При проведении обычных методов сварки металла сложно обеспечить качественный шов, его дальнейшую обработку (особенно, для сложных конструкций), сохранить форму заготовок (деформация и расслоение встречаются очень часто). Есть проблемы и при креплении друг к другу заготовок из разных металлов.
Лазерная сварка позволяет получить не только глубокий, прочный и однородный шов, но и очень точное крепление изделий сложной конфигурации. Это обеспечивается и специальным оборудованием, и возможностью ручной или автоматической настройки технических параметров, и особенностью технологии использования лазерного луча.
Суть метода – управление монохромным световым потоком. Сварочное оборудование оснащено линзами – они фокусируют поток волн одинаковой длины, и управляющими призмами – они обеспечивают волновой резонанс для обеспечения необходимой мощности пуска.
В какой-то мере у лазерной и газовой сварки есть общий принцип действия – узконаправленный поток разогревает металл, оплавляет его и образует сварочную ванну. В нашем случае происходит поглощение металлом энергии лазерного пучка: за счет фокусирования потока в точке сварки (или на шве) происходит очень сильный и быстрый нагрев материала, но нагревается очень небольшая площадь металла вокруг. За счет локальной площади и быстрого нагрева остывание шва и скрепленных элементов происходит тоже быстро: это временя гораздо меньше, чем при использовании других способов сваривания.
Управление фокусом светового потока позволяет менять мощность луча. Для увеличения мощности луча его фокусируют – поток последовательно отражается от полусферических зеркал, пропускается через переднее зеркало и с помощью системы призм подается в рабочую зону.
Расположение соединяемых деталей может быть любым. Надежный и долговечный шов можно создать за счет управления глубиной проплавления, вплоть до сквозного, или используя оборудование с разными режимами работы – с непрерывным лучом или с подачей прерывистых импульсов.
Лазерная сварка позволяет соединять элементы из листового проката небольшой толщины и сложные толстостенные детали, или детали с разными физическими свойствами (например, медь с алюминием, или соединение деталей из чугуна). Но самой важной особенностью данного вида сварки является возможность работы с титановыми деталями.
Особенность титана – высокая химическая активность к водороду и кислороду в расплавленном состоянии. Как результат, при использовании любых других сварочных технологий в зоне расплавления образуется большой объем газов и холодные трещины. Соединение титановых элементов с помощью лазера исключает эти негативные последствия за счет использования защитной смеси из гелия и аргона.
В качестве сварочного оборудования используются специальные аппараты (станки) – ручные и промышленные, которые позволяют выполнять как точечное, так и шовное сваривание.
Основная комплектация промышленного сварочного оборудования всегда одинаковая:
Технологический лазер (твердотельный или газовый).
Сварочная головка с линзой.
Блок фокусировки.
Блок перемещения луча и заготовки.
Система подачи газов, которые используются для защиты поверхности свариваемых элементов (поверхностей).
Система управления – мощности лазера, его перемещения и фокусировки.
Оптический резонатор.
Источник питания.
Система охлаждения.
Сварочные аппараты могут оснащаться микроскопами или CCD-мониторами: они помогают контролировать рабочие процессы, связанные с ремонтом (сварка, пайка) очень маленьких заготовок.
Сварочное оборудование выпускается в нескольких компоновках. Это могут быть и консольные или портальные станки, и роботы-манипуляторы. Управление оборудованием осуществляется в автоматическом (установлены системы ЧПУ) или ручном режимах (с помощью выносного пульта). В первом случае предусмотрено использование специальных программ, во втором – управление скоростью, перемещением и параметрами рабочего процесса возложено на подготовленного оператора.
В промышленном оборудовании используется один из двух видов лазера твердотельные или газовые, и гибридные установки.
Твердотельный лазер представляет собой стержень из искусственного рубина (смесь ионов хрома и оксида алюминия) или стекла с напылением из неодима, отполированный до зеркального блеска. При работе оборудования используется непрерывный или импульсный (дискретный) световой поток от излучателя: при облучении стержня лампочкой накачки происходит отражение и переизлучение светового потока на частоте, на которой работает лазер.
Оборудование отличается низкой мощностью и ограниченным КПД. Используется при сварке небольших (по размеру и толщине стенок) деталей из цветных металлов (медь, серебро, алюминий, нержавеющей стали), пластмасс, стекла.
Газовые лазеры, как активный излучатель, представляет собой стеклянную трубку (колбу) с азотом, гелием и углекислым газом под очень высоким давлением. Она снабжена несколькими электродами и торцевыми зеркалами для многократного отражения и усиления импульсов.
При подаче напряжения на электроды возникают электрические разряды, которые обеспечивают возбуждение смеси (она находится под высоким давлением) и пропускание лазерного луча.
Это очень мощное оборудование, которое используется для сварки толстостенных элементов (1- 2 см) и требует дополнительного охлаждения (устанавливается водяной контур).
Разновидностью такого оборудования являются газодинамические установки. Они мощнее, чем обычные газовые, так как используемый газ сначала нагревают в пределах 1000 – 3000 К перед выходом из сопла, а потом охлаждают в резонаторе. В момент охлаждения молекулы теряют энергию, за счет которой образуется когерентное излучение. Такие конструкции используют при работе с заготовками толщиной 30-35 мм, а скорость сваривания составляет до 200 погонных метров в час.
Кроме твердотельных и газовых аппаратов используются комбинированные (гибридные) установки. Они используются для соединения заготовок, имеющих большую толщину стенок (от 2 см и более).
Кроме стандартного набора оборудования установлена электродуговая горелка и механизм подачи заготовок в сварочную ванну.
Конструктивно, мало отличается от промышленного оборудования – оно уступает только в размерах. Используется для соединения очень мелких элементов, наплавки материалов, ремонта пресс-форм, изготовления и ремонта электронных плат, работы с микросхемами, дезинфекции медицинских инструментов или изделий.
Это самое дорогостоящее оборудование, так как при сборке используется очень компактные комплектующие.
Используется два вида лазерной сварки:
Внахлест – с наложением кромок друг на друга. Технология требует очень плотного прилегания (прижима) свариваемых поверхностей со стыком до 0,2 мм.
В стык – технология не нуждается в применении флюсов (порошков) или присадок, обеспечивает равномерный шов.
Стыковочный метод предусматривает проплавление поверхностей по всей толщине и защиту шва от окисления (используется аргон или азот). Для исключения пробоев лазерного излучения применяют гелий.
Сваривание внахлест предусматривает только локальный прижим заготовок.
По способу (режиму) соединения заготовок сварочные работы делятся на:
Использование лазерной технологии обеспечивает соединение очень высокой плотности. При этом отсутствуют дефекты, характерные другим методам – пористость, большой объем шлака, нагрев большой площади в местах соединения и долгое остывание готовой конструкции. У лазерной сварки этого нет.
Данная технология имеет преимущества, которых нет у других видов сварки:
Высокая скорость выполнения работ за счет большой мощности оборудования.
Площадь соединяемых элементов нагревается незначительно за счет высокой скорости работ: это обеспечивает минимальный риск деформации (коробления) и расслаивания обрабатываемых материалов.
Передача лазерного луча по оптоволокну: проваривание осуществляется в самых труднодоступных местах сложных конструкций и может выполняться на большом удалении от лазера.
Оборудование можно использовать и как сварочное, и как режущее: актуально для предприятий по обработке металла.
Высокое качество сварного шва или точки.
Процесс сваривания легко контролируется – можно управлять (регулировать) производительностью оборудования.
Лазерная технология может использоваться для соединения разных материалов – в том числе, магнитных сплавов, керамики, термопластов.
Небольшой размер соединения в месте сварки.
В процессе работы отсутствует рентгеновское излучение и вредные продукты сгорания.
Процедура может выполняться при нахождении заготовок за светопрозрачными экранами.
Минимум времени для изменения настроек оборудования при работе с новыми изделиями или материалами.
Совершенных или идеальных решений нет – у каждой технологии свои недостатки. Свои минусы есть и у лазерной сварки:
Высокая стоимость оборудования, расходных материалов и запчастей: используется только на крупных предприятиях.
Ограниченный КПД: для твердотельных установок – не более 1%, для газовых – максимум 10%.
Для работы с оборудованием требуется специальное образование.
Эффективность работы оборудования напрямую зависит от способности заготовок отражать световой поток.
Для помещений, в которых устанавливается и эксплуатируется оборудование, предъявляются очень высокие требования к показателям влажности, чистоты воздуха (запыленность) и вибрации.
Риск получения глубоких ожогов оператором (только при условии несоблюдения правил эксплуатации оборудования).
В процессе проведения сварочных работ могут возникать дефекты шва – непроваренные участки, трещины, пустоты, сквозные отверстия, раковины, образование шлака. Но это следствие или неправильной настройки оборудования, или низкой квалификации оператора (обслуживающего персонала). Как вариант – не контролировался рабочий процесс.
При любом виде сварки учитываются особенности соединяемых материалов. Это относится и к сварке с помощью лазера.
Сталь. Требование к поверхностям – отсутствие любых загрязнений (ржавчины, пыли, следов масла или нефтепродуктов) и тщательная сушка. Оптимальный вариант соединения – в стык: использование других вариант повышает риск деформации шва. При работе используется смесь аргона и углекислого газа.
Магний, алюминий. Металлы активно взаимодействуют с воздухом (быстро образуется оксидный налет с высокой температурой плавления). Подготовка поверхности аналогична процедурам при электродуговой сварке – удаление налета, протравливание химическими реагентами, промывка водой. При сварке обязательно используется инертный газ.
Титан и сплавы. С поверхности удаляется грязь и налет, протравливаются места сварки, повторно очищаются механическим путем. Для исключения риска образования холодных трещин используется чистый гелий, а при кристаллизации шва используют аргон.
Стекло. При работе используются как стандартные газовые смеси в паре с гелием (имеет плазмоподавлющие свойства), так и комбинированные (с защитными свойствами и подавлением плазмы) – зависит от квалификации оператора.
Пластик. Процесс и смеси – как при сварке стекла. Но важным моментом является своевременная регулировка мощности: материал имеет низкую температуру плавления.
Тонкостенные заготовки и нержавеющая сталь. Оборудование используется на минимальной мощности (регулируется мощность луча и фокусировка точки сваривания). Необходим постоянный контроль скорости перемещения головки при шовной сварке и уменьшение длительности импульсов – при точечном способе соединения. Как вариант – уменьшение КПД установки для исключения сквозного прожига и разбрызгивания металла: выполняю расфокусировку луча.
Существует несколько обязательных правил, которые необходимо соблюдать:
Места сваривания должны быть хорошо просушены: влага с местах соединения привод к повышенной гидратации, как результат – снижается прочность шва и его долговечность.
На пути прохождения луча не должны находиться предметы, тем более, руки оператора: можно получить некачественный шов и глубокие ожоги тела.
Перед началом работы проверяется целостность всех элементов сварочного оборудования: неисправность любого элемента приводит к снижению качества шва.
Запрещено держать на рабочем столе легковоспламеняющиеся жидкости и материалы: возможно возгорание.
Для каждого свариваемого материала подбирается свой режим работы: он определяет скорость перемещения лазера от ширины шва, толщины материала и его физических свойств.
Максимальный эффект использования лазерной сварки достигается при работе с легированной сталью и чугуном; титаном и медью, их сплавами; керамикой и стеклом, термопластами. Способность лазерного луча разрушать поверхностные окислы без образования новых пленок позволяет сваривать алюминий, титан и нержавеющую сталь без использования флюсов и газовой защитной среды: готовый шов по своему составу не отличается от заготовок и не требует дополнительной обработки.
Особенность технологии обеспечивает минимальную пористость шва: его прочность на 95% соответствует прочности материала заготовок.
Направлений использования лазера для сварки много, но они соединены в несколько групп:
Изготовление и ремонт мелких конструкций. Это – микроэлектроника, рекламное и ювелирное направление. Медицина – в этом сегменте: это относится к изготовлению и ремонту медицинских инструментов и зубных протезов.
Сварка титана для судостроения и атомной энергетики, оборонной и авиакосмической отрасли.
Приборостроение – для соединения материалов разными толщинами и свойствами. Толщина материалов может достигать десятых долей миллиметра и микрона, а их место монтажа может располагаться максимально близко к микросхемам и чувствительным к нагреву элементам.
Автомобилестроение – для точечной сварки кузовов, соединения магниевых и алюминиевых сплавов.
Для соединения элементов из легких цветных металлов и чугунных заготовок.
Изготовление и ремонт очень точных механизмов.
Ремонт или изготовление пластиковых, стеклянных и керамических изделий.
Как достаточно молодая, но очень перспективная технология, лазерная сварка ослабила позиции традиционных методов соединения металлов. Но она используется только на предприятиях, которые используют передовые технологии, и практически не применяется в бытовых целях.
Это технология, которую стоит осваивать, если вы планируете повышать собственные профессиональные навыки. При наличии опыта и квалификации вы сможете быстро и качественно соединять разные материалы, создавать как миниатюрные, так и очень мощные конструкции.
У нас так же производится гибка металла и лазерная резка металла