Лазерная сварка: техники, виды и промышленное применение

Что такое лазерная сварка?

Лазерно-лучевая сварка (LBW) — сварочная техника для соединения металлов или термопластиков с использованием лазера. Луч дает концентрированный источник тепла, позволяя делать узкие, глубокие швы и высокую скорость сварки. Основана на режиме ключевой дыры (keyhole) или проникающей сварки.

Лазерная сварка работает в двух принципиально разных режимах: проводимое ограниченное сваркивание (conduction limited) и ключевая дыра (keyhole). Режим взаимодействия луча с материалом зависит от плотности мощности по площади пучка на заготовке.

Процессы часто используются в крупносерийных применениях с автоматизацией, как в автопроме. Главное преимущество лазерной сварки — благодаря высокой плотности энергии — способность плавить зону на краях стыка, не затрагивая большую площадь детали.

Лазерная сварка — процесс плавления с высокой плотностью мощности, дающий швы с высоким соотношением глубины к ширине при относительно низком тепловом вводе по сравнению с дуговой сваркой. Кроме того, лазерную сварку можно выполнять «не в вакууме», а волоконно-оптическая подача ближнего ИК-луча твердотельных лазеров дает большую гибкость по сравнению с другими технологиями соединения.

Оборудование лазерно-лучевой машины

Основные части оборудования лазерно-лучевой сварки:

• Лазерная машина: производит луч для сварки. Основные компоненты показаны ниже.
• Источник питания: высокое напряжение для генерации лазерного луча.
• CAM (CAD/CAM): компьютерное управление производством, где лазерная машина интегрирована с компьютерами для выполнения сварки. Все контрольные действия в процессе сварки лазером выполняет CAM. Значительно ускоряет процесс.
• CAD: компьютерное проектирование. Используется для проектирования задания на сварку. Компьютеры проектируют заготовку и способ сварки.
• Защитный газ: может использоваться во время сварки для предотвращения окисления заготовки.

Как работает лазерно-лучевая сварка?

Лазерная сварка — процесс соединения металлов или термопластиков лазерным лучом для образования шва. Будучи концентрированным источником тепла, в тонких материалах лазерная сварка выполняется на высоких скоростях (метры в минуту), а в толстых — дает узкие глубокие швы между квадратными кромками.

Лазерно-лучевая сварка работает по принципу: когда электроны атома возбуждаются получением энергии, а затем возвращаются в основное состояние, они излучают фотон света.

Концентрация этого фотона увеличивается стимулированным излучением, и мы получаем высокоэнергетический фокусированный лазерный луч. Усиление света стимулированным излучением радиации названо лазером.

Сначала сварочная машина настраивается (между двумя металлическими деталями для соединения) в нужном месте. Затем высоковольтное питание подается на лазерную машину для операции.

Линза фокусирует лазер в зону, где нужна сварка. CAM управляет скоростью лазера и стола заготовки во время сварки.

Запускается вспышка лампы, излучающая фотоны. Энергия фотонов поглощается атомами рубиновых кристаллов, электроны возбуждаются на более высокие уровни. При возврате в основное состояние они излучают фотон.

Этот фотон снова стимулирует электроны атома и производит два фотона. Процесс продолжается, и мы получаем фокусированный лазерный луч для сварки множества деталей.

Виды используемых лазеров

1. Газовые лазеры: используют смеси газов как лазерную среду. Смеси азота, гелия и CO₂ используются как лазерная среда.
2. Твердотельные лазеры: используют твердые среды: синтетический рубиновый кристалл (хром в оксиде алюминия), неодим в стекле (Nd: стекло), неодим в иттрий-алюминий-гранате (Nd:YAG, наиболее распространенный).
3. Волоконные лазеры: лазерная среда — сама оптическая волокно.

Преимущества лазерно-лучевой машины

Точный контроль лазерного луча дает преимущества над TIG, MIG и точечной сваркой:

• Прочность шва: лазерный шов узкий с отличным соотношением глубина/ширина и высшей прочностью.
• Зона термического воздействия: ЗТВ ограничена, из-за быстрого охлаждения окружающий материал не отжигается.
• Металлы: лазеры успешно сваркивают углеродистую сталь, высокопрочную сталь, нержавейку, титан, алюминий, благородные металлы и диссимилярные материалы.
• Точная работа: малый, строго контролируемый луч позволяет точную микросварку миниатюрных компонентов.
• Деформация: детали имеют минимальную деформацию или усадку.
• Без контакта: нет физического контакта между материалом и лазерной головкой.
• Односторонняя сварка: лазерная сварка может заменить точечную, требующую доступа с одной стороны.
• Отходы: лазерная сварка контролируема и дает низкий объем отходов.

Недостатки лазерно-лучевой машины

• Оборудование дорогое, высокая стоимость процесса.
• Если наплавляющий материал необходим, в этом процессе ограниченное количество производится с его использованием, поэтому относительно дорого.
• Есть несколько послесварочных операций.
• Стыки должны быть точно позиционированы латерально под лучом.
• Финальная позиция стыка должна быть точно выровнена с точкой падения луча.
• Максимальная толщина стыка, свариваемая лазерным лучем, несколько ограничена.
• Материалы с высокой теплопроводностью и отражательностью (Al, Cu сплавы) могут влиять на сваркуемость лазером.
• Необходимо соответствующее плазменное контрольное устройство для обеспечения воспроизводимости шва при умеренной и высокой мощности.
• Лазеры имеют низкий КПД энергопреобразования (менее 10%).
• Можно ожидать некоторую пористость и хрупкость как следствие быстрого затвердевания в LBM.

Применение лазерно-лучевой машины

• Выделяется в автопроме. Используется там, где требуется крупносерийное производство.
• Применяется для высокоточных швов. Так как не использует электроды, итоговый шов легкий, но прочный.
• Часто используется в ювелирном производстве.
• В медицинской промышленности для соединения металлов в маломасштабных применениях.