Точечная сварка твердотельным лазером часто выполняется с помощью твердотельного лазерного устройства. Однако он подходит для изделий с листовой структурой с диаметром пятна 0,5-0,9 мм. Этот процесс используется для получения катодного тиснения на современном кинескопе в телевизоре.
Лазерная сварка. Часть Первая. Плюсы и минусы
В течение многих лет преобладало мнение, что хороший сварщик никогда не остается без работы и денег. Отчасти это связано с тем, что в последние годы наблюдается явная нехватка опытных специалистов для технических работ, и это относится не только к сварке, но и к изготовителям, ремонтникам, сантехникам и т.д. Процесс сварки выглядит техническим и сложным (и это так) и требует не только знаний, но и опыта.
Как известно, ничто не стоит на месте, когда речь идет о спросе, и сварочная отрасль не является исключением. В последние годы лазерная сварка — процесс соединения металлов путем сварки их отдельных частей с помощью лазерного излучения — переживает бурный расцвет. В большинстве случаев вы только слышите о лазерной сварке и видите, как лазерные сварочные аппараты используются на объектах, требующих высокой точности и аккуратности. Но давайте не будем забегать далеко вперед и перечислять одну деталь за другой.
Зачем нужна сварка лазером?
Технология лазерной сварки пришла на смену традиционной сварке металлов, хотя точнее было бы сказать, что в настоящее время она находится «на подъеме». Хотя лазерная сварка проще, дешевле и зачастую точнее, она по-прежнему требует высокоточного и дорогостоящего оборудования. Существует целый слой экспертов по сварке старым оборудованием, которые делают качественную работу по старинке, электродами — и это прекрасно. Технология лазерной сварки так сильно развилась за столь короткое время, потому что в этой области существует конкуренция.
Поэтому в настоящее время лазерная сварка используется в промышленности для получения неразъемных соединений с высокой точностью и минимальной шириной или толщиной шва. Как следует из названия, материал расплавляется лазерным лучом, генерируемым специальным источником, и обладает свойством монохроматичности. Другими словами, все длины волн этого светового пучка имеют одинаковую длину. Фокусируя и отклоняя луч с помощью зеркал и призм, создается резонанс волн, что значительно увеличивает мощность луча. Затем этот луч нагревает и расплавляет верхние слои металла, создавая прочное структурное соединение на стыке элементов. Без расходных материалов. Конечно, лазерная сварка также является вопросом безопасности, но это все равно, что сравнивать лазерный фанерорез с циркулярной пилой. Оба инструмента могут выполнять резку, но являются ли они равноценными с точки зрения производительности, безопасности и эффективности?
Технологические свойства лазерной сварки
Выше мы очень поверхностно описали принцип лазерной сварки, но если вы хотите лучше понять физические свойства этого процесса, вам необходимо ознакомиться хотя бы с тремя из них. Первый: монохроматичность. Мы уже говорили об этом выше. Чтобы максимально упростить ситуацию, монохроматическое излучение имеет минимальную частотную дисперсию и, в идеальных условиях, имеет только одну частоту волны. Во-вторых, согласованность. Это немного сложнее, потому что в физике мы должны понимать, что это явление означает когерентность волновых процессов. Другими словами, колебания в различных областях лазерного луча происходят одинаково, когерентно и с одинаковой постоянной разностью фаз. И, наконец, в-третьих, направленность. Все очень просто. Процесс лазерной сварки минимизирует рассеивание луча в направлении от источника к свариваемому объекту.
Эти три свойства не только объясняют принцип лазерной сварки, но и делают в принципе возможным использование этой технологии в домашних условиях. На выходе и в сухом состоянии мы имеем синхронизированный световой луч, работающий по волновому принципу со специфической направленностью в определенную область, что обеспечивает чрезвычайно точное и равномерное плавление и последующее охлаждение материала в нужной зоне сварки.
Это интересно! Основное преимущество лазерной сварки заключается в том, что она создает высокоплотное соединение на атомарном уровне, а обычные дефекты, такие как пористость, увеличенная толщина шва и т.д., полностью отсутствуют.
Принцип работы лазерной сварки
Лазерная сварка — это процесс, в котором для соединения деталей используется лазерное излучение. Часть луча отражается от поверхности, а часть проникает внутрь, нагревая и расплавляя материал и создавая сварной шов. Результат — крепкая связь. Луч, генерируемый квантовым лазерным генератором, попадает в фокусирующую систему машины, где он перераспределяется в луч с меньшим поперечным сечением. Лазерный луч превосходит другие источники тепла по концентрации энергии в десять раз (около 10^6 Вт/см2) и позволяет склеивать материалы толщиной от нескольких микрометров до нескольких сантиметров.
Технология применяется для титана, титановых, алюминиевых, магниевых сплавов и различных видов стали. Лазерный луч точно выровнен, что выделяет его из светового пучка. Это объясняется тем, что он одноцветный и целостный. Лазер концентрирует всю тепловую энергию, необходимую для соединения деталей, непосредственно на точке малого диаметра в месте обработки. Эти свойства лазерной сварки позволяют соединять компоненты практически невидимым швом.
Работа не требует вакуума и может проводиться в атмосфере. Часто сварочная ванна защищена аргоном. Но этот газ, взаимодействуя с металлом и лазером, не только плавит металл, но и испаряет его. Это может привести к экранированию луча, отклонению его от намеченного пути и значительному влиянию на точность и качество сварного шва. Дополнительная подача гелия в рабочую зону помогает избежать этого процесса. Этот газ подавляет возможное образование плазмы и препятствует выходу металла. В результате лазерной сварки, процесс которой мы только что описали, получается идеально тонкий, равномерный шов. Процесс автоматизирован и может быть выполнен как с частичным, так и с полным проникновением.
Виды и режимы лазерной сварки
- Твердотельной.
- Газовой.
- Гибридной.
Твердотельная
В твердотельных лазерах активный элемент изготавливается из стекла или алюмоиттриевого граната с добавлением неодима или рубина. Они активируются световым потоком, излучаемым мощными криптоновыми лампами. Эти лазеры могут использоваться как в непрерывном, так и в импульсном режимах. В настоящее время наиболее популярными являются источники волоконного лазера. Они обладают высокой мощностью и просты в эксплуатации.
Газовая
Здесь используются газовые смеси. Это соединения азота, гелия и углекислого газа. Смесь впрыскивается в рабочую зону под давлением 2,6-13 кПа. Активные вещества активируются электрическим разрядом. Гелий и азот обеспечивают стабильную передачу энергии частицам углекислого газа и создают оптимальные условия для поддержания горения разряда.
Гибридная
Гибридная технология сварки сочетает в себе дуговую сварку — сварку металлическим электродом в активном или инертном газе — и лазерную сварку. Это увеличивает подачу тепла, позволяя сваривать высокопрочные стали, которые невозможно сварить другими способами.
Преимущества и недостатки технологии
Как и другие технологии, лазерная сварка имеет свои преимущества и недостатки.
К преимуществам лазерной сварки относятся:
- Есть возможность дозировать поток энергии, подаваемого в рабочую зону. Диапазон регулировки достаточно широкий. Такая особенность позволяет получать качественные сварные соединения деталей разной толщины и конфигурации.
- Большая глубина оплавления при минимальном горизонтальном распространении термического повреждения. Эта особенность технологии позволяет использовать ее при работах с очень мелкими деталями, в частности в радиотехнике.
- Возможность использования для получения сварных швов в труднодоступных местах. Это достигается системой зеркал, способных управлять лазерным лучом, меняя его направление. Эта технология широко используется при работах на подземных или подводных коммуникациях. Внутрь трубопровода помещается специальный постамент, а управление процессом идет извне при помощи радиопередатчика.
- Высокая точность и качество работ. Отклонения от допустимых размеров минимальные при соединении как мелких, так и крупногабаритных деталей. Сварка выполняется без правок и не требует финишной механической обработки. Процесс сопровождается минимальными температурными поводками и короблением материала.
- Высокая эффективность и скорость работ. Сварной шов стального листа толщиной 20 мм выполняется со скоростью 100 м/час и за 1 подход. Для сравнения: аналогичный шов с использованием электрической дуговой сварки делают со скоростью 15 м/час за 5-8 подходов.
- Экологическая чистота процесса. При работах не выделяется никаких опасных веществ, способных нанести вред человеку или окружающей среде.
Его недостатком является низкая эффективность. К недостаткам сварки относятся: ее недостатки — низкое качество.
Технология лазерной сварки
Принцип лазерной сварки основан 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.
Эти свойства увеличивают мощность лазерного луча и обеспечивают точное и дозированное плавление и испарение металлов в зоне сварки. Источник может быть размещен на определенном расстоянии от свариваемой зоны, а в ванне для лазерной сварки не требуется вакуум.
Как же работает лазерная сварка? При соединении изделий с помощью лазерного луча наблюдаются следующие процессы:
- Элементы, которые подготовлены для соединения, плотно соединяются друг с другом вдоль линии будущего соединения.
- Далее на область стыка наводится лазерный луч.
- Включается генератор. Во время этого начинается равномерное разогревание, плавление и испарение частиц на кромках.
- 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! Важно! Однако пористость и другие дефекты, возникающие при других процессах сварки, при этой технологии отсутствуют.
Поскольку лазерный луч движется с высокой скоростью над соединяемыми поверхностями, в процессе сварки не происходит окисления металла. С помощью балки можно выполнять два типа сварных швов — непрерывный и прерывистый. Первый тип используется для сварки труб из нержавеющей стали, где требуется высокая герметичность. Второй тип используется при сварке небольших конструкций с дефектами поверхности.
Преимущества и недостатки
Преимущества лазерной сварки сделали эту технологию популярной и востребованной. Но, как и в других процессах сварки, здесь есть свои недостатки, которые необходимо учитывать заранее.
К преимуществам сварки относятся:
- Сварка лазерным лучом может использоваться для разнообразных материалов — от металлов и магнитных сплавов до термопластов, стекла, керамики.
- Наблюдается высокая точность и стабильность траектории пятна нагревания.
- Небольшой размер сварного соединения. Именно это делает его незаметным.
- Отсутствует нагревание околошовной области. Вследствие этого наблюдается минимальная деформация свариваемых деталей.
- При проведении нагревании не образуются продукты сгорания, не проявляется рентгеновское излучение.
- Высокая химическая чистота сварочного процесса. Это связано с тем, что во время сварки не используются присадки, флюсы, электроды.
- Подходит для сваривания в труднодоступных местах, может применяться на большом удалении от зоны расположения лазера.
- Может применяться для сварки элементов, которые находятся за прозрачными материалами.
- Быстрая перенастройка при переходе на изготовления нового изделия.
- Сварные швы имеют высокое качество и прочность.
Хотя лазерная сварка является востребованным методом, который идеально подходит для ремонта кузовов автомобилей, обработки различных конструкций и металлических изделий, стоит рассмотреть преимущества и недостатки этой технологии. Поскольку мы разобрались с преимуществами, их у него достаточно много, но не стоит забывать и о недостатках.
Особое внимание следует обратить на следующие негативные особенности:
- оборудование лазерной сварки имеет высокую стоимость. Также комплектующие, запасные части стоит достаточно дорого. По этой причине эта технология применяется только на производствах, предприятиях. А некоторые умельца прибегают к изготовлению лазерной сварки своими руками, но это требует некоторых знаний, а также необходимо иметь схемы, чертежи, инструкции;
- лазерно-дуговая сварка обладает низким показателем КПД. Для твердотельных сплавов он составляет 1 %, а для газовых он может составлять 10 %;
- зависимость эффективности сварочного процесса от отражающей способности заготовки;
- высокие требования к квалификации обслуживающего персонала;
- особые требования к помещениям, в которых размещается лазерное оборудование. Это относится к показателям вибрации, влажности и запыленности.
Условия и способы сварки лазером
При лазерной сварке нержавеющей стали, сплавов и материалов необходимо учитывать определенные характеристики. Для достижения большей мощности луча необходима точная фокусировка луча. Когда интенсивность луча увеличивается выше максимального значения, луч попадает в рабочую зону через центральную область переднего зеркала и через систему направляющих призм.
Лазерная сварка нержавеющей стали и других металлов может выполняться на различных частях свариваемых изделий. Глубина проникновения в металлическую структуру может регулироваться в широком диапазоне от поверхности до диаметра. Рабочий процесс может осуществляться с помощью непрерывного луча или с помощью прерывистых импульсов.
Обратите внимание! Лазерная импульсная сварка подходит для соединения и обработки тонких листов. Его также можно использовать для сварки сложных профилей и более толстых деталей без каких-либо проблем.
Стоит отметить, что лазерная сварка алюминия, меди, нержавеющей стали и других металлов может быть выполнена различными способами:
- Стыковой метод. Не требует наличия присадок, флюса. Между металлическими изделиями может присутствовать стык, но его размер должен быть не более 0,2 мм. Этот же показатель считается предельным для фокусировки лазерного луча на стык. Сварочный процесс осуществляется при помощи «кинжальной» проплавления металлических поверхностей на всю толщину, при этом наблюдается интенсивность лазерного излучения до 1 мВт/см2. В данных ситуациях шов требуется защищать от окисления, для этого подойдет аргон или азот. А вот гелий сможет предотвратить пробои лазерного излучения.
- Нахлесточный метод. Во время сваривания листы накладываются друг на друга, их соединение производится мощным излучением. Во время сварки применяется локальный прижим изделий. Предельный зазор между поверхностями металлических изделий при работе должен составлять не более 0,2 мм.
Как работает лазерная сварка
Лазерный луч стабилизирует заготовку следующим образом:
- Соединяемые элементы плотно фиксируется у соединительной линии;
- Лазерный луч направляется на стык;
- Происходит активизация генератора. Устройство равномерно разогревается и затем плавит металлические частицы на кромках. Лишние элементы при данной технологии испаряются.
Лазерный луч имеет небольшое поперечное сечение, поэтому получаемый сплав исправляет неровности, заполняющие трещины и другие дефекты в зоне обработки лазерного луча.
При лазерной сварке получается сварной шов высокой плотности. Для него не характерна пористость, как для других процессов сварки. Кроме того, благодаря высокой скорости перемещения лазерного луча по поверхности изделия, не происходит окисления металла.
В этой технологии используются два типа сварных швов:
- Сплошной. Необходим при сваривании труб из нержавеющей стали. Нужны в операциях, где нужен высокий уровень герметичности
- Прерывистый. Подходит для сварки малых конструкций с поверхностными повреждениями.
Преимущества и недостатки
Лазерная сварка имеет множество преимуществ, поэтому ее востребованность возросла. Давайте рассмотрим их подробнее:
- Сварка лазером подходит для обработки многих материалов: различные магнитные сплавы и сплавы металла, стекло, термопласты, керамика.
- Обладает высокой точностью. Траектория пятна нагревания отличается стабильностью.
- Сварное соединение небольшого размера, из-за чего оно становится незаметным.
- Область около шва не нагревается, поэтому деформация свариваемых элементов минимальна.
- Во время нагревания не выражается рентгеновское излучение и не создаются продукты сгорания.
- У сварочного процесса высокая химическая чистота, так как в процессе сварки не прибегают к дополнительным электродам, флюсам и присадкам.
- Отличный вариант для сварки в труднодоступных местах. Может использоваться на большом расстоянии от области расположения лазера.
- С помощью данной техники можно обработать материалы, которые находятся за прозрачными элементами.
- Может применяться для сварки элементов, которые находятся за прозрачными материалами.
- Созданным во время сварки сварным швам свойственны высокие показатели качества и прочности.
- При переходе на создание нового изделия можно происходит быстрая перенастройка системы.
Рисунок 3. Преимущества и недостатки лазерной сварки
Прежде чем готовиться к лазерной сварке, необходимо знать о недостатках этого вида сварки. Прежде всего, это следующие:
- Высокая стоимость. Инструменты и комплектующие для лазерной сварки относительно дорогие. Это причина, по которой данный тип преимущественно встречается в промышленности и на производстве. Можно попробовать создать оборудование для лазерной сварки самостоятельно, но для этого нужно обладать особыми навыками и знаниями, иметь специальные инструкции и схемы с чертежами.
- Обслуживающий персонал для устройств по лазерной сварке должен обладать высокой квалификацией.
- Также особые требования выдвигаются и к помещениям, где будет размещено оборудование для лазерной сварки. Рассматриваются все показатели — от запыленности до показателей вибрации и влажности.
- Низкий КПД у лазерно-дуговой сварки. В целом, для газовых сплавов он составляет 10%, а для твердотельных — лишь 1.
- Кроме этого, существует высокая зависимость от отражающей способности у самой заготовки. Если она низкая, то такой будет и эффективность.
Условия и способы лазерной сварки
Лазерная сварка металлов имеет различные требования и условия эксплуатации.
Для сварки изделий из нержавеющей стали, металлов и подобных сплавов требуется луч с более высокой мощностью. Во время работы важно обеспечить точную фокусировку луча. Луч направляется через направляющие линзы и центр переднего зеркала на рабочую поверхность, как только интенсивность луча достигает максимального значения.
Рисунок 4. Лазерная сварка металлов
Сварка нержавеющей стали и других металлов также может отличаться по глубине проплавления в зависимости от твердости материала. Она может быть неглубокой, как и поверхность — эти значения корректируются при проникновении в металлические детали.
Сварка выполняется двумя способами:
- непрерывным лучом;
- прерывистыми импульсами.
Импульсная лазерная сварка лучше всего подходит для сварки изделий из тонколистового металла, толстостенных деталей и композитных профилей.
Методы лазерной сварки могут различаться в зависимости от материала. Следующие подходят для нержавеющей стали, алюминия и меди:
- Стыковой метод. Для него не нужны дополнительные присадки или флюс. Размер стыка между металлическими деталями — не более 0,2 мм. Этого достаточно, чтобы создать корректную фокусировку луча лазера на стыке. “Кинжальное” проплавление металла происходит по всей толщине. В случае стыкового способа лазерной сварки на изделии проводится дополнительная защита шва азотом или газом от окисления металла. Интенсивность лазерного излучения до 1 мВт/см2.
- Нахлёсточный метод. В процессе операции происходит наложение металлических листов внахлест. Мощное излучение создает отличное соединение с дополнительным прижимом элементов. Зазор между ними составляет до 0,2 мм.
Техника безопасности
Меры предосторожности при лазерной сварке просты, но их необходимо соблюдать.
- Рабочее место должно быть очищено от посторонних предметов и мусора.
- Само рабочее место должно хорошо проветриваться или быть оборудованным принудительной системой вентиляции.
- Поблизости от рабочего места не должны находиться легковоспламеняющиеся вещества.
- Работа должна проводиться в защитных очках.
- Так как велика опасность получения ожогов, на руки лучше надеть защитные перчатки.
Как сделать аппарат для лазерной сварки своими руками
Простейший лазерный сварочный аппарат может быть построен дома неопытным человеком из набора деталей за копейки. Для его создания вам понадобятся:
- паяльник;
- припой и флюс;
- детская лазерная указка;
- пишущий DVD привод (можно даже неисправный);
- небольшой отрезок соединительных проводов.
Работа над сварочным аппаратом начинается с разборки DVD-привода и извлечения мощной светодиодной лампы, которая используется для удержания дисков в нормальном режиме работы.
Полученный диод устанавливается в лазерную указку, где он заменяет простой светодиод. Соединительные провода припаяны к диоду и ведут через кнопку указателя к батареям. Простой сварочный аппарат готов.
Если вы хотите усовершенствовать эту машину, к ней можно подключить Arduino, серводвигатель и шаговые двигатели.
Что такое лазер
Лазер — это особый вид передачи энергии, основанный на принудительной генерации световых волн определенной длины. Это, конечно же, полый цилиндр с кристаллом рубина (или подобным) внутри и устройством, работающим аналогично катушке.
Лазерная сварка достигается, когда атомная решетка кристалла внутри цилиндра под воздействием электрического тока, подаваемого на обмотку катушки, начинает испускать волны одинаковой длины и лавинообразно перемещает все больше атомов рубина для этого.
После достижения максимальной интенсивности, полученный лазерный луч фокусируется на точке с нужным диаметром (и, соответственно, нужной мощностью) и передается на нужный материал.
Принцип лазерного излучения
Лазерная сварка была бы невозможна как процесс без формулировки определенных принципов:
- принцип одно-направленности – лазерный луч параллелен на всем своем протяжении. Естественное рассеивание конечно присутствует, но его значение настолько мало, что при проведении сварочных работ в расчет не берется;
- принцип малой спектральности – рубиновый кристалл излучает волны настолько малой ширины спектра, что становится возможным их концентрация и фокусировка;
- принцип когерентности – в разных участках луча тепловое поле лазера будет отличаться. Этот принцип очень помогает при расчетах теплового воздействия на свариваемый металл в зависимости от его плотности и толщины стенок.
Виды лазеров
Хотя результат схож, лазерное облучение может быть достигнуто разными способами. Сегодня распространены лазеры на основе твердотельных устройств и так называемые «газовые лазеры».
Выбор сварочного аппарата зависит от анализа металла (толщина, тип, твердость и т.д.), типа требуемого формирования шва (полный шов, лазерная точечная сварка), а также веса и размеров самого аппарата.
В принципе, каждый из них может достичь желаемого результата, но у каждого есть свои особенности, преимущества и недостатки, которые зачастую являются решающими.
Твердотельные лазеры
Твердотельные лазеры имеют много преимуществ, в том числе и перед другими типами. Они более компактны, поэтому их можно легко переносить и размещать практически в любом помещении.
Твердотельные лазеры не дороги, и их может позволить себе даже небольшая мастерская или простой гараж. Лазеры этого типа имеют низкое энергопотребление и не требуют сложной системы питания и стабилизации.
Мощность этих устройств невелика — максимальное значение находится в пределах 5-6 кВт. В основном они используются для сварки металлов с малым и очень малым поперечным сечением, цветных металлов и других низкоплавких материалов (оргстекло и т.д.).
Газовые лазеры для сварки
Газовые лазеры гораздо мощнее вышеперечисленных, их мощность начинается от 15-20 кВт. Такая мощность позволяет продуктивно работать с материалами большого сечения и высокой твердости. Однако большая мощность влечет за собой существенный недостаток — размер.
Для правильной работы газового лазера требуется мощный источник питания, газовый баллон, насос для прокачки газовой смеси, трубка для отвода газа, сложно сконфигурированная система жидкостного охлаждения и множество других тонкостей.
Газовые лазеры в основном используются в производственных цехах и там, где требуется высокая скорость сварки без учета размеров и энергопотребления.
Газовые лазеры обычно работают в атмосферных условиях, но с особенностью: когда лазер попадает на металл, он плавится, а в точке плавления образуется облако пара, так как металл закипает.
Если работа достаточно интенсивна, это облако может исказить луч и повлиять на процесс сварки. Чтобы избежать этого, используется дополнительный газ для создания защитного облака. Обычно в качестве такого газа выбирают аргон.
Особенности газодинамических лазеров
Динамические газовые лазеры — самые мощные из лазерных устройств. Принцип действия этих лазеров основан на нагревании активного вещества — монооксида углерода — при высоких температурах. Они используются исключительно в тяжелой промышленности для обработки громоздких деталей из черных металлов.
Основным недостатком является огромный размер оборудования и сложность самого процесса сварки.
Использование гибридных установок
Гибридная лазерная сварка характеризуется введением третьего материала, в частности сварочной проволоки, в зону сплавления металла двух деталей. Проволока сплавляется с собственной массой и заполняет зазоры и пространства между свариваемыми деталями.
Использование дополнительных присадок упрощает процесс соединения деталей и частично повышает прочность сварного шва.
