Лазерная сварка технология и оборудование

Самое важное по тематике: "Лазерная сварка технология и оборудование" от профессионалов. Здесь собрана вся информация и полностью раскрыта тема. В случае возникновения вопросов - задавайте их дежурному специалисту.

Технология лазерной сварки металлов

Отрасль металлургии постоянно развивается, не так давно для обработки деталей стала использоваться технология лазерной сварки металлов.

Лазерная сварка является инновационным методом обработки металлов. Суть этого метода в том, что в качестве энергетического источника используется луч лазера. Такая технология имеет очень широкую сферу применения, так как обладает множеством преимуществ.

Технология лазерной сварки металлов может быть использована при работе с одинаковыми и разными металлами, активно применяется в электронной технике и радиоэлектронике.

Суть технологического процесса лазерной сварки металла, его преимущества и недостатки

Принцип действия лазерной сварки сводится к тому, что лазерное излучение направляют в фокус, где из него создается пучок, который и попадает на свариваемые детали. Пучок попадает внутрь металла, поглощается им, нагревает металл, вследствие чего происходит плавка и возникает сварочный шов.

Удобство метода состоит в том, что такую сварку производят путем частичного или полного проплавления, в любом положении, под любым углом. Процесс лазерной сварки может производиться периодами или же быть непрерывным.

Процесс лазерной сваркиподойдет как для работы с тонкими листами металла, так и для крупногабаритных деталей. При работе с изделиями малой толщины процесс сварки осуществляется с расфокусировкой лазерного луча.

Современное оборудование, осуществляющее лазерную сварку металлов, способно делать этот процесс очень быстрым – сварка проводится со скоростью около 5 мм/с.

Обязательным условием является использование присадки при сварке; в качестве присадки, как правило, используется проволока большого диаметра, специальный порошок или лента. Присадка необходима, так как она способна увеличивать сечение сварочного шва.

Лазерная сварка металла имеет множество преимуществ:

  1. Такая технология позволяет сваривать даже высокоточные конструкции. Так как при сварке можно дозировать энергию, метод позволяет обеспечить получение качественных соединений даже при работе с малыми деталями.
  2. При работе не понадобятся правки.
  3. Не нужна механическая доработка результата.
  4. Большая скорость процесса.
  5. Высокая производительность.
  6. При использовании мощного оборудования можно получить большую глубину шва при его малой ширине. То есть есть возможность уменьшить зону термического влияния, а также предотвратить деформации металлов.
  7. Технология довольно экономичная, так как она позволяет использовать оборудование на большом расстоянии от металла.
  8. Лазерный луч очень прост в управлении – для этого используют зеркала и оптику, что позволяет производить сварку в самых труднодоступных местах.

Тем не менее у данной технологии есть несколько недостатков:

  1. Стоимость оборудования для лазерной сварки очень велика.
  2. Низкий КПД лазерного оборудования.

Эти недостатки постепенно сводят к минимуму.

Оборудование для лазерной сварки металла

В комплекте оборудования для лазерной сварки обязательно есть сам лазер, система фокусировки, газовая защита и системы перемещения луча.

В настоящее время используются два вида лазеров – газовые и твердотельные. Газовые лазеры являются более мощными, в качестве активного тела в них используется смесь разных газов. Максимальная мощность таких установок достигает 20 кВт, что делает возможным работу с металлами толщиной до 20 мм и обеспечивает довольно высокую скорость сварки – до 60 м/ч. Самыми мощными являются газодинамические лазеры.

[3]

В твердотельных лазерных установках в качестве активного тела используется рубин или стекло с присадкой ионов. Твердотельные установки имеют малую мощность, в связи с этим с их помощью обрабатываются только самые мелкие детали. Мощность таких лазеров – 1-6 кВт.

Современные технологии лазерной сварки металлов на выставке

Новинки и инновационные технологии в сфере металлургии, а также лазерного оборудования для сварки и резки металлов будут представлены на ежегодной международной выставке «Металлообработка», посвященной металлообработке.

На экспозиции можно будет ознакомиться с разработками многих стран, а также узнать о новом, экономичном оборудовании. Выставка пройдет в мае в ЦВК «Экспоцентр» в Москве.

Применение лазера для сварки

Лазерная сварка — это технология, в которой основным элементом воздействия на материалы является лазер. Главное достоинство лазера – способность концентрировать большую мощность излучения на единицу площади (1-10МВт/см2), что обеспечивает сварку различных материалов толщиной от нескольких микрон до сантиметров.

Действие лазера

Суть сварки лазером заключается в том, что излучение, проходя через фокусирующую систему, концентрируется в определенной точке. Все, что попадает в эту точку, подвергается сильнейшему термическому воздействию.

Похожие процессы происходят при разжигании огня с помощью лупы. Так как лазерное излучение монохромное и когерентное (с постоянной разностью фаз в пространстве или времени), то используя обычную оптическую линзу можно получить высокую концентрацию энергии на очень маленькой площади.

В месте концентрации луча металл быстро расплавляется. Для формирования сварного шва достаточно убрать лазер или расфокусировать его. Благодаря маленькой области термического воздействия в свариваемом материале практически отсутствуют деформации. Шов получается тонким и не требует дальнейшей обработки.

Типы сварочных аппаратов

Лазерный сварочный аппарат использует импульсное или непрерывное излучение, и может делать швы любого типа. Так как мощность излучателя рассчитана на максимальную толщину свариваемого металла, то при сварке тонких листов (0,05-1 мм) применяется расфокусировка луча.

По типу активного тела лазерное сварочное оборудование бывает с:

  • твердотельным лазером;
  • газовым;
  • газодинамическим лазером.

Импульсный лазерный аппарат производит сварку точечно. Для создания сплошного шва сварные точки наносятся с перекрытием.

Частота импульсов у разных моделей разная, обычно в пределах 4-20 Гц. Скорость сварки доходит до 20 м/час.

Твердотельные лазеры

Основным элементом твердотельного прибора является стержень из рубина или стекла с неодимом, который находится в осветительной камере. Когда в камеру с определенной частотой подается свет большой мощности, то в кристалле (активном теле) происходит возбуждение атомов, что приводит к излучению света одной длины волны.

Торцы стержня из рубина представляют собой отражающие зеркала, одно из них частично прозрачное. Через него происходит выход энергии в виде лазерного излучения.

Читайте так же:  Как купить квартиру в новостройке или на вторичном рынке и не быть обманутым – советы юриста

В стационарных установках кроме собственно лазера и оптической системы фокусировки луча аппарат имеет систему газовой защиты, систему перемещения головки и свариваемого изделия.

Твердотельные приборы имеют относительно небольшую мощность от 1 до 6 кВт. Они применяются в основном в микроэлектронике, приборостроении и ювелирном деле, где приходится приваривать выводы микрочипов толщиной несколько микрон, катоды кинескопов электронно-лучевых трубок или сваривать мелкие элементы на ювелирных изделиях. Используется как точечная сварка.

Газовые лазеры

В газовых лазерных устройствах для сварки активным телом является смесь углекислого газа, азота и гелия.

Газовая смесь из баллонов с помощью насоса продувается через газоразрядную трубку, где с помощью электрических разрядов происходит возбуждение газа. Газогазрядная труба имеет отражающее и прозрачное зеркало по торцам, весь процесс происходит, как в твердотельном лазере.

По сравнению с твердотельными газовые лазеры мощнее, их мощность может превышать 20 кВт. Имеют систему водяного охлаждения. Сварочные аппараты с газовым лазером могут варить толстый металл до 2 см со скоростью 1 м/мин.

Газодинамические лазеры

Газодинамические лазерные устройства самые мощные. Активным телом является окись углерода, нагретая до 3000 ⁰K и пропущенная через сопло Лаваля. На выходе из сопла происходит резкое падение давления и, соответственно, охлаждение газа.

При этом процессе молекулы окиси углерода испускают монохромное излучение. Для повышения мощности в качестве источника накачки применяются дополнительные лазеры.

Такой способ позволяет развивать мощность газодинамического лазера до 100 кВт и более, что позволяет варить металлы толщиной 35 мм со скоростью 200 м/час. Такая производительность недоступна другим видам сварки.

Лазерно-дуговая технология

Гибридная технология совмещает в себе преимущества дуговой и лазерной сварки. Когда нужно сваривать толстые листы металла с большой скоростью и минимальным подводом тепла к сварочной зоне в автоматическом режиме, то для этого потребуется оборудование с лазерно-дуговой сваркой.

За счет быстрого разогрева лазером сварочной ванны улучшается качество шва, его глубина. Это уменьшает напряжения и деформации от возникновения соединительного шва.

Кроме этого приводит к большой скорости сварки, появляется возможность провести сваривание в один проход. Нет жестких требований к соединяемым кромкам. В комбинации с дуговой сваркой обычно используется твердотельный лазер.

Особенности процесса

Благодаря возможности концентрировать огромную энергию на маленькой площади лазерная сварка титана, а также алюминия, нержавейки и других металлов не представляет трудностей.

Для лазерной сварки не требуются особые условия. Она может производиться в окружении обычной атмосферы. Как и при дуговой электросварке требуется защита деталей в точке соединения от влияния воздуха. Для этого применяют инертные газы.

Из-за высокой мощности лазерного луча металл в сварочной ванне начинает кипеть. Пары ионизируются и рассеивают луч лазера. Для борьбы с этой проблемой в зону сваривания стали направлять струю газа подавляющего плазму.

Его роль выполняет гелий, который не рассеивает луч благодаря своей легкости и прозрачности. При одновременной подаче защитного и подавляющего плазму газов струя направляется так, что сдувает плазму с рабочей зоны.

Преимущества и недостатки

Главным достоинством лазерной сварки является регулировка количества энергии в конкретной точке на очень маленькой площади. Это позволяет получать прочные и надежные соединения при работе с мелкими изделиями. Поэтому ее применяют высокоточные производства.

Лазерная сварка может использоваться удаленно от оператора. Известна установка для ремонта стальных трубопроводов находящихся на дне водоема. С помощью вращающихся зеркал лазерный луч доставляется на место назначения, где происходит сварка.

Мощные лазеры могут проваривать толстые металлы при узком шве и минимальном термическом воздействии на соседние слои. Имеют высокую степень автоматизации работ, высокую скорость сварки и отличное качество шва.

Главным недостатком лазерной сварки является высокая стоимость оборудования. Установки имеют низкий КПД (не более 2 %), соответственно высокую стоимость сварочных работ.

[1]

Меры безопасности

При работе с лазерной сваркой использование очков обязательно. В стационарных установках должны быть защитные экраны, не позволяющие оператору попасть в рабочую зону лазера. Предусматриваются системы блокировки работы лазера при нарушении рабочей зоны персоналом.

Стены помещения покрываются матовой краской имеющей минимальную отражающую способность. В автоматических системах пульты управления и контроля находятся за пределами рабочего помещения.

Часто задаваемые вопросы об установке для лазерной сварки, пайки и наплавки МУЛ-1

1. Может ли МУЛ-1 варить (паять, наплавлять) серебро?

Серебро — металл с высокой отражающей способностью. Поэтому серебро тяжело поддается лазерной сварке. Для комфортной работы с серебром установка для лазерной сварки должна выдавать 8 — 10 кВт пиковой мощности.

МУЛ-1 в любой модификации варит серебро. Мы сняли небольшое видео о лазерной сварке серебра на установке МУЛ-1 в базовой модификации. Для демонстрации энергетических возможностей установки мы взяли изделие из серебра большой толщины (4 мм) Посмотреть видео можно здесь.

2. Чем отличаются модификации установки («Старт», «Базовая», «Расширенная», «Расширенная+»)?

Модификации «Старт», «Базовая», «Расширенная», «Расширенная+» отличаются друг от друга пультом управления (1), пиковой мощностью (2) и средней мощностью (3).

(1) Модификации «Базовая», «Расширенная» и «Расширенная+» комплектуются продвинутым пультом управления с сенсорным экраном (больше функций). Модификация «Старт» комплектуется упрощенным пультом управления.

(2) Характеристика пиковой мощности любой установки для лазерной сварки отражает максимально возможную «силу» или интенсивность воздействия излучения лазера на материал.

Одним из основных параметров при воздействии лазерного излучения на материал является интенсивность, или создаваемая плотность мощности. Иными словами, это энергия, приходящаяся на единицу поверхности. При подборе оборудования для лазерной сварки того или иного материала нужно знать энергии, которые необходимы для того, чтобы, с одной стороны, расплавить материал и с другой – не испарить его. На величину этих энергий влияет коэффициент отражения материала для длины волны лазерного излучения. Материалы с большой отражающей способностью (например, серебро) варятся хуже и требуют прилагать больше энергии к единице поверхности. Установка МУЛ-1 в » Базовой» модификации подходит для сварки таких материалов, но для обеспечения возможности провара большим размером пятна

Читайте так же:  Как происходит построение бизнес-процессов

лазерного излучения (т.е. эффективно воздействовать на большую площадь материала) необходимы модификации установки с повышенной пиковой мощностью («Старт», «Расширенная», «Расширенная+»). Модификация «Расширенная+» обладает исключительно высокой пиковой мощностью.

Другими словами, если вам необходимо часто работать большим размером пятна (большой сварной шов для закрепления больших деталей, толстая проволока для наплавки и т.п.), то вам нужны модификация установки с повышенной пиковой мощностью.

(3) Средняя мощность установки в модификации «Старт» в два раза меньше чем в модификациях «Базовая», «Расширенная» и «Расширенная+». Это означает, что установка в модификации «Старт» менее производительная и подойдет для производства с небольшой загрузкой. О средней мощности смотрите подробнее в вопросе № 5

3. Что такое размер пятна лазерного излучения? Что такое диаметр сфокусированного пучка?

Размер пятна лазерного излучения — это диаметр сфокусированного пучка лазерного излучения на обрабатываемом материале. Площадь материала, находящаяся под этим пятном, является площадью, на которую воздействует излучение лазера.

4. Какой размер сварного шва или сварной точки можно получить на МУЛ-1? Как выглядит сварной шов?

Основой установки МУЛ-1 является импульсный твердотельный лазер. Каждый импульс этого лазера образует сварную точку на материале. Сварной шов образуется перекрытием нескольких таких точек.

Размер сварной точки или шва определяется диаметром пятна лазерного излучения (см. выше вопрос № 3). В установке МУЛ-1 такой размер равен 0,2-2,5 мм (размер можно менять). Это оптимальный размер для лазерной сварки.

5. Что означают основные характеристики лазера и как они влияют на сварку (пайку, наплавку)?

Максимальная энергия импульса излучения, Дж — 60 (базовая модификация) или 80 (расширенная модификация)

Максимальная энергия импульса излучения — ключевой параметр, который отражает максимально возможную энергию импульса излучения лазера при максимальной длительности импульса. МУЛ-1 при 20 мс длительности выдает 60 или 80 Дж (в зависимости от модификации установки). Показатель отражает максимальные энергетические возможности лазера при максимальной длительности импульса. Чем больше этот параметр, тем больше возможная интенсивность излучения лазера. Большая энергия позволяет варить материалы с высоким коэффициентом отражения при большем диаметре пятна.

Максимальная импульсная мощность (пиковая мощность), кВт — 8 (базовая модификация) или 10 (расширенная модификация)

Максимальная импульсная мощность (пиковая мощность) — важнейший параметр лазера, который отражает отношение энергии (Дж) импульса к его длительности (мс) и выражается в кВт. В плане лазерной сварки, чем выше этот параметр, тем больше возможная «сила» и интенсивность воздействия на обрабатываемый материал, тем проще и стабильнее обрабатывать различные металлы (серебро например), тем больше глубина провара.

Еще об импульсной мощности (пиковой мощности) можно посмотреть в ответе на вопрос № 2.

Максимальная мощность излучения (средняя мощность), Вт — 100

Тоже очень важный параметр лазера. Отражает производительность лазера в целом.

6. Какие основные расходные комплектующие установки МУЛ-1?

В рамках текущего обслуживания установки МУЛ-1 необходимо периодически производить замену лампы накачки, защитного стекла и дистиллированной воды в системе охлаждения установки.

Технология лазерной сварки металлов

[Лазерная сварка металлов] представляет собой рабочий процесс, при котором благодаря направленному лучу происходит нагревание металла и его плавление.

Характерной особенностью такой сварки является то, что шов получается небольшим по ширине, но глубоким.

Почему так происходит? Потому что металлическая поверхность находится под высоким температурным воздействием, которое ограничивается по площади.

Помимо тонких швов, сварка также характеризуется мощным излучением и быстротой обработки.

Особенности и применение

Видео (кликните для воспроизведения).

Разделение на технические, технологические и физические особенности сваривания металлов прописано в ГОСТ 19521-74.

В свою очередь, характеристики физического характера делятся по классам:

  1. Термический класс — подразумевает процесс сваривания металлов с использованием тепловой энергии и плавления;
  2. Термомеханический – процесс осуществляется под давлением и с применением тепловой энергии;
  3. Механический – используется механическая энергия и давление.

Лазерное сваривание также имеет свой ГОСТ, относится к первому классу.

Ее особенности в большей мере зависят от особенностей лазерного луча, таких, как направленность, монохроматичность, когерентность.

Благодаря этому луч может концентрироваться точечно и обрабатывать небольшие по площади поверхности. С помощью оптических систем происходит управление лазером.

Лазерная сварка имеет некоторые сходства со сваркой электронными лучами, перед которой имеет определенные преимущества, например, вакуумная среда для более эффективной работы не создается, а цена работ сваривания металла с помощью лазера сопоставляется с классическими способами.

Такой метод сваривания металлов нашел свое применение в автомобильном производстве, поскольку лазерная сварка позволяет экономить материалы, а также обеспечивает герметичность алюминиевого корпуса машины.

Также широко распространено сваривание труб лазером, благодаря своей точности и обеспечению герметичности труб.

Сваривание труб удобно в том плане, что установка сварки может находиться удаленно от непосредственного места соединения.

Чаще всего, лазер используется для сваривания проблемных металлов: нержавейки и алюминия.

Потому что при сваривании нержавеющих материалов и алюминия происходит их быстрое окисление, что в последствии ведет к образованию некачественных швов.

Лазерные лучи не допускают подобных дефектов, поскольку отличаются скоростью обработки поверхности.

[2]

Сваривание лазером подразделяется на точечное и шовное (см. видео).

Точечная сварка позволяет обрабатывать даже очень мелкие детали (менее 100 мкм), отвечает требованиям ГОСТ 28915-91. Точечная сварка применяется в создании электронной аппаратуры.

Тонкие материалы также подвергаются именно такому методу сваривания, но при этом необходимо выставить определенные параметры для того, чтобы плавление нержавеющих сталей не было глубоким.

Точечная сварка производится очень быстро.

Шовная – классический способ сваривания нержавеющих материалов, труб.

Как уже говорилось выше, шов при лазерной обработке получается очень аккуратным и небольшим. Дефектность шва проверяется по ГОСТ Р ИСО 5817-2009.

Оборудование, которое применяется для сваривания труб, нержавейки и других материалов, имеет свои разновидности и принципиальные отличия.

Читайте так же:  Бизнес план проката квадроциклов

Промышленную сварку труб см. на видео.

Разновидности аппаратов

Для выполнения работы своими руками необходим аппарат сварки лазером, который должен отвечать требованиям ГОСТ.

В свою очередь аппарат делится на два вида: твердотельный и газовый:

  • Твердотельный аппарат сварки отличается от газового длиной излучаемых волн, они короче, а мощность – слабее. Чаще всего встречается импульсный режим работы аппарата, но иногда он бывает импульсным и непрерывным. Работа протекает по следующей схеме: лазерное излучение происходит из стеклянного стержня (твердотельного активного элемента). При этом включается рубин, гранат алюмоиттриевый и неодим. Стержень располагается в специальной камере, которая освещается лампой накачки. Эта лампа создает световые вспышки. Применяют такое оборудование для обработки тонких электронных приборов, точечной сварки материалов из фольги, например, катодов кинескопа, которые используются в производстве телевизоров;
  • Газовый аппарат может работать в непрерывном или импульсном режимах. Это более мощное оборудование с высоковольтными источниками тока. Аппарат с поперечным типом прокачки газа является компактным, при этом позволяющим сваривать металлы, толщина которых не превышает 20 мм. Аппарат более мощного типа – газодинамический, где горячие газы выступают в качестве активной среды.

Цена на такой аппарат очень различается, она зависит от производителя, от конкретного типа оборудования, его размеров и пр., но при этом остается очень высокой.

Импульсные и непрерывные лазеры

Импульсная лазерная установка отвечает требованиям ГОСТ 28915-91, применяется чаще непрерывной, поскольку при точечном воздействии импульсная установка дает лучший эффект.

Технология заключается в скоплении большого количества энергии и ее воздействии на предмет в течение короткого промежутка времени.

Такой метод сваривания, когда применяется импульсная установка, широко применяется при взаимодействии с металлами, которые легко подвергаются деформации, например, при использовании нержавеющих материалов.

При этом аппарат действует таким образом, что материал проплавляется только на поверхности, исключая сквозные отверстия.

Непрерывная лазерная сварка позволяет делать сплошной шов, который может различаться по глубине.

Эта технология подразумевает образование парогазового канала, который обрабатывает металлы различной толщины, а зона проплавления при этом остается узкой.

Надо сказать, что мощность непрерывного лазерного излучения записана в ГОСТ, должна отвечать всем требованиям согласно этому документу.

Цена на импульсные установки достаточно высока.

Особенности сварки различных металлов

Сваривание сталей, алюминия, титана имеет свои особенности, рассмотрим подробнее.

Сваривание сталей подразумевает обязательное очищение поверхности от коррозии, окалины, влаги и прочего.

Это необходимо для того, чтобы в процессе работы не возникало пористости и оксидных соединений.

Иногда из-за неочищенной поверхности в самом шве могут возникать холодные трещины, при сварке стальных труб это образование не допустимо.

Зачистка поверхности делается с использованием нержавеющих щеток не только в том месте, где будет располагаться шов, но еще и на прилегающей площади (10-15 см). Место сваривания сталей необходимо обезжирить.

Сварка нержавеющих сталей внахлест не рекомендуется из-за чувствительности материала к концентраторам напряжения, только в стык.

Лазерная сварка стальных труб – дело непростое, поэтому выполнять его своими руками не рекомендуется, лучше доверить его специалистам.

Магниевые сплавы и алюминий также имеет свои особенности.

Обычная сварка может сопровождаться испарением легирующих элементов и окислением поверхности.

Поверхность материалов обрабатывается механически, проходит травление, а впоследствии осветляется, промывается с помощью горячей воды, а перед сваркой зачищается шабером.

Магниевые сплавы соединяются без использования подкладок.

Соединение титана предполагает ряд сложностей:

  • при высоких температурах материал становится химически активным веществом;
  • когда температура при обработке титана начинает превышать 330 градусов, тогда можно увидеть рост зерна;
  • могут возникать холодные трещины в самом шве из-за высокого уровня содержания водорода.

Все перечисленные трудности можно избежать при использовании лазерной сварки титана.

Перед рабочим процессом необходимо обработать поверхность титана: зачистить, можно использовать для этого пескоструйную обработку, химически затравить, обеспечить впоследствии осветление и промыть.

Для создания качественного шва на поверхности титана необходимо обработать его гелием. К сварке титана применим ГОСТ Р ИСО 5817-2009.

Ручная сварка

Сегодня можно приобрести станок лазерной сварки, работать на котором можно в домашних условиях, своими руками. Цена такого станка будет не слишком высока.

Благодаря ему, можно своими руками отремонтировать ювелирные изделия, подкорректировать оправу очков, обработать медицинское оборудование, своими руками произвести поверхностное уплотнение материалов, точечная спайка также имеет место быть.

Сварка своими руками предполагает более быстрое соединение материалов.

При этом необходимо учитывать, что лазер способен излучать видимые и невидимые лучи большой мощности.

Чаще всего, это невидимый инфракрасный луч, поэтому при работе с аппаратом необходимо соблюдать технику безопасности.

Оборудование для соединения материалов лазером должно быть оснащено крышками безопасности.

Технологические особенности процесса лазерной сварки

Лазерную сварку можно производить со сквозным и с частичным проплавлением. Сварные швы одинаково хорошо формируются в любом пространственном положении. При толщине свариваемых кромок менее 0,1 мм и при сварке больших толщин с глубоким проплавлением по-разному происходит формирование шва и различны подходы к выбору параметров режима сварки. При сварке как непрерывным, так и импульсным излучением малых толщин используют более мягкие режимы, обеспечивающие лишь расплавление металла в стыке деталей без перегрева его до температуры интенсивного испарения. Сварку сталей и других относительно малоактивных металлов можно в этом случае выполнять без дополнительной защиты зоны нагрева, что существенно упрощает технологию, тогда как сварку с глубоким проплавлением ведут с защитой шва газом, состав которого подбирают в зависимости от свариваемого материала.

Основные параметры режима импульсной лазерной сварки — это энергия и длительность импульсов, диаметр сфокусированного излучения, частота следования импульсов, положение фокального пятна относительно поверхности свариваемых деталей. Длительность лазерного импульса должна соответствовать тепловой постоянной времени для данного материала, приближенно определяемой по формуле:

где δ и α — соответственно толщина и коэффициент температуропроводности свариваемого материала.

Значения τ для тонких деталей (δ = 0,1. 0,2 мм) составляют несколько миллисекунд. Соответственно длительность импульса нужно выбирать, например, для меди 0,0001. 0,0005 с, для алюминия 0,0005. 0,002 с, для сталей 0,005. 0,008 с. При увеличении δ более 1,0 мм τ возрастает и может значительно превосходить достижимую длительность лазерных импульсов. Поэтому лазерная сварка металлов толщиной более 1,0 мм импульсным излучением затруднена.

Читайте так же:  Иммиграция в испанию из россии

Диаметр сфокусированного излучения d определяет площадь нагрева и плотность мощности Е. При сварке d изменяют от 0,05 до 1,0 мм путем расфокусировки луча. При этом фокальную плоскость, на которой сфокусированный световой пучок имеет наименьший диаметр, располагают выше или ниже поверхности свариваемых деталей. Сварной шов при импульсном излучении образуется наложением сварных точек с их взаимным перекрытием на 30. 90 % в зависимости от типа сварного соединения и требований к нему. Промышленные сварочные установки с твердотельными лазерами позволяют вести шовную сварку со скоростью до 5 мм/с при частоте импульсов до 20 Гц. Сварку можно вести с присадочным материалом в виде проволоки диаметром менее 1,5 мм, ленты или порошка. Использование присадки позволяет увеличивать сечение шва, устраняя один из наиболее распространенных дефектов — ослабление шва, а также легировать металл шва. Легирующие элементы при лазерной сварке можно также наносить предварительно на поверхности свариваемых кромок напылением, обмазкой, электроискровым способом и т.п.

Наиболее распространена лазерная сварка импульсным излучением в электронной и электротехнической промышленности, где сваривают угловые, нахлесточные и стыковые соединения тонкостенных деталей. Хорошее качество соединений обеспечивается сваркой лазерным лучом тонких деталей (0,05. 0,5 мм) с массивными. В этом случае, если свариваемые детали значительно отличаются по толщине, в процессе сварки луч смещают на массивную деталь, чем выравнивают температурное поле и достигают равномерного проплавления обеих деталей. Чтобы снизить разницу в условиях нагрева и плавления таких деталей, толщину массивной детали в месте стыка уменьшают, делая на ней бурт, технологическую отбортовку или выточку (рисунок 3). При лазерной сварке нагрев и плавление металла происходят так быстро, что деформация тонкой кромки может не успеть произойти до того, как металл затвердеет. Это позволяет сваривать тонкую деталь с массивной внахлестку. Для этого надо, чтобы при плавлении тонкой кромки и участка массивной детали под ней образовалась общая сварочная ванна. Это можно сделать, производя сварку по кромке отверстия в тонкой детали или по ее периметру.

а — по бурту на массивной и отбортовке на тонкой детали; б — тавровое соединение; в — по кромке выточки в массивной детали; г — по отверстию в тонкой детали. Стрелками показано направление лазерного луча

Рисунок 3 — Сварные соединения деталей разной толщины

Детали малой толщины можно сваривать также газовыми и твердотельными лазерами непрерывного действия мощностью до 1 кВ-А. Лучше всего формируется шов при стыковом соединении тонких деталей. Однако при сборке таких соединений под лазерную сварку предъявляются более жесткие требования: должен быть обеспечен минимальный и равномерный зазор в стыке и практически полное отсутствие смещения кромок.

Сложнее формируется шов при сварке деталей толщиной более 1,0 мм с глубоким проплавлением. Как только плотность мощности лазерного излучения станет больше критической, нагрев металла будет идти со скоростью, значительно превышающей скорость отвода теплоты в основной металл за счет теплопроводности. На поверхности жидкого металла под действием реакции образуется углубление. Увеличиваясь, оно образует канал, заполненный паром и окруженный жидким металлом. Давления пара оказывается достаточно для противодействия силам гидростатического давления и поверхностного натяжения, и полость канала не заполняется жидким металлом. При некоторой скорости сварки форма канала приобретает динамическую устойчивость. На передней его стенке происходит плавление металла, на задней — затвердевание. Наличие канала способствует поглощению лазерного излучения в глубине свариваемого материала, а не только на его поверхности. Формируется так называемое «кинжальное проплавление». При этом образуется узкий шов с большим соотношением глубины проплавления к ширине шва.

Сварочная ванна (рисунок 4) имеет характерную форму, вытянутую в направлении сварки. В головной части ванны расположен канал (кратер) 3. Это область наиболее яркого свечения. На передней стенке канала существует слой расплавленного металла, испытывающий постоянные возмущения. Здесь наблюдается характерное искривление передней стенки в виде ступеньки, которая периодически перемещается по высоте канала. Удаление расплавленного металла с передней стенки осуществляется при перемещении ступеньки сверху вниз. Перенос расплавленного металла из головной части ванны в хвостовую происходит по боковым стенкам в горизонтальном направлении. В хвостовой части ванны 4 расплавленный металл завихряющимися потоками поднимается вверх и частично выносится на поверхность сварочной ванны. При образовании канала 3 над поверхностью металла появляется светящийся факел 2, состоящий из продуктов испарения, мелких выбрасываемых из ванны капель металла и из частиц конденсированного пара.

1 — лазерный луч; 2 — плазменный факел; 3 — парогазовый канал; 4 — хвостовая часть ванны; 5 — металл шва; 6 — свариваемый металл; Vсв — направление сварки Рисунок 4 — Схема сварочной ванны при лазерной сварке

При значительной скорости сварки факел отклоняется на 20. 60 0 в сторону, противоположную направлению сварки. Этот факел поглощает часть энергии луча и снижает его проплавляющую способность.

При сварке деталей толщиной более 1,0 мм на проплавляющую способность луча в первую очередь влияет мощность излучения. Поскольку сварка таких деталей ведется при непрерывном излучении, то к основным параметрам режима здесь относится и скорость сварки. При выбранном значении мощности излучения скорость сварки определяют исходя из особенностей формирования шва: минимальное значение скорости ограничено отсутствием кинжального проплавления, а максимальное — ухудшением формирования шва, появлением пор, непроваров. Скорость сварки может достигать 90. 110 м/ч.

На качество сварных швов влияет фокусировка луча. Для сварки луч фокусируют в пятно диаметром 0,5. 1,0 мм. При меньшем диаметре повышенная плотность мощности приводит к перегреву расплавленного металла, усиливает его испарение — появляются дефекты шва. При диаметре более 1,0 мм снижается эффективность процесса сварки. Формирование шва зависит также от положения фокальной плоскости относительно поверхности свариваемых деталей. Максимальная глубина проплавления достигается, если фокус луча будет находиться над поверхностью детали.

Читайте так же:  Бизнес на дому для женщин своими руками

Форма сварочной ванны в продольном сечении также отличается от ее формы при дуговой сварке (рисунок 5). На поверхности фронта кристаллизации имеется выступ, который делит ванну на две характерные части. Нижняя часть значительно заглублена и имеет малую протяженность в поперечном сечении, тогда как верхняя часть более широкая и вытянута вдоль шва. Отсюда очевидно, что при лазерной сварке имеют место два процесса проплавления металла. Первый процесс связан с образованием канала, как это было показано выше. Именно он обеспечивает эффект глубокого проплавления. Второй процесс — поверхностное плавление за счет теплопроводности свариваемого материала. Преимущественное развитие того или иного процесса зависит от режима сварки и определяет очертания сварочной ванны.

Рисунок 5 — Продольное сечение сварочной ванны

Высокая концентрация энергии, большая скорость лазерной сварки по сравнению с дуговыми способами, незначительное тепловое воздействие на околошовную зону вследствие высоких скоростей нагрева и охлаждения металла существенно повышают сопротивляемость большинства конструкционных материалов образованию горячих и холодных трещин. Это обеспечивает высокое качество сварных соединений из материалов, плохо свариваемых другими способами сварки. Существенно (до десяти раз) снижаются деформации сваренных деталей, что снижает затраты на правку.

При лазерной сварке с глубоким проплавлением металл шва защищают от окисления, подавая через сопло в зону сварки защитный газ. Применяют специальные сопла (рисунок 6). Для сварки алюминия, титана и других высокоактивных металлов требуется дополнительная защита корня шва. Для защиты используют те же газы, что и при дуговой сварке, чаще это аргон, гелий или их смеси. Защитные газы влияют на эффективность проплавления: чем выше потенциал ионизации и теплопроводность газа, тем она больше. Качественную защиту можно обеспечить при расходе гелия 0,0005. 0,0006 м 3 /с, аргона 0,00015. 0,0002 м 3 /с, смеси, состоящей из 50 % аргона и 50 % гелия, — 0,00045. 0,0005 м 3 /с. Для защиты зоны лазерной сварки можно использовать флюсы такого же состава, что и при дуговой сварке. Применяют их в виде обмазок, наносимых на свариваемые кромки.

а — при сварке деталей малой толщины; б — при сварке с глубоким проплавлением; 1 — лазерный луч; 2 — свариваемые детали

Рисунок 6 — Схемы защитных сопел

Наиболее часто встречающиеся дефекты при лазерной сварке больших толщин — это неравномерность проплавления корня шва и наличие полостей в шве. Для снижения вероятности образования пиков проплавления при сварке с несквозным проплавлением рекомендуют повышать скорость сварки и отклонять лазерный луч от вертикали на 15. 17° по направлению движения луча. При сварке со сквозным проплавлением неравномерность проплава устраняют, применяя остающиеся или удаляемые подкладки.

Повысить эффективность процесса лазерной сварки можно, увеличивая проплавляющую способность луча. Перспективно применение для этого импульсных режимов сварки. При частоте импульсов 0,4. 1 кГц и при длительности импульсов 20. 50 мс глубина проплавления может быть увеличена в 3. 4 раза по сравнению с непрерывным режимом. При импульсном режиме КПД луча в 2. 3 раза выше, чем при непрерывном. Однако импульсная сварка требует очень точной наводки луча на стык, более высокого качества подготовки кромок к сварке, а ее скорость в несколько раз уступает скорости сварки с непрерывным излучением.

Другой путь повышения эффективности — это подача в зону сварки дополнительного потока газа под давлением. Глубина проплавления при этом увеличится, но чрезмерное повышение расхода газа легко приводит к ухудшению формирования шва, появлению в нем пор, раковин, свищей. Затем газ начинает выдувать жидкий металл, процесс сварки переходит в резку. При сварке с несквозным проплавлением применяют разработанный в МГТУ им. Н. Э. Баумана способ импульсной подачи дополнительного газа. Это повышает глубину проплавления на 30. 40 %, стабилизирует проплав. Эффективность процесса лазерной сварки можно повысить, вводя в зону сварки химические элементы, способствующие ионизации газа в зоне сварки и снижающие экранирующее действие факела. Это достигается нанесением на поверхности свариваемых кромок покрытий, содержащих элементы с низким потенциалом ионизации (калий, натрий).

Широкое применение лазерной сварки сдерживается экономическими соображениями. Стоимость технологических лазеров пока еще высока, что требует тщательного выбора области применения лазерной сварки. Однако, если применение традиционных способов не дает желаемых результатов либо технически неосуществимо, можно рекомендовать лазерную сварку. К таким случаям относится необходимость получения прецизионной (высокоточной) конструкции, форма и размеры которой не должны меняться в результате сварки. Лазерная сварка целесообразна, когда она позволяет значительно упростить технологию изготовления сварных изделий, выполняя сварку как заключительную операцию, без последующей правки или механической обработки. Экономически эффективна лазерная сварка, 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 соединения трудно свариваемых, в том числе разнородных материалов, лазерная сварка может оказаться единственным процессом, обеспечивающим качественные сварные соединения.

Видео (кликните для воспроизведения).

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Источники


  1. Экзамен на звание адвоката. Учебно-практическое пособие; Юрайт — М., 2014. — 255 c.

  2. ред. Корельский, В.М.; Перевалов, В.Д. Теория государства и права; М.: Норма; Издание 2-е, испр. и доп., 2012. — 616 c.

  3. Смолина, Л. В. Защита деловой репутации организации / Л.В. Смолина. — М.: Дашков и Ко, БизнесВолга, 2010. — 160 c.
  4. Неосновательное обогащение. Судебная практика и образцы документов. — М.: Издание Тихомирова М. Ю., 2014. — 375 c.
Лазерная сварка технология и оборудование
Оценка 5 проголосовавших: 1

ОСТАВЬТЕ ОТВЕТ

Please enter your comment!
Please enter your name here