Андрей Смирнов
Время чтения: ~22 мин.
Просмотров: 0

Лазерная сварка металлов и ее особенности

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.

Достоинства и недостатки

Технология электронно-лучевой сварки имеет преимущества и недостатки, которые стоит предварительно рассмотреть. Но сначала стоит изучить положительные особенности данного метода:

  1. При помощи сварки можно сваривать компоненты с размером толщины от 0,2 мм.
  2. При расплавлении металла происходит перемещение ванны расплава в нижнюю зону, а стыковая область наполняется до краев, после основа кристаллизуется.
  3. Сварка имеет высокую производительность.
  4. Генерирование пучка из электронов происходит в постоянном и импульсивном режиме. При обрабатывании сплавов из магния и алюминия используется импульсивное воздействие.
  5. Благодаря тому, что во время сварочного процесса используется вакуумизация, происходит улучшение качества сварного соединения. Металлическая основа не вступает в реакцию с элементами воздуха.
  6. Сила тока луча имеет огромный потенциал, это делает оборудование более многофункциональным.

Но не стоит забывать про то, что электро-лучевая сварка имеет негативные качества:

  • технологическое оборудование, которое применяется во время сварочного процесса, имеет сложное применение. Чтобы с ним работать, необходима дополнительная подготовка;
  • наблюдается быстрое изнашивание катода. В связи с тем, что при сварке используется электрическое поле, наблюдается разогревание тугоплавкой проволоки до 2400 градусов;
  • во время генерации электронов проявляется рентгеновское излучение. По этой причине должна быть обеспечена защита для сварщиков.

Важно! При проведении сварки металлов с высокими теплопроводными свойствами наблюдается высокая вероятность образования отверстий в корне шва. Это оказывает негативное влияние на качество сварного соединения

Сферы применения

Наиболее распространены лазерные сварочные устройства в современном промышленном производстве. Инновационное оборудование используют в электронике, при создании точных приборов, в области авиации и космической сферы, на предприятиях атомной отрасли, в сфере автомобильного производства. С использованием лазерных установок изготавливают микросхемы и платы, соединяют между собой детали из пластика или металла, толщина которых находится в диапазоне нескольких микрон. Лазер даёт возможность выполнить пайку элементов, поверхность рядом с которыми не должна подвергаться нагреванию.

В сфере самолётостроения и автомобильной промышленности вес машин снижают за счёт применения облегчённых материалов: алюминия, пластика, тончайшей стали. Без использования лазерной аппаратной сварки соединить детали из таких материалов раньше не представлялось возможным.

При строительстве морских судов, а также в сфере оборонного комплекса, атомного сектора и авиакосмического моделирования происходит использование не только металлических форм, но и деталей, выполненных из титана, а также его сплавов. Осуществить сварку титана в обычных условиях довольно непросто, так как этот металл обладает чувствительностью к молекулам водорода и кислорода, которые при нагревании насыщают расплавленный при сварке металл газом и тем самым способствуют образованию в нём глубоких растрескиваний. Применение лазерной сварки, выполняемой под защитой газовой смеси гелия с аргоном, позволяет получить качественный шов даже на титановых деталях.

Аппараты для сварки с применением лазера дают возможность соединять, казалось бы, не сочетаемые между собой материалы, например, медь с алюминием. Новые технологии в сварочной сфере дали возможность соединять металлы различных текстур и свойств, а также цветные сплавы, высоколегированную сталь и чугун. Сегодня благодаря лазерным технологиям стало возможным выполнение сложных элементов запорной арматуры, узлов, шестерён и других деталей, которые раньше изготавливались с большими затратами сил, средств и времени.

Сварочные лазерные аппараты используются в медицине для изготовления расходных материалов, оправ для оптики, ортезов и протезов, искусственных суставов, скелетных штифтов и других изделий. Точность и высокая производительность лазера применяется и при изготовлении ювелирных изделий.

О том, какие особенности лазерной сварки, смотрите в следующем видео.

Технология лазерной сварки

Световой поток, генерируемый лазером, отличается монохромностью. Все волны потока, в отличие от солнечного спектра, имеют равные длины волн. Это облегчает управление потоком с помощью фокусировки линзами и отклонения призмами. В лазере возникает явление волнового резонанса, что многократно увеличивает мощность пуска.

Технология сварки лазером напоминает технологию газовой сварки. Подготовительные операции заключаются в механической обработке и химическом обезжиривании зоны соединения. Далее луч лазера направляется в начало шва, происходит нагрев металла, его плавление и образование сварочной ванны. Луч перемещается вдоль линии шва, за ним движется сварочная ванна и зона кристаллизации.

Схема лазерной сварки

После кристаллизации шов проводится зачистка шва от окалины и шлаков.

Лазерная сварка позволяет получить однородный, прочный и долговечный шов.

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.

Аппараты с элементами на основе газовой среды

Установки с газообразным активным телом потребляют более высокое напряжение, и позволяет развивать большую мощность — до десятков киловатт. Лампа накачки облучает в таких приборах не твердотельный стержень, а газовую смесь в колбе. Для смеси используют углекислый газ, азот и гелий. Она находится под давлением в несколько атмосфер. Два (или более) электрода периодически инициируют электрический разряд в газовой смеси. Импульс так же усиливается многократным отражением от торцевых зеркал. Когда интенсивность достигает порогового значения, когерентный импульс проходит через полупроницаемое зеркало и сквозь оптическую систему направляется в рабочую зону.

Схема аппарата с элементом на основе газовой среды

Газовые установки работают с длинами волны около 10 микрон. Практический коэффициент полезного действия доходит до 15%

Лазерная сварка импульсным лазером

Импульсные лазеры создают серию коротких импульсов определенной длительности и частоты следования. Импульсные лазеры могут иметь пиковую мощность, в десятки раз превышающие их среднюю мощность, – например, при средней мощности 25Вт он может выдать до 5кВт в импульсе длительностью несколько миллисекунд. Иными словами, эквивалентный эффект может быть достигнут 5кВт непрерывным лазером.

При сварке данным типом лазера сварной шов образуется серией последовательных перекрывающихся импульсов. Для достижения герметичности процент перекрытия должен составлять 80-90%.

Из-за малой длительности импульсов (измеряется в миллисекундах) и невысокой частоты их следования нагрев детали вне зоны обработки минимизирован, что делает данный тип лазера предпочтительным для решения задач, имеющих высокие требования к отсутствию термического воздействия, или при обработке тонких, тонкостенных или миниатюрных деталей.

Кроме того, при импульсном режиме возможна сварка высокоотражающих материалов таких, как алюминий и медь.

Так какой же лазер выбрать?

Непрерывная лазерная сварка подойдет, если:

  • Требуется глубокий провар
  • Свариваемые материалы чувствительны к образованию трещин (например, нержавеющие стали )
  • Требуется высокая производительность процесса
  • Нет повышенных требований к нагреву деталей

Импульсная лазерная сварка подойдет, если:

  • Требуется точечная прецизионная сварка
  • Свариваемые детали имеют малый размер, толщину, требовательны к отсутствию нагрева вне зоны сварки
  • Необходим герметичный шов
  • Требуется сваривать высокоотражающие металлы и сплавы

Что это такое?

Сварочные работы с применением лазерной установки стали весьма популярны в различных сферах промышленности и народного хозяйства. Сущность процесса заключается в том, что в качестве источника тепловой энергии для выполнения работ применяется сгенерированный искусственным способом лазерный луч. Лазерная сварка основана на направлении через систему фокусирования излучения, которое собирается в пучок наименьшего сечения и устремляется на рабочую поверхность деталей в месте их стыковки. Частично отражаясь, а частично попадая в толщу материала, луч подходит к рабочей поверхности. При этом поверхность заготовки моментально поглощает пучок лазера, и в это же время происходит плавление материала, которое и обеспечивает формирование сварочного шва.

Сварку с использованием лазера можно осуществлять в любом положении заготовок при помощи частичного или сквозного плавления материала. Согласно ГОСТ такой тип сварки осуществляется импульсным либо непрерывным вариантом излучения. Если работа ведётся с заготовками небольшой толщины – от нескольких микрон до 1 мм – то сварочный процесс выполняется с применением расфокусировки лазерного пучка. Делается это для того, чтобы не прожечь насквозь рабочую поверхность детали.

В случае, когда сварочный шов формируется импульсным излучением, пучок лазера выполняет сварные точки и перекрывает их от 30 до 90%, в зависимости от установленных на аппарате настроек. Лазерные сварочные установки способны выполнять процесс формирования шва со скоростью 5 мм за 1 секунду. Нередко сварку осуществляют, применяя для этого припой в виде проволоки, порошка или ленты, но чаще всего обходятся без него. Такая присадка в некоторых случаях позволяет увеличить плотность и толщину готового сварочного шва. В зависимости от глубины проникновения лазерного луча в толщу материала различают макросварку, где плавление происходит на глубине 1 мм, мини-сварку с глубиной проникновения до 1 мм, и микросварку, где речь идёт уже о глубине в 100 микрон.

Достоинства и недостатки

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

Преимуществами лазерной сварки являются:

  • способность к соединению любых материалов – стекла, металла, пластика, керамики, драгоценных металлов и так далее;
  • высочайшая точность при выполнении работ;
  • обеспечивается минимальная толщина сварочного шва при его максимальной прочности;
  • зона рабочей поверхности возле формирующегося шва не нагревается, поэтому детали в процессе сварки не подвергаются деформированию;
  • в процессе работы отсутствует рентгеновское излучение, не образуются вредные побочные продукты плавления материалов;
  • для выполнения работы по сварке металлов не нужно применять флюс, присадку, сварочные электроды;
  • процесс сварки можно осуществлять в любых, даже труднодоступных участках заготовки, а также на значительном удалении детали от самого лазера;
  • сварку заготовок можно выполнять даже в том случае, если они размещаются за прозрачной преградой;
  • сварочный аппарат можно быстро перепрограммировать и после окончания одного вида работ начать выполнение других задач.

Недостатки метода сварки с использованием лазера в основном связаны с финансовой составляющей и заключаются они в следующем:

  • стоимость оборудования, комплектующих деталей и запасных частей у лазерного аппарата довольно высокая;
  • коэффициент полезного действия процесса сварки напрямую зависит от отражающих характеристик материала заготовки;
  • для работы с лазерной сварочной установкой требуются специалисты с высоким уровнем образования и подготовки;
  • помещение, где работает лазерная сварочная установка, должно быть чистым (без запылённости), с нормальным уровнем влажности воздуха и не подвергаться колебаниям вибрационного характера.

За счет чего происходит сваривание лазером?

Лазерная сварка — это процесс расплавления кромок металла специальным лучом. Последний получается от источника света, в котором возбужденные атомы излучают фотоны — точные копии своих прототипов, не поглощая их. Разница энергии между уровнями этих атомов усиливает свет. Это явление называется индуцированное излучение.

Полученный узконаправленный поток преобразованного света отличается постоянной длинной волны и заданным колебанием векторов (поляризацией). Именно им возможно плавить кромки металлов. Такое свечение может подаваться в зону сварки импульсно, когда сила энергии достигает пика, или же постоянно, но с меньшей силой воздействия.

Для концентрации и направления луча используется специальная оптика, состоящая из прозрачных и полупрозрачных зеркал. Сварка может происходить за счет расплавления кромок материала, либо с добавлением присадочной проволоки. В гибридных версиях сварки присадочный материал может создавать еще и электрическую дугу, плавящую кончик проволоки, которую сфокусированный пучок энергии лазера укладывает в шов. Защищает сварочную ванну инертный газ, которым в этом случае выступает гелий и его смеси с аргоном. На видео заметны все основные элементы процесса: источник излучения, канал для подачи проволоки с боку, сопло для продувки газом.

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.

Классификация методов лазерной сварки

Способы лазерной сварки металлов можно классифицировать по трём группам. Классификация
представлена на рисунке ниже:

Классификация по энергетическим признакам

Каждый метод лазерной сварки характеризуется плотностью мощности Е, Вт/см2,
т.е. отношением мощности луча лазера к площади сфокусированного луча и продолжительностью
воздействия t. Лазерную сварку ведут, как правило, при Е=1-10МВт/см2.
Меньшая плотность мощности не рекомендуется, так как в этом случае более эффективными
и экономичными будут другие способы сварки, например, дуговая. Возможны три
основных режима с разным сочетанием мощности и продолжительности воздействия:

1. Е=0,1-10МВт/см2, t>10-2с. Этот режим обеспечивается лазерами непрерывного
действия. Данный режим используется для сварки конструкционных сталей различной
толщины.

2. Е=0,1-10МВт/см2, t<10-3с. Данный режим обеспечивают лазеры импульсно-периодического
действия. Сочетание данной мощности и длительности излучения позволяет сваривать
материалы разной толщины и с меньшими затратами энергии, чем при использовании
лазеров непрерывного действия.

3. Е=0,1-10МВт/см2, t=10-3-10-2с. Этот режим, как и предыдущий, обеспечивается
лазерами импульсно-периодического действия и применяется при сварке металла
малой толщины.

Классификация по технологическим признакам

По этому признаку сварка лазером делится на сварку с глубоким проплавлением
и сварку малых толщин.

Сварку с глубоким проплавлением, в большинстве случаев, выполняют без присадочного
материала, но, в отдельных случаях, для улучшения свариваемости
сталей и улучшения проплавления, присадочный металл подают в зону сварки.
Также сварку с глубоким проплавлением проводят в среде защитных газов, и выполняться
она может как лазерами непрерывного действия, так и импульсно-периодическими
лазерами.

Сварка малых толщин также может проводиться лазерами непрерывного действия
и импульсно-периодическими. При этом, лазерами непрерывного действия выполняется
шовная сварка, а лазерами импульсно-периодическими как шовная, так и точечная.
В большинстве случаев сварка малых толщин происходит без присадочного материала.
Металлы
малой толщины можно сваривать
без защитной среды, на эффективность проплавления
малых толщин защитные газы практически не оказывают влияния. Но, в ряде случаев,
при
сварке титана, молибдена, ниобия, циркония и других активных металлов, защитные
газы применяются для предохранения сварных швов от окисления.

Классификация по экономическим признакам

Способы лазерной сварки характеризуются своими экономическими признаками. Одним
из важных экономических показателей является скорость сварки. Этот показатель
напрямую определяет производительность сварки. При использовании лазеров непрерывного
излучения сварка производится на высоких скоростях, что позволяет увеличить
скорость сварки в 10-15 раз по сравнению с обычными видами сварки плавлением.

Сварка лазером на высоких скоростях обеспечивает минимальные остаточные
деформации по окончанию сварки, а также способствует снижению горячих
трещин и холодных
трещин при сварке различных конструкционных материалов. Но, высокая скорость
сварки не всегда достижима. К примеру, сварка импульсно-периодическими лазерами
происходит на меньших скоростях, сравнимых с обычными способами сварки плавлением.

Важным экономическим показателем сварки лазером является значительная экономия
материала вследствие малых объёмов расплавленного металла. К примеру, сварку
металла толщиной 20 мм можно выполнить за один проход без предварительной подготовки
сварных кромок и без применения присадочных материалов, а сварку металла такой
же толщины 20 мм ручной
дуговой сваркой выполняют в несколько заходов и с использованием присадочного
материала.

Высокая концентрация энергии лазерного луча обеспечивает локальность сварки
и это является третьим экономическим показателем. Условие локальности позволяет
получить сварное соединение в крайне ограниченной по размерам зоне, а также
в труднодоступных местах. Это условие локальности даёт больше возможности для
проектирования различных сварных деталей и конструкций.

Важным аспектом, связанным с локальностью лазерной сварки, являются малые остаточные
деформации после сварки. Это позволяет изготавливать сварные конструкции без
применения трудоёмких и дорогостоящих методов уменьшения или устранения
сварочных деформаций. Лазерная сварка — это прецизионный процесс и во многих
случаях он является заключительной операцией создания детали или изделия.

Сфера применения

Лазерные устройства для сварки имеют широкую сферу использования. Приборы применяют для сваривания деталей высокой точности. Лазером выполняют ремонт мелких радиоэлементов, схем, элементов кинескопов, электронный изделий.

Прибор используют для сваривания деталей из цветных металлов, пайки золотых колец и украшений. Аппараты для ювелиров отличаются своей компактностью и функционалом.

Некоторые модели нацелены на работу с чугунными и пластиковыми изделиями. Широкое распространение лазерные приборы имеют в оборонной промышленности и производстве. Сварочные станки применяют в работе с крупногабаритными деталями для соединения различных элементов и металлических поверхностей.

Современные технологии не стоят на месте, и сейчас лазерные аппараты для сварки широко распространены как на производстве, так и в быту. Лазерная сварка имеет свои определенные свойства, благодаря чему повышается скорость работы и производительность. Приведенная информация знакомит читателя с особенностями приборов, а обзор лучших моделей поможет выбрать устройство для той или иной сферы применения.

Обзор лазерного аппарата для сварки SEKIRUS SVR-500 MINI в видео ниже.

Особенности лазерной сварки металлов

Среди распространённых источников энергии, применяемых для сварки, лазерное
излучение обладает наиболее высокой степенью концентрации энергии в отдельном
небольшом участке. Лазерное излучение по концентрации превосходит другие источники
теплоты в десятки раз. Такие высокие показатели концентрации определяются уникальными
характеристиками лазерного луча, прежде всего, его монохроматичностью и когерентностью.

Электронно-лучевая сварка, также как и лазерная, тоже обеспечивает высокую
концентрацию энергии, но преимущество последней заключается в том, что для неё
не требуется специальных вакуумных камер. Лазерную сварку можно проводить как
на воздухе, так и в
среде защитных газов. Это сварка
в среде аргона, гелия, либо сварка
в среде углекислого газа СО2 и других. Этот вид сварки подходит
для соединения заготовок любых габаритов.

Благодаря когерентности и монохроматичности лазерного луча, он обладает малой
расходимостью, что позволяет достичь высокой степени фокусировки энергии большой
величины на малом участке. В результате этого, на свариваемых поверхностях происходит
локальное нагревание, обеспечивающее высокую скорость нагрева и охлаждения.
Эти параметры оказываются гораздо выше, чем при других способах дуговой сварки.

Другими особенностями лазерной сварки являются малый объём расплавленного металла
и малые размеры зоны термического влияния, а также эффективное расплавление
металла на больших скоростях сварки, порядка 20-40 мм/с, что обеспечивает высокую
производительность.

Аппараты

Оборудование представлено в виде крупногабаритных станков или мобильных устройств:

  • ЛАТ-С – станок, предназначенный для наплавки и сварки металлических изделий. Устройство показывает высокие технические характеристики, он оснащается координатными станками автоматического типа, что увеличивает скорость обработки сложных конструкций.
  • CLW120 – лазерный сварочный аппарат, который обладает ювелирной точностью. Используется для обработки черных и цветных сплавов, нержавейки и титана. Работает устройство от 220 В, поэтому подходит для бытового применения от электрического щитка.

С твердым активным элементом

Принцип работы заключается в следующих аспектах:

  • Твердый элемент в форме стержня – это источник луча, он находится в специальной камере.
  • Лампочка накачки генерирует вспышки света, которые активируют рабочее тело.

Схема твердотельного лазера

Твердотельная часть производится из рубина, этот материал показал высокие технические характеристики, безопасность и безупречную эффективность.

С элементами на основе газовой среды

Это высокопроизводительные станки, которые работают в сочетании с газовой защитой. Активной средой выступает смесь азота, кислорода, гелия, она поступает под высоким давлением, достигающим более 10 кПа. Возбуждение рабочих газов происходит за счет электрического разряда. КПД устройства не превышает 15%.

Азот и гелий передают энергию углекислому газу, что создает идеальные условия для получения разряда.

Классификация газовых лазеров

По методу охлаждения установки разделяются на две большие группы: с конвективной (интенсивной) и диффузной (замедленной) прокачкой. Последняя используется в однолучевых лазерах с малой мощностью. Конвективную целесообразно монтировать в мощные устройства.

По стороне движения газов относительно электродов зеркал резонатора и газовой камеры, конвективные лазеры разделяются на поперечную и продольную прокачку. Возбуждение смеси осуществляется разрядом высокочастотного или постоянного тока. За охлаждение резонатора и оптических элементов отвечает двухконтурная охладительная система, рабочая смесь остывает теплообменником по типу вода-газ.

Системы транспортировки и фокусировки луча

Эта система включает в себя защитные лучепроводы, зеркало и фокусирующий элемент. Зеркало предназначено для изменения траектории луча и перемещает в рабочую зону. Твердотельные лазеры малой мощности оборудованы специальными призмами и преломляющими зеркалами, которые состоят из многослойного диэлектрического покрытия. Газовые лазеры обладают зеркалами из меди, более мощные устройства используют зеркала с водяной системой охлаждения.

Фокусирующий элемент (тубус) совершает движения относительно обрабатываемой детали. В нем закрепляется линза. Твердотельные лазеры оснащены стеклянными оптическими линзами, для газовых используют призмы из селенида цинка либо хлорида калия. Воздушные шторки защищают линзы от продуктов плавления.

Фокусное расстояние для получения высокой мощности должно составлять около 100-150 мм. уменьшение этого показателя приводит к трудности с отводом вредных продуктов.

При лазерной сварке твердосплавного металла расстояние от источника энергии до рабочей зоны определяется табличным методом.

Газовая защита

Цель системы газовой защиты заключается в уменьшении вероятности окисления в области сварного шва и зоны вокруг него. Она включает в себя сопла разных конструкций. Эти элементы устраняют брызги и пары, которые появляются при сварке. Сопло выбирается в зависимости от уровня химической активности материалов, мощности, глубины плавления. В рабочую зону подается газ, наиболее подходящий по составу.

Перемещение луча и изделия

Свариваемые изделия и энергетический луч перемещаются посредством манипулятора с ЧПУ, который имеет несколько степеней свободы, этот показатель зависит от сложности процесса. Скорость движения может достигать 400 м/ч.

При обработке габаритных деталей с большой массой целесообразнее перемещать луч, а не деталь. Этот процесс реализуется посредством передвижных зеркал. Самой перспективной системой является закрепление инструмента в автоматическом манипуляторе.

Гибридные установки

Гибридная дуговая сварка отлично подходит для создания прямых сварочных швов. Главным преимуществом таких установок является полное сплавление всевозможных профилей без специальной подготовки.

Особенность метода заключается в комбинации электрической дуги с энергетическим лучом. Он используется для скрепления деталей большой толщины на повышенной скорости в режиме автомат и низком теплообмене. Качество швов получается на высоком уровне.

Физико-технические основы лазерной сварки металлов

Лазерная сварка относится к термическому классу процессов сварки, для которых получение неразъемного соединения достигается местным расплавлением материалов, с последующей кристаллизацией расплава. При затвердевании расплава между атомами материалов устанавливаются прочные химические связи, соответствующие природе соединяемых материалов и типу их кристаллической решетки.

Источником тепловой энергии для активации поверхности соединяемых твердых материалов при сварке лазером служит энергия излучения, поглощаемая материалами в зоне воздействия лазерного пучка.

В настоящее время лазерную сварку, применяемую в приборо- и машиностроении, можно условно разделить на три вида: микросварка (соединение элементов с толщиной или глубиной проплавления менее 100 мкм), мини-сварка (глубина проплавления 0,1 —1 мм) и макросварка (глубина проплавления более 1 мм).
Для первых двух видов сварки, получивших наибольшее распространение в промышленности, используют преимущественно импульсные лазеры с чрезвычайно удачным сочетанием свойств излучения, небходимых для осуществления локальной сварки.

Для получения литой зоны с заданными размерами требуется определенная энергия. Чем выше плотность мощности пучка в зоне нагрева, тем меньше необходимо времени для ввода этой энергии и расплавления требуемого объема металла, и тем меньше размеры зоны термического влияния (ЗТВ). Сочетание коротких импульсов излучения с высокой концентрацией энергии в малом пятне облучения — большие преимущества лазерной импульсной сварки, особенно при соединении легко деформируемых деталей. Для обеспечения технической чистоты импульсную сварку чаще всего осуществляют без значительного перегрева материала, т. е. исключая его интенсивное испарение. В этом случае передача теплоты в глубь свариваемых деталей происходит в основном за счет теплопроводности (теплопроводностный режим сварки).

В связи с промышленным выпуском непрерывных лазеров в последнее время получает развитие л лазерная макросварка. Механизм формирования сварного шва при воздействии мощного непрерывного излучения (сотни — тысячи ватт) во многом подобен механизму формирования при электронно-лучевой сварке и характеризуется в основном газодинамическими явлениями в зоне расплава. При сварке излучением мощного (до 4 кВт) СО2-лазера в головной части ванны образуется глубокий парогазовый канал, что позволяет сварить различные материалы большой толщины с узкой зоной проплавления. Образование парогазового канала обусловливает высокую эффективность использования лазерного пучка, который многократно поглощается на стенках канала вследствие многочисленных переотражений. При сварке в режиме глубокого проплавления в шве часто образуются несплошности, которые могут быть уменьшены расфокусировкой (расположением фокальной плоскости над поверхностью материала).

Процесс сварки излучением непрерывных и импульсно-периодических лазеров мощностью до 1 кВт не связан с интенсивным испарением материала из сварочной ванны и во многом подобен теплопроводностному режиму сварки. Глубина проплавлення при этом несколько превышает глубину проплавления при сварке импульсными твердотельными лазерами и составляет 0,5 — 1,5 мм.

Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Степан Волков
Наш эксперт
Написано статей
141
Ссылка на основную публикацию
Похожие публикации