Лазерная сварка — это передовая технология соединения деталей с помощью лазерного излучения. Для сварки используется высокоинтенсивный лазерный луч, который соединяет детали вместе, создавая прочные и надежные сварные швы. Благодаря многочисленным преимуществам лазерная сварка стала незаменимым инструментом в современных производственных процессах.
Принцип работы лазерной сварки
Принцип лазерной сварки заключается в использовании сфокусированного лазерного луча для соединения двух или более деталей вместе. Лазерный станок генерирует интенсивный, концентрированный источник тепла, который сплавляет материалы, создавая прочное соединение. Лазерный луч попадает на поверхность материала и поглощается, что приводит к быстрому нагреву и локальному плавлению. Луч перемещается на рабочую поверхность через направляющие линзы и центр переднего зеркала, как только интенсивность пучка достигает самых высоких показателей.
Материал поглощает лазерную энергию благодаря своим оптическим свойствам. Энергия лазера преобразуется в тепловую энергию, в результате чего материал достигает температуры плавления. В процессе плавления образуется сварочная ванна. Затвердевание имеет решающее значение для получения прочного и долговечного сварного шва, поскольку он влияет на микроструктуру и механические свойства свариваемых материалов.
Работы не требуют наличия вакуума и могут выполняться в атмосфере. Зачастую защита сварочной ванны выполняется аргоном. Но этот газ при взаимодействии с металлами и лазером вызывает не только расплав металла, но и его испарение. В результате луч может экранировать, уходя от заданной траектории, заметно снижая точность и качество шва.
Световые потоки, используемые в лазерной сварке, характеризуются:
- когерентностью — когерентные волны — это волны с постоянной фазовой разностью независимо от зоны;
- монохроматичность — узкая ширина спектра светового потока;
- направленность — лазерный луч, используемый для сварки, не рассеивается, двигаясь от источника к рабочей зоне.
Рис. 1. Принцип работы лазерной сварки
Преимущества лазерной сварки
Точность
Лазерная сварка обеспечивает исключительную точность, получаются тонкие и контролируемые сварные швы. Сфокусированный лазерный луч точно позиционируется с контролем подачи тепла. Это минимизирует вероятность искажения и гарантирует высокую точность.
Скорость и эффективность
Лазерная сварка — это высокоскоростной процесс, который позволяет быстро получать сварные швы, повышая производительность. Концентрированная энергия лазерного луча быстро и эффективно передает тепло, сокращая общее время сварки.
Универсальность
Технология очень универсальна и может применяться к широкому спектру материалов, включая металлы, пластмассы, керамику и другое.
Небольшая зона термического влияния
Локализованный ввод тепла при лазерной сварке приводит к образованию небольшой зоны термического влияния, что сводит к минимуму возможность искажения или повреждения окружающих участков заготовки. Это особенно важно для термочувствительных материалов.
Бесконтактный процесс
Лазерная сварка является бесконтактным процессом, который устраняет необходимость физического контакта с заготовкой. Это снижает риск загрязнения, повреждения или износа сварочного оборудования.
Автоматизация и интеграция
Лазерная сварка может быть легко интегрирована в автоматизированные производственные системы. Она эффективна для высокоскоростных производственных линий и может быть легко интегрирована для выполнения точных и повторяющихся задач сварки.
Рис. 2. Процесс лазерной сварки
Недостатки лазерной сварки
Первоначальные инвестиции
Оборудование для лазерной сварки может быть дорогостоящим, особенно мощные лазеры, необходимые в промышленности. Первоначальные расходы на установку и обслуживание могут стать значительной инвестицией для небольших предприятий.
Требования к квалификации
Эксплуатация оборудования для лазерной сварки требует специальной подготовки и опыта. Квалифицированные операторы необходимы для обеспечения правильной настройки, программирования и обслуживания оборудования, что может увеличить затраты на рабочую силу.
Ограничения
Лазерная сварка может иметь ограничения, когда речь идет о толстых или высокоотражающих материалах. Способность к глубокому проникновению может быть снижена, что влияет на прочность сварного соединения.
Состояние поверхности
Лазерная сварка очень чувствительна к состоянию поверхности, включая чистоту и шероховатость. Загрязнения, такие как масла или окислы, могут препятствовать эффективности лазерного луча, что приводит к снижению качества сварного шва.
Сферы применения
- Производственная промышленность: Лазерная сварка широко применяется в различных отраслях производства, включая автомобилестроение, аэрокосмическую промышленность, электронику и производство медицинского оборудования. Она используется для соединения компонентов, таких как металлические листы, трубы, провода и 3D-печатные детали;
- Ювелирные изделия и приборостроение: Лазерная сварка обеспечивает точный и локализованный нагрев, что делает ее эффективной для тонкой и сложной работы в ювелирной промышленности;
- Микроэлектроника: Технология используется в процессах упаковки микроэлектроники, например, для крепления проволочных соединений и сварки полупроводниковых чипов и подложек;
- Медицинская промышленность: Лазерная сварка используется в производстве медицинского оборудования, включая производство имплантатов, хирургических инструментов и зубных протезов. Она позволяет соединять разнородные материалы и точно контролировать подачу тепла.
Рис. 3. Лазерная сварка
Типы лазеров для сварки
Твердотельные лазеры
Твердотельные лазеры — это лазерные системы, использующие твердые материалы в качестве среды усиления. Эти лазеры генерируют лазерный луч путем возбуждения атомов или ионов внутри твердотельного кристалла или стекла. В твердотельных лазерах активным элементом являются стекло или алюмоиттриевый гранат с добавлением неодима, рубина. Некоторые распространенные материалы твердотельных лазеров включают легированный неодимом иттриево-алюминиевый гранат (Nd:YAG), легированное неодимом стекло (Nd:glass) и легированное эрбием волокно (EDF). Характеристики: Твердотельные лазеры отличаются высокой энергоэффективностью, компактными размерами и отличным качеством луча. Они могут создавать лазерные лучи с высоким уровнем мощности и короткой длительностью импульса.
Они подходят для точных сварочных задач и могут работать с различными материалами, включая сталь, алюминий, нержавейку, титан и магниевые сплавы. Твердотельные лазеры широко используются в таких отраслях, как автомобилестроение, аэрокосмическая промышленность и электроника.
Рис. 4. Сварка металла лазером
Газовые лазеры для сварки
Газовые лазеры — это лазерные системы, использующие газовые смеси в качестве активной среды для генерации лазерных лучей. Это соединения азота, гелия, углекислого газа. Смесь подается в рабочую область под давлением 2,6-13 кПа. Эти лазеры работают за счет электрического возбуждения для приведения в действие молекул газа, стимулируя излучение когерентного света. Углекислотный (CO2) и гелий-неоновый (He-Ne) лазеры — наиболее распространенные типы, используемые для сварочных работ.
Характеристики: Газовые лазеры для сварки обеспечивают высокую мощность непрерывной волны, что делает их пригодными для высокоскоростной сварки и сварки с глубоким проникновением. Они обеспечивают хорошее качество луча и могут работать в непрерывном или импульсном режиме, в зависимости от требований. Они особенно эффективны для сварки толстых материалов.
Гибридные лазеры для сварки
Гибридная лазерная сварка — это метод сварки, сочетающий использование лазерного луча с другим сварочным процессом, обычно дуговой сваркой. Объединение дуговой сварки с металлическим электродом в активном или инертном газе с лазерной сваркой. Она предполагает одновременное воздействие лазерного луча и дуги на соединение, что приводит к синергетическому эффекту, улучшающему характеристики сварки. Увеличивается подводимая тепловая мощность, что позволяет осуществлять сварку высокопрочных сталей, невыполнимую другими методами.
Лазерный луч помогает усовершенствовать сварную фаску, уменьшая размер сварочной ванны и улучшая проплавление материала. Процесс дуговой сварки добавляет дополнительный присадочный материал и способствует лучшему перемешиванию расплавленного металла, что приводит к более однородной структуре шва и улучшению механических свойств.
Дефекты при неправильной лазерной сварке
Неправильная лазерная сварка может привести к различным дефектам в сварном соединении. Вот некоторые распространенные дефекты, которые могут возникнуть, если процесс лазерной сварки не контролируется или не выполняется должным образом:
Неполное сплавление: это происходит, когда основной материал и присадочный материал (если он используется) не полностью расплавляются и сплавляются вместе. Это приводит к слабому соединению с пониженной механической прочностью и целостностью. Недостаточное количество тепла, неправильное позиционирование фокуса или недостаточная скорость сварки могут способствовать плохому соединению.
Пористость: Пористость означает наличие небольших пустот или газовых карманов внутри сварного соединения. Она может быть вызвана захватом газов в процессе сварки, таких как воздух, влага или загрязняющие вещества. Пористость ослабляет сварной шов и снижает его устойчивость к коррозии и механическим нагрузкам. Правильная очистка заготовки, выбор защитного газа и соответствующие параметры лазера помогут минимизировать пористость.
Рис. 5. Дефекты сварных швов
Растрескивание: Это может произойти из-за чрезмерного нагрева, быстрого охлаждения или неправильной конструкции шва. Зоны термического влияния и шов особенно восприимчивы к растрескиванию. Трещины нарушают целостность сварного соединения и могут привести к разрушению конструкции. Контроль подачи тепла, оптимизация скорости охлаждения и использование подходящих конструкций швов необходимы для предотвращения образования трещин.
Недолив/подрез: Недолив или подрез относится к недостаточному проплавлению основного материала вблизи корня или боковых стенок сварного соединения. Это приводит к образованию канавки или углубления в шве, снижая его прочность и влияя на общую структурную целостность. Такие факторы, как неправильное выравнивание лазерного луча, неправильная мощность лазера или чрезмерная скорость сварки, могут способствовать возникновению данных дефектов.
Сварка тонкостенных изделий лазером
Лазерная сварка тонкостенных изделий имеет ряд уникальных особенностей, обусловленных характеристиками материалов и самого процесса сварки. Вот некоторые ключевые аспекты, которые необходимо учитывать:
Контроль подачи тепла: Тонкостенные изделия чувствительны к чрезмерному воздействию тепла, которое может вызвать деформацию, коробление или прожог. Лазерная сварка позволяет точно контролировать подводимое тепло благодаря концентрированному и локализованному характеру лазерного луча. Такой контроль помогает минимизировать риск перегрева и сохранить структурную целостность тонкостенного материала.
Проникновение в сварной шов: При сварке тонкостенного материала очень важно обеспечить надлежащий провар. Поскольку толщина материала ограничена, важно обеспечить полное проникновение лазерного луча в шов, избегая при этом чрезмерного энергопотребления. Параметры сварки, такие как мощность лазера, скорость и позиционирование фокальной точки, должны быть оптимизированы для достижения достаточного провара без ущерба для материала.
Динамика сварочной ванны: Быстрые циклы нагрева и охлаждения, связанные с лазерной сваркой тонкостенных изделий, требуют точного контроля над динамикой сварочной ванны. Надлежащий контроль гарантирует, что расплавленная ванна не будет чрезмерно растекаться или становиться нестабильной, что приведет к плохому качеству соединения.
