сварки лазером

С помощью лазерного луча можно сваривать детали разного размера, но наибольшее применение технология получила при работе с материалами малой и средней толщины — 5-10 мм. Назначение данного вида сварки:

• соединение деталей, форма и размер которых не должны существенно меняться в процессе работы;
• изготовление крупногабаритных конструкций невысокой жесткости при наличии швов в труднодоступных местах;
• при работе с трудносвариваемыми элементами, разнородными материалами; соединение тонких листов, пленок, проводов и других легко деформируемых деталей;
• при работе с материалами, хорошо проводящими тепло.

Технология лазерной сварки широко используется в производстве электронной продукции, радиоэлектронике, приборостроении, машиностроении, часовом производстве, медицине, механике и т.д.

Рекомендуемое оборудование

Система ручной лазерной сварки LightWeld 1500

ND18A — Лазерная головка для ручной сварки (1,5 кВт)

Оборудование

Машины, предназначенные для сварки, могут иметь разные характеристики выполняемых операций и внешние параметры. Аппарат для лазерной сварки выпускается в мини-формате или занимает довольно много места. Каждое устройство содержит основные компоненты:

• лазерный генератор;
• устройство для передачи лазерного излучения;
• агрегат сварочной головки с фокусирующей линзой;
• блок, отвечающий за фокусировку лазерного луча;
• зеркальная система, выполняющая роль резонатора;
• система, приводящая в движение саму деталь и головку для лазерной сварки;
• программный блок управления устройством;
• источник питания;
• кулер;

В настоящее время существует три типа оборудования для лазерной сварки.

Твердотельное

Это серьезнейшее оборудование, работающее в диапазоне мощностей от нескольких десятков до нескольких тысяч ватт. Суть технологии этого сварочного аппарата заключается в следующем:

• в качестве источника лазерного излучения используется прозрачный стержень из природного рубина или иттриевого граната, который для прочности соединен с неодимовым компонентом;
• твердый сердечник заключен в специальный блок;
• вспышка специальной лампы генерирует излучение, которое передается на стержневой элемент.

Гранат или рубин обладает высокой прочностью, безопасен и эффективен в использовании.

Газовое

Этот вид оборудования для лазерной сварки считается самым эффективным. Завод выполняет сварочные работы в условиях газовой защиты. Мощность таких устройств варьируется от десятков до тысяч киловатт. Принцип работы устройства следующий:

• в качестве излучателя лазерного луча используется трубка из прозрачного материала, содержащая смесь газов, состоящую из гелия, азота, кислорода с углекислым газом;
• газовая смесь находится в трубке под давлением, и при подаче электрического импульса в виде разряда эмиттер переходит в активное состояние;
• под действием электрического разряда, идущего одновременно с нескольких электродов, гелий и азот передают свою энергию диоксиду углерода и в результате получается лазерный импульс;
• лазерный импульс умножается за счет отражения в нескольких зеркалах и через оптическую систему попадает в область своего применения при сварке.

Этот тип лазерного сварочного аппарата широко используется, но КПД этого аппарата не превышает 15%.

Гибридное

Этот вид лазерной сварки основан на сочетании электрической дуги и мощного энергетического луча. В технике банта выполняются ровные швы. Достоинством таких лазерных устройств считается хорошее соединение любого материала без предварительного цикла подготовительных работ. Энергетический луч в сочетании с электрической дугой может автоматически сваривать толстостенные детали на высокой скорости с высокой скоростью, демонстрируя низкий уровень теплопередачи. Сварной шов, обработанный с помощью этой процедуры, получается точным и надежным.

Технология лазерной сварки

Рассмотрим характер теплового воздействия лазера на металл и последующего оплавления свариваемого участка.

Поток лазерного луча является монохроматическим и имеет одинаковую длину волны по отношению к световому потоку с разными длинами волн. Поэтому он хорошо поддается фокусировке с помощью зеркал и оптических линз, позволяющих добиться резонанса (когерентности) лазерного луча, что приводит к увеличению мощности потока.

Принцип лазерной сварки основан на фокусировке лазерного луча, создаваемого квантовым генератором. Его работа основана на излучении, которое является источником электромагнитных волн, наводимых усилителем.

Прямой луч лучей, когда он входит в металл, воздействует на него электронно, высвобождая его энергию. Он делает это за счет поглощения концентрированной лучистой энергии в виде фотонов от атомов металлов.

В результате атомы переходят в возбужденное состояние и сами становятся способными излучать энергию в виде фотонов. Когда энергия фотонов падающей электромагнитной волны луча совпадает с энергией фотонов возбужденных атомов металла, возникает индуцированное усиленное излучение.

В результате выделяется тепловая энергия, за счет которой металл в этой зоне нагревается до температуры плавления. После кристаллизации расплавленных кромок металла образуется прочная межкристаллитная адгезия атомов и образуется качественный сварной шов.

Условия и способы осуществления сварочного процесса

Чтобы обеспечить энергоэффективность луча, его необходимо сфокусировать. Для этого используются зеркала, отражающие и фокусирующие лазерный луч. Связанные пучки имеют минимальную диффузию и воздействуют на точно определенные области области сварного шва.

Этот вид сварки может выполняться:

• в разных положениях и в любом положении свариваемых кромок;
• с помощью непрерывного и частичного плавления склеиваемого участка металла;
• непрерывный или импульсный.

Таким способом можно соединять как тонкостенные листы, так и изделия с большими габаритными размерами.

Чем точнее фокусируется лазерный луч, тем больше мощность его излучения.

Оборудование для проведения лазерной сварки

Для выполнения лазерной сварки используется следующее оборудование:

• источник лазерного излучения;
• транспортные узлы и системы фокусировки пучка;
• при необходимости наличие газовой среды для защиты металла;
• система обработки балки и самого изделия.

Лазерное устройство состоит из излучателя и источника питания. Излучение обеспечивается генератором, который производит лучи в особой среде.

В качестве такой среды используются два типа лазеров: твердотельные и газовые.

Видеообзор аппарата для лазерной сварки E-fiber AF с поворотным приводом:

Аппараты лазерной сварки металлов

Все аппараты для лазерной сварки металла работают в импульсном или непрерывном режиме.

Устройства с твердотельным активным элементом отличаются от устройств на основе активной среды, состоящей из газа, длиной волны излучения. У них он короче, а мощность излучения слабее, чем у газовых приборов.

Лазеры с твердым активным элементом

Твердотельные машины в основном работают с импульсным лазером, но иногда могут использоваться непрерывный и импульсный режимы работы. Их работа проходит так:

1. Сплошной стержневой элемент, являющийся источником лазерного луча, помещается в специальную камеру, освещаемую лампой накачки.
2. Во время работы он обеспечивает вспышки светового импульса, который приводит рабочий орган в активное состояние.

Твердотельный элемент часто делают в виде стержня из так называемого «розового» рубина, который представляет собой оксид алюминия (Al2O3) со смесью ионизированного хрома (Cr3+).

После воздействия лучей ионы Cr3 + переходят в активное состояние и начинают светиться. С концов стержень покрыт веществом, отражающим свет, обычно серебром. Пучки возбужденных ионов хрома, отраженные серебряными зеркалами, движутся вдоль оси, передавая возбуждение другим ионам. Процесс ионного возбуждения становится массовым и сопровождается мощным выделением лучистой энергии. Они фокусируются линзой в зоне сварки.

Такие лазеры обычно представляют собой источники периодических импульсов с длиной волны 0,69 мкм и максимальной энергией импульса от 10-2 до 10-3 Дж.

Средние значения мощности излучения элементов на основе твердотельных стержней могут достигать сотен ватт.

Аппараты с элементами на основе газовой среды

Устройства, использующие для работы активную газовую среду, работают как в непрерывном, так и в импульсном режимах. Это оборудование более мощное и работает при высоком напряжении.

В качестве активной среды можно использовать газ на основе смеси (CO2), (N2) и гелия (He). Поставляется под давлением от 2,66 до 13,3 кПа. Возбуждение газовой смеси осуществляется с помощью электрического разряда. Гелий (He) и азот (N2) передают энергию, полученную при возбуждении, молекуле CO2 и создают условия для создания разряда. Газоразрядные устройства излучают волны с длиной волны до 10,6 мкм.
КПД работы устройства может достигать от 5 до 15%.

Схема работы устройств на газовой среде представлена ​​на рисунке:

Особенности сварки лазером тонкостенных металлов

В отличие от толстостенных металлов, которые требуют глубокого плавления для успешного соединения, для тонких металлов проникновение является важным фактором. При лазерной сварке тонких металлов нельзя переборщить.

На это значение влияют следующие параметры:

• мощность лазера;
• скорость выполнения работы;
• степень фокусировки лазерного луча.

В случае непрерывного процесса t — это продолжительность его выполнения. Если работа выполняется в импульсном режиме, то t — длительность импульса. При высоких значениях плотности мощности (E) в зоне воздействия луча может происходить кипение металла, что приводит к сквозным дефектам.

Для тонких металлов характеристика этого показателя особенно важна. Помимо времени экспозиции, на него влияет степень фокусировки луча. Для снижения плотности излучения для тонких металлов происходит размытие луча с помощью электронного управления настройкой работы устройства.

Изменяя показатели (E) и (t), можно обеспечить режим работы различных металлических конструкций с минимальной толщиной.

Лазерная сварка стекла и пластмассы

Что касается изделий из стекла и пластика, то лазерная сварка также выполняется с помощью твердотельных аппаратов. Они представляют собой простое устройство, состоящее из отражающей трубки с двумя электродами и смесью ионизирующих газов в пространстве между ними.

Рисунок 7. Лазерная сварка стекла

Такое приспособление встречается при ремонте стекол, как пластиковых, так и стеклянных. Сварка таким способом не требует дополнительной сварки при сварке рам.

Лазерная сварка стеклянных и пластиковых деталей происходит в той же последовательности, что и металлических изделий:

поверхности свариваемых элементов очищаются от пятен, пыли и других загрязнений

подготовлена ​​установка и электроды для дальнейшей работы, произведена регулировка фокусировки линзы. Если вы используете размытые линзы, существует риск нечеткого лазерного луча. В этом случае сделать четкое локальное плавление металла не удастся. Правильно сфокусированный луч имеет круглую форму

устанавливается значение необходимой мощности сварки

можно приступить к работе.

Различия в технологии проведения лазерной сварки разных металлов

Технология лазерной сварки различных металлических сплавов имеет свои особенности.

Например, перед работой со стальными изделиями их нужно очистить: удалить известковый налет, избавиться от коррозии.

Изделие должно быть сухим. Это поможет избежать образования пор, оксидных пленок и трещин в самом шве. Последнее особенно важно при сварке труб из легированной стали. Место сварки необходимо обезжирить.

Предварительная обработка также требуется для изделий из алюминия, магния и цветных металлов.
Если изготавливаются трубы из нержавеющей стали, то сварка их выполняется строго встык. Шитье внахлест не допускается из-за возникающих в металле напряжений.

Скорость лазерной сварки исключает образование оксидных соединений в зоне плавления, поэтому при ее выполнении нет необходимости создавать защитную или вакуумную среду, в отличие от других видов сварки.

Это свойство особенно важно при сварке титановых сплавов. Они используются в ответственной продукции атомной и авиационной промышленности. Поэтому, чтобы избежать образования зерен в зоне нагрева этого металла при высоких температурах, часто используют лазерную сварку.

Ручная сварка

Соединение деталей может производиться ручной лазерной сваркой.

Теперь вы легко сможете выбрать миниатюрную машинку и сделать ее своими руками. Их много в продаже по доступной цене с разными настройками режимов работы.

С помощью такого станка легко выполнить:

• ремонт сваркой миниатюрных предметов, таких как украшения, оправы для очков;
• точечная сварка (сварка) в стыке;
• появляться;
• ремонт форм;
• управлять медикаментами;
• сварочные работы в области микроэлектроники.

Лазерная сварка в промышленности

В технологии промышленной лазерной сварки используются следующие устройства:

1. ТОР 3040В. Его используют при обработке автомобильных деталей или ювелирных изделий. Выполняют сварку элементов сложной формы из тонких и легко деформируемых материалов. Он имеет небольшую точку нагрева, благодаря чему свариваемые поверхности очень мало нагреваются и сводят к минимуму возможность деформации. Характерны импульсные и шовные режимы сварки. Pulse — материалы толщиной от 0,5 до 1,5 мм; шовные — толстостенные изделия. Шов чистый и без мусора;
2. ТОР 3040Т. Он широко используется в автомобильной промышленности, но подходит для изготовления ювелирных изделий. Для лазерной сварки и нанесения покрытий на металл. Выпускается мощностью от 200 Вт до 1 кВт. Максимальная толщина обрабатываемых изделий — 0,6 и 3 мм);
3. TOR 100 F. Для прецизионной сварки и сварки оправ для очков, ювелирных изделий, элементов часового искусства. Напольный вариант машины, в комплекте чиллер — система водяного охлаждения.
4. TOR PRO 2000. Может работать как в непрерывном, так и в импульсном режиме сварки. Возникает при обработке изделий из следующих составов: алюминий, нержавеющая сталь, углеродистая и оцинкованная сталь, драгоценные металлы, титан. Он имеет степень деформации в 3-5 раз ниже, чем у других видов сварки.
5. TOR PRO 1000. Отличается долгим сроком службы благодаря волоконно-оптическому излучателю. Применяется в прецизионном приборостроении, где важны точность и отсутствие изменений параметров формы и размеров стыков в процессе операции.

Ручная лазерная сварка выполняется с помощью следующих аппаратов:

1. TOR Ultra 1000. Оснащен лазерными излучателями Raycus и JPT в зависимости от модели. Предназначен для ручного соединения металлических деталей. Идеально подходит для приложений, где требуется максимальная точность.
2. TOR Ultra 750. Аппарат для ручной сварки на основе оптоволоконного излучателя. Благодаря этому у них более высокая скорость и качество показаний, чем у газовых излучателей. Работает с твердосплавными изделиями.
3. TOR Ultra 500. Подходит для сварки таких металлов, как нержавеющая сталь, алюминий, железо и другие сплавы. Оснащен DSP или контроллером DSP, отвечающим за мониторинг работы машины и изменение настроек. Компактное устройство с низким энергопотреблением.

Как сделать аппарат для лазерной сварки своими руками

Рис. 8. Лазерная сварка своими руками
Многие задаются вопросом, как самому сделать лазерный порез? Его высокая стоимость подходит далеко не всем, поэтому нередко пытаются самостоятельно изготовить простое устройство для лазерной резки.

При производстве используются следующие компоненты:

• лазерный указатель;
• сварщик;
• отвертка для затяжки;
• фонарик на батарейках;
• DVD-диск. С него будет удалена лазерная матрица.
  Прежде всего, полностью разбирается старый компьютерный привод и его привод. Все операции выполняются аккуратно, чтобы не повредить основное устройство.

Дисковод в этой технологии доступен только для записи.

После этого убирается красный диод, который при записи необходимых данных сожжет диск. Патроны диодов припаиваются паяльником, самый чувствительный элемент, который нельзя бросить. Лазерная указка при этом разбирается, чтобы изменить ее внешний вид. Видео о том, как это сделать, можно посмотреть на видео из интернета.

Снятый диод-указатель загорится красным светом, исходящим от блока. Тело самодельного лазерного резака создано с помощью фонарика. Для питания этого устройства используются аккумуляторные батареи.

Проблемы ручной системы лазерной сварки

Хотя портативные системы лазерной сварки становятся все более популярными на рынке, некоторые проблемы все же остаются.

Большинство портативных лазерных сварочных аппаратов, предлагаемых производителями оборудования, используют непрерывные волоконные лазеры мощностью от 200 Вт, 300 Вт, 500 Вт и 1500 Вт.

По соображениям безопасности сварщик должен пройти тщательную подготовку, и лазер никогда не должен касаться окружающих людей или предметов, иначе это может вызвать серьезные ожоги или даже стать причиной пожара.

Кроме того, хотя лазер направлен на заготовку во время процесса сварки, он все равно будет отражать высокую яркость, поэтому оператор должен быть оснащен специальными светозащитными очками.

Какие проблемы решает ручная лазерная сварочная система?

1. Применение в производстве кухонной утвари

Портативный лазерный сварочный аппарат в производстве кухонной утвари может сэкономить от 80% до 90% электроэнергии. По сравнению с дуговой сваркой стоимость обработки может быть снижена примерно на 30%. Он может сваривать разнородные стали и разнородные металлы.

2. Применение в области обработки листового металла

В области обработки листового металла, по сравнению с традиционной сваркой TIG, лазерная сварка имеет очевидные преимущества: высокая эффективность, низкая термическая деформация, хороший внешний вид, высокая прочность, отсутствие необходимости полировки после сварки, бесшовная стыковая сварка.

3. Применение в области сварки сантехники из нержавеющей стали

В процессе сварки сантехники из нержавеющей стали ручная лазерная сварка обеспечивает бесшовное соединение сантехнических кранов, раковин и т.д. Для угловой сварки может быть достигнута сварка на 360 °, что проще в использовании и удобнее.

Дефекты при неправильной сварке

При некачественной сварке на изделиях отмечаются следующие дефекты:

• Оно горит
• Растрескивание и порообразование;
• Несварка швов;
• Мягкие, сварные оболочки, кратеры;
• Посторонние включения.

Это происходит при несоблюдении правил и технологии сварки в процессе обработки. Чтобы правильно работать со сварочными аппаратами, необходимо иметь определенные навыки и знания. Поэтому в задачи сварщика входит правильная настройка и настройка параметров сварочного аппарата в зависимости от обрабатываемого материала.

Преимущества сварки лазером перед другими способами:

• Лучше сварные швы;
• Процесс сварки выполняется за один прием на высокой скорости;
• Термически измененная зона на основном металле минимальна;
• Дальнейшая обработка сварного шва не требуется;
• Остаточные сварочные деформации во много раз ниже, чем при других методах сварки;
• Экономия пломбировочных материалов и электроэнергии;
• Высокая производительность;
• Комфортные условия труда;
• Экологически чистое производство;
• Низкая трудоемкость;
• По механическим свойствам швы не уступают основному материалу;
• возможно решение технологических задач разной сложности;
• Возможность сваривать различные материалы от металлов до стекла и пластика;
• Производство работ в любом пространственном положении и в труднодоступных местах.

Лазерная сварка — это передовая технология, которая решает производственные проблемы даже в тех случаях, когда использование традиционных методов сварки затруднено.

Вместо заключения

Лазерная электросварка — это действительно современная технология, которую стоит изучить, если вы хотите повысить свои профессиональные навыки. С помощью аппарата для лазерной сварки вы легко сможете соединить металлы большой и малой толщины, получите доступ к быстрой и качественной лазерной сварке алюминиевых сплавов и нержавеющей стали. Желаем удачи в работе!