Все что нужно знать о лазерной сварке от а до я

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.

Технология лазерной сварки

Рассмотрим природу теплового воздействия лазера на металл и последующего расплавления сварной зоны.

Поток лазерных лучей монохроматичен и характеризуется одинаковой длиной волны по сравнению со световым потоком, обладающим различными 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 проведения сварки с помощью лазера основан на фокусировке лазерного луча, полученного с помощью квантового генератора. В основе его работы лежит излучение, которое является источником электромагнитных волн, индуцированных с помощью усилителя.

Направленный пучок лучей при проникновении внутрь металла воздействует на него на электронном уровне, отдавая свою энергию. Это происходит путем поглощения атомами металлов концентрированной лучистой энергии в виде фотонов.

В результате атомы переходят в возбужденное состояние и становятся способными сами излучать энергию в виде фотонов. При совпадении энергии фотонов падающей электромагнитной волны пучка с энергией фотонов возбужденных атомов металлов происходит индуцированное усиленное излучение.

В результате высвобождается тепловая энергия, за счет которой металл в этой области нагревается до температуры плавления. После кристаллизации расплавленных кромок металла образуется прочное межкристаллическое сцепление атомов и формируется качественный сварной шов.

Видео:

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

Устройство и принципы работы

Любое лазерное устройство состоит из следующих узлов:

• источника энергии;
• рабочего органа, продуцирующего энергию;
• оптоусилителя, оптоволоконного лазера, системы зеркал, усиливающих излучение рабочего органа.

Лазерным лучом точечно создается нагрев и плавление материала, а после продолжительного воздействия — его испарение. В результате шов выходит с неровным краем, испаряющийся материал осаждается на оптике, что сокращается срок ее эксплуатации.

Для получения ровных тонких швов и удаления паров используют технику выдувания инертными газами или сжатым воздухом продуктов расплава из зоны воздействия лазера.

Заводские модели лазеров, оборудованные высококлассными материалами, могут обеспечить хороший показатель углублений. Но для бытового использования у них слишком высокая цена.

Модели, изготовленные в домашних условиях, способны врезаться в металл на глубину 1-3 см. Этого хватит, чтобы изготовить, например, детали для декорирования ворот или заборов.

Лазерная резка металла

В зависимости от используемой технологии резаки бывают 3-х видов:

• Твердотельные. Компактны и удобны в использовании. Активный элемент – кристалл полупроводника. У моделей с малой мощностью вполне доступная цена.
• Волоконные. В качестве элемента излучения и накачки используется стекловолокно. Достоинствами волоконных лазерных резаков являются высокий КПД (до 40%), длительный срок эксплуатации и компактность. Так как при работе выделяется мало тепла, нет нужды в установке системы охлаждения. Можно изготавливать модульные конструкции, позволяющие объединять мощности нескольких головок. Излучение транслируется по гибкому оптоволокну. Производительность таких моделей выше твердотельных, но их стоимость дороже.
• Газовые. Это недорогие, но мощные излучатели, основанные на использовании химических свойств газа (азота, углекислого газа, гелия). С их помощью можно варить и резать стекло, резину, полимеры и металлы с очень высоким уровнем теплопроводности.

Виды сварки

Лазерная сварка бывает двух видов:

• Стыковая — в этом случае не используют присадки и флюс. Между металлами допускается минимальный стык, не больше 0,2 мм. Такое же значение является максимальным для фокусировки лазерного луча на стык. Сварку проводят посредством «кинжального» проплавления металла на всю толщину с интенсивностью лазерного излучения до 1 мВт/см2. Шов в этом случае нужно предохранять от окисления аргоном или азотом, а гелий защитит его от пробоя лазерного излучения;
• Нахлесточная — металлические листы накладываются друг на друга, они соединяются посредством мощного излучения. Сварка проводится с локальным прижимом деталей. Максимально допустимый зазор между поверхностями металлов при работе — 0,2 мм. В случае необходимости повышения качества соединяемых деталей используется двойной шов.

Применение лазерной сварки

Основная область применения лазерной сварки — это передовые производства с инновационными технологиями. Наиболее широко ее применяют в микроэлектронике, приборостроении, авиакосмической отрасли, атомной энергетике и автомобильной промышленности.

В приборостроении и микроэлектронике с помощью лазера соединяют разнородные и разнотолщинные материалы диаметром от микронов до десятых долей миллиметра. Кроме того, лазерная технология позволяет сваривать элементы, расположенные на близком расстоянии от кристаллов микросхем, а также других чувствительных к нагреву элементов.

Применение лазера в автомобильной промышленности не ограничивается точеной сваркой кузовных элементов из тонколистовой стали. Для снижения веса в современных автомобилях все чаще применяют детали из алюминиевых и магниевых сплавов. Характерная особенность этих материалов — наличие у них поверхностной оксидной пленки с высокой температурой плавления. Поэтому для их соединения чаще всего применяют лазерную сварку.

Лазерная сварка кузова автомобиля

В судостроении, оборонной промышленности, атомной энергетике и авиакосмической отрасли широко используются комплектующие из титана и титановых сплавов. Сварка титана — это одна из самых сложных задач для сварочного производства. В расплавленном состоянии титан обладает высокой химической активностью к кислороду и водороду, что ведет к насыщению зоны расплава газами и образованию холодных трещин. Лазерная сварка успешно справляется с этой проблемой при работе в защитной среде из газовой смеси на основе из аргона и гелия.

Лазерные установки применяют для сварочного соединения металлов с разными физическими свойствами. С их помощью сваривают сталь и медь с алюминиевыми сплавами, а также разнотипные цветные металлы. Новым направлением сварочных технологий является сварка лазером чугуна, которую применяют при производстве корпусов, элементов шестерен, запорной арматуры и других узлов и компонентов.

Стоимость лазерного оборудования снижается с каждым годом. Сейчас небольшие установки импульсной лазерной сварки доступны даже малому бизнесу и частным лицам. Они имеют небольшую мощность и их обычно применяют для резки, сварки и гравировки листовых материалов.

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.

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.

Станки для сварки лазером

Для данного вида сварочных работ применяется оборудование как мобильного, так и компактного типа, также может использоваться полноразмерное оборудование для соединения крупногабаритных деталей.

Часто в промышленных целях используют такие модели станков, как:

• ЛАТ-С — он применяется для самой лазерной сварки, а также наплавки металлов. Обладает высокой мощностью, благодаря чему можно добиться высоких показателей в плане производительности. Может быть оснащен автоматическими координатными столами, благодаря чему можно обрабатывать сложные конструкции на высокой скорости. Станок включает в себя два модуля. В первом находится источник питания и устройство для охлаждения лазера, а второй модуль — это такой подвижный каркас, где находится лазерный излучатель. Два модуля легко двигаются благодаря наличию колес в основании. Для стационарной работы со станком неподвижность обеспечивается за счет специального механического блокиратора;
• МУЛ-1 — этот станок малогабаритный, используется для лазерной сварки и наплавки металлов. Также с его помощью можно паять золото и серебро. Варить ювелирные изделия данным станком можно легко и с соблюдением высокой точности. Часто оборудование используют для ремонта и производства ювелирных изделий. Металлические части небольшого размера можно сварить без сильного нагрева, допускается даже соединение оправ для очков. Устройство удобное тем, что для работы достаточно напряжения в 220 В. В зависимости от выбранного режима, мощность прибора составляет от 1,9 до 2, 5 кВт;
• ЛАТ-400 — применяется для соединения крупногабаритных изделий. Система включает в себя мощный твердотелый лазер, устройство питания и охлаждения. Лазер обладает высокой мощностью и производительностью, благодаря чему даже сложные работы можно осуществлять на высокой скорости. Оборудование подключается за счет трехфазной сети в 380 В. При пиковой нагрузке мощность аппарата составляет порядка 13 кВт. Установка оснащена механизированной системой, которая приводится в движение за счет двигателя постоянного тока. Это позволяет легко передвигать лазерную головку в трех плоскостях.

Ручная лазерная сварка проводится с применением таких аппаратов:

• WELD-WF — портативное устройство, благодаря которому можно выполнять работы даже в труднодоступных местах. Оно включает в себя манипулятор, соединяемый с волокном. Сгенерированное лазерное излучение передается по волокну. Поскольку есть наличие обратной связи, с помощью аппарата можно получить максимально качественный шов по сравнению с оборудованием, в котором нет подобных опций. Аппарат имеет мощность всего 1,5 кВт и работает от сети в 220 В. Он подходит для разных ремонтных работ, когда выполнить демонтаж сложно или требует много времени;
• CLW120 — ручной аппарат с невысокой мощностью, который отлично подходит для работ, требующих ювелирной точности, а также точечной лазерной сварки. Кроме этого, с его помощью можно соединять цветные и черные металлы, нержавеющую сталь или же титановые сплавы. Мощность оборудования — 10 кВт, требования к сети — 220 В.

Почти все перечисленные аппараты оснащены бинокуляром, который защищает зрение от негативного воздействия лазерного луча и вместе с тем помогает в несколько раз увеличить объект обработки, чтобы работа была выполнена качественно и точно.

https://youtube.com/watch?v=5y16U1ezbs8

Условия и методы проведения процесса

Высокая концентрация луча достигается за счет ряда отражений от зеркал, которые имеют полусферическую форму. При достижении критического показателя, пучок преодолевает центральную зону первого зеркала и проникает через призмы непосредственно в рабочий участок.

Лазерная резка и сварка металлов производятся при различной локализации заготовок. Глубина плавления корректируется в широком спектре, начиная от поверхностной, заканчивая сквозной. Обработка проводится постоянным либо прерывистым лучом. КПД лазерной технологии небольшой и требует высокой квалификации от рабочего.

Процесс делится на несколько разновидностей:

• Стыковая. Применяется без присадок и порошков, но для обработки требуется защитная среда.
• Внахлест. Соединяемые кромки устанавливаются одна поверх другой. Необходимо обеспечить надежное закрепление заготовок.

Существуют компактные модели для бытового использования, которые позволяют сваривать металлические изделия своими руками.

Технология лазерной сварки

Принцип работы лазерной сварки основывается на следующих свойствах:

• когерентностью. В основе этого показателя лежит взаимосвязь фаз теплового поля луча лазера в разных зонах;
• монохроматичностью. Данное свойство характеризуется небольшой шириной спектральных линий, которые излучаются источником;
• направленностью. При проведении сварочного процесса не происходит рассеивание луча при его движении от источника к свариваемому изделию.

Благодаря этим показателям повышается мощность лазерного луча, он обеспечивает точное размеренное плавление и испарение металлов в зоне сваривания. Источник может быть на некотором расстоянии от свариваемой зоны, а в области сварочной лазерной ванны не требуется присутствия вакуума.

Так как работает лазерная сварка? При соединении изделий с применением лазерного луча наблюдаются следующие процессы:

1. Элементы, которые подготовлены для соединения, плотно соединяются друг с другом вдоль линии будущего соединения.
2. Далее на область стыка наводится лазерный луч.
3. Включается генератор. Во время этого начинается равномерное разогревание, плавление и испарение частиц на кромках.
4. В связи с тем, что сечение лазерного луча имеет небольшие размеры, расплавленный металл заполняет все микронеровности и дефекты изделий, которые попадают в зону действия лазерного луча.

Важно! Сварка лазером имеет положительную особенность – во время нее образуется сварное соединение с большой плотностью. А вот пористость, и прочие дефекты, которые присущи другим методам сварки, во время этой технологии отсутствуют

В связи с тем, что лазерный луч перемещается по соединяемым поверхностям с высокой скоростью, в ходе сварочного процесса не возникает окисления металла

При помощи луча можно делать два вида шва – сплошной и прерывистый. При помощи первого варианта сваривают трубы из нержавеющей стали, где необходима высокая герметичность. Второй вид используется при сваривании небольших конструкций, которые имеют поверхностные повреждения

В связи с тем, что лазерный луч перемещается по соединяемым поверхностям с высокой скоростью, в ходе сварочного процесса не возникает окисления металла. При помощи луча можно делать два вида шва – сплошной и прерывистый. При помощи первого варианта сваривают трубы из нержавеющей стали, где необходима высокая герметичность. Второй вид используется при сваривании небольших конструкций, которые имеют поверхностные повреждения.

Условия для работы лазером и техника безопасности

Для получения мощного луча требуется фокусировка. Она достигается благодаря нескольким последовательным отражениям. При превышении порогового значения интенсивности поток попадает в центр переднего зеркала, откуда подается в направляющие призмы и выходит в рабочую зону. Лазерная сварка проводится в любых условиях: при разных вариантах расположения деталей и глубины проплавления. Соединение формируют точечно или непрерывно.

Сварочный процесс имеет некоторые особенности, которые могут привести к травмированию мастера при несоблюдении техники безопасности:

1. На пути луча не должно быть посторонних предметов. Если в рабочую область попадает рука сварщика, человек получает глубокий ожог.
2. Перед началом сварки нужно проверять целостность и исправность основных элементов установки. В противном случае качество шва снижается, мастер рискует получить травму.
3. На рабочем месте не должны находиться легковоспламеняющиеся предметы.

Лазерная сварка металлов: как работает аппарат и оборудование для сварки меди лазером

Лазерная сварка – один из современных методов, позволяющих соединять и разрезать металлические детали.

Ее работа основывается на использовании сфокусированного лазерного луча, благодаря чему появляется возможность выполнения швов на очень тонком металле.

Оборудование для проведения лазерной сварки

Схема устройства лазерного сварочного аппарата.

Существует две разновидности приборов для лазерной сварки: твердотельные и газовые аппараты. Чтобы сделать правильный выбор подобного устройства необходимо знать особенности каждого из них.

Как уже отмечалось ранее аппарат лазерной сварки может работать импульсно или постоянно. Ручная твердотельная лазерная установка относится к устройствам функционирующим по второму принципу. В основе таких приборов находится твердый стержень, наиболее часто используется розовый рубин.

На внешний контур и лампу подаются токи. Лампа генерирует высокочастотные, кратковременные импульсы света. В результате описанных процессов внутри стержня формируется ионизированный лазерный пучок. Под действием магнитного поля он высвобождается в нужном направлении.

Указанная технология формирования лазера отличается невысокой мощностью. В связи с этим она применяется для небольших изделий, позволяя формировать качественные швы. Широкое распространение этот метод получил в микроэлектронике.

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.

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

Отличия в технологии сваривания деталей из разных металлов

Различные металлы сваривают в соответствии с различными технологическими нормами. Работа с заготовками из стали требует предварительной зачистки от загрязнений, включая ржавчину. Также изделие должно быть тщательно обезжирено и высушено.

Технология сварки металла большой толщины.

Наличие влаги в области соединения деталей может привести к повышенной гидратации и, как следствие, к снижению его прочности и долговечности.

Благодаря высокой скорости движения луча, станки лазерной сварки позволяют формировать шов без окислов. В результате становится возможным осуществлять соединение нержавеющих и титановых сплавов без флюса и инертных газов.

Эта уникальная способность делает подобные установки незаменимыми при сваривании особенно ответственных конструкций.

Развитие технологий за последние годы позволило создать компактный прибор для ручной лазерной сварки. На сегодняшний момент существует множество моделей, представленных в магазинах. Все они могут похвастаться различными параметрами и функциональностью.

Итог

Лазерная сварка металла – уникальная технология, позволяющая соединять тонкие материалы, нержавеющие и титановые сплавы. Главной особенностью данной технологии является формирование качественного, аккуратного шва без каких-либо дефектов, связанных с деформациями деталей.

Благодаря указанным преимуществам такой тип сварки получил широкое распространение на различных производствах.

Технология

Суть метода заключается в направлении лазерного луча в фокус, где сечение пучка уменьшается. При попадании на деталь концентрированная энергия изменяет структуру металла, температура повышается мгновенно, что приводит к плавлению и образованию сварного шва. Процесс реализуется частичным и полным проплавлением, независимо от положения в пространстве. Для обработки изделий с небольшой толщиной луч расфокусируется.

Импульсное излучение характеризуется формированием сварного шва в виде точек. Установки оборудованы твердотельными лазерами, благодаря высоким техническим характеристикам скорость сварки составляет 5 мм/с. Дополнительно используются присадочные материалы, в роли которых могут выступать лента, проволока, специальный порошок. Они повышают качество сцепления за счет увеличения сечения шва.

Как усилить мощность лазера для резки металла

Понадобятся следующие детали и приборы:

1. пишущий CD/DVD-RW (подойдет старый или неисправный), со скоростью записи больше 16х;
2. аккумуляторы по 3,6 вольт – 3 шт.;
3. конденсаторы на 100 пФ и на 100 мФ;
4. сопротивление 2-5 Ом;
5. коллиматор (вместо лазерной указки);
6. стальной светодиодный фонарь;
7. паяльник и провода.

К диоду нельзя подключать источник тока напрямую, иначе он сгорит. Диод берет подпитку от тока, а не от напряжения.

Лазерный коллиматор

Фокусировка лучей в тонкий луч производится при помощи коллиматора. Он используется вместо лазерной указки.

Продается в магазине электротоваров. В этой детали есть гнездо, куда монтируется лазерный диод.

https://youtube.com/watch?v=xtsAjnH-Bog