Системы лазерной сварки. Что такое лазерная сварка?

Точечная сварка с использованием твердотельного лазера осуществляется благодаря твердотельному лазерному оборудованию. Эта технология особенно актуальна для изделий с листовой структурой, где размер лазерного пятна варьируется от 0,5 до 0,9 мм. Она широко применяется для создания катодного тиснения на современных кинескопах в телевизорах, где требуется высокая точность.

Лазерная сварка. Часть Первая. Плюсы и минусы

На протяжении длительного времени считалось, что опытный сварщик всегда найдет работу и будет обеспечен. Эта ситуация частично обусловлена заметным дефицитом квалифицированных специалистов в технических профессиях, что относится не только к сварке, но и к другим ремеслам, таким как изготовление, ремонт и сантехнические услуги. Процесс сварки воспринимается как сложный и технический (что на самом деле так), и требует не только теоретических знаний, но также практического опыта.

Технический прогресс не стоит на месте, и спрос на услуги сварки также изменяется. Однако в последние годы наблюдается бурное развитие лазерной сварки — процесса, при котором осуществляется соединение металлических деталей с использованием лазерного излучения. Сегодня лазерная сварка используется на многих производственных объектах, где требуется высокая точность и аккуратность работы. Но давайте не углубляться в детали, а рассмотрим этот процесс по порядку.

Зачем нужна сварка лазером?

Лазерная сварка стала более распространенной альтернативой традиционным методам сварки металлов. Более того, в настоящее время она активно используется в различных областях. Хотя лазерная сварка предлагает ряд преимуществ, таких как простота, доступность и высокая точность, она все же требует специфического, высокотехнологичного оборудования, что может быть дорогим. В то же время существует и множество специалистов, которые остаются верными проверенным традиционным методам сварки, используя электроды и другие подходы — это вполне оправданно.

Лазерная сварка обрела популярность благодаря своей способности обеспечивать неразъемные соединения, которые отличаются высокой точностью и минимальными размерами шва. Как уже упоминалось, материал расплавляется с помощью лазерного излучения от специализированного источника, которое обладает свойством монохроматичности, что означает, что все длины волн данного лазерного луча идентичны. Используя зеркала и призмы, лазерный луч фокусируется и управляется таким образом, чтобы создать резонанс волн, что ведет к значительному увеличению его мощности. Затем этот мощный луч нагревает и расплавляет металл на границе соединяемых деталей, создавая прочное соединение, при этом нет необходимости использовать расходные материалы. Разумеется, лазерная сварка также требует соблюдения мер безопасности. Сравнивая различные инструменты для резки, такие как лазерные резаки и циркулярные пилы, можно сказать, что хотя оба выполняют резку, они не могут считаться равнозначными с точки зрения безопасности и производительности.

Технологические свойства лазерной сварки

В предыдущем разделе мы вкратце описали принцип лазерной сварки, однако для более глубокого понимания вам следует ознакомиться с тремя ключевыми физическими свойствами данной технологии. Первым из таких свойств является монохроматичность. Мы уже упоминали данный термин — в упрощенной версии можно сказать, что монохроматическое излучение демонстрирует минимальную частотную вариацию и, в идеале, состоит лишь из одной частоты световой волны. Вторым важным свойством является когерентность: в рамках физики это явление подразумевает однородность колебаний в различных областях лазерного луча, что предопределяет их когерентность и единую постоянную разницу фаз. Наконец, третьим свойством является высокое направление луча. Это свойство противодействует рассеиванию луча при передвижении от лазерного источника к объекту, подлежащему сварке.

Эти три свойства не только обосновывают принцип лазерной сварки, но и делают её доступной для использования в домашних условиях. На выходе получается синхронизированный лазерный луч, который действует по волновому принципу в конкретной зоне, что гарантирует чрезвычайно точное и равномерное плавление, а также последующее охлаждение материала в зоне сварки.

Это интересно! Основным преимуществом лазерной сварки является то, что она создает высокоплотные соединения на атомарном уровне. При этом обычные недостатки, такие как пористость и увеличение ширины шва, полностью отсутствуют.

Принцип работы лазерной сварки

Лазерная сварка — это процесс, в котором детали соединяются с использованием лазерного излучения. Часть лазерного луча отражается от поверхности, тогда как другая часть проникает в материал, нагревая и плавя его, формируя тем самым прочный сварной шов. Луч, создаваемый лазерным генератором на квантовой основе, проходит через систему фокусировки машины, где он перепрофилируется в узкий луч с меньшим поперечным сечением. Лазерный луч демонстрирует значительно большую концентрацию энергии по сравнению с другими источниками тепла — примерно в десять раз (около 10^6 Вт/см²), позволяя сваривать материалы толщиной от нескольких микрометров до нескольких сантиметров.

Данная технология применяется для таких материалов, как титан, титановые, алюминиевые, магниевые сплавы, а также для различных типов стали. Лазерный луч отличается своей точной настройкой, что выделяет его среди обычного светового потока. Это можно объяснить тем, что он является монохроматичным и целостным. Лазер аккумулирует всю необходимую тепловую энергию для соединения деталей непосредственно в точке с малым диаметром. Такие свойства лазерной сварки обеспечивают возможность создавать практически невидимые сварные швы.

Процесс сварки не требует создания вакуумной среды и может происходить в атмосфере. Часто рабочая зона охраняется с помощью аргона, который, взаимодействуя с металлом под воздействием лазера, не только плавит его, но и может привести к его испарению. Это может привести к возникновению плазменного облака, которое экранирует и деформирует лазерный луч, что в свою очередь влияет на точность и качество сварного шва. Для разрешения данной проблемы может быть использован гелий, подаваемый в рабочую зону, который препятствует образованию плазмы и испарению металла. В результате лазерной сварки получается ровный, тонкий шов, а вся операция может выполняться как с частичным, так и с полным проникновением.

Заправка туристических газовых баллонов в домашних условиях: легко и просто. Как заправить газовую горелку?

Виды и режимы лазерной сварки

Твердотельная.
Газовая.
Гибридная.

Твердотельная

В твердотельных лазерах активный элемент изготавливается из специальных материалов, как стекло или алюмоиттриевый гранат, к которым добавляют неодим или рубин. Эти лазеры активируются при помощи светового потока, излучаемого мощными криптоновыми лампами. Их можно использовать как в непрерывном, так и в импульсном режимах. В наши дни особенно популярны волоконные лазеры, которые обладают высокой мощностью и простотой в эксплуатации.

Газовая

Газовая лазерная сварка использует смеси различных газов, таких как азот, гелий и углекислый газ. Эти газовые смеси впрыскиваются в рабочую зону под давлением от 2,6 до 13 кПа. Активные вещества активируются электрическим разрядом. Смесь гелия с азотом создает оптимальные условия для передачи энергии частицам углекислого газа и поддерживает стабильное горение разряда.

Гибридная

Гибридная сварка объединяет технологии дуговой сварки — процесс сварки металлическим электродом в активной или инертной газовой среде — и лазерную сварку. Это улучшает подачу тепловой энергии, что дает возможность сваривать высокопрочные стали, которые невозможно соединить другими способами.

Преимущества и недостатки технологии

Как и любая другая технология, лазерная сварка имеет свои сильные и слабые стороны.

К основным преимуществам лазерной сварки можно отнести:

Дозирование энергии: Возможность точной настройки потока энергии, подаваемого в рабочую зону, и широкий диапазон регулировки дают возможность получать качественные сварные соединения для деталей различной толщины и конфигурации.
Большая глубина оплавления: При минимальном горизонтальном распространении термического повреждения, что делает эту технологию особенной при работе с мелкими деталями, например, в радиотехнике.
Доступность труднодоступных мест: Возможность использования лазера для выполнения сварочных работ в труднодоступных зонах благодаря применению системы зеркал, что позволяет управлять направлением лазерного луча. Это особенно актуально для работ на подземных или подводных коммуникациях, где управление выполняется дистанционно.
Высокая точность и качество: Минимальные отклонения от допустимых параметров при соединении как мелких, так и крупных деталей. Сварка осуществляется без необходимости корректировок и не требует окончательной механической обработки, что минимизирует термические деформации и коробления в материале.
Скорость и эффективность: Сварка стального листа толщиной 20 мм может производиться со скоростью 100 м/ч за одно обращение. В отличие от этого, аналогичный шов с использованием электрической дуговой сварки требует около 15 м/ч за 5-8 проходов.
Экологическая чистота процесса: В ходе сварки не выделяются опасные вещества, угрожающие здоровью человека и окружающей среде.

К недостаткам лазерной сварки можно отнести:

Высокая стоимость оборудования: Значительные инвестиции, связанные с закупкой оборудования и компонент, могут сделать эту технологию менее доступной для небольших мастерских или индивидуальных специалистов.
Низкая эффективность: Часто у лазерных установок НДК складываются проблемы с соотношением затрат к качеству.
Квалификация персонала: Требуется высококвалифицированный специалист для работы на лазерных установках.
Необходимость строгих условий: Помещения где размещается лазерное оборудование, должны соответствовать определённым стандартам, включая уровень запыленности, влажности и вибрации, что ограничивает возможность его использования в некоторых условиях.

Технология лазерной сварки

Процесс лазерной сварки основан на следующих характеристики:

Когерентность: Этот показатель связан с взаимосвязью фаз теплового поля луча лазера в различных зонах;
Монохроматичность: Данная характеристика определяется узкой шириной спектральных линий, которые излучает источник;
Направленность: Процесс сварки не сопровождается рассеиванием луча при движении к свариваемым изделиям.

Эти важные свойства увеличивают энергетическую мощность лазерного луча и позволяют осуществлять точное и дозированное плавление и испарение материалов в зоне сварки. Источник лазера может находиться на значительном расстоянии от свариваемой зоны, а вакуумная камера для лазерной сварки не требуется.

Как же работает лазерная сварка? При соединении изделий с использованием лазерного луча происходят следующие процессы:

Элементы, которые готовятся к соединению, плотно сопрягаются вдоль линии будущего соединения.
Затем на область стыка наводится лазерный луч.
Генератор активируется. В этот момент начинается равномерное разогревание, плавление и испарение частиц на краях.
Обратите внимание, что благодаря малым размерам сечения лазерного луча, расплавленный металл заполняет все микронеровности и дефекты деталей в зоне, охватываемой лазерным лучом.

Важно! В отличие от других технологий сварки, при лазерной сварке отсутствуют пористость и другие дефекты.

Некоторые особенности, о которых стоит упомянуть: при высокоскоростном движении лазерного луча над соединяемыми поверхностями не происходит окисления металла. Также, можно выполнять как сплошные, так и прерывистые сварные швы: сплошные швы используют для сварки труб из нержавеющей стали, где важна герметичность, а прерывистые — для работы с небольшими конструкциями, имеющими поверхностные дефекты.

Преимущества и недостатки

Преимущества лазерной сварки сделали эту технологию популярной и востребованной, однако существуют также и недостатки, которые нужно учитывать заранее.

Основные преимущества сварки включают:

Применимость для разнообразных материалов: Лазерная сварка может осуществляться с различными материалами, включая металлы, магнитные сплавы, термопласты, стекло и керамику.
Высокая точность и стабильность: Процесс лазерной сварки обеспечивает отличную стабильность траектории лазерного луча, что способствует качественному соединению.
Незаметный размер шва: Минимальный размер сварного соединения делает его практически незаметным.
Отсутствие нагрева околошовной области: В результате избегается минимальная деформация материалов.
Отсутствие вредных излучений: Во время работы нет образования продуктов сгорания или рентгеновского излучения.
Высокая химическая чистота процесса: Во время сварки не используются присадки, флюсы или электроды, что делает процесс более экологичным.
Возможность работы в труднодоступных местах: Лазерная сварка может использоваться на большом расстоянии от самой лапы.
Скорость перенастройки: Предоставляется возможность быстрой адаптации процесса при переходе на новое изделие.
Высокий уровень качества швов: Сварные соединения после процедуры обладают высоким качеством и прочностью.

Тем не менее, несмотря на преимущества, необходимо принимать во внимание следующие недостатки:

Высокая стоимость оборудования: Инструменты и комплектующие для лазерной сварки часто оказываются дорогими. Это является одной из причин, по которой данная технология более характерна для крупных производств и фабрик. Некоторые умельцы пытаются создать лазерные аппараты своими руками, но подобный проект требует определенных знаний и наличия чертежей и инструкций;
Зависимость от квалификации специалистов: Для работы с лазерным оборудованием необходимы высококвалифицированные кадры;
Строгие требования к помещению: Необходимы специальные условия для размещения лазерного оборудования, включая показания вибрации, запыленности и влажности;
Низкий КПД: При лазерно-дуговой сварке достигается эффективность до 1% для твердых сплавов и около 10% для газовых;
Зависимость от отражающей способности заготовки: Эффективность сварки может изменяться в зависимости от рефлективных характеристик обрабатываемого материала.

Разница между шлифовкой и полировкой. Чем отличается шлифовка от полировки.

Условия и способы лазерной сварки

При выполнении лазерной сварки нержавеющей стали и других сплавов следует обратить внимание на определенные технические характеристики. Для достижения максимальной мощности лазера требуются точные настройки фокусировки. Интенсивный лазерный луч попадает в рабочую зону через центральную часть переднего зеркала и через систему направляющих призм.

Лазерная сварка может быть выполнена на различных участках свариваемых элементов. Глубина проникновения в металлическую структуру может варьироваться от поверхностного слоя до полного проникающего шва. Рабочий процесс может осуществляться как с помощью непрерывного луча, так и импульсного сваривания.

Важно! Импульсная лазерная сварка является эффективным решением для соединения тонколистовых деталей. Она также подходит для сварки сложных профилей и более толстых элементов.

Следует отметить, что лазерная сварка алюминия, меди, нержавеющей стали и других металлов может выполняться различными методами:

Стыковой метод. Этот метод не требует дополнительного применения присадок или флюсов. Стыки между металлическими изделиями могут составлять до 0,2 мм, что является предельно допустимым для фокусировки лазерного луча. Сварка осуществляется путем “кинжального” проплавления металлических поверхностей на всю толщину, с интенсивностью лазерного излучения до 1 мВт/см². Обязательно требуется защита шва от окисления, что можно сделать с помощью аргону или азота. Гелий может использоваться для предотвращения пробоя лазерного излучения.
Нахлесточный метод. Этот метод применяется для накладывания наверх друг на друга, где сварка происходит с помощью мощного излучения. При этом металлические листы требуют локального прижатия, а предельный зазор между их поверхностями также не должен превышать 0,2 мм.

Как работает лазерная сварка

Процесс стабилизации компонентов с использованием лазерного луча проводится следующим образом:

Подготовленные к соединению изделия плотно фиксируются друг к другу по линии предполагаемого шва;
На место соединения направляется лазерный луч;
Генератор активируется, в результате чего начинается равномерный разогрев, плавление и испарение металлических частиц на кромках;

Лазерный луч, имея малый размер поперечного сечения, справляется с неровностями, заполняя трещины и дефекты в зоне обработанного лазерным лучом металла.

Лазерная сварка приводит к образованию сварного шва высокой плотности, в нем не наблюдается пористости, как в других сварочных процессах. Добавим, что высокая скорость перемещения лазерного луча над поверхностью изделия препятствует окислению металла.

В данной технологии используются два типа сварных швов:

Сплошной. Этот тип применяется при сварке труб из нержавеющей стали, где важен высокий уровень герметичности.
Прерывистый. Применяется для соединения малогабаритных конструкций с дефектами на поверхности.

Преимущества и недостатки

Лазерная сварка имеет множество положительных аспектов, благодаря чему востребованность этой технологии значительно возросла. Рассмотрим их более детально:

Гибкость применения: Сварка лазером подходит для обработки широкого спектра материалов — от различных магнитных сплавов до термопластов, стекла и керамики.
Высокая точность: Это технология обеспечивает стабильность траектории пятна нагрева.
Незаметные швы: Размер сварного соединения становится минимальным, что позволяет сделать его практически незаметным.
Низкие температуры вокруг шва: Область около шва не нагревается, что сводит к минимуму деформацию свариваемых элементов.
Безопасность: В процессе не образуются вредные продукты сгорания и рентгеновское излучение.
Химическая чистота процесса: Лазерная сварка не требует использования присадок, что делает её более безопасной.
Доступность труднодоступных мест: Сварка может проводиться на большом расстоянии от источника лазера.
Перенастройка: Быстрая перенастройка оборудования для новых изделий.
Качество швов: Получаемые швы отличаются высоким качеством и прочностью.

Однако перед началом работ по лазерной сварке стоит учитывать и недостатки данной технологии:

Высокая стоимость комплектующих: Инструменты и запасные части для лазерной сварки часто стоят внушительных денег, что ограничивает ее применение в малом бизнесе и для DIY-проектов. Несмотря на то, что некоторые мастера пробуют создавать лазерные аппараты своими руками, это требует наличия специальных знаний и инструкции;
Квалификация обслуживающего персонала: Высокая квалификация специалистов необходима для работы с лазерными установками;
Специфические требования к помещению: Места размещения лазерных установок должны обладать определенными условиями: минимальный уровень запыленности, стабильная влажность и отсутствие вибраций;
Низкий КПД: Для лазерно-дуговых сварочных процессов эффективность очень низкая: около 1% для твердотельных видов и примерно 10% для газовых;
Зависимость от отражающей способности материала: Эффективность может снижаться из-за низкой отражающей способности свариваемого материала.

Условия и способы лазерной сварки

Проведение лазерной сварки металлов требует соблюдения определенных условий и технических характеристик.

Чтобы обеспечить эффективное соединение нержавеющей стали, сплавов и подобного материала, необходимо применять лазерную мощность выше стандартной. В процессе работы важно уделить внимание точной фокусировке луча — он должен быть равномерно направлен через систему линз на рабочую поверхность.

Рисунок 4. Лазерная сварка металлов

Лазерная сварка нержавеющей стали и других металлов может варьироваться по глубине проплавления в зависимости от твердости материала, достигая как неглубокого, так и поверхностного хода — значения настраиваются в зависимости от толщины свариваемых деталей.

Сварка может осуществляться двумя способами:

непрерывным лучом;
прерывистыми импульсами.

Импульсная лазерная сварка является предпочтительным выбором для соединения тонколистовых материалов, толстостенных деталей и сложных профилей.

Методы лазерной сварки могут варьироваться в зависимости от обрабатываемых материалов. Наиболее распространенными являются:

Стыковой метод: Не требует использование дополнительных флюсов или присадок. Размер стыка между металлическими изделиями не превышает 0,2 мм, что является допустимым для корректной фокусировки лазерного луча. Процесс включает «кинжальное» плавление металла в зоне всего его сечения. При этом защиту шва от окисления можно обеспечить с помощью инертного газа — аргоном или азотом, а также гелием для предотвращения неконтролируемого пробоя.
Нахлесточный метод: При этом методе листы накладываются друг на друга, их соединение осуществляется под мощным излучением в процессе прижимания деталей. Зазор между поверхностями должен составлять до 0,2 мм.

10 лучших аккумуляторных болгарок. Как выбрать аккумуляторную болгарку.

Техника безопасности

Правила безопасности при лазерной сварке просты, но обязательны для соблюдения:

Рабочая зона должна быть очищена от посторонних предметов и мусора;
Рабочее помещение должно быть хорошо проветриваемым или оборудованым системой принудительной вентиляции;
Возле рабочего места не должны находиться легко воспламеняющиеся вещества;
Необходима защита глаз, поэтому работа должна проводиться в специализированных защитных очках;
Для предотвращения ожогов рекомендуется носить защитные перчатки на руках.

Как сделать аппарат для лазерной сварки своими руками

Создание простейшего лазерного сварочного аппарата в домашних условиях возможно с использованием доступных компонентов и инструментов. Вам потребуются:

паяльник;
припой и флюс;
детская лазерная указка;
неисправный DVD-привод (который можно использовать на детали);
небольшой отрезок соединительных проводов.

Процесс сборки сварочных аппаратов начинается с разборки DVD-привода и извлечения мощной светодиодной лампы, которая используется для чтения дисков в нормальном режиме работы.

Полученный диод помещается в лазерную указку, заменяя стандартный светодиод. Соединительные провода припаиваются к диоду и выводятся через кнопку указателя к источникам питания. Таким образом, у вас получится простой сварочный аппарат.

Для улучшения функциональности можно подключить к устройству Arduino, серводвигатель и шаговые двигатели.

Что такое лазер

Лазер — это уникальная технология передачи энергии, построенная на основе генерации световых волн определённой длины. По своей конструкции представляет собой полый цилиндр, внутри которого находится кристалл рубина (или аналогичный материал) и устройство, функционирующее подобно катушке.

Лазерная сварка достигается, когда атомная решетка кристалла внутри цилиндра начинает испускать волны одинаковой длины, и этот процесс инициируется благодаря электрическому току, который подается на обмотки катушки. В результате происходит лавинообразная генерация волн на уровне атомов рубина.

Как только достигается максимальная интенсивность, полученный лазерный луч фокусируется на точке с заданным диаметром (целевой мощностью) и направляется на материал.

Принцип лазерного излучения

Процесс лазерной сварки возможен благодаря концепции определенных принципов, среди которых можно выделить:

Принцип однонаправленности: Лазерный луч остается параллельным по всей своей длине, хотя незначительное рассеивание все же возможно, но не влияет на результаты при сварке;
Принцип узкой спектральности: Рубиновый кристалл излучает волны с узким диапазоном спектра, что обеспечивает их фокусировку и концентрацию;
Принцип когерентности: Разные участки теплового поля лазера могут варьироваться, что существенно помогает рассчитывать тепловое воздействие на металл в зависимости от его плотности и толщины.

Виды лазеров

Несмотря на одинаковый результат, лазерное облучение может быть достигнуто различными способами. Сегодня наибольшее распространение имеют твердотельные лазеры и газовые лазеры.

Выбор сварочного аппарата зависит от анализа металла (его толщины, типа, твердости и т.д.), типа желаемого шва (сплошной или точечный) и габаритов самого аппарата.

Все они способны достигнуть нужного результата, однако у каждого варианта есть свои особенности, преимущества и недостатки, которые могут иметь решающее значение.

Твердотельные лазеры

Твердотельные лазеры имеют множество преимуществ, особенно по сравнению с другими типами. Они более компактны и мобильны, что позволяет легко перемещать их и размещать в практически любых условиях.

Твердотельные лазеры могут быть достаточно доступными по цене для малых мастерских или домашних гаражей. Эти устройства характеризуются низким потреблением электроэнергии и отсутствием необходимости в сложных системах питания.

Их максимальная мощность обычно ограничена 5-6 кВт и чаще используется для сварки материалов с малыми или незначительными поперечными сечениями, цветных металлов и органических материалов, таких как оргстекло.

Газовые лазеры для сварки

Газовые лазеры обладают более значительной мощностью, начиная от 15-20 кВт. Это позволяет успешно работать с материалами больших сечений и высокой твердости. Однако высокая мощность также требует большего объема оборудования, включая надежный источник питания, газовые баллоны, насос для транспортировки газовых смесей и сложные системы жидкостного охлаждения.

Такие лазеры применяются в производственных условиях, где требуется высокая скорость сварки, не учитывая размеры и энергопотребление.

Газовые лазеры чаще всего функционируют в атмосферной среде, но с особенностью — когда лазерный луч взаимодействует с металлом, образуется облако паров, вызванное кипением материала. При достаточной интенсивности такая пара может искажать лазерный луч и повлиять на качество сварки. Чтобы предотвратить данный эффект, для создания защитного облака обычно используется аргон.

Особенности газодинамических лазеров

Динамические газовые лазеры считаются наиболее мощными среди лазеров. Их принцип действия основан на нагреве активного вещества, чаще всего монооксида углерода, при высоких температурах. Они применяются исключительно в тяжелой промышленности для обработки крупных деталей из черных металлов.

Основным недостатком этих лазеров является значительный объем оборудования и сложность сварочных процессов.

Использование гибридных установок

Гибридная лазерная сварка характеризуется введением дополнительного материала, в частности сварочной проволоки, в зону сплавления между двумя деталями. Проволока, соединяясь с основным материалом, заполняет зазоры и пространство между свариваемыми элементами.

Интеграция дополнительных присадок облегчает процесс соединения деталей и способствует частичному повышению прочности сварного шва.