Что такое лазерная сварка

Лазерная сварка — сварка с использованием лазера в качестве энергетического источника.

Лазерная сварка применяется для сварки одинаковых и разнородных металлов в радиоэлектронике и электронной технике.

Содержание

История [ править | править код ]

Лазерная сварка появилась после изобретения Басовым Н. Г., Прохоровым А. М., Таунсом . Х. в 60-е годы XX века лазеров, созданием мощных лазерных установок непрерывного и импульсного действия.

Достоинство лазерного излучения — высокая концентрация энергии. Лазерная сварка проводится на плотностях мощности лазерного излучения Е=10 6 — 10 7 Вт/см 2 , что позволяет сваривать разные материалы с толщинами от нескольких микрометров до десятков миллиметров.

Принцип работы [ править | править код ]

Сущность лазерного процесса сварки состоит в следующем: лазерное излучение направляется в фокусирующую систему, где фокусируется в пучок меньшего сечения и попадает на свариваемые детали, где частично отражается, частично проникает внутрь материала, где поглощается, нагревает и расплавляет металл, формируя сварной шов.

Лазерную сварку производят сквозным и частичным проплавлением в любом пространственном положении. Сварка проводится непрерывным или импульсным излучением. При сварке изделий малых толщин от 0,05 до 1,0 мм сварка проходит с расфокусировкой лазерного луча.

При импульсном лазерном излучении сварной шов образуется сварными точками, их перекрытием на 30 — 90%. Современные сварочные установки с твердотельными лазерами проводят шовную сварку со скоростью до 5 мм/с с частотой импульсов около 20 Гц. Сварку проводят с использованием присадочных материалов (проволока диаметром около 1,5 мм, лента или порошок). Присадка увеличивает сечение сварного шва.

Лазерная сварка разделяется на три вида: микросварка (толщина или глубина проплавления до 100 мкм), мини-сварка (глубина проплавления от 0,1 до 1 мм), макросварка (глубина проплавления более 1 мм).

Недостатки [ править | править код ]

  • высокая стоимость лазерных установок;
  • низкий КПД (0,01 — 2,0%).

Преимущества [ править | править код ]

  • возможность сварки высокоточных конструкций
  • сварка без правок или механической обработки
  • высока скорость сварки и производительность работ (стальной лист толщиной 20 мм электрической дугой сваривают со скоростью 15 м/ч за 5 — 8 проходов, при сварке непрерывным лазерным лучом лист сваривается со скоростью 100 м/ч за 1)
  • высокая экологическая безопасность по сравнению с традиционной сваркой

Оборудование [ править | править код ]

В состав оборудования для лазерной сварки входит лазер, системы фокусировки излучения, газовой защиты изделия, перемещения луча и изделия.

В сварке используют твердотельные и газовые лазеры. Твердотельные лазеры выполняют на основе рубина, стекла с присадкой ионов неодима, алюмоиттриевого граната (АИГ) с неодимом. Газовые лазеры — в качестве рабочего тела используют смесь СO2, N2 и Не.

Промышленность выпускает лазерные установки LRS-100-500 HTS-200-500 ЛГТ-2.01, ТЛ-5М, МУЛ-1, ЛТА4-1, ЛТА4-2. Установки позволяют проводить полуавтоматическую сварку в импульсном режиме с микропроцессорным управлением.

Литература [ править | править код ]

Николаев Г. А. Сварка в машиностроении: Справочник в 4-х т. — М.: Машиностроение, 1978 (1-4 т).

Блащук, В. Е. Металл и сварка: учебное пособие / В.Е. Блащук ; 3-е изд., перераб. и доп. — Москва : Стройиздат, 2006. — 144с.

Малащенко А. А. Лазерная сварка металлов. М.: Машиностроение, 1984, 47 с.

Григорьянц А. Г. Лазерная сварка металлов. М.: "Высшая школа", 1988. — 207 с

Что такое лазерная сварка

Общепринятые обозначения лазерной сварки

LBW – Laser Beam Welding – сварка лазерным лучом

Сущность лазерной сварки

Лазерный луч по сравнению с обычным световым лучом обладает рядом свойств – направленностью, монохроматичностью и когерентностью.

Благодаря направленности лазерного луча его энергия концентрируется на сравнительно небольшом участке. Например, направленность лазерного луча может в несколько тысяч раз превышать направленность луча прожектора.

Если обычный «белый» свет состоит из лучей с различными частотами, то лазерный луч является монохроматичным – имеет определенную частоту и длину волны. За счет этого он отлично фокусируется оптическими линзами, поскольку угол преломления луча в линзе постоянен.

Когерентность – это согласованное протекание во времени нескольких волновых процессов. Некогерентные колебания светового луча обладают различными фазами, в результате чего могут погасить друг друга. Когерентные же колебания вызывают резонанс, который усиливает мощность излучения.

Читать также:  Аккумуляторы для шуруповертов томск

Благодаря вышеперечисленным свойствам лазерный луч может быть сфокусирован на очень маленькую поверхность металла и создать на на ней плотность энергии порядка 10 8 Вт/см 2 – достаточную для плавления металла и, следовательно, сварки.

Для лазерной сварки обычно используются следующие типы лазеров:

  • твердотельные и
  • газовые – с продольной или поперечной прокачкой газа, газодинамические.

Лазерная сварка твердотельным лазером

Схема твердотельного лазера приведена на рисунке ниже. В качестве активного тела используется стержень из рубина, стекла с примесью неодима (Nd-Glass) или алюмо-иттриевого граната, легированного неодимом (Nd-YAG) либо иттербием (Yb-YAG). Он размещается в осветительной камере. Для возбуждения атомов активного тела используется лампа накачки, создающая мощные вспышки света.

Что такое лазерная сварка

Рисунок. Схема твердотельного лазера

По торцам активного тела размещены зеркала – отражающее и частично прозрачное. Луч лазера выходит через частично прозрачное зеркало, предварительно многократно отражаясь внутри рубинового стержня и таким образом усиливаясь. Мощность твердотельных лазеров относительно невелика и обычно не превышает 1–6 кВт.

Твердотельными лазерами в связи с их небольшой мощностью свариваются только мелкие детали небольшой толщины, обычно объекты микроэлектроники. Например, привариваются тончайшие выводы из проволок диаметром 0,01–0,1 мм, изготовленные из тантала, золота, нихрома. Возможна точечная сварка изделий из фольги с диаметром точки 0,5–0,9 мм. Лазерной сваркой выполняется герметичный шов катодов кинескопов современных телевизоров.

Катод представляет собой трубку длиной 2 мм, диаметром 1,8 мм, толщиной стенки 0,04 мм. К трубке приваривается донышко толщиной 0,12 мм, материал изделия – хромоникелевый сплав. Сварка таких мелких деталей возможна за счет высокой степени фокусировки луча и точной дозировки энергии путем регулировки длительности импульса в пределах 10 -2 –10 -7 с.

Сварка газовым лазером

Более мощными являются газовые лазеры, в которых в качестве активного тела используют смесь газов, обычно СО2+N2+Не. Схема газового лазера с продольной прокачкой газа приведена на рисунке ниже. Газ из баллонов прокачивается насосом через газоразрядную трубку. Для энергетического возбуждения газа используется электрический разряд между электродами. По торцам газоразрядной трубки расположены зеркала. Электроды подключены к источнику питания. Лазер охлаждается водяной системой.

Что такое лазерная сварка

Рисунок. Газовый лазер с продольной прокачкой газа

Недостатком лазеров с продольной прокачкой газа являются их большие габаритные размеры.

Более компактны лазеры с поперечной прокачкой газа (см. рисунок ниже).

Что такое лазерная сварка

Рисунок. Газовый лазер с поперечной прокачкой газа

Они позволяют достичь общей мощности 20 кВт и больше, что дает возможность сваривать металлы толщиной до 20 мм с достаточно высокой скоростью, около 60 м/ч.

Наиболее мощными являются газодинамические лазеры (на рисунке ниже). Для работы используются газы, нагретые до температуры 1000–3000 К. Газ истекает со сверхзвуковой скоростью через сопло Лаваля, в результате чего происходит его адиабатическое расширение и охлаждение в зоне резонатора. При охлаждении возбужденных молекул CO2 происходит переход их на более низкий энергетический уровень с испусканием когерентного излучения. Для накачки может использоваться другой лазер или другие мощные источники энергии. Такой лазер мощностью N = 100 кВт позволяет, например, сваривать сталь толщиной 35 мм с очень высокой скоростью, около 200 м/ч.

Что такое лазерная сварка

Рисунок. Газодинамический лазер

Схема процесса лазерной сварки приведена на рисунке ниже.

Что такое лазерная сварка

Рисунок. Схема процесса лазерной сварки

Лазерная сварка производится в атмосферных условиях, без создания вакуума, необходима защита расплавленного металла от воздуха. Обычно для защиты используются газы, в частности аргон. Особенностью процесса лазерной сварки является то, что вследствие высокой тепловой мощности луча на поверхности свариваемого изделия происходит интенсивное испарение металла. Пары ионизируются, что приводит к рассеиванию и экранированию луча лазера. В связи с этим при использовании лазеров большой мощности в зону сварки необходимо подавать, кроме защитного, так называемый плазмоподавляющий газ. В качестве плазмоподавляющего газа обычно используют гелий, который значительно легче аргона и не рассеивает луч лазера. Для упрощения процесса целесообразно применение смесей 50% Аг + 50% Не, которые выполняют плазмоподавляющую и защитную функции. В этом случае сварочная горелка должна обеспечивать подачу газа таким образом, чтобы он сдувал ионизированный пар.

Что такое лазерная сварка

Рисунок. Конструкции сопел горелок для лазерной сварки

При лазерной сварке луч постепенно углубляется в деталь, оттесняя жидкий металл сварочной ванны на заднюю стенку кратера. Это позволяет получить «кинжальное» проплавление при большой глубине и малой ширине шва.

Читать также:  Головка лазера для гравировки

Высокая концентрация энергии в лазерном луче позволяет достигать высоких скоростей сварки, обеспечивая одновременно благоприятный термический цикл и высокую технологическую прочность металла шва.

Преимущества лазерной сварки

Важнейшим преимуществом лазерной сварки твердотельными лазерами является возможность очень точной дозировки энергии, поэтому удается обеспечить получение качественных соединений при изготовлении очень мелких деталей.

Для мощных газовых лазеров преимуществом является получение большой глубины проплавления при малой ширине шва. Это позволяет уменьшить зону термического влияния, сократить сварочные деформации и напряжения.

Кроме того, лазерная сварка обладает рядом преимуществ, не присущих другим способам сварки. Лазер может быть расположен на достаточно большом удалении от места сварки, что в ряде случаев дает существенный экономический эффект. Например, известна установка для лазерной сварки при ремонте трубопроводов, проложенных по дну водоема. Внутри трубы перемещается тележка с вращающимся зеркалом. Лазер же находится у конца секции трубопровода и посылает луч внутри трубы. Это позволяет осуществлять лазерную сварку, не снимая с трубопровода балласт и не поднимая его на поверхность.

Легкость управления лазерным лучом с помощью зеркал и волоконной оптики позволяет осуществлять сварку в труднодоступных, иногда не находящихся в пределах прямой видимости местах. Возможна также лазерная сварка нескольких деталей от одного лазера расщепленным с помощью призм лучом.

Недостатки технологии

Недостатками лазерной сварки являются высокая сложность и стоимость оборудования, низкий КПД лазеров. По мере развития лазерной техники эти недостатки устраняются.

В производстве очень важным процессом является сварка. Такой аппарат, где лазер используется как энергетический источник, называется лазерная сварка, которая применяется для соединения одинаковых и разнородных металлов. Это наиболее современный способ для сварки металлических частей, который в последние годы все больше привлекает к себе внимания.

Что такое лазерная сварка

Такая сварка была создана в 60-е годы ХХ века. Плюс излучения лазера — высокое скопление энергии. Это позволяет соединить различные металлы и сплавы толщиной от микрометра до одного сантиметра.

Лазерное излучение создает сварной шов таким способом: наводится в фокусирующую систему, где преобразуется в меньший пучок, поглощает, нагревает и расплавляет свариваемые материалы. Для фокусировки энергии в сварке лазером используются направляющие зеркала.

Микросварка соединяет материал толщиной до 100 мкм, мини-сварка проплавляет на глубине от 0.1 до 1 мм, макросварка способна спаять детали толщиной более 1 мм. В зависимости от положения деталей и лазерного луча, схема спайки может быть:

  • встык;
  • внахлест;
  • угловая;
  • прочие варианты.

Как должны выглядеть правильные сварные швы.

Типы используемых лазеров

Что такое лазерная сварка

Схема гибридной лазерной сварки.

Установки для сварки лазером бывают твердотельные и газовые.

В твердотельной используется стержень из розового рубина, в котором ионы хрома нагреваются при облучении и отдают запасенную энергию.Концы рубинового основания покрывают серебром, которое имеет свойство отражать свет. Образуются полупрозрачные и прозрачные зеркала, от которых ионы хрома отбиваются и перемещаются вокруг рубинового стержня по спирали, задействуют следующие ионы и формируют беспрерывное действие. Случается энергетический взрыв, который движется через наполовину прозрачное стекло и собирается линзой в точку сварочного аппарата. Минус твердотельного лазера — работа только в беспрерывном режиме, а в импульсном очень низкий КПД (от 0.01 до 1%).

Если сравнивать газовый лазер и твердотельный, то у газового выше мощность и уровень КПД. Устройство такого лазера — круглая трубка, наполненная газом с обеих сторон, прижатая полупрозрачным и непрозрачным параллельными зеркалами. В трубке находятся электроды, между ними под воздействием разряда появляются резвые электроны, которые задействуют частицы газа. Когда они возвращаются в первоначальное состояние, образуются кванты света, которые собираются и направляются в место спайки. Огромным достоинством газовых лазеров является то, что они функционируют в обоих режимах: импульсном и беспрерывном.

Сварка сплавов большой толщины осуществляется с глубоким проплавлением, то есть формируется парогазовый канал, что весьма отличается от соединения металлов меньшей толщины. Для того чтобы при сварке не появлялись недостатки и шов был хорошего качества, подбирается необходимая мощность. Скорость 0.2-0.3 см/с обеспечивает высокую продуктивность и качественное скрепление деталей без дефектов.

Применение сварки лазером

Что такое лазерная сварка

Различие лазерной пайки и лазерной сварки.

Лазерные сварочные аппараты используются все чаще из-за качества, экологичности и скорости процесса.

Аппарат для лазерной сварки применяется:

  1. Для соединения стали. Такая сварка стали обеспечивает высокую прочность соединений, аккуратность швов, минимизацию коррозий, высокую скорость охлаждения. Перед началом сваривания конструкций необходимо подготовить кромки деталей: очистить от ржавчины окалины и удалить влагу. Подгоняют детали и части конструкции под сварку с наибольшей точностью. Как защитный газ используют чистый гелий или его смесь с аргоном.
  2. Для спайки металлических конструкций. Лазерная сварка металла осуществляется с глубоким проплавлением. Важным приемом для этого является применение присадочного материала, что обеспечивает возможность регулировать состав шва, а также снизить требования к точности сборки частей конструкции под спайку. Особенность такой сварки в том, что используется присадочная проволока в диаметре до 1 мм и правильная подача ее при помощи специальных механизмов под лазерное излучение. Если работать со скоростью 25-30 мм/с, то снижается количество деформаций, по сравнению с дуговой спайкой металлов. Основные достоинства соединения металла с глубоким проплавлением — мощное излучение, необходимая скорость сварки. Такое сильное излучение увеличивает способность проплавлять и формировать качественный шов. Обратите внимание, что лазерное излучение в диаметре должно быть от 0.5 до 1 мм. Если луч меньше указанного диаметра, это может привести к перегреву металла шва, частичному испарению его и образованию дефектов. Если же луч более 1 мм, то эффективность снижается в несколько раз, что может привести к преломлению шва.
  3. Для ремонта очков. Лазерная сварка очков — оптимальный способ починить оправы из различных металлов и сплавов. Место соединения получается крепким и однородным благодаря тому, что в сварке не используется припой. Процедура ремонта длится не более 20 минут, шов не загрязнен частицами припоя или электродов, а в месте соединения остается небольшой шов, который незаметен после шлифовки. Для ремонта очков необходимо выбрать правильное оборудование с нужной мощностью, так как маломощные лазеры не могут пропаять материалы с высокой теплопроводностью.
  4. Для ремонта ювелирных изделий. Лазерная пайка предоставляет возможность ремонта серебряных и золотых изделий максимально аккуратно, без деформации. Украшение не нагревается полностью при проведении работы, а только частично, в местах, которые необходимо соединить. Еще один плюс в том, что не нужно извлекать драгоценные камни из изделия, ведь при использовании лазерного излучения не нарушится целостность украшения.
  5. Для соединения алюминиевых, магниевых и титановых сплавов. Режимы сварки выбираются для обеспечения нужной геометрии шва, предотвращения формирования холодных трещин и создания хорошего шва.
Читать также:  Почему центровые сверла делают более качественные отверстия

Ручная лазерная сварка

Что такое лазерная сварка

Устройство лазера для сварки.

Уже существует оборудование для лазерной сварки, которое функционирует в ручном режиме. С его помощью можно производить своими руками:

  • точечную спайку;
  • ремонт ювелирных украшений;
  • уплотнение материалов только поверхностно;
  • обработку медицинского оборудования;
  • ремонт оправы очков.

Ручной сварочный аппарат может повысить продуктивность, ведь его скорость гораздо быстрее, а сварные изделия более высокого качества. Например, непрерывным лучом стальной лист толщиной 20 мм сваривается за 1 проход со скоростью 100 м/ч, а электрической дугой такой лист сваривают с быстротой в 20 м/ч за 6-8 проходов.

Не стоит забывать о том, что лазеры излучают мощный луч, который бывает видимый и невидимый. В большинстве случаев лазерный сварочный аппарат излучает невидимый луч инфракрасного света. Если не соблюдать меры предосторожности, то такой луч может попасть в глаза или на кожу.

Нужно выбирать качественное оборудование для сварки лазером, которое имеет правильную конструкцию, оснащено крышками для безопасности. Если тщательно соблюдать меры предосторожности, сварочный аппарат не будет опасным для вашего здоровья.

Плюсы и минусы лазерной сварки

Основными причинами, чтоб использовать аппарат лазерной сварки, является:

  • скорость соединения материалов;
  • соединение различных материалов без механической обработки;
  • высокая продуктивность работы;
  • чистота, сварочные швы не загрязнены частями припоя;
  • высокая прочность изделий и стойкость к коррозии;
  • отсутствие ограничений по толщине материалов;
  • возможность сваривания ювелирных украшений без потери покрытия;
  • минимальная зона нагревания;
  • возможность соединения в труднодоступных местах;
  • отсутствие выделения вредных паров.

Недостатки лазерного оборудования:

  • нужно купить дорогостоящую установку;
  • необходим персонал с высокой квалификацией;
  • присутствие вибраций;
  • необходимо использовать платформы, устойчивые к вибрации;
  • нужно защитить персонал от лазерного излучения.

Лазерная сварка может оказаться единственным процессом, который может обеспечить качественные соединения трудно свариваемых материалов и конструкций с труднодоступными швами.

Оставить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *