Сварка металла с использованием лазерной установки: Виды и Плюсы

Алюминиевые и магниевые сплавы

Лазерная сварка металлов и сплавов таких, как алюминий и магний, предполагает учет важных нюансов. Сопряжены они со спецификой самих металлов, проявляемой при взаимодействии с газами окружающей среды. Определенную роль играет испарение легирующих элементов, возникновение на поверхности панны оксидной пленки.

Лазерный луч, будучи концентрированным источником энергии, отлично справляется с описанными трудностями, следовательно, лазерное оборудование является отличным вариантом.

Алюминиевые и магниевые поверхности при сварке лазером подлежат тщательной подготовке, включающей в себя механическую отработку, обязательное травление с осветлением впоследствии, промывку горячей водой и зачистку при помощи шабера непосредственно перед соединением.

Лазерная сварка в рассматриваемом случае производится в среде защитных газов. Общая рекомендация – это применение гелия в целях защиты сварочной ванны (ее верхней части). Для корневой же части шва допускается использование аргона.

Детали соединенные лазером

Лазерная обработка алюминиевых сплавов предполагает учет еще одной специфической особенности: металл расплавляется исключительно при определенных показателях уровня и плотности мощности.

Что касается технологии соединения магниевых сплавов, то здесь лазерная обработка гарантирует возможность проведения сварочных работ без подкладок.

Технология

Физические характеристики

Лазерная сварка металлов отличается от других видов сварочных технологий высокой плотностью энергии в пятне нагрева — до 1 МВт на кв.см. Это обеспечивает высокую скорость разогрева и охлаждения зоны сварного шва, что значительно уменьшает тепловое воздействие на околошовную зону. Поэтому сварочный процесс не вызывает структурных изменений материала, приводящих к разупрочнению, деформации и образованию трещин.

Размер пятна фокусировки промышленной установки может изменяться в пределах от 0,2 до 13 мм. Глубина проплавления материала прямо пропорциональна энергии излучения лазера, но также зависит от расположения фокальной плоскости луча. Во время сварочной операции зона расплавленного материала перемешается по заданной траектории вместе лазерным лучом, создавая по линии движения сварной шов. Он получается узким и глубоким, поэтому по своей форме принципиально отличается от сварных швов других сварочных технологий.

Виды и режимы лазерной сварки

Технология лазерной сварки включает два вида сварочного соединения: точечное и шовное. При этом промышленные установки могут генерировать два типа лазерного излучения: непрерывное и импульсное. При точечном соединении обычно применяют только импульсное излучение, а при шовном — как непрерывное, так и импульсное. Во втором случае сварной шов образуется путем перекрытия зон импульсного нагрева, поэтому скорость сварки зависит от частоты импульсов. Точечную сварку обычно применяют для соединения тонких металлических деталей, а шовную – для формирования глубоких сварных швов.

Гибридная лазерная сварка относится к сварочным технологиям, при проведении которых применяют присадочные материалы. В этом случае сварочное оборудование дополняется механизмами подачи проволоки, ленты или порошка. Присадочные материалы подаются в зону плавления синхронно с движением сварочной головки, а их толщина соответствует ширине сварного шва и диаметру пятна.

Технологические особенности

Скорость перемещения и энергетические режимы сварочного процесса зависят от ширины сварного шва, а также от вида и толщины свариваемых материалов. Например, стальные листы толщиной 20 мм свариваются газовым лазером со скоростью несколько сот метров в час. Этот показатель на порядок выше предельных характеристик электродуговой сварки.

Лазерная технология особенно эффективна при работе с легированными сталями, чугуном, титаном, медью, медными сплавами, термопластами, стеклом и керамикой. Высокая плотность энергии в пятне нагрева разрушает поверхностные окисные пленки, препятствуя образованию новых окислов. Это позволяет сваривать лазерным лучом титан, алюминий и нержавеющую сталь, не применяя флюсы или защитной среды инертных газов.

Особенностью сварки лазером тонкостенных металлов является очень высокая плотность энергии в сварочной ванне объемом в доли кубического миллиметра. Поэтому сваривание листовых материалов толщиной 0.05-1.0 мм ведется с расфокусировкой лазерного луча. Такой режим снижает КПД сварочного процесса, но при этом исключает сквозное прожигание заготовки.

Нюансы для разных материалов

Технологии сварки некоторых металлов имеют особенности.

Стальные листы

Перед соединением заготовок из этого материала поверхности очищают от коррозии и окалины. После этого детали тщательно просушивают. Расстояние между краями листов должно быть минимальным — не более 7% ширины сварочной ванны. Лучший вариант — использование стыкового способа сварки. При применении замковых и нахлесточных методов повышается вероятность деформации шва. Сварка ведется в среде аргона, смешанного с углекислым газом в соотношении 3:1.

Алюминий и магний

Формирование сварного соединения осложняется высокой активностью металлов. Края деталей быстро покрываются оксидным налетом, имеющим высокую температуру плавления. Использование концентрированного лазерного луча устраняет эту проблему. Подготовку выполняют, как при электродуговой сварке.

Сплавы из титана

Металл и содержащие его материалы при нагреве становятся чрезмерно активными. Сварочный шов нередко покрывается холодными трещинами. Перед началом сварки кромки обрабатывают механическим способом, протравливают химическими реагентами, повторно очищают. В качестве защитной среды используют чистый гелий. Процесс кристаллизации шва протекает в аргоне.

Стекло

Технология подразумевает применение стандартных газовых смесей. Дополнительно в рабочую зону подают гелий, обладающий плазмоподавляющими свойствами. Газ характеризуется меньшей, чем у аргона, плотностью. Поэтому он не изменяет параметры лазерного луча. Некоторые сварщики используют комбинированные газовые смеси, обладающие защитными и плазмоподавляющими свойствами.

Пластиковые элементы

Температура плавления полимеров низкая, поэтому при работе с такими материалами важна регулировка мощности излучения. В остальном процесс не отличается от сварки стеклянных элементов.

Технология газовой сварки

Основными
параметрами режима газовой сварки
являются мощность пламени, угол наклона
горелки и диаметр присадочного прутка.
Мощность пламени зависит от толщины
металла и его теплофизических свойств.
Чем больше толщина металла и выше
температура плавления и теплопроводность,
тем больше должна быть мощность пламени.
Мощность пламени устанавливается
расходом горючего газа и кислорода. При
сварке стали и чугуна расход ацетилена
V_a связан
с толщиной δ следующим соотношением:

V_a =
(100–150)δ л/ч

При
сварке меди, вследствие ее более высокой
теплопроводности:

V_a =
(150–200)δ л/ч

Угол
наклона мундштука горелки по отношению
к плоскости изделия также зависит от
толщины и теплофизических свойств
металла. С изменением толщины стали от
1 до 15 мм угол наклона мундштука изменяется
в пределах 10–80°.

Таблица.
Изменение угла наклона мундштука при
газовой сварке в зависимости от толщины
стали

δ, мм	до 1	1-3	3-5	5-7	7-10	10-12	12-15	> 15
α, °	10	20	30	40	50	60	70	80

В
начальный момент сварки для лучшего
прогрева металла и быстрого образования
сварочной ванны угол наклона устанавливают
наибольшим (80-90°). Затем он уменьшается.

Диаметр
присадочного прутка выбирают в зависимости
от толщины металла, пользуясь соотношением:

d
= δ/2 ÷ δ/2 + 1 мм

В
зависимости от техники выполнения
сварки различают правый и левый способы.

Рисунок.
Правый (А) и левый (Б) способы газовой
сварки

При
правом способе газовой сварки пламя
сварочной горелки направлено на шов, и
процесс сварки ведется слева направо.
Горелка перемещается впереди присадочного
прутка.

При
левом способе газовой сварки пламя
направлено от шва и процесс сварки
ведется справа налево. Горелка перемещается
за присадочным прутком.

При
правом способе газовой сварки
обеспечивается лучшая защита сварочной
ванны, ниже расход газов, меньшая скорость
охлаждения шва. При левом способе лучше
формирование шва, так как сварщик хорошо
видит процесс сварки. При толщине металла
до 3 мм более производителен левый
способ, при больших толщинах – правый.

Типы лазеров

При сваривании металлов применяют лазеры двух типов:

• твердотельные;
• газовые.

Тот или иной тип лазера подбирается в зависимости от цели использования оборудования.

Твердотельный

В данном случае активным телом выступает рубиновый стержень со стеклом и примесью неодима или же алюмо-иттриевого граната, который легирован неодимом или иттербием. Стержень располагается в осветительной камере. Чтобы возбудить атомы активного тела, применяют лампу накачки, которая создает мощные световые вспышки.

На торцах активного тела находятся два зеркала:

• частично прозрачное;
• отражающее.

Лазерный луч будет выходить сквозь частично прозрачное зеркало, заранее оно многократно отражается в рубиновом стержне и усиливается. Твердотельные лазеры не слишком мощны, их мощность составляет от 1 до 6 кВт.

С помощью данных лазеров свариваются только мелкие и не толстые детали, чаще всего — это объекты микроэлектроники, например, тонкие проволочные выводы с диаметром 0,01−0,1 мм на основе нихрома, золота или тантала. Допускается и точечная сварка изделий на основе фольги с диаметром точки порядка 0,5−0,9 мм. Таким же способом выполняется герметичный катодный шов на кинескопах современных телевизоров.

Катод — это трубка с длиной в 2 мм, диаметром 1,8 мм и толщиной стенки 0,04 мм. К такой трубке приваривают дно толщиной в 0,12 мм на основе хромоникелевого сплава. Такие мелкие изделия варят благодаря высокой степени фокусировки луча, а также точной дозировке энергии посредством регулирования длительности импульса в определенных рамках.

Газовый

Газовые лазеры — более мощные, активным телом в них выступает газовая смесь. Газ прокачивается из баллонов с помощью насоса посредством газоразрядной трубы. Энергетическое возбуждение газа происходит за счет электрического разряда между электродами. По торцам газоразрядной трубы находятся зеркала. Электроды подключают к источнику питания, а сам лазер охлаждается с помощью водяной системы.

Основной минус оборудования с продольной прокачкой газа — это его габариты. А вот лазеры с поперечной прокачкой газа более компактные. Общая мощность может составлять от 20 кВт и больше, благодаря чему можно соединять металлы с толщиной до 20 мм на большой скорости — порядка 60 м/ч.

Самые мощные конструкции — газодинамические. В них для работы применяют газы, которые нагреваются до температуры от 1000 до 3000 К. Газ в них быстро истекает через сопло Лавля, в итоге происходит адиабатическое расширение, а затем газ охлаждается в зоне резонатора. При охлаждении возбужденные молекулы переходят на более низкий энергетический уровень, при этом испускается когерентное излучение. Накачка может происходить с применением другого лазера или прочих мощных энергетических источников. Мощные конструкции позволяют сваривать на скорости около 200 м/ч стали толщиной в 35 мм.

Сварка с помощью лазера осуществляется в атмосферных условиях, вакуум создавать не нужно, нужно при этом защищать от воздуха расплавленный металл. Обычно используются газы, например, аргон. Процесс характеризуется тем, что из-за высокой тепловой мощности луча на поверхности свариваемого изделия металл интенсивно испаряется. Пары ионизируются, вследствие чего луч рассеивается и экранизируется.

Поэтому в условиях применения высокомощного оборудования в зону сварки, кроме защитного газа, также подают и плазмоподавляющий газ. Им обычно выступает гелий, который намного легче аргона и не будет рассеивать луч. Чтобы упростить процесс нужно, использовать специальные газовые смеси, обладающие плазмоподавляющей и защитной функцией. В таком случае горелка должна подавать газ так, чтобы он мог сдувать ионизированный пар.

Во время работы луч медленно углубляется в деталь и оттесняет жидкий металл сварочной ванны на заднюю стенку кратера. Это обеспечивает «кинжальное» проплавление при условии большой глубины и малой ширине шва.

Большая концентрация энергии в луче позволяет достичь высокой скорости работы, а также обеспечивает хороший термический цикл и высокую прочность металла шва.

https://youtube.com/watch?v=u1GKNo9wa1w

Типы лазеров

В настоящее время в аппаратах лазерной сварки алюминия применяются два основных типа лазеров:

• твердотельный;
• газовый.

Кроме того, проводятся исследования возможности применения для сварочных работ полупроводниковых лазерных генераторов. Промышленных образцов достаточной мощности пока не разработано.

Твердотельный

Установки с твердым активным телом развивают меньшую мощность по сравнению с газовыми и работают обычно в импульсном режиме. Принцип их работы следующий:

• Цилиндрическое активное тело, изготовленное из смеси окиси алюминия и ионизированного хрома , располагается внутри камеры. Торцы стержня отполированы и являются зеркалами. Одно из них полупроницаемое- свет может проходить через него при достижении определенной интенсивности пучка.
• Рядом с активным телом находится лампа накачки, периодически облучающая стержень импульсами света.
• Ионы хрома, входящие в состав стержня, переходят в активное состояние и переизлучает свет в продольном направлении.
• Импульсы светы, попеременно отражаясь от торцевых зеркал, увеличивают свою интенсивность, поскольку накачка продолжается.
• Когда интенсивность превышает определенный порог, световой импульс проходит через полупроницаемое зеркало и уходит в оптическую систему направления и фокусировки и через нее- в рабочую зону.

Твердотельный лазер

Длина волны таких аппаратов равна 0,69 микрона, мощность может достигать нескольких сотен ватт.

Газовый

Установки сварки алюминия лазером, использующие газообразное активное тело, конструктивно совпадают с твердотельными за исключением двух особенностей:

• Активное тело является заключенной в стеклянную колбу  смесью углекислого газа, гелия и азота.
• Излучение возбуждается электрическим разрядом в газовой среде.

Зеркала (сплошное и полупроницаемое) на торцах колбы такие же, как  в случае твердотельного лазера. Так же происходит усиление импульса и его проход в систему фокусировки.

Газовая смесь находится под давлением от 2 до 14 килопаскалей, в результате электрического разряда возбуждается световое излучение с длиной волны около десяти микрон.

Газовый лазер

Коэффициент полезного действия газовых установок доходит до 15%, мощность — до десятков киловатт.

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.

1 Лазерная сварка – суть процесса и его достоинства

При выполнении операции соединения материалов лазерным лучом используются разные по виду лазерные агрегаты:

• газовые;
• твердотельные;
• полупроводниковые.

Непосредственно процесс базируется на том, что при направлении энергии квантов на свариваемые изделия наблюдается поглощение ими этой самой энергии, приводящее к увеличению температуры поверхности деталей за счет образования теплоты.

Лазерная сварка позволяет выполнять соединение конструкций с весьма крупными габаритами, так как для ее выполнения не требуется вакуум. Кроме того, использование луча лазера характеризуется следующими важными достоинствами:

• получение в процессе сварки по-настоящему безупречного качества соединения изделий из таких материалов, которые иными сварочными методами свариваются очень и очень плохо (популярная стыковая сварка, например, по своим качественным показателям не идет ни в какое сравнение с лазерной);
• отсутствие на обрабатываемой поверхности холодных и горячих трещин за счет того, что лазер обеспечивает большие скорости охлаждения и нагрева металла (при этом на околошовный участок оказывается несущественное тепловое влияние);
• легкая регулировка и управление лучом лазера посредством оптических зеркальных комплексов дают возможность направлять тепловое воздействие в наиболее труднодоступные области конструкции, а значит, сварка может производиться практически в любом ее месте;
• лазерный луч гарантирует стабильное образование соединительного шва, так как на его характеристики не оказывают влияния магнитные поля, как это отмечается при выполнении сварочных работ при помощи электродуги либо электронного луча.

Также стоит отметить и то, что сварка изделий с применением лазерного оборудования обеспечивает минимальный уровень деформации конструкций, уникальную прочность (технологическую) полученных соединений.

Стандартный газовый лазер, используемый в настоящее время, представляет собой достаточно простой агрегат. Выполнен он в виде трубки, в которую накачивают газ. Данная трубка ограничивается параллельными зеркалами с обеих сторон (с одной стороны устанавливают полупрозрачное зеркало, с другой – полностью непрозрачное). В описанную конструкцию вводят электроды, между ними формируются так называемые “быстрые электроны”. Они-то и возбуждают молекулы газа, которые создают кванты света, возвращаясь в свое обычное состояние. Лазерные установки газового типа способны функционировать непрерывно.

Добавим – лазерная технология может выполняться по двум схемам:

• сварка в среде защитных газов;
• сварка на воздухе.

Первая из указанных технологий позволяет осуществлять соединение самых разных металлов, которые ранее считались непригодными для сваривания (сварка нержавеющей стали, металлов тугоплавкой группы и т. д.).

Достоинства и недостатки

Точность – главная прерогатива лазерной сварки. Эти аппараты никогда не делают ошибок, при их содействии проецируете луч в нужную вам область и допустимость погрешности сводится к минимуму.

Даже при работе с крошечными элементами. В то же время соединение остается отличного качества.

Следующая функция недоступна некоторым сваркам. Луч можно навести с дальней дистанции, что весьма комфортно в малодоступных участках. Приведем пример: есть прибор, который может устранять неисправности в трубопроводах, располагаемых под водой.

Это допустимо при задействовании отражающих поверхностей. Прямой луч можно отразить в нужном вам направлении. Это дает возможность сварки в самых непредсказуемых местах.

Вершина профессионализма — сваривание нескольких деталей в одно и то же время, применяя для этой цели одну установку.

При выполнении этой цели применяют призму, рассеивающую луч и распределяющую его в нескольких направлениях. Становится возможным сокращение затрат при сварке и происходит увеличение продуктивности.

Технология лазерной сварки

Сварка сталей

Качество сварки и надёжность сварных соединений, выполняемых лазером, сильно зависят от качества сборки деталей под сварку. Требуемая точность сборки обеспечивается мех. обработкой сварных кромок на металлорежущих станках.

Поверхность свариваемых кромок необходимо очистить от загрязнений и от влаги, чтобы исключить образование дефектов в сварном шве, и в зоне термического влияния. В частности, пористости и оксидных соединений, а также образования холодных трещин при сварке из-за переизбытка водорода. При этом необходимо зачищать не только сварные кромки, но и близлежащие к ним участки на 10-15мм выше и ниже сварных кромок.

Зазор между сварными кромками и перекос должны быть сведены к минимуму. Рекомендуемая величина зазора — не более 5-7% от свариваемой толщины. Прихватки при сборке не рекомендуются, но, в случае крайней необходимости они должны выполняться лазером. Предпочтительное соединение для сварки стыковое. Нахлёсточные и замковые соединения не рекомендуются из-за повышенной чувствительности к концентраторам напряжений.

Сварку следует вести в среде аргона с углекислым газом, в соотношении 3:1, или в среде гелия с аргоном в соотношении 2:1. В некоторых случаях, при сварке низкоуглеродистых сталей допустима сварка без газовой защиты. Наиболее характерные режимы лазерной сварки сталей представлены в таблице:

Указанные в таблице режимы рекомендуются для сварки стыковых соединений, но их можно применять и для сварки угловых швов, тавровых и других видов соединений.

Сварка алюминиевых и магниевых сплавов

Сварка алюминия, магния и их сплавов усложняется тем, что это активные металлы, и они хорошо взаимодействуют с окружающей средой и испаряющимися легирующими элементами сплавов. Кроме этого, трудности представляет оксидная плёнка, которой покрыты поверхности сварных кромок. Но, эти трудности могут быть устранены использованием концентрированной подачи энергии в виде лазерного или электронного луча.

Подготовка сварных кромок происходит также тщательно, как и для дуговой сварки и она включает в себя мех. обработку с травлением, промывкой в горячей воде и зачисткой шабером непосредственно перед самим процессом сварки, чтобы на сварных участках не успели образоваться оксидные плёнки.

Сварку проводят в среде защитных газов. В качестве защитных газов применяют гелий, либо аргон. Оптимальные режимы лазерной сварки алюминиевых сплавов представлены в таблице ниже:

Сварные швы при сварке магния и его сплавов, образованные лазерным лучом, хорошо формируются и не провисают при сварке на весу. Это позволяет процесс сварки вести без применения специальных подкладок, в отличии от дуговой сварки, что значительно упрощает технологию изготовления изделий. Наиболее актуально это в случае изготовления крупногабаритных конструкций. Оптимальные режимы сварки некоторых материалов на основе магния представлены в таблице ниже:

Механические свойства сварных соединений алюминия и магния, выполненных лазерным лучом, не уступают механическим свойствам основного металла, при соблюдении технологии сварки.

Сварка титана и титановых сплавов

При сварке титана и титановых сплавов основными трудностями являются высокая активность металла при высоких температурах, склонность к росту зерна при нагреве свыше 300°C и склонность к образованию холодных трещин при сварке в случае повышения содержания водорода в металле шва и зоны термического влияния.

Подготовка кромок ведётся механической обработкой, или дробеструйной, или пескоструйной с последующим химическим травлением, осветлением и промывкой. Большое влияние на качество шва оказывает газовая защита зоны сварки и остывающей поверхности сварного шва и околошовной зоны. Для защиты в зоне воздействия лазерного луча используют гелий высокой чистоты, а для защиты остывающих участков возможно применение аргона повышенной чистоты.

Режимы сварки некоторых материалов на основе титана приведены в таблице:

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.